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Les tiroirs du numéro 6

Le verdict du « Vrai ou légende », la distance restante qui répond au bonus de Napier, les deux millions de termes de la série alternée, et les deux défis du numéro : les trente premiers chiffres de tête des puissances de 2, et l'irrationalité de log 2 en trois lignes.

Les Coulisses n°6, L’envers des tables, ont laissé plusieurs questions en suspens et renvoyé leurs réponses ici. Les voici toutes, sans rien garder en réserve. Chaque valeur numérique a été recalculée.

Vrai ou légende : le quart d’heure de silence

L’affirmation à trancher, posée au bas de la pièce 48 :

Lors de leur première rencontre à Édimbourg, Napier et Briggs seraient restés un quart d’heure face à face, muets d’admiration, avant qu’un seul mot ne soit prononcé.

Le verdict : légende

Pas une légende fausse, une légende invérifiable, ce qui est différent et plus intéressant.

Les faits solides d’abord. Henry Briggs lit la Descriptio dès sa parution en 1614, s’enthousiasme, écrit, et fait effectivement le voyage de Londres à Édimbourg, quatre cents milles à cheval, à l’été 1615, puis une seconde fois en 1616. Les deux hommes se rencontrent, discutent, et de cette rencontre sort la décision qui a changé le calcul : refonder les logarithmes en imposant log⁡1=0\log 1 = 0 et log⁡10=1\log 10 = 1. Cela, personne ne le conteste.

La scène du quart d’heure, elle, ne repose que sur une seule source, et elle est tardive. C’est William Lilly qui la rapporte, dans une autobiographie rédigée vers 1668, plus d’un demi-siècle après les faits, et publiée seulement en 1715 ; encore ne prétend-il pas avoir assisté à la scène, il se réclame du récit d’un tiers, John Marr, qui aurait été présent. Lilly est un personnage haut en couleur : il est le plus célèbre astrologue anglais de son siècle, auteur de prédictions à sensation, et son livre est un livre de souvenirs, pas un document d’archive. Il rapporte la scène avec un luxe de détails qui devrait alerter : les deux hommes se regardent, personne ne parle, et Briggs finit par prononcer un compliment parfaitement tourné sur le voyage entrepris pour voir l’homme qui avait trouvé les logarithmes.

Aucune lettre, aucun journal, aucun témoignage contemporain ne confirme quoi que ce soit du quart d’heure. Et une anecdote qui n’a qu’une source, arrivée cinquante ans plus tard, par un intermédiaire, sous la plume d’un homme qui vit de récits frappants, a toutes les caractéristiques de ce que les historiens appellent une légende dorée : trop belle pour être écartée, trop seule pour être crue.

Le verdict raisonnable tient donc en deux points. La rencontre : historique. Le quart d’heure de silence : invérifiable, probablement embelli, et à raconter avec le sourire, en disant d’où il vient. C’est d’ailleurs la meilleure façon de le raconter, parce que la vraie histoire est plus étonnante que l’anecdote : un professeur de Londres traverse la Grande-Bretagne à cheval pour aller convaincre un baron écossais que son invention géniale a la mauvaise constante, et le baron lui donne raison.

Le bonus de la pièce 48 : où le point libre a-t-il parcouru 10710^7 ?

La question. Le logarithme de Napier est défini par

∀x∈]0 ;107],NapLog(x)=107ln⁡107x,\forall x \in \left]0\,;10^{7}\right], \quad \mathrm{NapLog}(x) = 10^{7} \ln \frac{10^{7}}{x},

et l’on cherche la distance restante xx pour laquelle NapLog(x)=107\mathrm{NapLog}(x) = 10^{7}, c’est-à-dire l’instant où le point libre a parcouru exactement la longueur du segment.

