Coefficient binomial

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En mathématiques, les coefficients binomiaux, ou coefficients du binôme, définis pour tout entier naturel Modèle:Mvar et tout entier naturel Modèle:Mvar inférieur ou égal à Modèle:Mvar, sont des entiers donnant le nombre de parties (ou sous-ensembles, non ordonnés) à Modèle:Mvar éléments d'un ensemble à Modèle:Mvar éléments. On les note[1] (nk) — qui se lit « Modèle:Mvar parmi Modèle:Mvar » — ou Cnk, la lettre C étant l'initiale du mot « combinaison ».

Les coefficients binomiaux sont donnés par :

(nk)=n×(n1)××(nk+1)k×(k1)××1,

ou, de manière équivalente, mais plus compacte, à l'aide de la fonction factorielle :

(nk)=n!k!(nk)!.

Ils interviennent dans de nombreux domaines des mathématiques : formule du binôme en algèbre, dénombrements, développement en série, lois de probabilités, etc. On peut les généraliser, sous certaines conditions, aux nombres complexes.

Lecture et expressions dans divers langages informatiques

Le coefficient binomial (nk) se lit « Modèle:Mvar parmi Modèle:Mvar » en français, mais « Modèle:Mvar choose Modèle:Mvar » en anglais. Cette inversion de l'ordre de Modèle:Mvar et Modèle:Mvar se retrouve dans les langages informatiques ; par exemple, (nk) se note :

Établissement de la formule

Le coefficient binomial (nk) est le nombre de parties à Modèle:Mvar éléments dans un ensemble à Modèle:Mvar éléments. Par exemple, dans un ensemble à 4 éléments {a,b,c,d}, il y a (42)=6 parties à deux éléments, à savoir : {a,b}, {a,c}, {a,d}, {b,c}, {b,d}, {c,d}. Dans un jeu de cartes à 52 cartes, il y a (525) mains possibles de 5 cartes (l'ordre des cartes dans une main ne compte pas).

On dit aussi que (nk) est le nombre de [[Combinaison sans répétition|Modèle:Mvar-combinaisons]] dans un ensemble à Modèle:Mvar éléments. Il se détermine en calculant de deux façons différentes le nombre Ank de façon de choisir k éléments de cet ensemble dans un ordre donné, autrement dit de [[arrangement|Modèle:Mvar-arrangements]] dans cet ensemble. Premièrement on a :

Ank=n(n1)(nk+1)=n!(nk)!.

En effet, on choisit le premier élément parmi les n éléments de l'ensemble, le deuxième élément parmi n1 éléments (puisque l'on ne peut pas reprendre le premier élément), le troisième parmi n2, etc. Deuxièment, on a

Ank=(nk)k!.

En effet, on choisit une partie de Modèle:Mvar éléments, que l'on peut permuter de k! façons différentes pour obtenir un ordre donné. La confrontation des deux calculs donne l'expression algébrique de (nk), pour Modèle:Mvar variant de 0 à Modèle:Mvar[5] :

(nk)=n!k!(nk)!(1)

en particulier, (n0)=n!1×n!=1 (dans un ensemble à Modèle:Mvar éléments, il y a exactement une partie à 0 élément : l'ensemble vide) et de même, (nn)=n!n!×1=1.

Si Modèle:Mvar est strictement négatif ou strictement supérieur à Modèle:Mvar, le coefficient binomial est nul.

Définition récursive des coefficients binomiaux Modèle:Ancre

La formule de Pascal lie les coefficients binomiaux : pour tout couple Modèle:Formule d'entiers naturels[6],

(nk)+(nk+1)=(n+1k+1)(2)

On la démontre par un raisonnement combinatoire[7], mais on peut aussi utiliser la forme factorielle[8].

Elle est à la base de la construction du triangle de Pascal qui permet un calcul rapide des coefficients pour de petites valeurs de Modèle:Mvar :

0 : 1
1 : 1 1
2 : 1 2 1
3 : 1 3 3 1
4 : 1 4 6 4 1
5 : 1 5 10 10 5 1
6 : 1 6 15 20 15 6 1
7 : 21 35 35 21
8 : 28 56 70 56 28

Les coefficients (nk) pour 0 ≤ Modèle:MvarModèle:Mvar figurent à la ligne d'indice Modèle:Mvar. Le triangle est construit en plaçant des 1 aux extrémités de chaque ligne et en complétant la ligne en reportant la somme des deux nombres adjacents de la ligne supérieure. Modèle:Mvar se lit de gauche à droite sur la ligne d'indice Modèle:Mvar en partant de 0 jusqu'à Modèle:Mvar.

