Les coefficients binomiaux centraux comme colonne médiane du triangle de Pascal
En mathématiques le coefficient binomial central d'ordre n est le coefficient binomial défini par :
CBC
(
n
)
=
(
2
n
n
)
=
(
2
n
)
!
(
n
!
)
2
=
∏
k
=
1
n
n
+
k
k
pour tout
n
⩾
0.
{\displaystyle \operatorname {CBC} (n)={\dbinom {2n}{n}}={\frac {(2n)!}{(n!)^{2}}}=\prod \limits _{k=1}^{n}{\frac {n+k}{k}}{\text{ pour tout }}n\geqslant 0.}
Il est ainsi nommé pour la position centrale qu'il occupe dans la liste des
(
2
n
k
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{k}}}
pour
0
⩽
k
⩽
2
n
{\displaystyle 0\leqslant k\leqslant 2n}
(ligne d'indice
2
n
{\displaystyle 2n}
du triangle de Pascal ) ; l'identité de Vandermonde :
(
2
n
n
)
=
∑
k
=
0
n
(
n
k
)
2
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}=\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}^{2}}
montre qu'il s'obtient par la somme des carrés des termes de la ligne d'indice
n
{\displaystyle n}
de ce triangle.
Pour les premières valeurs de n , celles du coefficient binomial central associé sont : 1, 2, 6, 20, 70, 252. La liste de toutes les valeurs constitue la suite A000984 de l'OEIS .
Propriétés liées à la divisibilité
Autour de la parité
Sauf pour le premier d'entre eux,
(
0
0
)
=
1
{\displaystyle {\binom {0}{0}}=1}
, tout coefficient binomial central est un entier pair .
Plusieurs preuves élémentaires existent[ 1] . La plus simple, utilisant la « formule du pion » (
(
m
n
)
=
m
n
(
m
−
1
n
−
1
)
{\displaystyle {\dbinom {m}{n}}={\frac {m}{n}}{\dbinom {m-1}{n-1}}}
), montre que ce coefficient est le double d'un entier « voisin » dans le triangle de Pascal :
(
2
n
n
)
=
2
(
2
n
−
1
n
−
1
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}=2{\dbinom {2n-1}{n-1}}}
.
Un diviseur élémentaire
Le coefficient binomial central d'ordre n est divisible par n + 1 , ce qui revient à dire que le nombre de Catalan
C
n
=
1
n
+
1
(
2
n
n
)
{\displaystyle C_{n}={\frac {1}{n+1}}{\dbinom {2n}{n}}}
est un entier.
Pour le prouver, le plus simple est — de même que pour les coefficients binomiaux — d'utiliser l'une des nombreuses interprétations combinatoires de Cn [ 2] .
Il existe aussi des preuves algébriques[ 3] . On peut par exemple remarquer[ 2] , [ 4] , [ 5] que
C
n
=
(
2
n
n
)
−
(
2
n
n
−
1
)
{\displaystyle C_{n}={\dbinom {2n}{n}}-{\dbinom {2n}{n-1}}}
.
Cas où n est premier
Si p est un nombre premier , l'égalité
(
2
p
p
)
=
2
+
∑
k
=
1
p
−
1
(
p
k
)
2
{\displaystyle {\binom {2p}{p}}=2+\sum _{k=1}^{p-1}{\binom {p}{k}}^{2}}
, montre que
(
2
p
p
)
≡
2
(
mod
p
2
)
.
{\displaystyle {\dbinom {2p}{p}}\equiv 2{\pmod {p^{2}}}.}
Moins élémentairement, avec le théorème de Wolstenholme , il résulte de
(
2
p
p
)
=
2
(
2
p
−
1
p
−
1
)
{\displaystyle {\dbinom {2p}{p}}=2{\dbinom {2p-1}{p-1}}}
[ 6] que si p est supérieur ou égal à 5, on a même
(
2
p
p
)
≡
2
(
mod
p
3
)
.
