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Update : 2016
Fractions continues :
introduction et applications
Michel Waldschmidt
Universit´e Pierre et Marie Curie (Paris 6) France
http://www.imj-prg.fr/~michel.waldschmidt/
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R´esum´e
L’algorithme d’Euclide pour calculer le pgcd (plus grand
commun diviseur) de deux entiers positifs est un des plus
anciens algorithmes math´ematiques : il remonte `a l’antiquit´e
grecque. Un algorithme qui lui est ´etroitement associ´e est celui
qui conduit au d´eveloppement en fraction continue d’un
nombre r´eel, c’est un proc´ed´e tr`es efficace pour trouver les
meilleures approximations rationnelles d’un nombre r´eel. Les
fractions continues sont omnipr´esentes, elles permettent de
fa¸con g´en´erale de r´esoudre des probl`emes concernant des
mouvements faisant intervenir deux p´eriodes di↵´erentes. C’est
ainsi qu’elles apparaissent en th´eorie des nombres, en analyse
complexe, dans la th´eorie des syst`emes dynamiques, ainsi que
dans des questions li´ees `a la musique, aux calendriers, aux
engrenages. . . Nous mentionnerons certaines de ces
applications.
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Quel est le lien entre les questions suivantes ?
Comment ´etablir un calendrier ?
Comment r´ealiser un plan´etarium ?
Comment inventer des gammes musicales ?
Comment trouver deux entiers x,ytels que
x261y2=1?
Comment prouver l’irrationalit´e de constantes de l’analyse ?
R´eponse : les fractions continues.
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Combien y a-t-il de jours dans une ann´ee ?
Qu’est-ce qu’une ann´ee ? Ann´ee astronomique (Sid´erale,
tropicale, anomalistique. . .).
Une ann´ee est le temps mis par la terre pour e↵ectuer une
r´evolution compl`ete dans sa rotation autour du soleil. Pour un
observateur sur la terre, cela correspond au temps n´ecessaire
pour que le soleil compl`ete un tour `a travers le zodiac le long
de l’´ecliptique.
Une ann´ee est environ 365,2422 jours.
Une premi`ere approximation est
365 + 1
4=365,25
qui correspondrait `a avoir une ann´ee bissextile tous les 4ans.
C’est un petit peu trop.
Une meilleure approximation est
365 + 8
33 =365,2424 ...
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Le calendrier gr´egorien
Le calendrier gr´egorien est bas´e sur un cycle de 400 ans : il y a
une ann´ee bissextile pour chaque ann´ee dont le mill´esime est
un multiple de 4mais pas de 100, sauf si c’est un multiple de
400.
Le nom fait r´ef´erence au pape
Gregoire XIII, qui a impos´e ce
calendrier en 1582.
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Le calendrier gr´egorien
En 400 ann´ees, dans le calendrier gr´egorien, on omet 3ann´ees
bissextiles, ce qui donne un nombre de jours ´egal `a
365 ·400 + 100 3=146097.
Comme 400 = 4(33 ·3+1), en 400 ans, le nombre de jours
pour une ann´ee ayant 365 + 8
33 jours est
✓365 + 8
33◆·400 = 365 ·400 + 3 ·32 + 32 33 = 146 096.9696 ...
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Une petite correction suppl´ementaire serait
n´ecessaire
En 10 000 ans, le nombre de jours est en r´ealit´e
365,2422 ·10 000 = 3 652 422
alors que le nombre de jours du calendrier gr´egorien est
146 097 ·25 = 3 652 425.
Il conviendrait donc d’omettre trois ann´ees bissextiles tous les
10 000 ans.
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Approximations de 365,2422
On ´ecrit
365,2422 = 365 + 1
4,1288 ...
La premi`ere approximation est 365 + 1
4·
On ´ecrit ensuite
4,1288 ···=4+ 1
7,7628 ...·
La seconde approximation est
365 + 1
4+1
7
=365+ 7
29·
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Remplacement de 365,2422 par 365 + 8
33
On ´ecrit ensuite
7,7628 ···=7+ 1
1,3109 ...
La troisi`eme approximation est
365 + 1
4+ 1
7+1
1
=365+ 1
4+1
8
=365+ 8
33·
En ´ecrivant 1,3109 ···=1+ 1
3,2162 ..., on pourrait
continuer et ´ecrire
365,2422 = 365 + 1
4+ 1
7+ 1
1+ 1
3,2162 9/80
Fractions continues : notation
On ´ecrit
365,2422 = 365 + 1
4+ 1
7+ 1
1+ 1
3+...
= [365,4,7,1,3,...].
La troisi`eme approximation est :
[365,4,7,1] = [365,4,8] = 365 + 1
4+1
8
=365+ 8
33·
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R´ef´erences sur les calendriers
Exercice ; Sur 4000 ans, il y a 6880 vendredis 13 contre 6840
jeudis 13 (ou 6850 lundis ou mardis 13).
