Logarithme népérien de deux Le logarithme népérien (ou naturel) du nombre 2 a pour développement décimal (suite A002162 de l'OEIS ) :
ln
2
=
0
,
693
147
180
559
945
309
417
232
121
458
⋯
{\displaystyle \ln 2=0,693\,147\,180\,559\,945\,309\,417\,232\,121\,458\cdots }
Le logarithme de 2 en base quelconque s'obtient par la formule :
log
b
2
=
ln
2
ln
b
.
{\displaystyle \log _{b}2={\frac {\ln 2}{\ln b}}.}
En particulier, le logarithme décimal a pour développement ( A007524 ) :
log
10
2
=
0
,
301
029
995
663
981
195
⋯
{\displaystyle \log _{10}2=0,301\,029\,995\,663\,981\,195\cdots }
L'inverse de ce nombre est le logarithme binaire de 10 :
log
2
10
=
1
log
10
2
=
3
,
321
928
095
⋯
{\displaystyle \log _{2}10={\frac {1}{\log _{10}2}}=3,321\,928\,095\cdots }
( A020862 ).
D'après le théorème de Lindemann-Weierstrass , le logarithme népérien (ou naturel) de tout entier naturel autre que 0 et 1 (plus généralement, de tout nombre algébrique positif autre que 1) est un nombre transcendant .
Développements en série
Séries alternées
La valeur numérique de ln 2 peut s'obtenir avec la fameuse « série harmonique alternée » :
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
=
1
−
1
2
+
1
3
−
1
4
+
1
5
−
1
6
+
⋯
.
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n}}=1-{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{3}}-{\frac {1}{4}}+{\frac {1}{5}}-{\frac {1}{6}}+\cdots .}
Sa convergence lente la rend d'un intérêt peu pratique, mais on peut construire des formules plus efficaces :
ln
2
=
1
2
+
1
2
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
(
n
+
1
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n(n+1)}}\;;}
ln
2
=
5
8
+
1
2
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {5}{8}}+{\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n(n+1)(n+2)}}\;;}
ln
2
=
2
3
+
3
4
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
(
n
+
3
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {2}{3}}+{\frac {3}{4}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n(n+1)(n+2)(n+3)}}\;;}
ln
2
=
131
192
+
3
2
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
(
n
+
3
)
(
n
+
4
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {131}{192}}+{\frac {3}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4)}}\;;}
ln
2
=
661
960
+
15
4
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
(
n
+
3
)
(
n
+
4
)
(
n
+
5
)
.
{\displaystyle \ln 2={\frac {661}{960}}+{\frac {15}{4}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4)(n+5)}}\;.}
Séries monotones
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n}}\;;}
ln
2
=
1
−
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
(
n
+
1
)
;
{\displaystyle \ln 2=1-\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n(n+1)}}\;;}
ln
2
=
1
2
+
2
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {1}{2}}+2\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n(n+1)(n+2)}}\;;}
ln
2
=
5
6
−
6
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
(
n
+
3
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {5}{6}}-6\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n(n+1)(n+2)(n+3)}}\;;}
ln
2
=
7
12
+
24
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
(
n
+
3
)
(
n
+
4
)
;
{\displaystyle \ln 2={\frac {7}{12}}+24\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4)}}\;;}
ln
2
=
47
60
−
120
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
(
n
+
1
)
(
n
+
2
)
(
n
+
3
)
(
n
+
4
)
(
n
+
5
)
.
{\displaystyle \ln 2={\frac {47}{60}}-120\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4)(n+5)}}.}
Démonstration
Ces égalités se déduisent des développements en série entière obtenus dans la section précédente, pris en
x
=
−
1
2
{\displaystyle x=-{\frac {1}{2}}}
, en remarquant que
ln
2
=
−
ln
(
1
−
1
2
)
{\textstyle \ln 2=-\ln \left(1-{\frac {1}{2}}\right)}
. En effet, on a par exemple :
ln
(
1
+
x
)
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
x
n
n
.
{\displaystyle \ln(1+x)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}x^{n}}{n}}.}
D'où :
ln
(
1
−
1
2
)
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
(
−
1
2
)
n
n
.
{\displaystyle \ln \left(1-{\frac {1}{2}}\right)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}\left(-{\frac {1}{2}}\right)^{n}}{n}}.}
Soit, en simplifiant :
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
.