{\displaystyle {\dbinom {2p}{p}}\equiv 2{\pmod {p^{3}}}.}
On conjecture que
(
2
n
n
)
≡
2
(
mod
n
3
)
{\displaystyle {{2n} \choose {n}}\equiv 2{\pmod {n^{3}}}}
constitue une condition nécessaire et suffisante pour que
n
⩾
5
{\displaystyle n\geqslant 5}
soit premier, car cette propriété est vraie jusqu'à
n
=
10
9
{\displaystyle n=10^{9}}
, mais cette conjecture n'est pas prouvée [ 7] .
Plus grand exposant d'un facteur premier
Dans la décomposition en produit de facteurs premiers du coefficient binomial central d'ordre n , on note e la puissance du nombre premier p , c'est-à-dire que e est le plus grand exposant tel que pe divise
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}}
. Si
⌊
x
⌋
{\displaystyle \lfloor x\rfloor }
désigne la partie entière du réel x , alors, en posant
k
=
⌊
log
p
2
n
⌋
{\displaystyle k=\lfloor \log _{p}2n\rfloor }
, on établit, en application de la formule de Legendre [ 8] :
e
=
∑
i
=
1
k
⌊
2
n
p
i
⌋
−
2
∑
i
=
1
k
⌊
n
p
i
⌋
{\displaystyle e=\sum _{i=1}^{k}\left\lfloor {\frac {2n}{p^{i}}}\right\rfloor -2\sum _{i=1}^{k}\left\lfloor {\frac {n}{p^{i}}}\right\rfloor }
Par exemple, si
n
=
14
{\displaystyle n=14}
et
p
=
5
{\displaystyle p=5}
, alors
k
=
2
{\displaystyle k=2}
et
e
=
2
{\displaystyle e=2}
, de sorte que 52 divise le nombre
(
28
14
)
=
40
116
600
{\displaystyle {\dbinom {28}{14}}=40~116~600}
mais 53 ne le divise pas.
D'après le théorème de Kummer , on a aussi :
e
=
2
s
p
(
n
)
−
s
p
(
2
n
)
p
−
1
{\displaystyle e={\dfrac {2s_{p}(n)-s_{p}(2n)}{p-1}}}
où
s
p
(
n
)
{\displaystyle s_{p}(n)}
est la somme des chiffres de n en base p , ce qui est aussi égal au nombre de retenues lorsqu'on effectue l'addition
n
+
n
{\displaystyle n+n}
en base p . Par exemple, si tous les chiffres de n en base p sont strictement inférieurs à
p
/
2
{\displaystyle p/2}
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}}
n'est pas multiple de p .
Dans le cas où
p
=
2
{\displaystyle p=2}
, le nombre e est donc le nombre de 1 dans l’écriture binaire de n [ 9] . Pour tout n > 0 , e vaut donc au moins 1 et l'on retrouve ainsi (voir supra ) que
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
est pair, et on obtient qu'il est même multiple de 4 si n n'est pas une puissance de 2[ 9] .
Particularité de la fin de la décomposition en produit de facteurs premiers
La décomposition en produit de facteurs premiers de
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
possède la particularité de se terminer par la liste des nombres premiers de
]
n
,
2
n
]
{\displaystyle \left]n,2n\right]}
(liste non vide d'après le postulat de Bertrand ), comme le montre l'exemple
(
20
10
)
=
2
2
×
11
×
13
×
17
×
19
{\displaystyle {\binom {20}{10}}=2^{2}\times 11\times 13\times 17\times 19}
.
On montre en effet [ 10] à partir de la formule de Legendre ci-dessus qu'un nombre premier p apparait dans la décomposition de
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
en produit de facteurs premiers avec l'exposant
e
=
1
{\displaystyle e=1}
pour p dans
]
n
,
2
n
]
{\displaystyle \left]n,2n\right]}
, et avec l'exposant
e
=
0
{\displaystyle e=0}
pour
p
>
2
n
{\displaystyle p>2n}
.
Le produit des nombres premiers de
]
n
,
2
n
]
{\displaystyle \left]n,2n\right]}
:
P
n
=
(
2
n
)
#
n
#
{\displaystyle P_{n}={\frac {(2n)\#}{n\#}}}
où
n
#
{\displaystyle n\#}
désigne la primorielle de n est en particulier un diviseur de
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
et les diviseurs premiers de
(
2
n
n
)
/
P
n
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}/P_{n}}
sont tous inférieurs ou égaux à n .
