Problème — Napier, d'une suite géométrique à une fonction
Application directe du cours · niveau 3 (difficile) · mathématiques complémentaires (terminale), chapitre 13 — Thème 3 — Approche historique de la fonction logarithme
Énoncé
Problème — Napier, d'une suite géométrique à une fonction.
Pour construire sa table, Napier ne fait pas bouger un point : il calcule, de proche en proche, les positions d'un point qui ralentit. On note la distance qui lui reste à parcourir après étapes, et l'on pose
Le logarithme de Napier de est, par construction, le numéro d'étape .
- Montrer que est géométrique. Préciser sa raison, son sens de variation et sa limite.
- Montrer que pour tous entiers et : . Quelle règle de calcul cela donne-t-il à l'utilisateur de la table ?
- Au bout de combien d'étapes la distance restante est-elle divisée par ? Comparer ce nombre à .
- Calculer . Que reconnaît-on ?
- Exprimer en fonction de et retrouver la formule du cours.
- Pourquoi Napier n'a-t-il écrit ni , ni ?
Corrigé
- Une suite géométrique. La relation de récurrence se factorise :
C'est une suite géométrique de premier terme et de raison , donc . Comme , la suite est strictement décroissante et tend vers (chapitre 1) : le point n'atteint jamais le but, mais s'en approche autant qu'on veut.
- La règle de la table. Le calcul est immédiat :
Autrement dit : pour multiplier deux nombres de la table, on additionne leurs numéros de ligne, et l'on trouve à la ligne obtenue le produit divisé par . C'est la version discrète de la règle établie plus haut pour le logarithme de Napier, et le facteur y apparaît naturellement : il vient du fait que la table part de et non de .
- Diviser la distance par deux. On cherche tel que , c'est-à-dire, en prenant le logarithme népérien (chapitre 3) :
Numériquement , d'où
Il faut donc étapes. Or : les deux nombres coïncident sur huit chiffres. La table discrète de Napier et la fonction du cours donnent la même chose.
- Après dix millions d'étapes.
On reconnaît , donc . Le nombre était donc déjà dans la table de Napier, plus d'un siècle avant qu'Euler ne lui donne son nom — caché à la dix-millionième ligne.
- De la suite à la fonction. De on tire , puis
Comme , on obtient
qui est exactement la formule admise dans le cours. L'écart relatif est de : invisible sur les sept chiffres d'une table.
- Ce que Napier ne pouvait pas écrire. Ni la notation , ni le nombre , ni même la notion de base d'un logarithme n'existent en : le nombre ne sera nommé qu'au XVIII<sup>e</sup> siècle, par Euler. Napier ne dispose que d'une définition cinématique et d'une table calculée à la main. La formule de la question 5 est une traduction moderne de son travail, pas sa méthode.
Toute la subtilité de la construction tient dans le choix de la raison , si proche de que la suite géométrique semble arithmétique : de deux lignes consécutives on peut interpoler linéairement sans erreur sensible. C'est ce qui rend la table utilisable, et c'est ce qui a coûté vingt ans de calculs.
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