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n}}.}
De même, on a vu que :
(
1
+
x
)
ln
(
1
+
x
)
−
x
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
x
n
+
1
n
(
n
+
1
)
.
{\displaystyle (1+x)\ln(1+x)-x=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}x^{n+1}}{n(n+1)}}.}
D'où :
(
1
−
1
2
)
ln
(
1
−
1
2
)
−
(
−
1
2
)
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
(
−
1
2
)
n
+
1
n
(
n
+
1
)
.
{\displaystyle \left(1-{\frac {1}{2}}\right)\ln \left(1-{\frac {1}{2}}\right)-\left(-{\frac {1}{2}}\right)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}\left(-{\frac {1}{2}}\right)^{n+1}}{n(n+1)}}.}
Soit, en simplifiant :
−
1
2
ln
2
+
1
2
=
1
2
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
(
n
+
1
)
.
{\displaystyle -{\frac {1}{2}}\ln 2+{\frac {1}{2}}={\frac {1}{2}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n(n+1)}}.}
, etc.
Autres développements en série
∑
n
=
0
∞
1
(
2
n
+
1
)
(
2
n
+
2
)
=
ln
2
;
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{(2n+1)(2n+2)}}=\ln 2\;;}
∑
n
=
1
∞
1
n
(
4
n
2
−
1
)
=
2
ln
2
−
1
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n(4n^{2}-1)}}=2\ln 2-1\;;}
∑
n
=
1
∞
1
(
4
n
)
3
−
4
n
=
−
1
2
+
3
4
ln
2
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{(4n)^{3}-4n}}=-{\frac {1}{2}}+{\frac {3}{4}}\ln 2;}
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
n
(
4
n
2
−
1
)
=
ln
2
−
1
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{n(4n^{2}-1)}}=\ln 2-1\;;}
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
n
(
9
n
2
−
1
)
=
2
ln
2
−
3
2
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{n(9n^{2}-1)}}=2\ln 2-{\frac {3}{2}}\;;}
∑
n
=
1
∞
1
4
n
2
−
2
n
=
ln
2
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{4n^{2}-2n}}=\ln 2\;;}
∑
n
=
1
∞
2
(
−
1
)
n
+
1
(
2
n
−
1
)
+
1
8
n
2
−
4
n
=
ln
2
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2(-1)^{n+1}(2n-1)+1}{8n^{2}-4n}}=\ln 2\;;}
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
(
3
n
+
1
)
(
3
n
+
2
)
=
2
ln
2
3
;
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(3n+1)(3n+2)}}={\frac {2\ln 2}{3}}\;;}
∑
n
=
1
∞
1
4
n
2
−
3
n
=
ln
2
+
π
6
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{4n^{2}-3n}}=\ln 2+{\frac {\pi }{6}}}
(sommes des inverses des nombres décagonaux ).
Démonstration
Les sommes de ces séries peuvent être obtenues en décomposant les termes de la série en éléments simples. Par exemple :
∀
n
∈
N
,
1
(
2
n
+
1
)
(
2
n
+
2
)
=
1
2
n
+
1
−
1
2
n
+
2
{\displaystyle \forall n\in \mathbb {N} ,{\frac {1}{(2n+1)(2n+2)}}={\frac {1}{2n+1}}-{\frac {1}{2n+2}}}
donc
∀
N
∈
N
,
∑
n
=
0
N
1
(
2
n
+
1
)
(
2
n
+
2
)
=
∑
n
=
0
N
(
1
2
n
+
1
−
1
2
n
+
2
)
=
∑
n
=
0
N
(
1
2
n
+
1
+
1
2
n
+
2
−
1
2
n
+
2
−
1
2
n
+
2
)
=
∑
n
=
1
2
N
+
2
1
n
−
∑
n
=
1
N
+
1
1
n
=
∑
n
=
N
+
1
2
N
+
2
1
n
{\displaystyle {\begin{aligned}\forall N\in \mathbb {N} ,\sum _{n=0}^{N}{\frac {1}{(2n+1)(2n+2)}}&=\sum _{n=0}^{N}\left({\frac {1}{2n+1}}-{\frac {1}{2n+2}}\right)\\&=\sum _{n=0}^{N}\left({\frac {1}{2n+1}}+{\frac {1}{2n+2}}-{\frac {1}{2n+2}}-{\frac {1}{2n+2}}\right)=\sum _{n=1}^{2N+2}{\frac {1}{n}}-\sum _{n=1}^{N+1}{\frac {1}{n}}\\&=\sum _{n=N+1}^{2N+2}{\frac {1}{n}}\end{aligned}}}
Pour conclure, il faut ici utiliser le développement asymptotique de la série harmonique :
∑
n
=
1
2
N
+
2
1
n
−
∑
n
=
1
N
+
1
1
n
=
[
ln
(
2
N
+
2
)
+
γ
+
o
(
1
)
]
−
[
ln
(
N
+
1
)
+
γ
+
o
(
1
)
]
=
ln
(
2
N
+
2
N
+
1
)
+
o
(
1
)
=
ln
2
+
o
(
1
)
.