Sur le site de l'OEIS,
(
P
n
)
{\displaystyle (P_{n})}
est répertoriée comme suite A261130 de l'OEIS , et
(
(
2
n
n
)
/
P
n
)
{\displaystyle \left({\binom {2n}{n}}/P_{n}\right)}
comme suite A263931 de l'OEIS .
En 1850, Tchebychev utilise cette propriété pour obtenir une évaluation de la distribution des nombres premiers[ 11] .
Une conjecture due à Erdős
Les exemples vus précédemment montrent que si les nombres premiers supérieurs à n de la décomposition de
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
ont un exposant égal à 1, au moins l'un de ceux qui précèdent possède un exposant > 1. Si n n'est pas une puissance de 2 , on a vu que
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
est multiple de
2
2
{\displaystyle 2^{2}}
, mais le phénomène est général [ 12] .
En 1975, Paul Erdős conjecture que, pour
n
⩾
5
{\displaystyle n\geqslant 5}
, le coefficient binomial central
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}}
est toujours divisible par le carré d'un nombre premier, c'est-à-dire qu'il n'est pas quadratfrei . Le résultat est établi pour n grand par András Sárközy dix ans plus tard[ 13] . Il est totalement démontré par G. Velammal en 1995[ 14] et indépendamment par Andrew Granville et Olivier Ramaré en 1996[ 15] .
La suite des plus grands exposants dans la décomposition en produit de facteurs premiers de
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}}
est répertoriée comme suite A263922 de l'OEIS .
Lien avec la fonction de compte des nombres premiers
Le coefficient binomial central vérifie la majoration
(
2
n
n
)
⩽
(
2
n
)
π
(
2
n
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}\leqslant (2n)^{\pi (2n)}}
où
π
(
x
)
{\displaystyle \pi (x)}
est le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux au réel x [ 10] , [ 16] :
En effet, en utilisant la majoration
⌊
2
y
⌋
−
2
⌊
y
⌋
⩽
1
{\displaystyle \lfloor 2y\rfloor -2\lfloor y\rfloor \leqslant 1}
valable pour tout réel y , la valuation
e
p
{\displaystyle e_{p}}
de l'entier p dans
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}}
vérifie
e
p
⩽
⌊
log
p
2
n
⌋
{\displaystyle e_{p}\leqslant \lfloor \log _{p}2n\rfloor }
d'après la formule de Legendre. Puisque
p
⌊
log
p
2
n
⌋
⩽
2
n
{\displaystyle p^{\lfloor \log _{p}2n\rfloor }\leqslant 2n}
(
2
n
n
)
⩽
∏
p
⩽
2
n
p
⌊
log
p
2
n
⌋
⩽
∏
p
⩽
2
n
2
n
=
(
2
n
)
π
(
2
n
)
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}\leqslant \prod _{p\leqslant 2n}p^{\lfloor \log _{p}2n\rfloor }\leqslant \prod _{p\leqslant 2n}2n=(2n)^{\pi (2n)}}
.
Tchebychev utilise cette propriété pour établir la minoration de gauche dans les inégalités suivantes [ 17]
∀
x
⩾
2
,
ln
2
4
x
ln
x
⩽
π
(
x
)
⩽
9
ln
2
x
ln
x
{\displaystyle \forall x\geqslant 2,{\frac {\ln {2}}{4}}{\frac {x}{\ln {x}}}\leqslant \pi (x)\leqslant 9\ln {2}{\frac {x}{\ln {x}}}}
En effet, de manière élémentaire :
2
n
⩽
(
2
n
n
)
{\displaystyle 2^{n}\leqslant {\dbinom {2n}{n}}}
donc
π
(
2
n
)
⩾
n
ln
2
ln
(
2
n
)
{\displaystyle \pi (2n)\geqslant {\frac {n\ln {2}}{\ln {(2n)}}}}
. Si à
x
⩾
2
{\displaystyle x\geqslant 2}
on associe l'entier n tel que
n
⩽
x
2
<
n
+
1
{\displaystyle n\leqslant {\frac {x}{2}}<n+1}
:
π
(
x
)
⩾
π
(
2
n
)
⩾
n
ln
2
ln
(
2
n
)
⩾
n
ln
2
ln
x
⩾
(
2
n
+
2
)
ln
2
4
ln
x
>
ln
2
4
x
ln
x
{\displaystyle \pi (x)\geqslant \pi (2n)\geqslant {\frac {n\ln {2}}{\ln {(2n)}}}\geqslant {\frac {n\ln {2}}{\ln {x}}}\geqslant {\frac {(2n+2)\ln {2}}{4\ln {x}}}>{\frac {\ln {2}}{4}}{\frac {x}{\ln {x}}}}
.
