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Nombres · 4 affiches · formule n° 8

Le nombre e

Le nombre e, environ 2,718, s’obtient de deux façons : en additionnant 1 + 1 + 1/2 + 1/6 + 1/24 + …, ou comme limite de (1 + 1/n)^n quand n grandit. C’est la base de l’exponentielle et des logarithmes népériens.

Voir les 4 affiches 3 contrôles par le calcul

Deux chemins vers le même nombre. Dessin : les sommes 1+1+12+16+⋯1 + 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{6} + \cdots (points du haut) et les valeurs de (1+1n)n(1 + \frac{1}{n})^n (points du bas) montent vers ee.

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

La formule donne deux définitions du même nombre et affirme qu’elles coïncident :

e=∑n=0∞1n!=limn→∞(1+1n)ne = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!} = \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac{1}{n}\right)^{n}
  • nn est un entier naturel. Dans la limite, nn prend les valeurs 1,2,3,…1, 2, 3, \ldots et devient aussi grand que l’on veut.
  • n!n! (« factorielle nn ») est le produit 1×2×⋯×n1 \times 2 \times \cdots \times n, avec la convention 0!=10! = 1. Ainsi 3!=63! = 6 et 4!=244! = 24.
  • ∑n=0∞\sum_{n=0}^{\infty} désigne une somme infinie : c’est la limite des sommes partielles 1+1+12!+⋯+1N!1 + 1 + \frac{1}{2!} + \cdots + \frac{1}{N!} quand NN grandit.
  • limn→∞\lim_{n\to\infty} désigne la valeur dont (1+1n)n\left(1 + \frac{1}{n}\right)^{n} s’approche autant que l’on veut quand nn devient très grand.

Ce nombre vaut e≈2,718281828459045…e \approx 2{,}718\,281\,828\,459\,045\ldots Il n’est pas une fraction (il est irrationnel) et n’est solution d’aucune équation polynomiale à coefficients entiers (il est transcendant). Les deux définitions se généralisent à tout nombre réel xx : ex=∑n=0∞xnn!=limn→∞(1+xn)ne^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac{x}{n}\right)^{n}, et la formule de l’affiche correspond au cas x=1x = 1. C’est la base de la fonction exponentielle : x↦exx \mapsto e^x est l’unique fonction dérivable égale à sa dérivée et valant 11 en 00. Le logarithme népérien ln\ln est le logarithme de base ee : ln⁡e=1\ln e = 1.

Un exemple

Les intérêts composés. Placez 1 € à un taux de 100 % par an.

  • Intérêts versés une fois par an : vous obtenez 1+1=21 + 1 = 2 €.
  • Deux fois par an, à 50 % chaque semestre : 1,52=2,251{,}5^2 = 2{,}25 €.
  • Chaque mois, à 112\frac{1}{12} de 100 % : (1+112)12≈2,6130\left(1 + \frac{1}{12}\right)^{12} \approx 2{,}6130 €.
  • Chaque jour, sur 365 jours : (1+1365)365≈2,7145\left(1 + \frac{1}{365}\right)^{365} \approx 2{,}7145 €.

Plus les versements sont fréquents, plus le capital final grandit, mais il ne dépasse jamais e≈2,7182e \approx 2{,}7182 € : c’est la valeur limite, celle d’intérêts « composés en continu ».

La somme des inverses des factorielles. Additionnons les premiers termes : 1+1=21 + 1 = 2 ; +12=2,5+\frac{1}{2} = 2{,}5 ; +16≈2,6666+\frac{1}{6} \approx 2{,}6666 ; +124≈2,7083+\frac{1}{24} \approx 2{,}7083 ; +1120≈2,7166+\frac{1}{120} \approx 2{,}7166 ; +1720≈2,7180+\frac{1}{720} \approx 2{,}7180. Avec les onze termes de 10!\frac{1}{0!} à 110!\frac{1}{10!}, on obtient environ 2,7182818012{,}718\,281\,801, soit sept décimales justes. À l’inverse, (1+1n)n\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n converge lentement : même pour n=1000n = 1\,000, on n’obtient qu’environ 2,71692{,}7169.

