Nombre triangulaire

Fichier:TriangleNumbers.svg

Représentation figurée des quatre premiers nombres triangulaires.

Fichier:Die Gartenlaube (1887) b 320 3.jpg

Le septième nombre triangulaire est 28.

En arithmétique, un nombre triangulaire est un cas particulier de nombre polygonal. Il correspond à un entier naturel non nul égal au nombre de pastilles dans un triangle construit à la manière des deux figures de droite. La seconde montre que le septième nombre triangulaire — celui dont le côté porte 7 pastilles — est 28. Une définition plus formelle de cette suite d'entiers s'obtient par récurrence : le premier nombre triangulaire est 1, et le n-ième est la somme de n et du précédent. Les dix premiers nombres triangulaires sont : 1, 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36, 45, 55 (Modèle:OEIS). Il existe différentes manières de calculer le n-ième nombre triangulaire ; l'une d'elles est graphique et s'obtient par un raisonnement d'arithmétique géométrique. On trouve, si t_n désigne le n-ième nombre triangulaire :

<math>\forall n\in\N^*\quad t_n=\frac{n(n+1)}2.</math>

Cette formule est ancienne — on la doit à l'école de Pythagore — et probablement connue depuis le début du Modèle:Lien siècle av JCModèle:Vérification siècle

Elle est citée par Alcuin au Modèle:Lien siècleModèle:Vérification siècle dans un recueil de récréations mathématiques<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Définition et calculs

Définitions

Fichier:Triangular number 10 as sum of gnomons.svg

Le n-ième nombre triangulaire s'obtient en ajoutant n au précédent et est donc la somme des entiers de 1 à n.

Formellement, les nombres triangulaires sont définis à partir d'une suite, notée (t_n) dans cet article, où n est un indice<ref>Le terme d'indice est celui souvent utilisé pour les suites : Axel Delmotte, William Seck et Hubert Silly, Réussir les tests d'entrée des Modèle:3e et écoles de gestion, Jeunes Editions, 2005 Modèle:ISBN, Modèle:P.. Modèle:Lesquels parlent néanmoins de rang et non pas d'indice.</ref> parcourant les entiers strictement positifs : Modèle:Théorème

Une autre manière de définir cette suite est de le faire par récurrence. Les deux formulations sont équivalentes : Modèle:Théorème

Chez les Pythagoriciens, le quatrième nombre triangulaire, c'est-à-dire 10, est nommé tetraktys. Il dispose d'une dimension symbolique<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>.

Remarque : Le choix de ne pas définir le nombre triangulaire d'indice 0 se justifie historiquement, le zéro n'existant pas chez les Grecs de l'Antiquité. Cette convention est choisie pour certaines présentations didactiques<ref name="Villemin Def" />. Elle est aussi choisie historiquement dans l'encyclopédie de Diderot et D'Alembert pour tous les nombres figurés<ref>Denis Diderot Jean le Rond D'Alembert Encyclopédie ou dictionnaire raisonné des sciences des arts et des métiers (1781)</ref>. Mais elle n'est pas toujours suivie. Si l'on admet 0 comme nombre triangulaire, tout entier positif est somme de trois nombres triangulaires. Cette raison pousse Fermat et Gauss à choisir d'accepter 0 comme nombre triangulaire<ref name="Gauss">C. F. Gauss, Recherches arithmétiques, Modèle:P. de la traduction de 1807.</ref>.

Méthodes de calcul

Fichier:Computation of a triangular number.jpg

Le double du n-ième nombre triangulaire (que l'on peut appeler le n-ième nombre oblong) est représenté par un rectangle n × (n + 1).

