Combinatoire

En écrivant la formule de Pascal,

pour tous entiers i et j tels que 0 < j < i, ${\displaystyle {i \choose j}={i-1 \choose j-1}+{i-1 \choose j}}$,

on remarque que le coefficient de la ligne i et colonne j s'obtient en ajoutant les coefficients de la ligne i - 1 et colonne j - 1 et de la ligne i - 1 et colonne j. De plus on a :

${\displaystyle {n \choose 0}={n \choose n}=1}$.

On en déduit une méthode de construction du triangle de Pascal, qui consiste, sous forme pyramidale, à placer 1 au sommet de la pyramide, puis 1 et 1 en dessous, de part et d'autre. Les extrémités des lignes sont toujours des 1, et les autres nombres sont la somme des deux nombres directement au-dessus.

Sous forme triangulaire, i étant l'indice de ligne et j l'indice de colonne :

• placer dans la colonne 0 des 1 à chaque ligne, et des 1 à chaque entrée de la diagonale,
• en partant du haut et en descendant, compléter le triangle en ajoutant deux coefficients adjacents d'une ligne, pour produire le coefficient de la ligne inférieure, en dessous du coefficient de droite.

Nombre de chemins dans un réseau binaire

Imaginons que chaque nombre dans le triangle est un nœud dans un réseau qui est connecté aux nombres adjacents du dessus et du dessous. Maintenant pour n'importe quel nœud dans le réseau, comptons le nombre de chemins qu'il y a dans le réseau (sans faire une marche arrière) qui connecte ce nœud au nœud supérieur du triangle. La réponse est le nombre de Pascal associé à ce nœud.

Les quatre chemins vers un même nœud.

Liées à la construction

Concernant les lignes obliques

Elle repose sur égalité connue comme l'Identité des crosses de hockey^[7] :

$${\displaystyle \sum _{j=n}^{r}{\binom {j}{n}}={\binom {r+1}{n+1}}}$$

.

Si l'on fait une somme de termes, en partant d'un bord gauche du triangle et en descendant en oblique vers la droite, on obtient le terme situé en diagonale en bas à gauche du dernier terme de la somme.

Exemple 1 : descente en diagonale de 4 termes à partir de la 3^e ligne : 1 + 3 + 6 + 10 = 20, terme situé en bas à gauche du dernier terme.

Exemple 2 : descente en diagonale de 5 termes à partir de la 5^e ligne : 1 + 5 + 15 + 35 + 70 = 126, terme situé en bas à gauche du 70.

Concernant les diagonales ascendantes

Les sommes des « diagonales ascendantes » du triangle de Pascal forment la suite de Fibonacci.

Le nombre de coefficients impairs dans les « diagonales ascendantes » du triangle de Pascal forme la suite diatomique de Stern. Ci-dessus, les nombres impairs ont été remplacés par des 1 et les nombres pairs par des 0.

Lorsque le triangle est disposé comme dans la figure ci-contre à gauche (au lieu d'être symétrique par rapport à une verticale), la somme des termes des diagonales de pente 1 forme la suite de Fibonacci. Si, au lieu d'en faire la somme, on compte le nombre de coefficients impairs sur ces diagonales, on obtient la suite diatomique de Stern (figure de droite).

Formule du binôme

Le triangle de Pascal est souvent utilisé dans les développements binomiaux. En effet, on trouve sur une même ligne tous les coefficients intervenant dans le développement d'une puissance de la somme de deux termes.

Exemple : (X + 1)² = X² + 2X + 1² et les coefficients de chaque monôme sont ceux de la troisième ligne du triangle de Pascal (la ligne de rang 2), c'est-à-dire 1, 2, 1.

Généralisation : (X + Y)ⁿ = a₀XⁿY⁰ + a₁X^n–1Y¹ + ... + a_nX⁰Yⁿ, où les coefficients sont ceux qui se trouvent sur la n+1^e ligne du triangle de Pascal (ligne de rang n).