Nombre de jours entre deux vendredis 13 : ils sont de 27, 90,
181, 244, 272, 335 ou 426 jours. Donc deux vendredis 13
peuvent ˆetre s´epar´es par une dur´ee sup´erieure `a une ann´ee. Ce
qui s’´etait produit du 13 aoˆut 1999 au 13 octobre 2000.
Hint: voir Jean-Luc Nothias,Les secrets math´ematiques du
vendredi 13, Le Figaro, 12/05/2016.
V. Frederick Rickey,Mathematics of the Gregorian Calendar,
The Mathematical Intelligencer 7n1 (1985) 53–56.
Jacques Dutka,On the Gregorian revision of the Julian
Calendar, The Mathematical Intelligencer 10 n1 (1988)
56–64.
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Description et r´ealisation d’un planetarium
Automati planetarii de Christiaan Huygens (1629 –1695)
astronome, physicien, probabiliste et horloger.
Huygens a trouv´e comment construire des horloges plus
pr´ecises que celles qui ´etaient connues `a l’´epoque. Son
invention de l’horloge pendulaire a ´et´e une perc´ee majeure
dans la recherche de processus permettant de connaˆıtre
l’heure, il en a construit un prototype en 1656.
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La terre et Saturne
Le rapport des angles couverts par la terre et par Saturne est
77 708 431
2 640 858 =29,425 448,...
Ce n’est pas `a l’´echelle !
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Fraction continue de 77 708 431/2 640 858
Le rapport des angles couverts par la terre et par Saturne est
77 708 431
2 640 858 =29,425 448,···=29+ 1
2+ 1
2+...
·
La fraction continue de ce
quotient est
[29,2,2,1,5,1,4,...]
and
[29,2,2,1] = 29 + 3
7=206 7·
206
7=29,428 5,...
http://plus.maths.org/content/chaos-numberland- secret-life-continued-fractions
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L’algorithme des fractions continues
Soit x2R. On e↵ectue la division euclidienne de xpar 1:
x=bxc+{x}avec bxc2Zet 0{x}<1.
Si xn’est pas un entier, alors {x}6=0. On pose dans ce cas
x1=1
{x}, de telle sorte que
x=bxc+1
x1
avec bxc2Zet x1>1.
Si x1n’est pas un entier, on pose x2=1
{x1}:
x=bxc+1
bx1c+1
x2
avec x2>1.
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D´eveloppement en fraction continue
Posons a0=bxcet ai=bxicpour i1.
Alors
x=bxc+1
bx1c+1
bx2c+1
...
=a0+1
a1+1
a2+1
...
L’algorithme s’arrˆete apr`es un nombre fini de pas si et
seulement si xest rationnel.
On utilise la notation
x=[a0,a
1,a 2,a 3,...]
Remarque : si ak2, alors
[a0,a
1,a 2,a 3,...,a k]=[a0,a 1,a 2,a 3,...,a k1,1].
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Fractions continues et approximation rationnelle
Pour
x=[a0,a
1,a 2,...,a k,...]
les nombres rationnels de la suite
pk
qk
=[a0,a
1,a 2,...,a k](k=1,2,...)
fournissent des approximations rationnelles de xqui sont les
meilleures possibles quand on compare la qualit´e de
l’approximation et la taille du d´enominateur.
a0,a
1,a 2,... sont les quotients partiels,
p0
q0
,p1
q1
,p2
q2
,... sont les r´eduites.
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Lien avec l’algorithme d’Euclide
Si xest rationnel, x=p
q, ce
processus n’est autre que
l’algorithme de division
euclidienne de ppar q:
p=a0q+r0,0r0<q.
If r06=0,
x1=q
r0
>1.
Euclide :
(⇠-306, ⇠-283)
q=a1r0+r1,x
2=r0
r1·
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Harmoniques
Les harmoniques successives d’une note de fr´equence nsont
les vibrations de fr´equences 2n,3n,4n,5n,...
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Octaves
Les octaves successives d’une note de fr´equence nsont les
vibrations de fr´equences 2n,4n,8n,16n,. . . L’oreille reconnaˆıt
deux notes qui sont `a l’octave l’une de l’autre.
En utilisant les octaves, on remplace chaque note par une note
`a l’octave ayant une fr´equence dans un intervalle donn´e, disons
[n, 2n). Le choix classique en Hertz est [264,528). Par un
changement d’unit´e, on se ram`ene `a l’intervalle [1,2).
Ainsi, une note de fr´equence fest remplac´ee par une note de
fr´equence ravec 1r<2,o`u
f=2
ar, a =blog2fc2Z,r=2 {log2f}2[1,2).
C’est une version multiplicative de l’algorithme d’Euclide.
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