Séries avec coefficient binomial central
Série génératrice
Notons
A
n
=
(
2
n
n
)
{\displaystyle A_{n}={\dbinom {2n}{n}}}
et
G
(
x
)
=
∑
n
=
0
∞
A
n
x
n
{\displaystyle G(x)=\sum _{n=0}^{\infty }A_{n}x^{n}}
la série génératrice associée. À l'aide de la relation de récurrence :
(
n
+
1
)
A
n
+
1
=
2
(
2
n
+
1
)
A
n
{\displaystyle (n+1)A_{n+1}=2(2n+1)A_{n}}
,
on montre que
G
{\displaystyle G}
est solution de l'équation différentielle linéaire :
(
1
−
4
x
)
G
′
(
x
)
=
2
G
(
x
)
{\displaystyle (1-4x)G^{\prime }(x)=2G(x)}
ce qui permet d'obtenir l'expression[ 18] , [ 19] (valable pour
|
x
|
<
1
/
4
{\displaystyle |x|<1/4}
) :
∑
n
=
0
+
∞
(
2
n
n
)
x
n
=
G
(
x
)
=
1
1
−
4
x
{\displaystyle \sum _{n=0}^{+\infty }{\dbinom {2n}{n}}x^{n}=G(x)={\frac {1}{\sqrt {1-4x}}}}
.
Série génératrice de l'inverse
Elle se déduit facilement de la relation :
∑
n
=
0
∞
(
2
x
)
2
n
(
2
n
n
)
=
1
1
−
x
2
+
x
arcsin
x
(
1
−
x
2
)
3
/
2
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(2x)^{2n}}{\binom {2n}{n}}}={\frac {1}{1-x^{2}}}+{\frac {x\arcsin x}{(1-x^{2})^{3/2}}}}
.
On en déduit la somme des inverses des coefficients binomiaux centraux :
∑
n
=
0
∞
1
(
2
n
n
)
=
4
3
+
2
π
3
27
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{\binom {2n}{n}}}={\frac {4}{3}}+{\frac {2\pi {\sqrt {3}}}{27}}}
, voir la suite A091682 de l'OEIS .
Cette relation s'obtient par dérivation de la série génératrice des intégrales de Wallis d'ordre impair [ 20] :
∑
n
=
0
∞
4
n
(
2
n
n
)
x
2
n
+
1
2
n
+
1
=
arcsin
x
1
−
x
2
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {4^{n}}{\binom {2n}{n}}}{\frac {x^{2n+1}}{2n+1}}={\frac {\arcsin x}{\sqrt {1-x^{2}}}}}
.
Pour
x
=
1
2
{\displaystyle x={\frac {1}{\sqrt {2}}}}
dans cette dernière, on obtient la série connue d'Euler[ 21] :
∑
n
=
0
∞
2
n
2
n
+
1
1
(
2
n
n
)
=
∑
n
=
0
∞
n
!
1
×
3
×
⋯
×
(
2
n
+
1
)
=
π
2
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {2^{n}}{2n+1}}{\frac {1}{\binom {2n}{n}}}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {n!}{1\times 3\times \cdots \times {(2n+1)}}}={\frac {\pi }{2}}}
.
Autres séries remarquables
Le coefficient binomial central apparaît de manière inattendue dans des égalités remarquables, ce qui explique l'intérêt qui lui est porté[ 22] .
