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Nombres · 4 affiches · formule n° 9

Le problème de Bâle

Additionnez 1, puis 1/4, puis 1/9, puis 1/16, et ainsi de suite avec les inverses de tous les carrés. La somme ne grandit pas sans fin : elle s’approche de π²/6, environ 1,6449.

Voir les 4 affiches 2 contrôles par le calcul

Résolu par Euler en 1735. Dessin : des carrés d’aires 11, 14\frac{1}{4}, 19\frac{1}{9}, 116\frac{1}{16}… ; leur aire totale ne dépasse jamais π26\frac{\pi^2}{6} et s’en approche autant qu’on veut.

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 affirme que la somme infinie des inverses des carrés des entiers strictement positifs converge, et que sa valeur exacte est π26\frac{\pi^2}{6} :

∑n=1∞1n2=π26\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}
  • nn parcourt les entiers 1,2,3,…1, 2, 3, \ldots ; le terme général est 1n2\frac{1}{n^2}, l’inverse du carré de nn.
  • ∑n=1∞\sum_{n=1}^{\infty} désigne une somme infinie : c’est la limite des sommes partielles SN=1+14+19+⋯+1N2S_N = 1 + \frac{1}{4} + \frac{1}{9} + \cdots + \frac{1}{N^2} quand NN grandit.
  • π≈3,14159\pi \approx 3{,}141\,59 est le rapport de la circonférence d’un cercle à son diamètre.

En décimales, π26≈1,6449340668…\frac{\pi^2}{6} \approx 1{,}644\,934\,066\,8\ldots Ce nombre est aussi la valeur en 22 de la fonction zêta de Riemann : ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}.

Le résultat n’a rien d’évident. Que les termes deviennent de plus en plus petits ne suffit pas pour que la somme reste finie : la somme des inverses 1+12+13+⋯1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots (la série harmonique) dépasse n’importe quel nombre si l’on va assez loin. Avec les carrés, les termes décroissent assez vite pour que la somme ait une limite, et cette limite fait apparaître π\pi, alors qu’aucun cercle n’est en vue.

Un exemple

Calculons les premières sommes partielles :

  • S1=1S_1 = 1
  • S2=1+14=1,25S_2 = 1 + \frac{1}{4} = 1{,}25
  • S3=1,25+19≈1,3611S_3 = 1{,}25 + \frac{1}{9} \approx 1{,}3611
  • S4=S3+116≈1,4236S_4 = S_3 + \frac{1}{16} \approx 1{,}4236

En poursuivant, on trouve environ 1,54971{,}5497 pour N=10N = 10, 1,63491{,}6349 pour N=100N = 100 et 1,64391{,}6439 pour N=1000N = 1\,000, à comparer avec π26≈1,6449\frac{\pi^2}{6} \approx 1{,}6449. La convergence est lente : l’écart π26−SN\frac{\pi^2}{6} - S_N est toujours compris entre 1N+1\frac{1}{N+1} et 1N\frac{1}{N}. Avec 10001\,000 termes, il reste environ 0,00099950{,}000\,999\,5 à ajouter ; pour gagner une décimale, il faut dix fois plus de termes.

Cet encadrement donne aussi une astuce de calcul : puisque le reste vaut à peu près 1N\frac{1}{N}, on l’ajoute. Pour N=1000N = 1\,000, S1000+11000≈1,644934566S_{1\,000} + \frac{1}{1\,000} \approx 1{,}644\,934\,566, qui ne s’écarte plus de π26\frac{\pi^2}{6} que d’environ 5×10−75 \times 10^{-7} : six décimales justes au lieu de deux.

Une conséquence inattendue. L’inverse 6π2≈0,6079\frac{6}{\pi^2} \approx 0{,}6079 a lui aussi un sens concret. Prenez tous les couples d’entiers (a,b)(a, b) avec 1≤a≤N1 \leq a \leq N et 1≤b≤N1 \leq b \leq N, et comptez ceux qui n’ont aucun diviseur commun autre que 11 (on dit qu’ils sont premiers entre eux). Quand NN grandit, la proportion de ces couples tend vers 6π2\frac{6}{\pi^2}. Pour N=1000N = 1\,000, on en compte 608383608\,383 sur un million, soit environ 0,60830{,}6083. L’idée de la preuve : deux entiers sont tous deux multiples d’un nombre premier pp dans une proportion 1p2\frac{1}{p^2} des cas, et le produit des (1−1p2)\left(1 - \frac{1}{p^2}\right) sur tous les nombres premiers vaut exactement 6π2\frac{6}{\pi^2}, grâce à une autre formule d’Euler qui relie la somme des 1n2\frac{1}{n^2} aux nombres premiers.

Pourquoi c’est vrai

La somme a une limite. Pour n≥2n \geq 2, on a n2>n(n−1)n^2 > n(n-1), donc

1n2<1n(n−1)=1n−1−1n.\frac{1}{n^2} < \frac{1}{n(n-1)} = \frac{1}{n-1} - \frac{1}{n}.

En additionnant ces inégalités de n=2n = 2 à n=Nn = N, les termes de droite se simplifient deux à deux et il reste SN<1+1−1N<2S_N < 1 + 1 - \frac{1}{N} < 2. Les sommes SNS_N augmentent et restent inférieures à 22 : elles ont donc une limite.