{\displaystyle \sum _{n=1}^{2N+2}{\frac {1}{n}}-\sum _{n=1}^{N+1}{\frac {1}{n}}={\bigl [}\ln(2N+2)+\gamma +o(1){\bigr ]}-{\bigl [}\ln(N+1)+\gamma +o(1){\bigr ]}=\ln \left({\frac {2N+2}{N+1}}\right)+o(1)=\ln 2+o(1).}
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
3
n
+
1
=
ln
2
3
+
π
3
3
;
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{3n+1}}={\frac {\ln 2}{3}}+{\frac {\pi }{3{\sqrt {3}}}}\;;}
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
3
n
+
2
=
−
ln
2
3
+
π
3
3
;
{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{3n+2}}=-{\frac {\ln 2}{3}}+{\frac {\pi }{3{\sqrt {3}}}}\;;}
∑
n
=
1
∞
1
∑
k
=
1
n
k
2
=
18
−
24
ln
2
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{\sum _{k=1}^{n}k^{2}}}=18-24\ln 2}
en utilisant
lim
N
→
∞
∑
n
=
N
2
N
1
n
=
ln
2
;
{\displaystyle \lim _{N\rightarrow \infty }\sum _{n=N}^{2N}{\frac {1}{n}}=\ln 2\;;}
Développements impliquant la fonction zêta de Riemann
∑
n
=
1
∞
ζ
(
2
n
)
−
1
n
=
ln
2
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\zeta (2n)-1}{n}}=\ln 2\;;}
∑
n
=
2
∞
ζ
(
n
)
−
1
2
n
=
ln
2
−
1
2
;
{\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }{\frac {\zeta (n)-1}{2^{n}}}=\ln 2-{\frac {1}{2}}\;;}
∑
n
=
1
∞
ζ
(
2
n
+
1
)
−
1
2
n
+
1
=
1
−
γ
−
ln
2
2
;
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\zeta (2n+1)-1}{2n+1}}=1-\gamma -{\frac {\ln 2}{2}}\;;}
∑
n
=
1
∞
ζ
(
2
n
)
2
2
n
−
1
(
2
n
+
1
)
=
1
−
ln
2
{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\zeta (2n)}{2^{2n-1}(2n+1)}}=1-\ln 2}
.
(ici γ est la constante d'Euler-Mascheroni et ζ la fonction zêta de Riemann ).
Développements issus du développement en série entière du logarithme au voisinage de 1
Ce développement du logarithme népérien (ou naturel) s'écrit :
ln
(
1
−
x
)
=
−
∑
n
=
1
∞
x
n
n
(
1
)
{\displaystyle \ln(1-x)=-\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {x^{n}}{n}}\ (1)}
, valable pour
x
∈
[
−
1
,
1
[
{\displaystyle x\in \left[-1,1\right[}
.
Il donne
ln
1
+
x
1
−
x
=
2
x
∑
k
=
0
∞
x
2
k
2
k
+
1
(
2
)
{\displaystyle \ln {\frac {1+x}{1-x}}=2x\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {x^{2k}}{2k+1}}\ (2)}
, valable pour
x
∈
]
−
1
,
1
[
{\displaystyle x\in \left]-1,1\right[}
.
On obtient :
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
n
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{n}}}
pour
x
=
−
1
{\displaystyle x=-1}
dans (1),
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
1
2
n
n
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}n}}}
pour
x
=
1
/
2
{\displaystyle x=1/2}
dans (1),
ln
2
=
2
3
∑
k
=
0
∞
1
9
k
(
2
k
+
1
)
{\displaystyle \ln 2={\frac {2}{3}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{9^{k}(2k+1)}}}
pour
x
=
1
/
3
{\displaystyle x=1/3}
dans (2).
