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Nombres · 4 affiches · formule n° 14

La fonction zêta de Riemann

La fonction zêta additionne les inverses des puissances des entiers, et cette somme s’écrit aussi comme un produit sur les nombres premiers. Ses zéros gouvernent la répartition des nombres premiers ; leur position exacte est l’hypothèse de Riemann.

Voir les 4 affiches 7 contrôles par le calcul

Pour Re(s)>1\mathrm{Re}(s) > 1, puis prolongée. Dessin : le chemin de ζ(12+it)\zeta(\frac{1}{2} + it) pour tt de 0 à 50 ; il passe par 0 à chaque zéro. Que tous les zéros non triviaux soient sur cette droite reste une conjecture.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Pour tout nombre complexe ss de partie réelle strictement supérieure à 1, c’est-à-dire Re(s)>1\mathrm{Re}(s) > 1 :

ζ(s)=∑n=1∞1ns=∏p premier11−p−s\zeta(s) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^s} = \prod_{p\ \text{premier}} \frac{1}{1 - p^{-s}}
  • ζ\zeta (la lettre grecque zêta) est le nom de la fonction.
  • ss est la variable. Elle peut être un simple nombre réel, comme s=2s = 2, ou un nombre complexe s=σ+its = \sigma + it, où σ=Re(s)\sigma = \mathrm{Re}(s) est la partie réelle et tt la partie imaginaire.
  • ∑n=1∞1ns\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^s} est la somme infinie 1+12s+13s+⋯1 + \frac{1}{2^s} + \frac{1}{3^s} + \cdots. Elle converge seulement si Re(s)>1\mathrm{Re}(s) > 1 : pour s=1s = 1, on obtient la série harmonique, qui diverge.
  • ∏p premier\prod_{p\ \text{premier}} désigne un produit infini, pris sur tous les nombres premiers p=2,3,5,7,11…p = 2, 3, 5, 7, 11\ldots C’est le produit eulérien.

L’égalité entre la somme et le produit relie deux mondes : à gauche, tous les entiers ; à droite, les seuls nombres premiers.

Au-delà de Re(s)>1\mathrm{Re}(s) > 1. La série n’a plus de sens, mais la fonction se prolonge de façon unique à tout le plan complexe, sauf en s=1s = 1, où elle a un pôle (elle « devient infinie »). C’est ce prolongement qu’on appelle encore ζ\zeta. Il s’annule aux entiers pairs négatifs −2,−4,−6,…-2, -4, -6, \ldots : ce sont les zéros triviaux. Tous les autres zéros, dits non triviaux, sont situés dans la bande critique 0<Re(s)<10 < \mathrm{Re}(s) < 1.

L’hypothèse de Riemann affirme que tous les zéros non triviaux ont une partie réelle exactement égale à 12\frac{1}{2}, c’est-à-dire qu’ils sont tous sur la droite Re(s)=12\mathrm{Re}(s) = \frac{1}{2}. Elle n’est pas démontrée. Le premier de ces zéros, en partant de l’axe réel vers le haut, est environ 12+14,134725i\frac{1}{2} + 14{,}134725\,i.

Un exemple

Prenons s=2s = 2. Euler a montré que ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}, soit environ 1,644934.

  • Avec la somme : les 10 premiers termes donnent environ 1,549767 ; les 1 000 premiers, environ 1,643934. La somme approche lentement π26\frac{\pi^2}{6}.
  • Avec le produit, sur les nombres premiers 2, 3, 5 et 7 :
11−14×11−19×11−125×11−149=43×98×2524×4948=1225768,\frac{1}{1 - \frac{1}{4}} \times \frac{1}{1 - \frac{1}{9}} \times \frac{1}{1 - \frac{1}{25}} \times \frac{1}{1 - \frac{1}{49}} = \frac{4}{3} \times \frac{9}{8} \times \frac{25}{24} \times \frac{49}{48} = \frac{1\,225}{768},

soit environ 1,595052. Avec les 25 nombres premiers inférieurs à 100, le produit vaut environ 1,641945.