Une vieille méthode de calcul provient de l'école pythagoricienne<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>. Les Grecs de cette époque usaient de géométrie pour résoudre les questions de cette nature. Cette approche est qualifiée d'arithmétique géométrique. La figure de droite permet de comprendre comment ils calculaient le Modèle:8e triangulaire. La zone rouge de la figure correspond à ce nombre, c'est-à-dire la somme 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8. À cette zone rouge, on accole la zone bleue de la figure, contenant exactement le même nombre de pastilles que la rouge. La zone bleue et rouge contient un nombre de pastilles égal à deux fois le Modèle:8e triangulaire. Or cette zone est un rectangle de base 9 et de hauteur 8. Le double du Modèle:8e triangulaire est égal à 8 × 9 = 72 donc ce Modèle:8e est égal à 36. On retrouve bien la formule annoncée en introduction :

<math>t_n=1+2+\cdots+(n-1)+n=\frac{n(n+1)}2.</math>

Cette formule se réinterprète comme l'expression du n-ième nombre triangulaire sous la forme d'un coefficient binomial :

<math>t_n={n+1\choose 2}.</math>

Il en existe une preuve directe sans mots, par bijection entre les pastilles du triangle et les paires contenues dans un ensemble à n + 1 éléments<ref>Cette preuve de Modèle:Article (Modèle:P., figure 7) est reproduite par Modèle:Ouvrage et par Modèle:Chapitre.</ref>.

Pour d'autres preuves, purement algébriques, voir l'article Somme (arithmétique), § « Somme des premiers entiers ».

Résultats géométriques

Les Grecs de l'école de Pythagore n'avaient pas connaissance des théorèmes fondamentaux de l'arithmétique élémentaire, comme le lemme d'Euclide, le théorème de Bachet-Bézout ou encore le théorème fondamental de l'arithmétique. Ils ont développé une arithmétique différente et les résultats présentés ici sont un peu à l'image de leur conception de l'arithmétique<ref>Modèle:Harvsp.</ref>. Néanmoins, comme il n'existe pas de texte directement écrit sur cette question par les membres de cette école, il est difficile de relier des résultats précis à des dates ou des noms de membres de l'école<ref>Modèle:Douteux Modèle:Citation étrangère</ref>, ainsi que d'être catégorique sur le fait qu'un résultat était bien connu d'eux.

Somme de deux nombres triangulaires consécutifs

Fichier:Square number 25 as sum of two triangular numbers.svg

La somme de deux nombres triangulaires consécutifs est un nombre carré.

La figure de droite montre que la somme du quatrième et du cinquième nombre triangulaire forme le cinquième carré parfait, c'est-à-dire 25. Ce résultat n'est pas uniquement vrai pour la valeur cinq :

La formule précédente permet d'établir ce résultat :

<math>t_n+t_{n-1}=2t_{n-1}+n=n(n-1)+n=n^2.</math>

Un nombre triangulaire est somme de quatre nombres triangulaires

Fichier:Somme-de-quatre-nombres-triangulaires (pair).jpg

Cas pair.

Fichier:Somme-de-quatre-nombres-triangulaires (impair).jpg

Cas impair.

Les deux graphiques ci-contre indiquent que le n-ième nombre triangulaire est somme de quatre nombres triangulaires. Ceci est vrai quelle que soit la parité de l'indice n. En effet, t₁₄ est la somme de trois fois t₇ et de t₆ et t₁₅ est la somme trois fois t₇ et de t₈. Cette proposition s'exprime de la manière suivante :

En effet :

<math>(3t_n+t_{n-1})+(3t_{n-1}+t_n)=4(t_n+t_{n-1})=4n^2=(2n)^2=t_{2n}+t_{2n-1},</math> <math>(3t_n+t_{n-1})-(3t_{n-1}+t_n)=2(t_n-t_{n-1})=2n=t_{2n}-t_{2n-1}.</math>

Un carré parfait avec un unique nombre triangulaire

Fichier:Somme de huit nombres triangulaires.jpg

La somme de 8 fois un nombre triangulaire et de 1 est un nombre carré.