En écrivant
2
=
3
2
⋅
4
3
{\displaystyle \textstyle 2={\frac {3}{2}}\cdot {\frac {4}{3}}}
on obtient :
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
2
n
n
+
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
3
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{2^{n}n}}+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{3^{n}n}}\;;}
ln
2
=
∑
n
=
1
∞
1
3
n
n
+
∑
n
=
1
∞
1
4
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{3^{n}n}}+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{4^{n}n}}\;;}
ln
2
=
2
5
∑
k
=
0
∞
1
25
k
(
2
k
+
1
)
+
2
7
∑
k
=
0
∞
1
49
k
(
2
k
+
1
)
.
{\displaystyle \ln 2={\frac {2}{5}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{25^{k}(2k+1)}}+{\frac {2}{7}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{49^{k}(2k+1)}}.}
En écrivant
2
=
(
2
)
2
{\displaystyle \textstyle 2=({\sqrt {2}})^{2}}
on obtient :
ln
2
=
2
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
(
2
+
1
)
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=2\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{({\sqrt {2}}+1)^{n}n}}\;;}
ln
2
=
2
∑
n
=
1
∞
1
(
2
+
2
)
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=2\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{(2+{\sqrt {2}})^{n}n}}\;;}
ln
2
=
4
3
+
2
2
∑
k
=
0
∞
1
(
17
+
12
2
)
k
(
2
k
+
1
)
.
{\displaystyle \ln 2={\frac {4}{3+2{\sqrt {2}}}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{(17+12{\sqrt {2}})^{k}(2k+1)}}.}
En écrivant
2
=
(
16
15
)
7
⋅
(
81
80
)
3
⋅
(
25
24
)
5
{\displaystyle \textstyle 2={\left({\frac {16}{15}}\right)}^{7}\cdot {\left({\frac {81}{80}}\right)}^{3}\cdot {\left({\frac {25}{24}}\right)}^{5}}
on obtient :
ln
2
=
7
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
15
n
n
+
3
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
80
n
n
+
5
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
−
1
24
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=7\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{15^{n}n}}+3\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{80^{n}n}}+5\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n-1}}{24^{n}n}}\;;}
ln
2
=
7
∑
n
=
1
∞
1
16
n
n
+
3
∑
n
=
1
∞
1
81
n
n
+
5
∑
n
=
1
∞
1
25
n
n
;
{\displaystyle \ln 2=7\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{16^{n}n}}+3\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{81^{n}n}}+5\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{25^{n}n}}\;;}
ln
2
=
14
31
∑
k
=
0
∞
1
961
k
(
2
k
+
1
)
+
6
161
∑
k
=
0
∞
1
25921
k
(
2
k
+
1
)
+
10
49
∑
k
=
0
∞
1
2401
k
(
2
k
+
1
)
.
{\displaystyle \ln 2={\frac {14}{31}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{961^{k}(2k+1)}}+{\frac {6}{161}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{25921^{k}(2k+1)}}+{\frac {10}{49}}\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{2401^{k}(2k+1)}}.}
Développements de type BBP
Une formule de calcul de ln 2 se déduit de la démonstration de la formule BBP :
ln
2
=
2
3
+
1
2
∑
k
=
1
∞
(
1
2
k
+
1
4
k
+
1
+
1
8
k
+
4
+
1
16
k
+
12
)
1
16
k
.
{\displaystyle \ln 2={\frac {2}{3}}+{\frac {1}{2}}\sum _{k=1}^{\infty }\left({\frac {1}{2k}}+{\frac {1}{4k+1}}+{\frac {1}{8k+4}}+{\frac {1}{16k+12}}\right){\frac {1}{16^{k}}}.}
Démonstration
Notons pour tout entier n
S
n
=
∑
k
=
0
∞
1
16
k
(
8
k
+
n
)
{\displaystyle S_{n}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{16^{k}(8k+n)}}}
et démontrons la formule de Plouffe généralisée :
(
0
)
∀
r
∈
C
π
=
(
4
+
8
r
)
S
1
−
8
r
S
2
−
4
r
S
3
−
(
2
+
8
r
)
S
4
−
(
1
+
2
r
)
S
5
−
(
1
+
2
r
)
S
6
+
r
S
7
{\displaystyle (0)\quad \forall r\in \mathbb {C} \qquad \pi \ =\ (4+8r)S_{1}-8rS_{2}-4rS_{3}-(2+8r)S_{4}-(1+2r)S_{5}-(1+2r)S_{6}+rS_{7}}
On pose
α
=
1
−
i
=
2
e
−
i
π
/
4
{\displaystyle \alpha =1-\mathrm {i} ={\sqrt {2}}\mathrm {e} ^{-\mathrm {i} \pi /4}}
. On peut calculer de deux façons l'intégrale suivante :
I
=
∫
0
1
d
y
α
−
y
.