Un exemple de probabilités. Le nombre ee apparaît aussi, à travers 1e≈0,3678\frac{1}{e} \approx 0{,}3678, dans des questions de hasard. Si vous avez une chance sur 100100 de gagner à chaque partie et que vous jouez 100100 parties indépendantes, la probabilité de ne jamais gagner vaut 0,99100≈0,36600{,}99^{100} \approx 0{,}3660, déjà proche de 1e\frac{1}{e} : en effet, (1−1n)n\left(1 - \frac{1}{n}\right)^n tend vers 1e\frac{1}{e} quand nn grandit. Autre exemple : dix personnes déposent chacune un papier à leur nom dans un chapeau, puis en tirent un au hasard. La probabilité que personne ne tire son propre nom vaut 13349613628800≈0,3678794\frac{1\,334\,961}{3\,628\,800} \approx 0{,}367\,879\,4, qui coïncide avec 1e\frac{1}{e} sur ses sept premières décimales.

Pourquoi c’est vrai

Notons SN=∑k=0N1k!S_N = \sum_{k=0}^{N} \frac{1}{k!} et un=(1+1n)nu_n = \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n.

1. La somme infinie existe. Pour k≥1k \geq 1, on a k!≥2k−1k! \geq 2^{k-1}, donc 1k!≤12k−1\frac{1}{k!} \leq \frac{1}{2^{k-1}}. Les sommes SNS_N augmentent et restent inférieures à 1+(1+12+14+⋯)=31 + \left(1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \cdots\right) = 3. Elles ont donc une limite SS.

2. On développe unu_n. Par la formule du binôme,

un=∑k=0n(nk)1nk=∑k=0n1k!(1−1n)(1−2n)⋯(1−k−1n).u_n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k}\frac{1}{n^k} = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!}\left(1 - \frac{1}{n}\right)\left(1 - \frac{2}{n}\right)\cdots\left(1 - \frac{k-1}{n}\right).

Chaque parenthèse est comprise entre 00 et 11, donc chaque terme est au plus 1k!\frac{1}{k!} : on obtient un≤Sn≤Su_n \leq S_n \leq S.

3. On minore unu_n. Fixons un entier mm. Pour n≥mn \geq m, en ne gardant que les termes jusqu’à k=mk = m, unu_n est au moins égal à ∑k=0m1k!(1−1n)⋯(1−k−1n)\sum_{k=0}^{m} \frac{1}{k!}\left(1 - \frac{1}{n}\right)\cdots\left(1 - \frac{k-1}{n}\right). Quand nn grandit, cette somme finie tend vers SmS_m. Comme SmS_m est aussi proche de SS qu’on le veut pour mm assez grand, unu_n finit par être aussi proche de SS qu’on le veut, tout en restant au plus égal à SS. Donc unu_n tend vers SS : les deux définitions donnent le même nombre.

4. Pourquoi la somme converge si vite. Ce qui manque à SNS_N pour atteindre ee est 1(N+1)!+1(N+2)!+⋯\frac{1}{(N+1)!} + \frac{1}{(N+2)!} + \cdots, qui est inférieur à 1(N+1)!(1+1N+1+1(N+1)2+⋯)=1N!N\frac{1}{(N+1)!}\left(1 + \frac{1}{N+1} + \frac{1}{(N+1)^2} + \cdots\right) = \frac{1}{N!\,N}. Pour N=10N = 10, cette borne vaut environ 2,75×10−82{,}75 \times 10^{-8}, et l’écart réel est d’environ 2,73×10−82{,}73 \times 10^{-8}.

La même somme montre aussi que ee est irrationnel : voir la FAQ ci-dessous.