La résolution, en trois égalités équivalentes, la fonction ln⁡\ln étant strictement croissante donc injective sur ]0 ;+∞[\left]0\,;+\infty\right[ :

107ln⁡107x=107  ⟺  ln⁡107x=1  ⟺  107x=e,10^{7} \ln \frac{10^{7}}{x} = 10^{7} \iff \ln \frac{10^{7}}{x} = 1 \iff \frac{10^{7}}{x} = \mathrm{e},

d’où

 x=107e≈3 678 794,4 \boxed{\ x = \frac{10^{7}}{\mathrm{e}} \approx 3\,678\,794{,}4\ }

Voilà l’élégance annoncée : le nombre e\mathrm{e} apparaît dans une construction de 1614, alors que personne, à Merchiston, n’avait entendu parler de l’exponentielle. Il est là parce que la définition de Napier est une équation différentielle déguisée : un mobile dont la vitesse est proportionnelle à ce qui lui reste à parcourir est divisé par e\mathrm{e} pendant que son concurrent parcourt une longueur de segment entière. La page consacrée aux vingt années de Napier développe ce que cela signifie pour ses tables.

Le bonus de la pièce 50 : combien de termes pour six décimales de ln⁡2\ln 2 ?

La question porte sur la série de Mercator prise en x=1x = 1 :

ln⁡2=1−12+13−14+⋯\ln 2 = 1 - \frac12 + \frac13 - \frac14 + \cdots

L’erreur commise en tronquant après NN termes est majorée par le premier terme négligé, 1N+1\frac{1}{N+1}. « Garantir six décimales » signifie garantir une erreur strictement inférieure à 5×10−75 \times 10^{-7}, la moitié d’une unité du sixième rang, seuil qui assure l’arrondi correct. La condition s’écrit donc

1N+1<5×10−7  ⟺  N+1>2×106  ⟺  N>1 999 999,\frac{1}{N+1} < 5 \times 10^{-7} \iff N + 1 > 2 \times 10^{6} \iff N > 1\,999\,999,

et comme NN est entier :

 N⩾2 000 000 \boxed{\ N \geqslant 2\,000\,000\ }

Le seuil est serré, et il vaut la peine de le regarder de près : pour N=1 999 999N = 1\,999\,999, le majorant vaut exactement 12 000 000=5×10−7\frac{1}{2\,000\,000} = 5 \times 10^{-7}, donc il ne permet pas de conclure ; il faut un terme de plus. Deux millions de termes pour six décimales.

Ce n’est pas seulement une majoration pessimiste. La vraie erreur, mesurée, se comporte comme 12N\frac{1}{2N}, ce qui ne change rien à l’ordre de grandeur : l’erreur réelle après un million de termes vaut 5,0000×10−75{,}0000 \times 10^{-7}, et après deux millions 2,5000×10−72{,}5000 \times 10^{-7}. La série alternée est donc à peu près deux fois meilleure que son majorant, et c’est tout ce qu’on peut en tirer.

Termes sommésErreur réelle sur ln⁡2\ln 2
10104,75×10−24{,}75 \times 10^{-2}
1001004,98×10−34{,}98 \times 10^{-3}
1 0001\,0005,00×10−45{,}00 \times 10^{-4}
10 00010\,0005,00×10−55{,}00 \times 10^{-5}
10610^{6}5,00×10−75{,}00 \times 10^{-7}

Chaque décimale coûte dix fois plus de termes que la précédente. La colonne de droite est presque exactement 12N\frac{1}{2N}, et c’est ce que dit l’exergue de la pièce 50 : une formule exacte n’est pas encore un algorithme. Le duel chronométré contre la série accélérée, avec les deux scripts, est mené dans la page des sorties de l’Atelier.

Premier défi : les chiffres de tête de 212^1 à 2302^{30}

La liste complète, calculée en entiers exacts.

nn2n2^{n}Têtenn2n2^{n}Tête
112222161665 53665\,53666
2244441717131 072131\,07211
3388881818262 144262\,14422
441616111919524 288524\,28855
5532323320201 048 5761\,048\,57611
6664646621212 097 1522\,097\,15222
771281281122224 194 3044\,194\,30444
882562562223238 388 6088\,388\,60888
9951251255242416 777 21616\,777\,21611
10101 0241\,02411252533 554 43233\,554\,43233
11112 0482\,04822262667 108 86467\,108\,86466
12124 0964\,096442727134 217 728134\,217\,72811
13138 1928\,192882828268 435 456268\,435\,45622
141416 38416\,384112929536 870 912536\,870\,91255
151532 76832\,7683330301 073 741 8241\,073\,741\,82411

Le compte des chiffres de tête sur ces trente premières puissances :

Tête112233445566778899
Effectif996633333333003300

Neuf têtes de 11 sur trente, soit 30 %30\,\%. La loi de Benford en prédit 30×log⁡2=9,0330 \times \log 2 = 9{,}03. Sur un échantillon de trente valeurs, le hasard aurait pu faire n’importe quoi, et il tombe à trois centièmes de la prédiction.