{\displaystyle I=\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} y}{\alpha -y}}.}
Elle est d'une part reliée aux Sn par
I
=
1
α
∫
0
1
d
y
1
−
y
/
α
=
1
α
∫
0
1
∑
m
=
0
∞
y
m
α
m
d
y
=
∑
m
=
0
∞
e
i
(
m
+
1
)
π
/
4
(
m
+
1
)
2
m
+
1
2
=
1
+
i
2
S
1
+
i
2
S
2
+
−
1
+
i
4
S
3
−
1
4
S
4
−
1
+
i
8
S
5
−
i
8
S
6
+
1
−
i
16
S
7
+
1
16
S
8
{\displaystyle {\begin{aligned}I&={\frac {1}{\alpha }}\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} y}{1-y/\alpha }}={\frac {1}{\alpha }}\int _{0}^{1}\sum _{m=0}^{\infty }{\frac {y^{m}}{\alpha ^{m}}}\mathrm {d} y=\sum _{m=0}^{\infty }{\frac {\mathrm {e} ^{\mathrm {i} (m+1)\pi /4}}{(m+1)2^{\frac {m+1}{2}}}}\\&={\frac {1+\mathrm {i} }{2}}S_{1}+{\frac {\mathrm {i} }{2}}S_{2}+{\frac {-1+\mathrm {i} }{4}}S_{3}-{\frac {1}{4}}S_{4}-{\frac {1+\mathrm {i} }{8}}S_{5}-{\frac {\mathrm {i} }{8}}S_{6}+{\frac {1-\mathrm {i} }{16}}S_{7}+{\frac {1}{16}}S_{8}\end{aligned}}}
et d'autre part calculable par des méthodes élémentaires (en calculant séparément sa partie réelle et sa partie imaginaire), ou de façon plus synthétique via le logarithme complexe :
I
=
−
[
ln
(
α
−
y
)
]
0
1
=
ln
(
α
α
−
1
)
=
ln
(
1
+
i
)
=
ln
(
2
e
i
π
/
4
)
=
ln
2
2
+
i
π
4
.
{\displaystyle {\begin{aligned}I&=-\left[\ln(\alpha -y)\right]_{0}^{1}=\ln \left({\frac {\alpha }{\alpha -1}}\right)=\ln(1+\mathrm {i} )=\ln({\sqrt {2}}\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \pi /4})={\frac {\ln 2}{2}}+\mathrm {i} {\frac {\pi }{4}}.\end{aligned}}}
L'égalité entre ces deux expressions de I permet de déduire l'égalité entre leurs parties réelles, soit :
ln
2
=
2
R
e
(
I
)
=
S
1
−
1
2
S
3
−
1
2
S
4
−
1
4
S
5
+
1
8
S
7
+
1
8
S
8
.