Un peu d’histoire

Des calculs qui font intervenir ce nombre, sans le nommer, figurent dès 1618 dans une table annexée à un ouvrage de John Napier (Neper) sur les logarithmes. En référence à ces logarithmes, on l’appelle aussi, en français, nombre de Néper ou constante de Néper, bien que Napier ne l’ait pas nommé. En 1683, Jacques Bernoulli rencontre la limite de (1+1n)n\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n en étudiant les intérêts composés.

La lettre ee vient de Leonhard Euler. Il l’emploie dès 1727 ou 1728 dans un manuscrit resté inédit, puis dans une lettre à Christian Goldbach en 1731 ; sa première apparition imprimée se trouve dans sa Mechanica (1736). On ne sait pas avec certitude pourquoi il a choisi cette lettre. Euler établit aussi l’égalité avec la somme des 1n!\frac{1}{n!} et montre en 1737, à l’aide des fractions continues, que ee est irrationnel.

En 1873, Charles Hermite démontre que ee est transcendant. C’est le premier nombre dont on ait prouvé la transcendance sans l’avoir construit exprès pour cela. En 1882, Ferdinand von Lindemann s’inspire de sa méthode pour prouver que π\pi est transcendant à son tour.

Ce que montre l’affiche

Le dessin met côte à côte les deux chemins de la formule, calculés terme à terme par le programme pour n=1n = 1 à 3030. Les points du haut sont les sommes 1+11 + 1, 1+1+121 + 1 + \frac{1}{2}, 1+1+12+161 + 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{6}… : partis de 22, ils rejoignent la ligne horizontale marquée ee en quelques pas. Les points du bas, portés par des barres verticales, sont les valeurs de (1+1n)n\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n : ils montent lentement, de 22 à environ 2,6742{,}674 pour n=30n = 30, sans jamais atteindre la ligne. 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

  • Σ 1/n! (25 termes) = eobtenu 2.7182818284590455, attendu 2.718281828459045, écart 1.63e-16 (tolérance 1e-15)
  • (1 + 1/n)ⁿ pour n = 10⁸ ≈ e (à 10⁻⁷ près)obtenu 2.7182818148676366, attendu 2.718281828459045, écart 5.00e-9 (tolérance 1e-7)
  • décimales affichées = OEIS A001113 (2,7182818284…)

Sources

Questions fréquentes

Combien vaut le nombre e ?

e≈2,718281828459045…e \approx 2{,}718\,281\,828\,459\,045\ldots Ses décimales ne s’arrêtent jamais et ne se répètent pas périodiquement, puisque ee est irrationnel.

Pourquoi appelle-t-on ce nombre e ?

La notation vient d’Euler, qui l’utilise dès 1727 ou 1728 et la fait imprimer en 1736. On ignore pourquoi il a choisi cette lettre ; l’idée qu’il l’aurait prise pour l’initiale de son nom n’est pas établie.

Quel est le lien entre e, l’exponentielle et ln ?

La fonction exponentielle est x↦exx \mapsto e^x, et le logarithme népérien ln\ln est sa réciproque : ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x. En particulier e1=ee^1 = e et ln⁡e=1\ln e = 1.

Comment prouver que e est irrationnel ?

Si l’on avait e=p/qe = p/q avec des entiers, le nombre q!(e−Sq)q!\,(e - S_q), où Sq=∑k=0q1k!S_q = \sum_{k=0}^{q} \frac{1}{k!}, serait un entier. Or il est strictement compris entre 00 et 1q≤1\frac{1}{q} \leq 1, puisqu’il vaut 1q+1+1(q+1)(q+2)+⋯<1q\frac{1}{q+1} + \frac{1}{(q+1)(q+2)} + \cdots < \frac{1}{q} : c’est impossible.

À quoi sert le nombre e ?

Il apparaît dès qu’une quantité varie proportionnellement à elle-même : intérêts composés en continu, croissance d’une population idéalisée, décroissance radioactive, charge d’un condensateur. On le retrouve aussi en probabilités, par exemple dans la loi normale.