Deux détails méritent le coup d’œil. D’abord, les chiffres 77 et 99 sont totalement absents : c’est la queue de l’escalier de Benford, celle des chiffres rares, et trente tirages ne suffisent pas à la peupler. Ensuite, la colonne des têtes est presque périodique de période 1010 : les têtes de 24,214,2242^{4}, 2^{14}, 2^{24} valent toutes 11, celles de 25,215,2252^{5}, 2^{15}, 2^{25} valent toutes 33. La raison est que 210=10242^{10} = 1024 vaut à peine plus que 10001000 : multiplier par 2102^{10}, c’est presque décaler la virgule de trois rangs, et le motif se répète en dérivant très lentement. Il finit par dériver quand même, et c’est cette dérive qui, à la longue, redistribue les têtes selon la loi.

Second défi : log⁡2\log 2 est irrationnel

Le défi demandait trois lignes, sans limite ni analyse. Les voici.

Démonstration. Supposons log⁡2\log 2 rationnel. Comme 1<2<101 < 2 < 10 et que log⁡\log est strictement croissante, 0<log⁡2<10 < \log 2 < 1, donc il existe deux entiers pp et qq avec 1⩽p<q1 \leqslant p < q et log⁡2=pq\log 2 = \dfrac{p}{q}.

Par définition du logarithme décimal, log⁡2=pq\log 2 = \frac{p}{q} équivaut à 2=10p/q2 = 10^{p/q}, donc, en élevant à la puissance qq :

2q=10p.2^{q} = 10^{p}.

Or p⩾1p \geqslant 1, donc 10p=2p×5p10^{p} = 2^{p} \times 5^{p} est divisible par 55, tandis que 2q2^{q} ne l’est pas : 55 est premier, et le seul facteur premier de 2q2^{q} est 22. L’égalité 2q=10p2^{q} = 10^{p} est donc impossible, et l’hypothèse de départ est absurde.

 log⁡2∉Q \boxed{\ \log 2 \notin \mathbb{Q}\ }

Trois lignes, et pas la moindre analyse : le raisonnement est purement arithmétique, et il repose entièrement sur l’unicité de la décomposition en facteurs premiers. On peut le résumer d’une phrase : une puissance de deux ne finit jamais par un zéro.

Le même raisonnement, appuyé sur l’unicité de la décomposition en facteurs premiers, montre que log⁡n\log n est irrationnel dès que nn n’est pas une puissance de 1010, et c’est ce que classe l’exercice 27 de l’Atelier, Aucune fraction.

Et cette irrationalité n’est pas une curiosité isolée : c’est elle qui fait tenir la loi de Benford sur les puissances de 22, par le théorème d’équirépartition de Weyl. Un énoncé d’arithmétique de trois lignes gouverne une statistique sur dix mille nombres de trois mille chiffres. Le détail est raconté dans la page des pages sales.

Sources

  • Coulisses n°6, pièces 48, 50 et 51, et leurs encadrés Bonus.
  • Sur la rencontre d’Édimbourg : W. Lilly, History of His Life and Times, publié en 1715 d’après un manuscrit de 1668 ; l’anecdote est reprise par presque toutes les histoires des logarithmes, généralement sans mention de sa source unique. Les archives Napier et Briggs ne la corroborent pas.
  • Atelier F3, exercices 27 Aucune fraction et 31 Le premier chiffre du géant.
  • Valeurs recalculées en Python : 107/e10^{7}/\mathrm{e} et les sommes partielles en arithmétique décimale à quarante chiffres, les chiffres de tête sur les entiers exacts.
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