{\displaystyle \ln 2=2\mathrm {Re} (I)=S_{1}-{\frac {1}{2}}S_{3}-{\frac {1}{2}}S_{4}-{\frac {1}{4}}S_{5}+{\frac {1}{8}}S_{7}+{\frac {1}{8}}S_{8}.}
Représentations intégrales
Le logarithme népérien (ou naturel) de 2 apparaît fréquemment à la suite d'une intégration. Par exemple :
I
1
=
∫
0
1
d
x
1
+
x
=
∫
1
2
d
x
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{1}=\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} x}{1+x}}=\int _{1}^{2}{\frac {\mathrm {d} x}{x}}=\ln 2}
I
2
=
∫
0
+
∞
2
−
x
d
x
=
1
ln
2
{\displaystyle I_{2}=\int _{0}^{+\infty }2^{-x}\mathrm {d} x={\frac {1}{\ln 2}}}
I
3
=
∫
0
π
3
tan
x
d
x
=
2
∫
0
π
4
tan
x
d
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{3}=\int _{0}^{\frac {\pi }{3}}\tan x\,\mathrm {d} x=2\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}\tan x\,\mathrm {d} x=\ln 2}
I
4
=
∫
0
+
∞
e
−
x
−
e
−
2
x
x
d
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{4}=\int _{0}^{+\infty }{\frac {\mathrm {e} ^{-x}-\mathrm {e} ^{-2x}}{x}}\,\mathrm {d} x=\ln 2}
I
5
=
∫
0
1
x
−
1
ln
x
d
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{5}=\int _{0}^{1}{\frac {x-1}{\ln x}}\,\mathrm {d} x=\ln 2}
I
6
=
∫
0
+
∞
cos
x
−
cos
2
x
x
d
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{6}=\int _{0}^{+\infty }{\frac {\cos x-\cos 2x}{x}}\,\mathrm {d} x=\ln 2}
I
7
=
2
π
∫
0
+
∞
arctan
2
x
−
arctan
x
x
d
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{7}={\frac {2}{\pi }}\int _{0}^{+\infty }{\frac {\arctan 2x-\arctan x}{x}}\,\mathrm {d} x=\ln 2}
I
8
=
−
1
i
π
∫
0
∞
ln
x
ln
ln
x
(
x
+
1
)
2
d
x
=
ln
2
{\displaystyle I_{8}=-{\frac {1}{\mathrm {i} \pi }}\int _{0}^{\infty }{\frac {\ln x\ln \ln x}{(x+1)^{2}}}\,\mathrm {d} x=\ln 2}
Autres représentations
Développement en série d'Engel :
ln
2
=
1
2
+
1
2
⋅
3
+
1
2
⋅
3
⋅
7
+
1
2
⋅
3
⋅
7
⋅
9
+
⋯
{\displaystyle \ln 2={\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2\cdot 3}}+{\frac {1}{2\cdot 3\cdot 7}}+{\frac {1}{2\cdot 3\cdot 7\cdot 9}}+\cdots }
, voir A059180 .
Développement en série de Pierce (analogue au développement d'Engel, mais avec des signes alternés) :
ln
2
=
1
−
1
1
⋅
3
+
1
1
⋅
3
⋅
12
−
⋯
{\displaystyle \ln 2=1-{\frac {1}{1\cdot 3}}+{\frac {1}{1\cdot 3\cdot 12}}-\cdots }
, voir A091846 .
Développement en cotangente continue de Lehmer :
ln
2
=
cot
(
arccot
(
0
)
−
arccot
(
1
)
+
arccot
(
5
)
−
arccot
(
55
)
+
arccot
(
14187
)
−
⋯
)
{\displaystyle \ln 2=\cot({\operatorname {arccot}(0)-\operatorname {arccot}(1)+\operatorname {arccot}(5)-\operatorname {arccot}(55)+\operatorname {arccot}(14187)-\cdots })}
, voir A081785 .
Développement en fraction continue simple :
ln
2
=
[
0
;
1
,
2
,
3
,
1
,
6
,
3
,
1
,
1
,
2
,
1
,
1
,
1
,
1
,
3
,
10
,
1
,
1
,
1
,
2
,
1
,
1
,
1
,
1
,
3
,
2
,
3
,
1
,
.
.
.
]
,
{\displaystyle \ln 2=\left[0;1,2,3,1,6,3,1,1,2,1,1,1,1,3,10,1,1,1,2,1,1,1,1,3,2,3,1,...\right],}
voir A016730 ,
ce qui donne des approximations rationnelles, dont les premières sont 0, 1, 2/3, 7/10, 9/13 et 61/88.
Il existe aussi un développement en fraction continue généralisée [ 1] :
ln
2
=
[
0
;
1
,
2
,
3
,
1
,
5
,
2
3
,
7
,
1
2
,
9
,
2
5
,
.
.
.
,
2
k
−
1
,
2
k
,
.
.
.
]
{\displaystyle \ln 2=\left[0;1,2,3,1,5,{\tfrac {2}{3}},7,{\tfrac {1}{2}},9,{\tfrac {2}{5}},...,2k-1,{\frac {2}{k}},...\right]}
,
également exprimable sous la forme
ln
2
=
1
1
+
1
2
+
1
3
+
2
2
+
2
5
+
3
2
+
3
7
+
4
2
+
⋱
=
2
3
−
1
2
9
−
2
2
15
−
3
2
21
−
⋱
.