Connaissant ainsi la formule de sommation ${\displaystyle (a+b)^{n}=\sum _{i=0}^{n}\,{n \choose i}a^{n-i}b^{i}}$, plusieurs propriétés apparaissent simplement.

Posons a = b = 1, on a alors ${\displaystyle 2^{n}=\sum _{i=0}^{n}\,{n \choose i}\,{}}$.

Posons a = 1 et b = –1, on a alors ${\displaystyle 0=\sum _{i=0}^{n}\,{n \choose i}\,(-1)^{i}}$.

Connaissant ces deux égalités, dont l'une est une somme alternée, il vient que la somme des termes d'ordre 0, 2, 4,... dans une rangée est 2^n–1 et est égale à la somme des termes d'ordre 1, 3, 5, ....

Propriété liée au dénombrement

Le nombre situé dans la colonne p (en comptant à partir de 0 les colonnes) et la ligne n (en comptant à partir de 0 les lignes) indique le nombre de combinaisons possibles de p éléments dans un ensemble à n éléments.

Dans la ligne n et la colonne p, on a ${\displaystyle {n \choose p}={\frac {n!}{p!(n-p)!}}}$.

• Dans la ligne n et la colonne p, on lit le nombre de fois où l'on peut espérer obtenir p piles et n–p faces lors de n lancers d'une pièce équilibrée ^{[note 3]}
• En multipliant un terme par le rang de sa colonne et en le divisant par le rang de sa ligne, on obtient le terme situé un cran plus haut sur la gauche

  exemple le terme dans la ligne 6 et la colonne 4 est 15 (on rappelle que les lignes et les colonnes sont numérotées en commençant à 0) ; or 15 × 4/6=10 situé dans la case juste à côté en haut à gauche.

• En multipliant le terme de ligne n et de colonne p par${\displaystyle {\frac {n-p}{p+1}}}$, on obtient son voisin sur la droite
• Tous les termes de la ligne de rang n (sauf le premier et le dernier) sont multiples de n si et seulement si n est un nombre premier

Nombres de Catalan

Toutes les lignes de rang pair (2n) ont un terme central, en divisant ce terme par n+1 ou en lui ôtant son voisin, on obtient un nombre de Catalan.

Triangle de Sierpiński

Obtention du triangle de Sierpiński par coloriage du triangle de Pascal.

Si l'on inscrit le triangle de Pascal dans une trame triangulaire, la réunion des cellules contenant des termes impairs est un triangle de Sierpiński^[8].

Si p est un nombre premier supérieur à 2, on peut obtenir des structures fractales analogues en coloriant toutes les cellules qui ne sont pas congrues à 0 modulo p.

Nombres figurés

Les nombres situés sur la troisième diagonale descendante correspondent aux nombres triangulaires, ceux de la quatrième diagonale aux nombres tétraédriques, ceux de la cinquième diagonale aux nombres pentatopiques et ceux de la n-ième diagonale aux nombres n-topiques.

Formules trigonométriques

La formule du binôme appliqué à la formule de Moivre

${\displaystyle (\cos(\theta )+\mathrm {i} \sin(\theta ))^{n}=\cos(n\theta )+\mathrm {i} \sin(n\theta )}$

permet de développer cos(nθ) et sin(nθ).

Les coefficients situés sur la ligne de rang n permettent d'écrire tan(nθ) en fonction de t=tan(θ)

Exemple : sur la ligne 4 on lit 1 – 4 – 6 – 4 – 1 et ${\displaystyle \tan(4\theta )={\frac {4t-4t^{3}}{1-6t^{2}+t^{4}}}}$

Formule générale : ${\displaystyle \tan(n\theta )={\frac {\sum _{k=0}^{\left\lfloor {\frac {n-1}{2}}\right\rfloor }{(-1)^{k}{n \choose 2k+1}t^{2k+1}}}{\sum _{k=0}^{\left\lfloor {\frac {n}{2}}\right\rfloor }(-1)^{k}{n \choose 2k}t^{2k}}}}$.