Utilisation des coefficients binomiaux

Développement du binôme de Newton

Modèle:Article détaillé

Visualisation des coefficients binomiaux dans (a+b), (a+b)2, (a+b)3, (a+b)4.

Ces nombres sont les coefficients qui apparaissent en développant la puissance Modèle:Mvar-ième de Modèle:Formule :

(x+y)n=k=0n(nk)xnkyk(3)

Par exemple, on a :

 (x+y)5=(50)x5+(51)x4y+(52)x3y2+(53)x2y3+(54)xy4+(55)y5

En regardant la cinquième ligne du triangle de Pascal, on obtient les valeurs des coefficients binomiaux. Ainsi :

 (x+y)5=x5+5x4y+10x3y2+10x2y3+5xy4+y5 .

Dérivée d'ordre n d'un produit de fonctions

Si Modèle:Mvar est un entier supérieur ou égal à 1, et Modèle:Mvar et Modèle:Mvar deux fonctions Modèle:Mvar fois dérivables en un point Modèle:Mvar, alors leur produit Modèle:Mvar est aussi Modèle:Mvar fois dérivable au point Modèle:Mvar, et la dérivée d'ordre Modèle:Mvar est donnée par la formule de Leibniz :

(fg)(n)(x)=k=0n(nk) f(nk)(x) g(k)(x).

Par exemple, (fg)=fg+3fg+3fg+gf.

Combinatoire et statistique

Modèle:Article détaillé Les coefficients binomiaux sont importants en combinatoire, parce qu'ils fournissent des formules utilisées dans des problèmes fréquents de dénombrement :

Il n'existe pas d'autres possibilités vu que l'ordre n'importe pas (« carreau - pique » est équivalent à « pique - carreau »).

Propriétés arithmétiques des coefficients binomiaux

Divisibilité

Modèle:Démonstration

Si Modèle:Mvar est un nombre premier et Modèle:Mvar est la plus grande puissance de Modèle:Mvar qui divise (nk), alors Modèle:Mvar est égal au nombre d'entiers naturels Modèle:Mvar tels que la partie fractionnaire de Modèle:Mvar soit plus grande que la partie fractionnaire de Modèle:Mvar. C'est le nombre de retenues dans l'addition de Modèle:Mvar et Modèle:Mvar, lorsque ces deux nombres sont écrits en base Modèle:Mvar[9]Modèle:,[10].

En particulier, (nk) est toujours divisible par npgcd(n,k) (pgcd signifie plus grand commun diviseur).

La règle permet de déterminer les (nk) qui sont pairs. Il suffit pour cela de prendre Modèle:Formule et Modèle:Formule. La soustraction de Modèle:Mvar par Modèle:Mvar nécessite donc au moins une retenue en binaire. Cela signifie que, dans le développement binaire de Modèle:Mvar, il se trouve au moins un 0 situé au même rang qu'un 1 dans le développement binaire de Modèle:Mvar.

À l'inverse, (nk) est impair si, à chaque fois que Modèle:Mvar possède un 1 dans son développement binaire, il en est de même de Modèle:Mvar au même rang. On dit que Modèle:Mvar implique Modèle:Mvar. Par exemple, si Modèle:Mvar est de la forme Modèle:Formule, tous ses chiffres binaires valent 1, et tous les (nk) seront impairs. Si Modèle:Formule, alors Modèle:Mvar possède un seul 1 dans son développement binaire, et seuls (n0) et (nn) sont impairs, tous les autres sont pairs.

Une conséquence du théorème de Wilson est que Modèle:Formule est premier si et seulement si tous les (n1k) sont congrus à (1)k modulo Modèle:Formule (pour 0kn1) [11]. Par exemple, les nombres de la 6Modèle:E ligne du triangle de Pascal ( 1, 6 ,15, 20, 15, 6, 1) deviennent, après correction par (1)k, (0,7,14,21,14,7,0), tous multiples de 7.

Coefficients binomiaux égaux à des puissances

On a (502)=352,(503)=1402 , mais pour 4kn4 , Erdős a démontré en 1951 que le coefficient binomial (nk) n'est ni un carré, ni aucune puissance d'ordre supérieure [12].