En 1985, Derrick Lehmer [ 23] calcule, en fonction de deux suites de polynômes définies par récurrence sur l'entier
k
⩾
−
2
{\displaystyle k\geqslant -2}
, les séries de la forme
S
k
(
x
)
=
∑
n
=
1
+
∞
n
k
(
2
x
)
2
n
(
2
n
n
)
{\displaystyle S_{k}(x)=\sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {n^{k}(2x)^{2n}}{\dbinom {2n}{n}}}}
Par exemple (voir supra )[ 24] , [ 25] :
S
−
1
(
x
)
=
2
x
arcsin
x
1
−
x
2
{\displaystyle S_{-1}(x)={\frac {2x\arcsin x}{\sqrt {1-x^{2}}}}}
donc en divisant par
2
x
{\displaystyle 2x}
et en intégrant[ 26] , [ 27] :
S
−
2
(
x
)
=
2
(
arcsin
x
)
2
{\displaystyle S_{-2}(x)=2(\arcsin x)^{2}}
.
En 1730, dans son étude du problème de Bâle , Stirling avait utilisé l'accélération de convergence
∑
n
=
1
+
∞
1
n
2
=
3
S
−
2
(
1
/
2
)
=
3
∑
n
=
1
+
∞
1
n
2
(
2
n
n
)
{\displaystyle \sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {1}{n^{2}}}=3\,S_{-2}(1/2)=3\sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {1}{n^{2}{\binom {2n}{n}}}}}
pour déterminer des valeurs approchées de la première somme[ 27] (il ne disposait pas de l'égalité ci-dessus, dont on déduit que
S
−
2
(
1
/
2
)
=
π
2
/
18
{\displaystyle S_{-2}(1/2)=\pi ^{2}/18}
).
L'intérêt pour les sommes avec coefficient binomial central s'est accru après que Roger Apéry a utilisé l'égalité
ζ
(
3
)
=
−
5
2
S
−
3
(
i
/
2
)
{\displaystyle \zeta (3)=-{\frac {5}{2}}S_{-3}(\mathrm {i} /2)}
où
ζ
{\displaystyle \zeta }
désigne la fonction zêta de Riemann . Dans un théorème qui porte son nom , il en déduit que
ζ
(
3
)
{\displaystyle \zeta (3)}
est irrationnel [ 28] .
Lehmer montre que
S
k
(
1
/
2
)
=
∑
n
=
1
+
∞
n
k
2
n
(
2
n
n
)
=
u
k
π
+
v
k
{\displaystyle S_{k}(1/{\sqrt {2}})=\sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {n^{k}2^{n}}{\dbinom {2n}{n}}}=u_{k}\pi +v_{k}}
où
2
u
k
{\displaystyle 2u_{k}}
et
v
k
{\displaystyle v_{k}}
sont des entiers, et remarque que
v
k
/
u
k
{\displaystyle v_{k}/u_{k}}
est « une bonne approximation de
π
{\displaystyle \pi }
» [ 23] . La suite
(
2
u
k
−
1
)
{\displaystyle (2u_{k-1})}
est la suite A014307 de l'OEIS et
(
v
k
)
{\displaystyle (v_{k})}
la suite A180875 de l'OEIS ; le fait que
lim
v
k
/
u
k
=
π
{\displaystyle \lim v_{k}/u_{k}=\pi }
a été démontré en 2011 [ 29] , [ 30] .
