By : Raul Garcia
IT developer, Mathematician and Yogi
September 2022 | Isabela, Puerto Rico
Into the INFINITE – A Gentle Entry into Advanced Mathematics
HOW MUCH IS INFINITE?
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Note: I know that many of us are afraid of maths! I was once too – believe me.
For a lot of us this is the result of poorly prepared teachers – how can you teach what one barely understand?
My Experience is that one must be a level higher to teach something – that is to say in this particular case at least a BA or Masters is necessary. Your confidence and mastery will then shine and students get it by osmosis.
The ‘LAW OF THREE’:
To study some new subject – 1/first do a review –2/ then a break – then go into it with effort – 3/third study it line by line and do all exercises.
Try to write all major facts or formulas BY MEMORY, and make corrections then or later try again.
So bear with me, make the effort, fire up a few sleeping nerve cells, and get some grasp of real maths!
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One of the wonders of early maths was the discovery that there are many possible infinities – not only in the large direction but also in the small – or infinitesimals.
The one we all know is the Natural numbers or positive integers:
1, 2, 3, 4, …N, N+1,…
A definition is the set N where 1 belongs to it and if n belongs then n+1 also belongs to N, or
N = {1,2,3,….,n, n+1,…}
Now the simplest case of large numbers is the sum from 1 to N, how to get a formula for this?
Say Sum = 1+2+3+ ….N, then by the commutative law Sum= N+…3+2+1, and add the corresponding numbers (second in reverse order) and (asterisk is multiplication):
Sum = 1+2+3+ ….N
Sum = N+ …3+2+1
———————–add then – since the numbers all add to N+1 (why?):
2*Sum = (1+N) + …. (N+1) for n times = (1+N)*N, divide by 2 and get: Sum = N*(N+1)/2.
Let’s try a few examples: 1+2+3 = 6, the formula says for N=3 then N*(N+1)/2 = 3*4/2 = 12/6 = 6 and note that it matches.
There is an alternate more precise proof using ‘maths induction’ ….
It is believed that Gauss used the above method as a child in Germany: as an elementary student in the late 1700s and amazed his teacher by the speed with which he found the sum of the integers from 1 to 100 to be 5,050. Ref: https://www.nctm.org/Publications/TCM-blog/Blog/The-Story-of-Gauss/
Ref: https://letstalkscience.ca/educational-resources/backgrounders/gauss-summation
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Now towards infinity – the sum 1 to N grows slow, kind of close to N*N or N squared.
Note: In computing this is the O notation = O(N*(N+1)/2) = O(N^2 +N) = O(N^2) that means the sum basically grows ‘as fast’ as N*N. This O notation is used widely in the analysis of algorithms.
— Let’s try next with MULTIPLICATION – and now the fun begins:
THE FACTORIAL:
What happens IF we multiply all these numbers: 1*2*3*4 …. *N ?
Well, this is such an important value that there is a name and symbol for it – the FACTORIAL:
N! = 1*2*3*4 …. *N
Examples:
1!=1, 2!=1*2=2, 3!=1*2*3 = 6, and when N=100??
For N=100: N! = 100! =
93,326,215,443,944,100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000
Wow – that is over my bank account balance!!
(Exercise: why has it so many zeroes at the end? Hint: write down the meaning of 100!)
Here is a calculator: Factorial Calculator n! (calculatorsoup.com)
Exercise: try It with N=1,000? What about 10,000? Must try – you will be amazed!
Note1: In C# and most computer languages you need to use a special type of ‘big numbers’ for this, else you will get an overflow at about N=30. Even excel will replace with zeroes all digits after 30 digits.
The max double size floating point in computers is about: 2.2250738585072014 E – 308) or 300 digits approx. but this is not at full precision after 15 digits.
So there are two concepts here: the size of the number and the precision of the number.
Note2: That is why in blockchain smart contract programming using solidity language, all numbers are integers – since in finance floating points can lose precision with size…and you can lose millions!
WHY N-FACTORIAL GROWS SO FAST?
Observe: (N+1)! = 1*2*3…*(N+1) = (1*2*3…*N) * (N+1) = N! * (N+1)
So the factorial of N+1 is the factorial of N times N+1. Example: 100! = 99! * 100 = 5,050.