Les coefficients situés sur une diagonale ascendante permettent d'exprimer sin(nθ) comme produit de sin(θ) par un polynôme en 2 cos(θ) (voir Polynôme de Tchebychev) :

Exemple : sur la diagonale ascendante de rang 5, on lit 1 – 3 – 1 et

${\displaystyle {\begin{aligned}\sin(5\theta )&=\sin \theta \left[(2\cos \theta )^{4}-3(2\cos \theta )^{2}+1\right]\\\ &=\sin \theta (16\cos ^{4}\theta -12\cos ^{2}\theta +1)=\sin \theta \times U_{4}(\cos \theta )\end{aligned}}}$

où U₄ est le polynôme de Tchebychev de seconde espèce d'ordre 4.

Généralisation^[9] : si les termes de la diagonale ascendante de rang n sont ${\displaystyle a_{n,0},a_{n,1},\cdots a_{n,[(n-1)/2]}}$, on a

${\displaystyle \sin(n\theta )=\sin(\theta )\left(\sum _{k=0}^{\lfloor (n-1)/2\rfloor }(-1)^{k}a_{n,k}\left(2\cos(\theta )\right)^{n-1-2k}\right)}$

Par conséquent, les coefficients situés sur la diagonale ascendante de rang n permettent de déterminer un polynôme de degré [(n-1)/2] dont les racines sont les valeurs ${\displaystyle \left(2\cos \left({\frac {k\pi }{n}}\right)\right)^{2}}$^[10] pour k variant de 1 à ${\displaystyle \left\lfloor {\frac {n-1}{2}}\right\rfloor .}$

Exemple : sur la diagonale de rang 7, on lit 1 – 5 – 6 – 1, on sait donc que les ${\displaystyle \left(2\cos \left({\frac {k\pi }{7}}\right)\right)^{2}}$ (pour k = 1, 2, 3) sont les racines de ${\displaystyle P(x)=x^{3}-5x^{2}+6x-1}$.

Généralisation : ${\displaystyle P(x)=\sum _{k=0}^{\lfloor (n-1)/2\rfloor }(-1)^{k}a_{n,k}x^{\lfloor (n-1)/2\rfloor -k}}$ a pour racines ${\displaystyle \left(2\cos \left({\frac {k\pi }{n}}\right)\right)^{2}}$.

Transformée de Fourier de sin(x)ⁿ⁺¹/x

Les coefficients de (x + 1)ⁿ sont la n^e ligne du triangle. Les coefficients de (x − 1)ⁿ sont les mêmes, sauf que le signe est alterné.

Après une normalisation appropriée, la même suite de nombres est présente dans la transformée de Fourier de sin(x)ⁿ⁺¹/x.

Plus précisément : si n est pair, il faut prendre la partie réelle de la transformée et si n est impair, il faut prendre la partie imaginaire.

Le résultat est alors une fonction en escalier dont les valeurs (convenablement normalisées) sont données par la n^e rangée du triangle en alternant les signes.

Ainsi :

${\displaystyle \,{\mathfrak {Re}}\left({\text{Fourier}}\left[{\frac {\sin(x)^{5}}{x}}\right]\right)}$

compose la 4^e rangée du triangle, avec des signes alternés.

C'est une généralisation du résultat suivant (souvent utilisé en ingénierie électrique) :

${\displaystyle \,{\mathfrak {Re}}\left({\text{Fourier}}\left[{\frac {\sin(x)}{x}}\right]\right)}$

est la fonction de Heaviside.

La rangée correspondante du triangle est la rangée 0, qui est restreinte au nombre 1.

Binôme généralisé

La relation de Pascal s'étend aux coefficients binomiaux généralisés ${\displaystyle r \choose k}$, dans lesquels ${\displaystyle r}$ est un nombre complexe.

Généralisation aux dimensions supérieures

Le triangle de Pascal se généralise aisément à des dimensions supérieures. La version tridimensionnelle s'appelle la pyramide de Pascal.

