Constante de Catalan

En mathématiques, la constante de Catalan, portant le nom du mathématicien Eugène Charles Catalan, est le nombre défini par : $K=\beta (2)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)^{2}}}\approx 0{,}915~965~594$ où $\beta$ est la fonction bêta de Dirichlet.

Ses décimales sont répertoriées par la suite A006752 de l'OEIS.

On ne sait pas si la constante $K$ est rationnelle ou irrationnelle.

Autres expressions

La constante $K$ de Catalan est aussi égale à :

Expressions intégrales

$I_{1}=\int _{0}^{1}{\arctan u \over u}\,\mathrm {d} u=\mathrm {Ti} _{2}(1)$ , où $Ti 2$ désigne la fonction arc tangente intégral
$I_{2}={1 \over 2}\int _{0}^{\pi /2}{\frac {u}{\sin u}}\mathrm {d} u$
$I_{3}=-\int _{0}^{1}{\ln u \over 1+u^{2}}\,\mathrm {d} u=\int _{1}^{+\infty }{\ln u \over 1+u^{2}}\,\mathrm {d} u$
$I_{4}=-\int _{0}^{\pi /4}{\ln(\tan u)\,\mathrm {d} u}=\int _{0}^{\pi /4}{\ln(\cot u)\,\mathrm {d} u}{\overset {u\leftrightarrow 2u}{=}}{\frac {1}{4}}\int _{0}^{\pi /2}\ln \left({\frac {1+\cos u}{1-\cos u}}\right)\,\mathrm {d} u$
$I_{5}=\int _{0}^{1}\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} x\mathrm {d} y}{1+x^{2}y^{2}}}$
$I_{6}=\int _{0}^{1/{\sqrt {2}}}{\arcsin u \over {u(1-u^{2})}}\mathrm {d} u$
$I_{7}=\int _{0}^{\ln(1+{\sqrt {2}})}\arccos {(\operatorname {sh} u)}\,\mathrm {d} u{\overset {\operatorname {sh} u\leftrightarrow u}{=}}\int _{0}^{1}{\frac {\arccos u}{\sqrt {1+u^{2}}}}\,\mathrm {d} u$
$I_{8}=\int _{0}^{\pi /2}\operatorname {argsh} {(\sin u)}\,\mathrm {d} u{\overset {\sin u\leftrightarrow u}{=}}\int _{0}^{1}{\frac {\operatorname {argsh} u}{\sqrt {1-u^{2}}}}\,\mathrm {d} u$
$I_{9}={1 \over 2}\int _{0}^{\pi /2}\operatorname {argth} {(\sin u)}\,\mathrm {d} u{\overset {\sin u\leftrightarrow u}{=}}{1 \over 2}\int _{0}^{1}{\frac {\operatorname {argth} u}{\sqrt {1-u^{2}}}}\,\mathrm {d} u$
$I_{10}=\int _{0}^{+\infty }\arctan(\mathrm {e} ^{-u})\,\mathrm {d} u$
$I_{11}={\frac {1}{2}}\int _{0}^{+\infty }{\frac {u}{\operatorname {ch} u}}\,\mathrm {d} u$
$I_{12}={1 \over 2}\int _{0}^{1}F(k)\,\mathrm {d} k\quad$ où $\quad F(k)=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {\,\mathrm {d} \varphi }{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\varphi }}}$ est l'intégrale elliptique complète de première espèce
$I_{13}=-{1 \over 2}+\int _{0}^{1}E(k)\,\mathrm {d} k\quad$ où $\quad E(k)=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\sqrt {1-k^{2}\sin ^{2}\varphi }}\,\mathrm {d} \varphi$ est l'intégrale elliptique complète de deuxième espèce
$I_{14}={1 \over 4}\int _{0}^{1}\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} x\mathrm {d} y}{(x+y){\sqrt {(1-x)(1-y)}}}}$
$I_{15}=\int _{1/{\sqrt {2}}}^{1}{\frac {\operatorname {argth} u}{u{\sqrt {2u^{2}-1}}}}\,\mathrm {d} u{\overset {u\leftrightarrow \cos u}{=}}\int _{0}^{\pi /4}{\frac {\tan u\operatorname {argth} (\cos u)}{\sqrt {\cos 2u}}}\,\mathrm {d} u$
$I_{16}=\int _{0}^{1/{\sqrt {2}}}{\frac {\operatorname {argth} u}{{(1-u^{2})}{\sqrt {1-2u^{2}}}}}\,\mathrm {d} u\ {\overset {u\leftrightarrow \sin u}{=}}\ \int _{0}^{\pi /4}{\frac {\operatorname {argth} (\sin u)}{\cos u{\sqrt {\cos 2u}}}}\,\mathrm {d} u$