{\displaystyle \ln 2={\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{2+{\cfrac {1}{3+{\cfrac {2}{2+{\cfrac {2}{5+{\cfrac {3}{2+{\cfrac {3}{7+{\cfrac {4}{2+\ddots }}}}}}}}}}}}}}}}={\cfrac {2}{3-{\cfrac {1^{2}}{9-{\cfrac {2^{2}}{15-{\cfrac {3^{2}}{21-\ddots }}}}}}}}.}
Décimales connues
Ci-dessous est présenté un tableau des enregistrements récents pour le calcul des décimales de ln 2 . Depuis décembre 2018, il a été calculé plus de décimales que pour tout autre logarithme népérien[ 2] , [ 3] d'un entier naturel, à l'exception de celui de 1.
Date
Nom
Nombre de décimales
7 janvier 2009
A. Yee et R. Chan
15 500 000 000
4 février 2009
A. Yee et R. Chan
31 026 000 000
21 février 2011
Alexandre Yee
50 000 000 050
14 mai 2011
Shigeru Kondo
100 000 000 000
28 février 2014
Shigeru Kondo
200 000 000 050
12 juillet 2015
Ron Watkins
250 000 000 000
30 janvier 2016
Ron Watkins
350 000 000 000
18 avril 2016
Ron Watkins
500 000 000 000
10 décembre 2018
Michael Kwok
600 000 000 000
26 avril 2019
Jacob Riffee
1 000 000 000 000
19 août 2020
Seungmin Kim[ 4] , [ 5]
1 200 000 000 100
9 septembre 2021
William Echols[ 6] , [ 7]
1 500 000 000 000
Articles connexes
Règle des 72 , article dans lequel ln 2 figure en bonne place
Demi-vie , article dans lequel ln 2 figure en bonne place
Notes et références
↑ Borwein, Crandall et Free, « On the Ramanujan AGM Fraction, I: The Real-Parameter Case », Exper. Math. , vol. 13, 2004 , p. 278–280 (DOI 10.1080/10586458.2004.10504540 , S2CID 17758274 , lire en ligne )
↑ « y-cruncher », numberworld.org (consulté le 10 décembre 2018 )
↑ « Natural log of 2 », numberworld.org (consulté le 10 décembre 2018 ) .
↑ « Records set by y-cruncher » [archive du 15 septembre 2020 ] (consulté le 15 septembre 2020 )
↑ « Natural logarithm of 2 (Log(2)) world record by Seungmin Kim », 19 août 2020 (consulté le 15 septembre 2020 ) .
↑ « Records set by y-cruncher » (consulté le 26 octobre 2021 ) .
↑ « Natural Log of 2 - William Echols » (consulté le 26 octobre 2021 ) .
Bibliographie
(en) Richard P. Brent , « Fast multiple-precision evaluation of elementary functions », Journal of the ACM , vol. 23, no 2, 1976 , p. 242-251 (DOI 10.1145/321941.321944 , MR 0395314 , S2CID 6761843 )
(en) Horace S. Uhler , « Recalculation and extension of the modulus and of the logarithms of 2, 3, 5, 7 and 17 », Proc. Natl. Acad. Sci. USA , vol. 26, no 3, 1940 , p. 205-212 (PMID 16588339 , PMCID 1078033 , DOI 10.1073/pnas.26.3.205 , Bibcode 1940PNAS...26..205U , MR 0001523 )
(en) Dura W. Sweeney , « On the computation of Euler's constant », Mathematics of Computation , vol. 17, no 82, 1963 , p. 170-178 (DOI 10.1090/S0025-5718-1963-0160308-X , MR 0160308 )
(en) Marc Chamberland , « Binary BBP-formulae for logarithms and generalized Gaussian–Mersenne primes », Journal of Integer Sequences , vol. 6, 2003 , p. 03.3.7 (Bibcode 2003JIntS...6...37C , MR 2046407 , lire en ligne [archive du 6 juin 2011 ] , consulté le 29 avril 2010 )
(en) Boris Gourévitch et Jesús Guillera Goyanes , « Construction of binomial sums for
π
{\displaystyle \pi }
and polylogarithmic constants inspired by BBP formulas », Applied Math. E-Notes , vol. 7, 2007 , p. 237-246 (MR 2346048 , lire en ligne )
(en) Qiang Wu, « On the linear independence measure of logarithms of rational numbers », Mathematics of Computation , vol. 72, no 242, 2003 , p. 901-911 (DOI 10.1090/S0025-5718-02-01442-4 )