Lehmer s'intéresse plus généralement aux séries du type
∑
n
=
0
+
∞
a
n
(
2
n
n
)
ou
∑
n
=
0
+
∞
a
n
(
2
n
n
)
{\displaystyle \sum _{n=0}^{+\infty }a_{n}{\binom {2n}{n}}{\text{ ou }}\sum _{n=0}^{+\infty }{\frac {a_{n}}{\dbinom {2n}{n}}}}
, où les
a
n
{\displaystyle a_{n}}
sont « des fonctions très simples de
n
{\displaystyle n}
» [ 31] . Par exemple, en divisant par
x
{\displaystyle x}
l'égalité
∑
n
=
1
+
∞
(
2
n
n
)
x
n
=
1
1
−
4
x
−
1
{\displaystyle \sum _{n=1}^{+\infty }{\binom {2n}{n}}x^{n}={\frac {1}{\sqrt {1-4x}}}-1}
(voir supra ) et en intégrant, il obtient[ 24] , [ 25] :
∑
n
=
1
+
∞
(
2
n
n
)
x
n
n
=
2
ln
1
−
1
−
4
x
2
x
{\displaystyle \sum _{n=1}^{+\infty }{\binom {2n}{n}}{\frac {x^{n}}{n}}=2\ln {\frac {1-{\sqrt {1-4x}}}{2x}}}
.En remplaçant
x
{\displaystyle x}
par
x
{\displaystyle {\sqrt {x}}}
dans la double expression ci-dessus de
S
−
1
(
x
)
{\displaystyle S_{-1}(x)}
et en dérivant, on obtient :
∑
n
=
1
∞
2
n
(
2
x
)
n
−
1
n
(
2
n
n
)
=
arcsin
x
x
1
−
x
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2^{n}(2x)^{n-1}}{n{\binom {2n}{n}}}}={\frac {\arcsin {\sqrt {x}}}{{\sqrt {x}}{\sqrt {1-x}}}}}
,qui donne, pour
x
=
1
/
4
{\displaystyle x=1/4}
[ 32] :
∑
n
=
1
+
∞
1
n
(
2
n
n
)
=
π
3
9
{\displaystyle \sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {1}{n{\binom {2n}{n}}}}=\pi {\frac {\sqrt {3}}{9}}}
Autres expressions du coefficient binomial central
Représentations intégrales
On trouve dans la littérature plusieurs expressions du coefficient binomial central à l'aide d'intégrales [ 33] . Ainsi par exemple
(
2
n
n
)
=
2
π
∫
0
π
/
2
(
2
sin
x
)
2
n
d
x
=
1
π
∫
0
4
x
4
−
x
x
n
−
1
d
x
=
1
π
∫
0
+
∞
1
(
1
/
4
+
x
2
)
n
+
1
d
x
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}={\frac {2}{\pi }}\int _{0}^{\pi /2}(2\sin x)^{2n}\,\mathrm {d} x={\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{4}{\sqrt {\frac {x}{4-x}}}x^{n-1}\,\mathrm {d} x={\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{+\infty }{\frac {1}{(1/4+x^{2})^{n+1}}}\,\mathrm {d} x}
La première expression est liée à l'intégrale de Wallis d'ordre pair :
W
2
n
=
∫
0
π
2
sin
2
n
x
d
x
=
π
2
(
2
n
n
)
4
n
{\displaystyle W_{2n}=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\sin ^{2n}x{\text{ d}}x={\frac {\pi }{2}}{\frac {\binom {2n}{n}}{4^{n}}}}
.
Expressions binomiales
Le coefficient binomial central s'obtient comme résultat des sommes suivantes[ 34] :
∑
k
=
0
n
(
n
k
)
2
=
(
2
n
n
)
{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}^{2}={\binom {2n}{n}}}
∑
k
=
0
2
n
(
−
1
)
n
−
k
(
2
n
k
)
2
=
(
2
n
n
)
{\displaystyle \sum _{k=0}^{2n}(-1)^{n-k}{\binom {2n}{k}}^{2}={\binom {2n}{n}}}
∑
k
=
0
n
(
−
1
)
n
−
k
(
2
n
+
1
k
)
=
(
2
n
n
)
{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}(-1)^{n-k}{\binom {2n+1}{k}}={\binom {2n}{n}}}
La première relation — cas particulier de l'identité de Vandermonde — s'obtient par exemple en exprimant le coefficient de degré n de deux façons dans
(
1
+
X
)
2
n
=
(
1
+
X
)
n
(
1
+
X
)
n
{\displaystyle (1+X)^{2n}=(1+X)^{n}(1+X)^{n}}
.