Therefore, the value of each successive term of the series is N-times the previous factorial, and as N gets bigger this factor grows correspondingly then it Explodes!
These two formulas for sum and multiplication of integers are FUNDAMENTAL in many, many fields:
- computing – analysis of algorithms,
- quant finance,
- statistics,
- probability,
- economics,
- marketing,
- physics,
- chemistry, biology etc.
That is why all such fields like ‘biology’ now have specialties like ‘computational biology’ … which consist of a merger of advanced maths and computing applied to that field quantitative problems.
Long ago I took an advanced course using Knuth analysis of algorithms book – and we were in factorials etc up to our necks …Ref: Design and Analysis of Algorithm (tutorialspoint.com)
All the above was leading to this: as N! becomes large also 1/N! becomes very small – awesome!
It becomes so small that YOU CAN add all (infinite) ‘small’ numbers:
1 + 1/1! + ½! + 1/3! + 1/4! …. + 1/N! …. And the sum is a FINITE NUMBER!
How comes?
An infinite set of numbers can add up to a finite number! YES – because the N! is so large and so quick that 1/N! will become VERY small very quick too, so adding 1/N! for say N>30 is like adding a zero: 1/30! = 3.76998763E-33.
If your bank account had this balance – try to even get a penny!
Like PI it is a fundamental part of advanced maths and science, called ‘e’ in honor or Euler.
e = 2.71828182845904523536028747135266249775724709369995… or just 2.718 for friends…
Ref: https://en.wikipedia.org/wiki/E_(mathematical_constant)
Leonhard Euler was a Swiss mathematician, physicist, astronomer, geographer, logician and engineer who founded the studies of graph theory and topology and made pioneering and influential discoveries in many other branches of mathematics such as analytic number theory and complex analysis.
THE HARMONIC SERIES:
Now let’s compare when we add just the reciprocals of n- called the HARMONIC SERIES – all 1/n’s:
1 + ½ + 1/3 + ¼ + 1/5 + …. 1/N +…
Since the ‘1/N’ gets small too then is the sum finite? NO – it does not – it is an infinite result also called unbounded in maths or a divergent series.
That is because these numbers do NOT get small fast enough and each one just keeps the series growing too fast – if we add enough numbers – like 2 to the N each time.
The amazing details are in: http://dictionary.sensagent.com/Harmonic_series_(mathsematics)/en-en/
Next let’s jump a bit and consider when we raise ‘e’ to any power ‘x’ – or eX also denoted by Exp(x):
You cannot imagine how essential this formula is in all fields of science or maths!
Like radioactivity and bacterial growth! It is truly all over the place in science, engineering, applied maths and statistics…
A simple example : it is almost exactly the formula for RADIOACTIVE decay (half live) – so important now due to Tchernobyl, A-bombs, reactors and the current danger in Ukraine with its Zaporizhzhia reactors – the largest in Europe – turned into nuclear blackmail by Russia: https://en.wikipedia.org/wiki/Zaporizhzhia_Nuclear_Power_Plant
Radioactive decay law: R = N*Exp(-λt) where N and lambda are constants and it says it is Exponential in time, the – t.
Recall that an Exponent, like 2 here means e2 = e*e = approx. = (2.718)*(2.718) = 7.3890 …
Next we state without proof (it uses Taylor series and the fact that Exp(0)=1):
Using again the Big-O notation – saying the remainder of the sum is more than x to the fifth power.
REF: https://www.wolframalpha.com/input/?i=Exp%28x%29
Expanded the exact formula for Exp(x) is:
Exp(x) = 1 + x1/1! + x2/2! + x3/3! +… + xN/N! + ….
Where we recall that N! = 1*2*3…*N and xN = x*x*x…*x N-times. Note 0!=1 and x0=1
Now the natural question: how can this converge? How can the above sum become a number? Asterisk * denotes multiplication.
Consider a term: xN/N! = x*x*x…*x N-times / = 1*2*3…*N = separate the factors to get:
x/1 * x/2 * x/3 …. * x/N
Next since x is a real number (can be complex too) and N is an integer, eventually for ANY x, there are endless integers greater than x ([x] is denoted as the integer part of x). Then x/N will become smaller and smaller since N can be FAR greater than x and then the sum above:
Exp(x) = 1 + x1/1! + x2/2! + x3/3! +… + xN/N! + ….