La figure de droite montre qu'il est possible d’emboîter huit nombres triangulaires d'indice 7 pour former un carré de côté 15, auquel il manque la pastille centrale, en gris sur la figure ; résultat qui se généralise à tous les carrés de nombres impairs :

En effet, ce résultat est directement l'application d'une identité remarquable :

<math>(2n+1)^2-1=(2n+1-1)(2n+1+1)=4n(n+1)=8t_n.</math>

Cube et nombre triangulaire

Modèle:Voir Un autre résultat traite des cubes. Il s'énonce ainsi : Modèle:Théorème

Il est redécouvert par le mathématicien perse Al-Karaji<ref>Modèle:DahanPeiffer, Modèle:P..</ref>, qui le démontre sur l'exemple n = 10 en considérant des gnomons et l'exprime d'une manière équivalente : Modèle:Théorème

Autres propriétés

Généralisations

Si, au lieu de calculer la somme des n premiers nombres entiers strictement positifs, on calcule les n premiers carrés strictement positifs que l'on appelle c_n, on obtient :

<math>c_n = \frac {n(n+1)(2n+1)}6.</math>

L'intuition de l'exactitude de cette formule est donnée par la preuve sans mots suivante<ref>Elle provient de Modèle:Ouvrage.</ref> :

Fichier:Somme-des-carrés (cl).jpg

Chacune des trois pyramides a pour volume la somme des carrés de 1 à n (n = 4 dans cette illustration) ; le parallélépipède final est de côtés n, n + 1 et n + 1/2.

Ce résultat se généralise pour la somme des n premières puissances strictement positives. Cette somme porte le nom de formule de Faulhaber. Il est aussi possible de généraliser en considérant le nombre de points s_n,d contenus dans un simplexe dont les côtés sont de longueurs n, dans un espace de dimension d. On obtient :

<math>s_{n,d} = \frac {n(n+1)\cdots(n+(d-1))} {d!}.</math>

Entier somme de trois nombres triangulaires

En 1638, Fermat affirma détenir une preuve du fait que tout entier est somme de trois nombres triangulaires (à condition de considérer zéro comme un nombre triangulaire) et même d'une généralisation (le théorème des nombres polygonaux de Fermat, finalement démontré par Cauchy en 1813) et proclama son intention d'écrire un livre qui révolutionnerait cette partie de l'arithmétique<ref>Paul Tannery et Charles Henry, Œuvres de Fermat, t. 3, 1896, p. 252 : Commentaire de Bachet sur IV, 31.</ref>, mais aucun livre ne parut<ref>Joseph Louis Lagrange, « Démonstration d'un théorème d'arithmétique », Nouveaux mémoires de l'Académie royale des sciences et belles-lettres de Berlin, 1770, Modèle:P. – Œuvres complètes, tome 3, Modèle:P..</ref>. En 1796<ref>Modèle:Citation, Journal de Gauss, 10 juillet 1796 Modèle:Lire en ligne, Modèle:Lire en ligne.</ref>, Gauss découvrit la preuve suivante<ref name="Gauss" />.

La démonstration ici n'est pas géométrique. L'arithmétique telle qu'on la concevait à l'époque de Pythagore est impuissante pour prouver des résultats de cette nature. La partie difficile de la preuve est le théorème des trois carrés de Legendre, qui a pour conséquence que tout entier positif congru à 3 modulo 8 est somme de trois carrés parfaits. Soit M un nombre entier positif, 8M + 3 est somme de trois carrés. De plus chaque carré de la somme est impair, sinon leur somme ne serait pas congrue à 3 modulo 4. On en déduit l'existence de trois entiers x, y et z tels que :

<math>8M+3 = (2x+1)^2 + (2y+1)^2 + (2z + 1)^2 = 8\left(\frac {x(x+1)}2 + \frac {y(y+1)}2 + \frac {z(z+1)}2\right) + 3.</math>

Cette dernière égalité implique le résultat recherché : M est la somme des trois nombres triangulaires d'indices x, y et z.

Voir aussi

Articles connexes

• Équation de Ramanujan–Nagell
• Ensemble triangulaire
• Nombre ennéagonal centré (sous-suite des nombres triangulaires d'indices congrus à 1 modulo 3, c'est-à-dire les nombres triangulaires congrus à 1 modulo 9 — les autres étant divisibles par 3)
• Nombre hexagonal (sous-suite des nombres triangulaires d'indices impairs)
• Nombre triangulaire carré
• Nombre triangulaire centré
• Nombre tétraédrique