Démonstrations de ces égalités

On passe de $I_{1}$ à $K$ en développant $\arctan$ en série entière ;

on passe de $I_{1}$ à $I_{2}$ en posant $u=\tan {v \over 2}$ ;

on passe de $I_{1}$ à $I_{3}$ en intégrant par parties (dériver $\arctan$ et intégrer $u\mapsto 1/u$ ) et le passage entre les deux expressions se fait en changeant $u$ en $1/u$ ;

on passe de $I_{3}$ à $I_{4}$ en posant $u=\tan v$ ;

on passe de $I_{5}$ à $I_{1}$ en posant $x={u \over y}$ ;

on passe de $I_{6}$ à $I_{2}$ en posant $u=\sin {v \over 2}$ ;

on passe de $I_{7}$ à $I_{8}$ en intégrant par parties ;

démonstration de $I_{8}=I_{1}$ :

$\operatorname {argsh} x=\int _{0}^{x}{\frac {\mathrm {d} u}{\sqrt {1+u^{2}}}}\ {\overset {u=tx}{=}}\ \int _{0}^{1}{\frac {x\,\mathrm {d} t}{\sqrt {1+t^{2}x^{2}}}}\,$ donc $I_{8}=\int _{0}^{\pi /2}\int _{0}^{1}{\frac {\sin u}{\sqrt {1+t^{2}\sin ^{2}u}}}\,\mathrm {d} t\,\mathrm {d} u=\int _{0}^{1}\int _{0}^{\pi /2}{\frac {\sin u\,\mathrm {d} u}{\sqrt {1+t^{2}\sin ^{2}u}}}\,\mathrm {d} t$

or $\int _{0}^{\pi /2}{\frac {\sin u}{\sqrt {1+t^{2}\sin ^{2}u}}}\,\mathrm {d} u\ {\overset {v=\cos u}{=}}\ \int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} v}{\sqrt {1+t^{2}-t^{2}v^{2}}}}={1 \over t}\arcsin {t \over {\sqrt {1+t^{2}}}}={\arctan {t} \over t}$ donc $I_{8}=I_{1}$ ;

variante : posons $f(x)=\int _{0}^{\pi /2}\operatorname {argsh} {(x\sin u)}\,\mathrm {d} u$ ; alors $f'(x)=\int _{0}^{\pi /2}{\frac {\sin u}{\sqrt {1+x^{2}\sin ^{2}u}}}\,\mathrm {d} u={\arctan x \over x}$ comme ci-dessus, donc $I_{8}=f(1)=\int _{0}^{1}f'(x)dx=\int _{0}^{1}{\frac {\arctan(x)}{x}}\mathrm {d} x=I_{1}$ ;

démonstration de $I_{4}$ = $I_{9}$

$\int _{0}^{\pi /4}{\ln(\cot(u))\,\mathrm {d} u}={1 \over 2}\int _{0}^{\pi /2}{\ln(\cot(2u))\,\mathrm {d} u}={1 \over 2}\int _{0}^{\pi /2}{\ln {\sqrt {{1+\cos u} \over {1-\cos u}}}\,\mathrm {d} u}={1 \over 2}\int _{0}^{\pi /2}{\operatorname {argth} \cos u\,\mathrm {d} u}={1 \over 2}\int _{0}^{\pi /2}{\operatorname {argth} \sin u\,\mathrm {d} u}$

on passe de $I_{10}$ à $I_{2}$ en posant $\mathrm {e} ^{-u}=\tan {v \over 2}$ ;

on passe de $I_{11}$ à $I_{3}$ en posant $u=\ln v$ ;

on passe de $I_{12}$ et $I_{13}$ à $I_{2}$ en intervertissant les signes d'intégration;

passage de $I_{14}$ à $I_{15}$ :