Pourquoi cette limite vaut π2/6\pi^2/6 : l’idée d’Euler. La fonction sin⁡xx\frac{\sin x}{x} vaut 11 en 00 et s’annule exactement en x=±π,±2π,±3π,…x = \pm\pi, \pm 2\pi, \pm 3\pi, \ldots Euler l’écrit, comme un polynôme dont on connaît les racines, sous la forme d’un produit infini :

sin⁡xx=(1−x2π2)(1−x24π2)(1−x29π2)⋯\frac{\sin x}{x} = \left(1 - \frac{x^2}{\pi^2}\right)\left(1 - \frac{x^2}{4\pi^2}\right)\left(1 - \frac{x^2}{9\pi^2}\right)\cdots

En développant, le coefficient de x2x^2 vaut −1π2(1+14+19+⋯)-\frac{1}{\pi^2}\left(1 + \frac{1}{4} + \frac{1}{9} + \cdots\right). Or le développement connu sin⁡xx=1−x26+x4120−⋯\frac{\sin x}{x} = 1 - \frac{x^2}{6} + \frac{x^4}{120} - \cdots donne −16-\frac{1}{6} pour ce même coefficient. En égalant les deux, on obtient ∑1n2=π26\sum \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}.

Attention : tel quel, ce raisonnement n’est pas une démonstration. Rien ne permettait alors d’affirmer qu’une fonction se factorise comme un polynôme à partir de ses zéros. Le produit d’Euler est juste, mais sa justification complète est venue plus tard. Il existe aujourd’hui de nombreuses démonstrations rigoureuses, par exemple par des encadrements trigonométriques dus à Cauchy, ou par les séries de Fourier. Dans ce dernier cas, on écrit, pour −π≤x≤π-\pi \leq x \leq \pi, x2=π23+4∑n=1∞(−1)ncos⁡(nx)n2x^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n \cos(nx)}{n^2} ; en prenant x=πx = \pi, où cos⁡(nπ)=(−1)n\cos(n\pi) = (-1)^n, il vient π2=π23+4∑n=1∞1n2\pi^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}, d’où le résultat. Justifier ce développement demande la théorie des séries de Fourier, qui dépasse le cadre de cette page.

Un peu d’histoire

La question est posée au milieu du XVIIe siècle par l’Italien Pietro Mengoli (les sources donnent 1644 ou 1650). Plusieurs mathématiciens s’y attaquent sans succès, dont des membres de la famille Bernoulli, de Bâle. C’est cette ville, d’où venaient les Bernoulli et où était né Leonhard Euler, qui a donné son nom au problème.

Euler trouve la valeur π26\frac{\pi^2}{6} vers 1734 ; son travail est lu à l’Académie des sciences de Saint-Pétersbourg le 5 décembre 1735. Ses arguments, fondés sur le produit infini ci-dessus, n’étaient pas justifiés selon les critères de l’époque. Euler en propose en 1741 une autre démonstration, mieux acceptée. La validité du produit infini du sinus sera établie au XIXe siècle, avec le théorème de factorisation de Karl Weierstrass.

Euler ne s’arrête pas là : sa méthode lui donne aussi les sommes des inverses des puissances paires, comme ∑1n4=π490\sum \frac{1}{n^4} = \frac{\pi^4}{90}. Pour les puissances impaires, aucune formule de ce type n’est connue.

Ce que montre l’affiche

Le dessin traduit la somme en surface : pour chaque nn de 11 à 600600, le programme pose un carré de côté 1n\frac{1}{n}, donc d’aire 1n2\frac{1}{n^2}. Les carrés sont empilés comme des briques dans une bande de largeur 1,51{,}5 : chacun se place à l’endroit le plus bas encore libre. Les trente premiers sont colorés, les suivants sont plus pâles et de plus en plus petits. Leur aire totale vaut environ 1,64321{,}6432, un peu moins que π26\frac{\pi^2}{6} : avec davantage de carrés, elle s’en approcherait autant qu’on veut sans jamais le dépasser. 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_{n≤10⁶} 1/n² + reste encadré contient π²/6somme partielle 1.6449330668487263
  • décimales affichées (1,6449340668…)

Sources

À lire aussi

Questions fréquentes

Combien vaut la somme des inverses des carrés ?

Elle vaut exactement π26\frac{\pi^2}{6}, soit environ 1,64493406681{,}644\,934\,066\,8. La somme des 10001\,000 premiers termes donne environ 1,64391{,}6439.

Pourquoi parle-t-on du problème de Bâle ?

Le nom vient de la ville suisse de Bâle, patrie des Bernoulli, qui ont cherché sans succès la valeur de cette somme, et de Leonhard Euler, qui l’a trouvée.

Quel est le lien avec la fonction zêta de Riemann ?

La fonction zêta est définie, pour les nombres ss de partie réelle strictement supérieure à 11, par ζ(s)=∑n≥11ns\zeta(s) = \sum_{n \geq 1} \frac{1}{n^s}. Le problème de Bâle revient à dire que ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}.

Et la somme des inverses des entiers, 1 + 1/2 + 1/3 + … ?

Cette somme, la série harmonique, n’a pas de limite finie : ses sommes partielles dépassent n’importe quel nombre fixé à l’avance. Elles grandissent toutefois très lentement, à peu près comme le logarithme de NN.

Connaît-on la somme des inverses des cubes ?

Elle vaut environ 1,2020569031{,}202\,056\,903, mais on ne lui connaît pas d’expression simple comme π26\frac{\pi^2}{6}. Roger Apéry a démontré à la fin des années 1970 que ce nombre est irrationnel.