Les deux calculs s’approchent de la même limite, ce que garantit la formule. De la même façon, ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}, environ 1,082323.

Pourquoi les zéros comptent. Le théorème des nombres premiers dit que le nombre π(x)\pi(x) de nombres premiers inférieurs ou égaux à xx est équivalent à xln⁡x\frac{x}{\ln x}. Une bien meilleure approximation est l’intégrale Li(x)=∫2xdtln⁡t\mathrm{Li}(x) = \int_2^x \frac{\mathrm{d}t}{\ln t} (une forme du « logarithme intégral »). Pour x=1000000x = 1\,000\,000, on compte exactement 78 498 nombres premiers ; xln⁡x\frac{x}{\ln x} vaut environ 72 382 et Li(x)\mathrm{Li}(x) environ 78 626. Riemann a donné une formule, rendue rigoureuse plus tard, qui exprime l’écart entre π(x)\pi(x) et son approximation à l’aide des zéros non triviaux de ζ\zeta. Plus leurs parties réelles sont petites, plus cet écart est petit ; or, les zéros étant symétriques par rapport à la droite Re(s)=12\mathrm{Re}(s) = \frac{1}{2}, le mieux possible est qu’ils soient tous dessus. C’est pourquoi leur position importe tant.

Pourquoi c’est vrai

L’égalité entre la somme et le produit, prouvée par Euler pour ss réel, repose sur un crible. Voici l’idée pour s>1s > 1 réel.

Multiplions ζ(s)\zeta(s) par (1−12s)\left(1 - \frac{1}{2^s}\right). Comme 12sζ(s)=12s+14s+16s+⋯\frac{1}{2^s}\zeta(s) = \frac{1}{2^s} + \frac{1}{4^s} + \frac{1}{6^s} + \cdots, la soustraction fait disparaître tous les termes d’indice pair :

(1−12s)ζ(s)=1+13s+15s+17s+⋯\left(1 - \frac{1}{2^s}\right)\zeta(s) = 1 + \frac{1}{3^s} + \frac{1}{5^s} + \frac{1}{7^s} + \cdots

Multiplions ensuite par (1−13s)\left(1 - \frac{1}{3^s}\right) : les multiples de 3 disparaissent à leur tour. En recommençant avec 5, 7, 11…, on élimine tous les entiers supérieurs à 1, puisque chacun a au moins un facteur premier. Il ne reste que le terme 1, d’où ζ(s)∏p(1−p−s)=1\zeta(s) \prod_p (1 - p^{-s}) = 1.

Ce raisonnement utilise le fait que tout entier se décompose de façon unique en produit de nombres premiers. Pour en faire une preuve complète, on montre que l’erreur commise en s’arrêtant aux premiers inférieurs à NN tend vers 0, ce qui demande Re(s)>1\mathrm{Re}(s) > 1.

Le prolongement, l’existence des zéros triviaux et la symétrie des zéros non triviaux autour de la droite Re(s)=12\mathrm{Re}(s) = \frac{1}{2} découlent d’une équation fonctionnelle qui relie ζ(s)\zeta(s) à ζ(1−s)\zeta(1 - s). Sa démonstration dépasse le cadre de cette page.

Un peu d’histoire

Euler établit le produit eulérien en 1737, quelques années après avoir trouvé ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6} (le problème de Bâle). En 1859, Bernhard Riemann publie un court mémoire, Ueber die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Grösse (« Sur le nombre de nombres premiers inférieurs à une grandeur donnée »). Il y étudie ζ\zeta comme fonction d’une variable complexe, relie ses zéros au décompte des nombres premiers, et y formule la conjecture qui porte son nom.