$\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} x}{(x+y){\sqrt {(1-x)(1-y)}}}}=\left[{\frac {-2\operatorname {argth} {\sqrt {1-x \over {1+y}}}}{\sqrt {1-y^{2}}}}\right]_{0}^{1}={\frac {2\operatorname {argth} {\sqrt {1 \over {1+y}}}}{\sqrt {1-y^{2}}}}$

donc $I_{14}={1 \over 4}\int _{0}^{1}\int _{0}^{1}{\frac {\mathrm {d} x\mathrm {d} y}{(x+y){\sqrt {(1-x)(1-y)}}}}=\int _{0}^{1}{\frac {\operatorname {argth} {\sqrt {1 \over {1+y}}}}{2{\sqrt {1-y^{2}}}}}\mathrm {d} y\ {\overset {u=1/{\sqrt {1+y}}}{=}}\ \int _{1/{\sqrt {2}}}^{1}{\frac {\operatorname {argth} u}{u{\sqrt {2u^{2}-1}}}}\,\mathrm {d} u=I_{15}$

pour $I_{14}$ et $I_{16}$ , voir la référence Bradley ci-dessous, pages 23 et 11.

Développements en série

Cette constante peut aussi être définie par la fonction de Clausen : $K=\operatorname {Cl} _{2}\left({\frac {\pi }{2}}\right)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sin(n{\frac {\pi }{2}})}{n^{2}}}$ , ce qui donne les formules suivantes :

$K=-\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\ln \left(2\sin {u \over 2}\right)\,\mathrm {d} u=\operatorname {Ls} _{2}\left({\frac {\pi }{2}}\right)$ (intégrale en log-sinus),
$K={\frac {\pi }{2}}\left(1-\ln \left({\frac {\pi }{2}}\right)+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\zeta (2n)}{n(2n+1)}}\left({\frac {1}{4}}\right)^{2n}\right)$ ,
$K={\frac {\pi }{2}}\left(3-\ln \left({\frac {15\pi }{32}}\right)-4\ln \left({\frac {5}{3}}\right)+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\zeta (2n)-1}{n(2n+1)}}\left({\frac {1}{4}}\right)^{2n}\right)$ .

Puisque $K$ est l'image de 2 par la fonction bêta, il existe un lien avec le polylogarithme : $\operatorname {Li} _{2}(\mathrm {i} )=-{\frac {\pi ^{2}}{48}}+\mathrm {i} K$ , d'où : $K=\Im (\operatorname {Li} _{2}(\mathrm {i} ))$ .

Utilisation

$K$ apparaît dans les valeurs de la fonction polygamma de deuxième ordre, aussi appelée la fonction trigamma : $\psi _{1}\left({\frac {1}{4}}\right)=\pi ^{2}+8K$ , $\psi _{1}\left({\frac {3}{4}}\right)=\pi ^{2}-8K$ .

Simon Plouffe donne une famille infinie d'identités entre la fonction trigamma, $π$ ² et la constante de Catalan, par un algorithme de génération de formules^[1]^,^[2].

$K$ apparaît dans le calcul de l'entropie de la loi sécante hyperbolique.

En topologie, la constante de Catalan est égale au quart du volume d'un octaèdre hyperbolique idéal, soit un quart du volume hyperbolique du complément de l'entrelacs de Whitehead^[3]. Elle vaut aussi 1/8 du volume du complément des anneaux borroméens^[4].

En combinatoire et en mécanique statistique, elle apparait dans le dénombrement des pavages en domino^[5] des arbres couvrants^[6], et des cycles hamiltoniens de graphes grilles^[7]

En théorie des nombres, la constante de Catalan apparait dans une formule conjecturée du nombre de nombres premiers de la forme $n^{2}+1$ selon la conjecture F de Hardy et Littlewood. Cela reste cependant un problème non résolu (un des problèmes de Landau) pour lequel on ignore s'il y a un nombre infini de nombres premiers de cette forme^[8].