Généralisations

Élargissement du domaine de définition

Jusqu'à présent le coefficient binomial (nk) était défini pour Modèle:Mvar et Modèle:Mvar entiers naturels avec Modèle:MvarModèle:Mvar. Il existe plusieurs manières d'étendre le domaine de définition (ces différentes extensions de la définition étant compatibles les unes avec les autres).

  • Il existe une autre manière de définir (nk) pour Modèle:Mvar entier naturel et Modèle:Mvar entier relatif par la formule :
    (nk)=(n+k1k)(1)k
    qui ramène au cas initial lorsque Modèle:Mvar est négatif.
  • Il est possible de poser (nk)=0 lorsque Modèle:Mvar est un entier négatif. L'avantage de cette convention est qu'elle conserve la plupart des formules établies jusqu'ici vraies.
  • La définition de (nk) peut se généraliser, à l'aide de la fonction gamma Modèle:Formule. Pour tout entier naturel Modèle:Mvar, Modèle:Formule, ainsi, pour tout entier naturel Modèle:Mvar et pour tout entier naturel Modèle:MvarModèle:Mvar on a :
    (nk)=Γ(n+1)Γ(k+1)Γ(nk+1).
    Comme la fonction Modèle:Formule est définie pour tout complexe qui n'est pas un entier négatif ou nul, on peut généraliser le coefficient binomial à tous complexes Modèle:Mvar et Modèle:Mvar qui ne sont pas des entiers négatifs ou nuls et tels que Modèle:Mvar ne soit pas un entier négatif ou nul, par la formule :
    (zw)=Γ(z+1)Γ(w+1)Γ(zw+1).
    Cette formule peut d'ailleurs s'écrire plus simplement à l'aide de la fonction bêta Modèle:Mvar :
    (zw)=1(z+1)B(w+1,zw+1).
  • Enfin, il est possible d'unifier toutes les définitions précédentes avec la fonction gamma, en résolvant le problème de pôles de cette fonction par un passage à la limite :
    (zw)=limuzlimvwΓ(u+1)Γ(v+1)Γ(uv+1).
    Dans cette dernière formule, l'ordre des limites est important[13]. Cette définition donne une valeur infinie au coefficient binomial dans le cas où Modèle:Mvar est un entier négatif non nul et Modèle:Mvar n'est pas un entier strictement négatif.
Récapitulatif des généralisations[14]
Généralisation Domaine de définition Définition Notations et remarques
(nk) n

k{0,1,,n}

n!k!(nk)! n!=1×2××n

0!=1

(nk) n

k

{n!k!(nk)! si kn0 sinon
(zk) z

k

(z)kk! (z)k=z(z1)(zk+1)

(z)0=1

(zk) z

k

{(z)kk! si k00 sinon
(zw) z()*

w()*

zw()*

Γ(z+1)Γ(w+1)Γ(zw+1) Γ désigne la fonction gamma.

()*={1,2,3,}

(zw) z

w

limuzlimvwΓ(u+1)Γ(v+1)Γ(uv+1) (zw)= si z()* et w()*

(zw)=0 si z,w()* et zw()*

Coefficients multinomiaux

Modèle:Article détaillé Une autre généralisation importante des coefficients binomiaux part de la formule du multinôme de Newton, laquelle permet de définir les coefficients multinomiaux.

Formules faisant intervenir les coefficients binomiaux

On suppose que Modèle:Formule sont des entiers ; Modèle:Formule des complexes.

On rappelle que :

(nk)+(nk+1)=(n+1k+1)(2) (formule de Pascal)
(x+y)n=k(nk)xnkyk(3) (formule du binôme de Newton)

Les formules suivantes peuvent être utiles :

(nk)=(nnk)(4)
(nk)=nk(n1k1)(k>0) et plus généralement (zk)=zk(z1k1)(5) (formule parfois dite « du pion »[15]).

En remplaçant dans (3) Modèle:Formule, on obtient

k(nk)=2n(6) ;

De nombreuses formules analogues peuvent être obtenues ainsi ; par exemple, avec Modèle:Formule et Modèle:Formule, on obtient

k(1)k(nk)=0 si Modèle:Formule ;

avec Modèle:Formule et Modèle:Formule (donc Modèle:Formule), on obtient

k(1)k(n2k)=Re((1+i)n)=2n/2cos(nπ/4).