En 1896, Jacques Hadamard et Charles-Jean de La Vallée Poussin démontrent indépendamment le théorème des nombres premiers. L’étape clé est de prouver que ζ\zeta n’a aucun zéro sur la droite Re(s)=1\mathrm{Re}(s) = 1.

En 1900, David Hilbert place l’hypothèse de Riemann dans sa liste de 23 problèmes (8e problème). En 1914, Godfrey Harold Hardy prouve qu’une infinité de zéros sont sur la droite Re(s)=12\mathrm{Re}(s) = \frac{1}{2}, ce qui ne dit pas qu’ils y sont tous. Le 24 mai 2000, le Clay Mathematics Institute en fait l’un de ses sept problèmes du prix du millénaire, doté d’un million de dollars. Selon cet institut, les dix mille milliards (101310^{13}) premiers zéros ont été vérifiés : ils sont tous sur la droite. Aucune vérification numérique, aussi longue soit-elle, ne constitue une démonstration.

Ce que montre l’affiche

Le dessin suit la valeur de ζ(12+it)\zeta\left(\frac{1}{2} + it\right) quand tt va de 0 à 50, c’est-à-dire quand on remonte la droite critique. Chaque valeur est un nombre complexe, placé comme un point du plan ; le programme de l’atelier en calcule 5 001 et les relie, en changeant progressivement de couleur avec tt. Le point marqué au centre est l’origine : la courbe y repasse à chacun des zéros rencontrés, dix sur cet intervalle. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • ζ(2) = π²/6 (algorithme du dessin)obtenu 1.644934066848226, attendu 1.6449340668482264, écart 2.70e-16 (tolérance 1e-12)
  • ζ(4) = π⁴/90obtenu 1.0823232337111381, attendu 1.082323233711138, écart 2.05e-16 (tolérance 1e-12)
  • produit eulérien (premiers ≤ 100 000) = Σ 1/n³ pour s = 3obtenu 1.2020569031551838, attendu 1.2020569031595936, écart 3.67e-12 (tolérance 1e-9)
  • |ζ(1/2 + 14.134725 i)| ≈ 0|ζ| = 2.81e-15
  • |ζ(1/2 + 21.022040 i)| ≈ 0|ζ| = 1.25e-15
  • |ζ(1/2 + 25.010858 i)| ≈ 0|ζ| = 3.25e-15
  • |ζ(1/2 + 49.773832 i)| ≈ 0|ζ| = 4.79e-15

Sources

Questions fréquentes

Qu’est-ce que l’hypothèse de Riemann en termes simples ?

Elle affirme que tous les zéros « non triviaux » de la fonction zêta sont alignés sur une même droite, celle des nombres complexes de partie réelle 1/2. Si elle est vraie, le nombre de nombres premiers inférieurs à x s’écarte peu de son estimation classique : l’écart reste de l’ordre de √x × ln x (équivalence établie par von Koch en 1901).

L’hypothèse de Riemann a-t-elle été démontrée ?

Non. Elle reste ouverte et fait partie des sept problèmes du prix du millénaire du Clay Mathematics Institute, dotés d’un million de dollars chacun.

Que sont les zéros triviaux de la fonction zêta ?

Ce sont les entiers pairs négatifs −2, −4, −6, etc., où la fonction prolongée s’annule. On les appelle triviaux parce qu’ils se déduisent directement de l’équation fonctionnelle.

Est-il vrai que 1 + 2 + 3 + 4 + … = −1/12 ?

Pas au sens usuel : cette somme tend vers l’infini. La valeur ζ(−1) = −1/12 est celle de la fonction prolongée, alors que la série qui définit ζ n’a de sens que pour Re(s) > 1.

Que vaut ζ(2) ?

ζ(2) = π²/6, environ 1,644934, comme l’a montré Euler en résolvant le problème de Bâle. On connaît de même toutes les valeurs ζ(2k) aux entiers pairs positifs ; pour ζ(3), on sait seulement depuis Apéry (1978) qu’il est irrationnel.