La constante de Catalan apparait aussi dans le calcul de la distribution de la masse de galaxies spirales^[9]^,^[10].

Propriétés

On ignore encore si $K$ est irrationnel, encore moins s'il est transcendant^[11] $K$ a été désigné comme "assurément la plus basique des constantes dont l'irrationalité et la transcendance (bien que fortement soupçonnée) reste à prouver"^[12]

Il existe cependant des résultats partiels. On sait qu'il existe un nombre infini de nombres irrationnels parmi les valeurs $β (2 n)$ , où $β (s)$ est la fonction bêta de Dirichlet^[13]. En particulier, au moins une des valeurs parmi $β (2)$ , $β (4)$ , $β (6)$ , $β (8)$ , $β (10)$ et $β (12)$ doit être irrationnel, avec $β (2)$ valant la constante de Catalan^[14]. Ces résultats par Wadim Zudilin et Tanguy Rivoal sont liés à des résultats obtenus par le calcul de valeurs de la fonction zêta de Riemann aux entiers positifs impairs $ζ (2 n + 1)$ .

La constante de Catalan est connue pour être périodique algébrique, liés à des égalités à partir d'intégrales doubles.

Séries convergeant rapidement

Les trois formules suivantes convergent rapidement vers $K$ et sont donc appropriées pour le calcul numérique :

$K=\,$	$3\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{4n}}}\left(-{\frac {1}{2(8n+2)^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}(8n+3)^{2}}}-{\frac {1}{2^{3}(8n+5)^{2}}}+{\frac {1}{2^{3}(8n+6)^{2}}}-{\frac {1}{2^{4}(8n+7)^{2}}}+{\frac {1}{2(8n+1)^{2}}}\right)-$
	$2\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{2^{12n}}}\left({\frac {1}{2^{4}(8n+2)^{2}}}+{\frac {1}{2^{6}(8n+3)^{2}}}-{\frac {1}{2^{9}(8n+5)^{2}}}-{\frac {1}{2^{10}(8n+6)^{2}}}-{\frac {1}{2^{12}(8n+7)^{2}}}+{\frac {1}{2^{3}(8n+1)^{2}}}\right)$

$K={\frac {\pi }{8}}\ln \left({\sqrt {3}}+2\right)+{\frac {3}{8}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(n!)^{2}}{(2n)!(2n+1)^{2}}}$ .

Les calculs théoriques pour cette deuxième série ont été donnés par Broadhurst^[15].

et

K={\frac {1}{2}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-8)^{n}(3n+2)}{(2n+1)^{3}{\binom {2n}{n}}^{3}}}

Troisième série découverte par Jesús Guillera, de l'université de Saragosse, en 2008 via la technique de l'y-cruncher (en)^[16].

Décimales connues

Le nombre de chiffres connus de la constante de Catalan a augmenté radicalement pendant les dernières décennies. Ceci est dû à l'augmentation des performances des ordinateurs et aux améliorations algorithmiques^[17].

Nombres de chiffres connus de la constante de Catalan
Date	Décimales	Calculé par
2009	31 026 000 000	R. Shan et A. J. Yee
Octobre 2006	5 000 000 000	Shigeru Kondo
2002	201 000 000	Xavier Gourdon et Pascal Sebah
2001	100 000 500	Xavier Gourdon et Pascal Sebah
4 janvier 1998	12 500 000	Xavier Gourdon
1997	3 379 957	Patrick Demichel
1996	1 500 000	Thomas Papanikolaou
29 septembre 1996	300 000	Thomas Papanikolaou
14 août 1996	100 000	Greg J. Fee et Simon Plouffe
1996	50 000	Greg J. Fee
1990	20 000	Greg J. Fee
1913	32	James W. L. Glaisher
1877	20	James W. L. Glaisher

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Catalan's constant » (voir la liste des auteurs).