La deuxième relation s'obtient en exprimant le coefficient de degré 2n de deux façons dans l'identité
(
1
−
X
2
)
2
n
=
(
1
−
X
)
2
n
(
1
+
X
)
2
n
{\displaystyle (1-X^{2})^{2n}=(1-X)^{2n}(1+X)^{2n}}
.
La troisième est le cas particulier
m
=
2
n
+
1
{\displaystyle m=2n+1}
de l'égalité
∑
k
=
0
n
(
−
1
)
k
(
m
k
)
=
(
−
1
)
n
(
m
−
1
n
)
{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}(-1)^{k}{\binom {m}{k}}=(-1)^{n}{\binom {m-1}{n}}}
, que l'on peut démontrer par récurrence sur
n
{\displaystyle n}
(à l'aide de la formule de Pascal ), mais aussi combinatoirement [ 35] .
Expressions approchées et comportement asymptotique
Connaissant un équivalent de la suite des intégrales de Wallis et leur lien avec les coefficients binomiaux centraux (voir supra ), on obtient :
(
2
n
n
)
∼
4
n
π
n
{\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}\sim {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}}
.
Cet équivalent permet d'établir la formule de Stirling à partir de celle d'Abraham de Moivre .
Inversement, on peut utiliser la formule de Stirling pour produire un équivalent du coefficient binomial central[ 36] .
A partir du développement asymptotique de
n
{\displaystyle n}
! , on obtient
(
2
n
n
)
=
4
n
π
n
(
1
−
1
8
n
+
o
(
1
n
)
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}={\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}\left(1-{\frac {1}{8n}}+o\left({\frac {1}{n}}\right)\right)}
.
Encadrement
L'encadrement issu du développement ci-dessus :
4
n
π
n
(
1
−
1
8
n
)
⩽
(
2
n
n
)
⩽
4
n
π
n
{\displaystyle {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}\left(1-{\frac {1}{8n}}\right)\leqslant {\binom {2n}{n}}\leqslant {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}}
est valable pour tout
n
⩾
1
{\displaystyle n\geqslant 1}
.
On peut même améliorer la majoration en
(
2
n
n
)
⩽
4
n
π
(
n
+
1
/
4
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}\leqslant {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi (n+1/4)}}}}
pour tout
n
⩾
1
{\displaystyle n\geqslant 1}
[ 37] .
Produit de deux coefficients binomiaux centraux
Le produit
(
2
n
n
)
(
2
m
m
)
{\displaystyle {\binom {2n}{n}}{\binom {2m}{m}}}
est divisible par
(
n
+
m
n
)
{\displaystyle {\binom {n+m}{n}}}
. Leur quotient
T
n
,
m
=
(
2
n
)
!
(
2
m
)
!
n
!
m
!
(
n
+
m
)
!
{\displaystyle T_{n,m}={\frac {(2n)!(2m)!}{n!m!(n+m)!}}}
est représenté par la suite A068555 de l'OEIS .
Cette propriété peut se démontrer par récurrence grâce à la relation
T
n
+
1
,
m
=
4
T
n
,
m
−
T
n
,
m
+
1
{\displaystyle T_{n+1,m}=4T_{n,m}-T_{n,m+1}}
ou à l'aide de la formule de Legendre [ 38] .
Définition alternative
Dans son encyclopédie CRC Concise Encyclopedia of Mathematics (en) , Eric W. Weisstein définit le coefficient binomial central d'ordre n comme étant le coefficient binomial
(
n
⌊
n
/
2
⌋
)
{\displaystyle {\dbinom {n}{\lfloor n/2\rfloor }}}
[ 39] . Il s'agit alors de la suite A001405 de l'OEIS .
Les termes de rang n pair selon cette définition correspondent aux coefficients définis au début de cet article.
Références
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↑ a et b (en) David S. Gunderson, Handbook of Mathematical Induction: Theory and Applications , CRC Press , 2014 (lire en ligne ) , p. 204 .
↑ Koshy , p. 16-18.
↑ Koshy , Example 2.2, p. 16 (avec une coquille).
↑ (en) Shahriar Shahriari , An Invitation to Combinatorics , Cambridge University Press , 2021 (lire en ligne ) , p. 158 .
