Sommer les séries, même divergentes

Les suites infinies de nombres ont depuis toujours interpellé les mathématiciens, qui ont mis au point de manière consensuelle la notion de convergence et de limite. Mais tout a changé quand on s’est intéressé aux sommes successives de ces suites, à qui on a donné le nom de séries. Les séries convergentes (les « gentilles »), étudiées par tous ceux qui se destinent à une carrière scientifique, ne posent pas de problème. Elles permettent de définir la somme d’une infinité de termes, dès lors que les « sommes partielles » convergent vers une limite.
Mais les autres, officiellement « divergentes » (les « méchantes »), ont été à l’origine d’approches très différentes, parfois étonnantes, créant de véritables conflits philosophiques entre des scientifiques célèbres. Euler, Abel et quelques pionniers se sont risqués à imaginer d’en définir des sommes, trouvant quelques merveilles… qui font aujourd’hui l’objet d’une belle théorie !

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L’égalité entre deux nombres n’engendre aucune difficulté dès lors que ces deux nombres sont définis par des procédés « finitistes * ». Mais dès que l’infini, matérialisé par des points de suspension dans les formules, s’invite, c’est la porte ouverte à différents paradoxes. (* Le finitisme est une approche des mathématiques qui ne prend en considération que des ...


Les mathématiques traditionnelles donnent une définition précise à la convergence d’une série de nombres, étudiée dans le corps de cet article. Mais cela ne doit pas fermer la porte à des approches moins classiques, évoquées en encadré et dans plusieurs articles de ce dossier.


Si l’on peut attribuer une somme à toute série convergente, qu’en est-il des séries divergentes ? L’orthodoxie mathématique affirme qu’elles ne peuvent recevoir de valeur. Pourtant, Leibniz et Euler ont suggéré quelques pistes. Par la suite, Poisson, Frobenius ou encore Borel ont franchi un interdit.


Au-delà de la convergence « classique » des séries numériques, de nombreuses méthodes, parfois très fécondes, permettent d’accélérer la convergence d’une série, ou encore d’attribuer une valeur à la « somme d’une série divergente ». En voici quelques exemples marquants.


En bref : Petite histoire de la série de Grandi

Jacques Bair

La série de Grandi est la somme infinie 1 – 1 + 1 – 1 + 1 – 1 + … Pendant plus de trois cents ans, cette série a été étudiée par les mathématiciens. Son histoire peut être subdivisée en trois étapes.



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