↑ (en) David H. Bailey et Simon Plouffe, « Recognizing Numerical Constants », viXra,‎ 1995 (lire en ligne)
↑ (en) Helaman R. P. Ferguson, David H. Bailey et Paul Kutler, « A Polynomial Time, Numerically Stable Integer Relation Algorithm », viXra,‎ 1998 (lire en ligne)
↑ (en) Ian Agol, « The minimal volume orientable hyperbolic 2-cusped 3-manifolds », Proceedings of the American Mathematical Society, vol. 138, n^o 10,‎ 2010, p. 3723–3732 (DOI 10.1090/S0002-9939-10-10364-5, MR 2661571, arXiv 0804.0043, S2CID 2016662).
↑ (en) William Thurston, « 7. Computation of volume », dans The Geometry and Topology of Three-Manifolds, mars 2002 (lire en ligne [archive du 25 janvier 2011]), p. 165.
↑ (en) H. N. V. Temperley et Michael E. Fisher, « Dimer problem in statistical mechanics—an exact result », Philosophical Magazine, vol. 6, n^o 68,‎ août 1961, p. 1061–1063 (DOI 10.1080/14786436108243366, Bibcode 1961PMag....6.1061T)
↑ (en) F. Y. Wu, « Number of spanning trees on a lattice », Journal of Physics, vol. 10, n^o 6,‎ 1977, L113–L115 (DOI 10.1088/0305-4470/10/6/004, Bibcode 1977JPhA...10L.113W, MR 489559)
↑ (en) P. W. Kasteleyn, « A soluble self-avoiding walk problem », Physica, vol. 29, n^o 12,‎ 1963, p. 1329–1337 (DOI 10.1016/S0031-8914(63)80241-4, Bibcode 1963Phy....29.1329K, MR 159642)
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↑ (en) T. Rivoal et W. Zudilin, « Diophantine properties of numbers related to Catalan's constant », Mathematische Annalen, vol. 326, n^o 4,‎ 1^er août 2003, p. 705–721 (ISSN 1432-1807, DOI 10.1007/s00208-003-0420-2, hdl 1959.13/803688, lire en ligne)
↑ (en) Wadim Zudilin, « Arithmetic of Catalan's constant and its relatives », Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Universität Hamburg, vol. 89,‎ 26 avril 2018, p. 45–53 (DOI 10.1007/s12188-019-00203-w, arXiv 1804.09922)
↑ (en) D. J. Broadhurst, Polylogarithmic ladders, hypergeometric series and the ten millionth digits of ζ(3) and ζ(5), arXiv : math.CA/9803067, 1998.
↑ (en) Alexander Yee, « Formulas and Algorithms », numberworld,‎ 25 octobre 2023 (lire en ligne)
↑ (en) Constants and Records of Computation sur le site de X. Gourdon et P. Sebah.

Voir aussi

Bibliographie

E. Catalan, « Mémoire sur la transformation des séries, et sur quelques intégrales définies : Extrait par l'auteur », CRAS, vol. 59,‎ 1864, p. 618-620 (lire en ligne)
(en) Henri Cohen, Number Theory, vol. II : Analytic and Modern Tools, New York, Springer, 2000, 596 p. (ISBN 978-0-387-49893-5, lire en ligne), p. 127
François Le Lionnais, Les nombres remarquables, Hermann, 1983 puis 1999 (ISBN 2-7056-1407-9)
(en) H. M. Srivastava et Choi Junesang, Series Associated With the Zeta and Related Functions, KluwerAcademic, 2001, 388 p. (ISBN 978-0-7923-7054-3, lire en ligne), p. 30
(en) D.M. Bradley, Representations of Catalan's constant, KluwerAcademic, 28 janvier 2001 (lire en ligne)

Liens externes

(en) Eric W. Weisstein, « Catalan's Constant », sur MathWorld

Arithmétique et théorie des nombres

[1] (en) David H. Bailey et Simon Plouffe, « Recognizing Numerical Constants », viXra,‎ 1995 (lire en ligne)

[2] (en) Helaman R. P. Ferguson, David H. Bailey et Paul Kutler, « A Polynomial Time, Numerically Stable Integer Relation Algorithm », viXra,‎ 1998 (lire en ligne)

[3] (en) Ian Agol, « The minimal volume orientable hyperbolic 2-cusped 3-manifolds », Proceedings of the American Mathematical Society, vol. 138, n^o 10,‎ 2010, p. 3723–3732 (DOI 10.1090/S0002-9939-10-10364-5, MR 2661571, arXiv 0804.0043, S2CID 2016662).