Dans l'identité (3), en remplaçant Modèle:Mvar par 1 et en prenant la dérivée en 1 par rapport à Modèle:Mvar, il vient

kk(nk)=n2n1(7)

En développant Modèle:Formule avec (3), on obtient l'identité de Vandermonde :

j(nj)(mrj)=(n+mr) et plus généralement j(zj)(zrj)=(z+zr)(8)

À partir du développement (8), en remplaçant Modèle:Mvar et Modèle:Mvar par Modèle:Mvar et en utilisant (4), on obtient

j(nj)2=(2nn)(9).

En développant Modèle:Formule et en observant le coefficient devant Modèle:Formule, on obtient

k(1)k(2nk)2=(1)n(2nn)(10) .

On a

k(nkk)=Fn+1(11),

Modèle:Formule désigne le (Modèle:Formule)-ième terme de la suite de Fibonacci[16].

Pour tous entiers naturels Modèle:Mvar, Modèle:Mvar et Modèle:Formule,

j(jn)(rjm)=(r+1m+n+1)(12)

Cet analogue de l'identité de Vandermonde (8) peut se démontrer de la même façon, à partir de la formule du binôme négatif[17]. Un cas particulier est (pour tous entiers Modèle:Formule)[18] :

jr(jn)=(r+1n+1).

Encadrement et approximations

L'encadrement suivant fait intervenir le nombre de Neper et est valable pour toute valeur de Modèle:Mvar et Modèle:Mvar[19] :

1kn,(nk)k(nk)<ek(nk)k

L'écart entre les deux bornes croit exponentiellement, c'est pourquoi il peut être préférable d'utiliser un équivalent asymptotique lorsque l'on connait le comportement de Modèle:Mvar par rapport à celui de Modèle:Mvar. Grâce à la formule de Stirling, lorsque Modèle:Mvar et Modèle:Mvar tendent vers l'infini on a :

(nk)n2πk(nk)nnkk(nk)nk.

Mais pour être plus précis, il faut particulariser à différents régimes asymptotiques[19]Modèle:,[20]. Dans les cas ci-dessous, h(α)=αlog2α(1α)log2(1α) est la Modèle:Lien.

  • cas 1 : si n, k>1 et k=𝒪(1) alors (nk)=nkj=0k(1jn)k!=nkk!(1k(k1)2n+𝒪(1n2)) ;
  • cas 2 : si k et k=(n) alors (nk)2nh(kn)2πk[19] ;
  • cas 3 : si n et k/nα]0,1[ alors (nk)2nh(α)2πα(1α)n=12πα(1α)n(1αα(1α)1α)n[20].

Notes et références

Modèle:Traduction/Référence Modèle:Références

Voir aussi

Articles connexes

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Bibliographie

Lien externe

Modèle:Lien web

Modèle:Palette Modèle:Portail

  1. Les deux notations sont préconisées par la norme ISO/CEI 80000-2:2009 : la première est celle du « coefficient binomial » (2-10.4) et la seconde celle du « nombre de combinaisons sans répétition » (2-10.6). ISO 80000-2:2009, Grandeurs et unités — Partie 2: Mathématiques, Première édition du 1Modèle:Er décembre 2009, chapitre 10 : Combinatoire.
  2. Modèle:Lien web.
  3. Modèle:Lien web.
  4. Modèle:Lien web.
  5. Modèle:Note autre projet
  6. Y compris pour kn car j>n(nj)=0. Modèle:Cf. par exemple Modèle:Ouvrage.
  7. Modèle:Note autre projet
  8. Voir par exemple Modèle:Harvsp, ou Modèle:Note autre projet
  9. Modèle:Article.
  10. Modèle:Ouvrage, § 1.2.6, ex. 11.
  11. Modèle:Lien web, corollaire 10.
  12. Modèle:Ouvrage
  13. Modèle:Lien web.
  14. Ces définitions sont compatibles lorsque les domaines de définitions s'intersectent.
  15. Modèle:Lien web
  16. Cf. Propriété 12 de la suite de Fibonacci.
  17. Modèle:Note autre projet
  18. Voir en:Hockey-stick identity.
  19. 19,0 19,1 et 19,2 Modèle:Lien web
  20. 20,0 et 20,1 Modèle:Article.