Généralisation pour rangées négatives

Le triangle de Pascal se généralise pour les rangées négatives.

D'abord, il faut écrire le triangle sous la forme suivante, nommée tableau A(m,n) :

Ensuite l'écrire de la façon suivante :

La formule :

${\displaystyle {n \choose m}={n-1 \choose m-1}+{n-1 \choose m}}$

peut être ré-arrangée de la façon suivante :

${\displaystyle {n-1 \choose m}={n \choose m}-{n-1 \choose m-1}}$

ce qui permet le calcul des termes de rang négatif :

Cette extension préserve les formules :

${\displaystyle {n \choose m}={\frac {1}{m!}}\prod _{k=0}^{m-1}(n-k)={\frac {1}{m!}}\prod _{k=1}^{m}(n-k+1)}$.

et

${\displaystyle (1+x)^{n}=\sum _{k=0}^{\infty }{n \choose k}x^{k}\quad {\textrm {pour}}|x|<1}$

Ainsi :

${\displaystyle (1+x)^{-2}=1-2x+3x^{2}-4x^{3}+...\quad {\textrm {pour}}|x|<1}$

Une autre possibilité d'extension par rapport aux rangées négatives est la suivante :

En appliquant les mêmes règles que précédemment, il vient :

Cette généralisation permet de conserver la propriété d'exponentielle d'une matrice. En effet, comme on a,

${\displaystyle \exp {\begin{pmatrix}.&.&.&.&.\\1&.&.&.&.\\.&2&.&.&.\\.&.&3&.&.\\.&.&.&4&.\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&.&.&.&.\\1&1&.&.&.\\1&2&1&.&.\\1&3&3&1&.\\1&4&6&4&1\end{pmatrix}}}$,

on étend à,

${\displaystyle \exp {\begin{pmatrix}.&.&.&.&.&.&.&.&.&.\\-4&.&.&.&.&.&.&.&.&.\\.&-3&.&.&.&.&.&.&.&.\\.&.&-2&.&.&.&.&.&.&.\\.&.&.&-1&.&.&.&.&.&.\\.&.&.&.&0&.&.&.&.&.\\.&.&.&.&.&1&.&.&.&.\\.&.&.&.&.&.&2&.&.&.\\.&.&.&.&.&.&.&3&.&.\\.&.&.&.&.&.&.&.&4&.\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&.&.&.&.&.&.&.&.&.\\-4&1&.&.&.&.&.&.&.&.\\6&-3&1&.&.&.&.&.&.&.\\-4&3&-2&1&.&.&.&.&.&.\\1&-1&1&-1&1&.&.&.&.&.\\.&.&.&.&.&1&.&.&.&.\\.&.&.&.&.&1&1&.&.&.\\.&.&.&.&.&1&2&1&.&.\\.&.&.&.&.&1&3&3&1&.\\.&.&.&.&.&1&4&6&4&1\end{pmatrix}}}$

Ces deux généralisations peuvent être aussi obtenues à l'aide de la fonction gamma, en écrivant :

${\displaystyle {n \choose k}={\frac {n!}{(n-k)!k!}}\equiv {\frac {\Gamma (n+1)}{\Gamma (n-k+1)\Gamma (k+1)}}}$.

Notes

Références

Articles connexes

Liens externes

• (en) Eric W. Weisstein, « Pascal's Triangle », sur MathWorld
• (en) Leibniz and Pascal Triangles sur cut-the-knot
• (en) Dot Patterns, Pascal Triangle and Lucas Theorem sur cut-the-knot
• (en) Earliest Known Uses of Some of the Words of Mathematics (P)
• (en) « Pascal's Triangle And Its Patterns », sur ptri1.tripod.com
• (en) « Pascal's Triangle », sur The Math Forum - Ask Dr. Math: FAQ
• Explication vidéo et en image du triangle de Pascal. Réalisé par Clermont Auvergne Métropole.