[4] (en) William Thurston, « 7. Computation of volume », dans The Geometry and Topology of Three-Manifolds, mars 2002 (lire en ligne [archive du 25 janvier 2011]), p. 165.

[5] (en) H. N. V. Temperley et Michael E. Fisher, « Dimer problem in statistical mechanics—an exact result », Philosophical Magazine, vol. 6, n^o 68,‎ août 1961, p. 1061–1063 (DOI 10.1080/14786436108243366, Bibcode 1961PMag....6.1061T)

[6] (en) F. Y. Wu, « Number of spanning trees on a lattice », Journal of Physics, vol. 10, n^o 6,‎ 1977, L113–L115 (DOI 10.1088/0305-4470/10/6/004, Bibcode 1977JPhA...10L.113W, MR 489559)

[7] (en) P. W. Kasteleyn, « A soluble self-avoiding walk problem », Physica, vol. 29, n^o 12,‎ 1963, p. 1329–1337 (DOI 10.1016/S0031-8914(63)80241-4, Bibcode 1963Phy....29.1329K, MR 159642)

[8] (en) Daniel Shanks, « A sieve method for factoring numbers of the form $n^{2}+1$ », Mathematical Tables and Other Aids to Computation, vol. 13,‎ 1959, p. 78–86 (DOI 10.2307/2001956, JSTOR 2001956, MR 105784)

[9] (en) A. B. Wyse et N. U. Mayall, « Distribution of Mass in the Spiral Nebulae Messier 31 and Messier 33. », The Astrophysical Journal, vol. 95,‎ janvier 1942, p. 24–47 (DOI 10.1086/144370 , Bibcode 1942ApJ....95...24W)

[10] (en) P. C. van der Kruit, « The three-dimensional distribution of light and mass in disks of spiral galaxies. », Astronomy & Astrophysics, vol. 192,‎ mars 1988, p. 117–127 (Bibcode 1988A&A...192..117V)

[11] (en) Yu. V. Nesterenko, « On Catalan's constant », Proceedings of the Steklov Institute of Mathematics, vol. 292, n^o 1,‎ janvier 2016, p. 153–170 (DOI 10.1134/s0081543816010107, S2CID 124903059).

[12] (en) David H. Bailey, Jonathan M. Borwein, Andrew Mattingly et Glenn Wightwick, « The computation of previously inaccessible digits of $\pi ^{2}$ and Catalan's constant », Notices of the American Mathematical Society, vol. 60, n^o 7,‎ 2013, p. 844–854 (DOI 10.1090/noti1015 , MR 3086394)

[13] (en) T. Rivoal et W. Zudilin, « Diophantine properties of numbers related to Catalan's constant », Mathematische Annalen, vol. 326, n^o 4,‎ 1^er août 2003, p. 705–721 (ISSN 1432-1807, DOI 10.1007/s00208-003-0420-2, hdl 1959.13/803688, lire en ligne)

[14] (en) Wadim Zudilin, « Arithmetic of Catalan's constant and its relatives », Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Universität Hamburg, vol. 89,‎ 26 avril 2018, p. 45–53 (DOI 10.1007/s12188-019-00203-w, arXiv 1804.09922)

[15] (en) D. J. Broadhurst, Polylogarithmic ladders, hypergeometric series and the ten millionth digits of ζ(3) and ζ(5), arXiv : math.CA/9803067, 1998.

[16] (en) Alexander Yee, « Formulas and Algorithms », numberworld,‎ 25 octobre 2023 (lire en ligne)

[17] (en) Constants and Records of Computation sur le site de X. Gourdon et P. Sebah.

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