↑ « T. D. Noe, pers. comm., Nov. 30, 2005 » dans (en) « Central Binomial Coefficient », sur MathWorld (consulté le 21 août 2022 ) .
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↑ (en) G Velammal, « Is the binomial coefficient
(
2
n
n
)
{\displaystyle {\tbinom {2n}{n}}}
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↑ (en) Andrew Granville et Olivier Ramaré , « Explicit bounds on exponential sums and the scarcity of squarefree binomial coefficients », Mathematika , Cambridge University Press , vol. 43, 1996 , p. 73-107 (DOI 10.1112/S0025579300011608 ) .
↑ De Koninck-Mercier , p. 96-98.
↑ De Koninck-Mercier , p. 28.
↑ Koshy , p. 26-28.
↑ Lehmer , p. 449, écrit directement cette formule, comme cas particulier de la formule du binôme généralisée . Pour plus de détails, voir par exemple Adad , § 4, (en) Michael Z. Spivey, The Art of Proving Binomial Identities , CRC Press, 2019 (lire en ligne ) , p. 119 (identité 150) ou (en) George Boros et Victor H. Moll , Irresistible Integrals: Symbolics, Analysis and Experiments in the Evaluation of Integrals , Cambridge University Press, 2004 (lire en ligne ) , p. 134-135 .
↑ Lehmer , p. 454.
↑ J.P. Delahaye, Nombre pi, Malgré les progrès des sciences, il reste une énigme , Le Monde/ Belin, 2024 , p. 11
↑ Koshy , p. 13.
↑ a et b Lehmer , p. 453-456.
↑ a et b Lehmer , p. 450.
↑ a et b Boros-Moll , p. 119.
↑ Lehmer , p. 453.
↑ a et b Adad , § 5.
↑ Khristo Boyadzhiev, « Power Series with Inverse Binomial Coefficients and Harmonic Numbers », sur ResearchGate .
↑ (en) .J. Dyson, N. E. Frankel, M. L. Glasser, « Lehmer's Interesting Series », sur arXiv.org , 2011 , p. 3
↑ Joël Pipon, Claude Morin, « Une série numérique avec coefficient binomial central », Bulletin de l'union des professeurs des classes préparatoires scientifiques , no 278, 2022 , p. 63-71 (lire en ligne )
↑ Lehmer , p. 449.
↑ Géry Huvent, « Autour de la primitive de t^p coth (αt/2) » , p. 5-6
↑ (en) Chunfu Wei, « Integral Representations and Inequalities of Extended Central Binomial Coefficients », sur Authorea , 2021 (DOI 10.22541/au.163355849.99215800/v1 )
↑ Adad , § 3.
↑ (en) Arthur T.
Benjamin et Jennifer J. Quinn, « An alternate approach to alternating sums: a method to DIE for », College Mathematics Journal , vol. 39, no 3, 2008 , p. 191-202 (lire en ligne ) , § « Solution by involution » .
↑ Koshy , p. 58.
↑ Alexandre Junod, « Le coefficient binomial central et ses applications », Bulletin de la SSPMP , vol. 149, 2022 , p. 6-10 (lire en ligne )
↑ Mohammed Aassila, 1000 challenges mathématiques, Algèbre , Ellipses, 2016 , p. 99
↑ Eric W. Weisstein , CRC Concise Encyclopedia of Mathematics , CRC Press , 1999 (ISBN 0-8493-9640-9 ) , p. 218
Voir aussi
Bibliographie
(en) Thomas Koshy, Catalan Numbers with Applications , Oxford University Press , 2009 , 422 p. (ISBN 019533454X , lire en ligne ) , chap. 2 (« The Central Binomial Coefficient ») .
(en) Derrick Lehmer , « Interesting Series Involving the Central Binomial Coefficient », The American Mathematical Monthly , vol. 92, no 7, août-septembre 1985 , p. 447-469 (DOI 10.2307/2322496 ) .
Jean-Marie De Koninck et Armel Mercier, Introduction à la théorie des nombres , Modulo Éditeur , 1994 , 254 p. (ISBN 2-89113-500-8 ) , « Les inégalités de Tchebycheff » .
Liens externes