Will be adding smaller numbers as N exceeds x, then almost adding zeroes!
Next we give an amazing derivation of why in Calculus the formula is correct:
d/dx( Exp(x) ) = Exp(x)
That is that the derivative (the slope of the tangent at x) of Exp(x) = Exp(x).
This means that the function y = Exp(x) is the IDENTITY FUNCTION (LIKE 1 in multiplication or zero in addition) of the DERIVATIVE operation…
REF: https://en.wikipedia.org/wiki/Exponential_function
If the word ‘derivative’ or ‘calculus’ makes you cold – even with all the global warming – this will set you free – an excellent smooth intro: https://www.mathssisfun.com/calculus/derivatives-introduction.html
Next we will use the basic formulas of differential Calculus: d( xN) / dx = N * x(N-1)
Also we need: d (constant ) /dx =0 (slope is zero at all points) and
d( c * f(x) ) = c* ( f(x) ) where c is a constant – then it can go out of the derivative, a special case
is division: d( f(x) / c ) = f(x) /c where c is not zero. It is a sin to divide by zero …
REF: https://tutorial.maths.lamar.edu/classes/calcI/DiffFormulas.aspx
In human-speak: the derivative of X to the N is N times x to the N-1 power ! wow…
Example: d( x5) / dx = 5 * x(5-1) = 5 * x4
Now let’s derive for Exp(x) using the fact that the derivative of a convergent sum is the sum of the derivatives of EACH term (* means multiplication):
d ( Exp(x) ) /dx =
d ( 1 + x1/1! + x2/2! + x3/3! +… + xN/N! + ….) /dx =
d(1)/dx + d(x1/1!)/dx + d(x2/2!)/dx +d( x3/3!)/dx +… +d( xN/N! ) + ….
Using the above formulas, since N! is constant (does not depend on x):
d ( Exp(x) ) /dx =
d(1)/dx + d(x1/1!)/dx + d(x2/2!)/dx +d( x3/3!)/dx +… +d( xN/N! ) + …. =
d(1)/dx + (1/1!) * d(x1)/dx + (1/2!)* d(x2)/dx + (1/3!) * d( x3)/dx +… + (1/N!) * d( xN ) + …. =
Now let’s look at the general term for simplicity:
+ (1/N!) * d( xN ) + =
+ (1/N!) * N * x(N-1) + = (using calculus formula)
+ (1/(1*2*3…N-1*N) * N * x(N-1) + =
Now the N factor cancels with the 1/N factor and we have 1*2*3…(N-1) and that is precisely (N-1)! <– the key idea
+ (1/(1*2*3…N-1) * x(N-1) + =
+ (1/(N-1)! * x(N-1) + =
+ * x(N-1) /(N-1)! + =
AND THIS IS THE PREVIOUS TERM FOR THE SUM!
THEN WE HAVE THE SAME SUM AS BEFORE – SO THEN:
d( Exp(x) )/dx = Exp(x)
The key here is that:
N!/N = (1*2*3…*N-1*N) / N = 1*2*3…*N-1 = (N-1)!
Since the last N/N is 1 or it cancels out.
From this we will understand NEXT the amazing equations, were:
- e is Euler’s number, the base of natural logarithms, approx. 2.71828
- i is the imaginary unit, which by definition satisfies i2 = −1, and
- π is pi, the ratio of the circumference of a circle to its diameter, approx. 3.1415
Coming soon :
In the next lessons we will cover what amazing things happen when we raise
Exp(x) to a complex number…. And what are complex numbers?
We will also reveal the amazing relation of Exp(x) to trigonometry sine and cosines.
And dealing with infinities: the proof that the number of fractions is the same as the number of integers (ALEPH ZERO) and some unsolved problems of maths!
Par : Raul Garcia
Développeur informatique, mathématicien et yogi
Septembre 2022 | Isabela, Puerto Rico
Vers l’INFINI – Une entrée en douceur dans les mathématiques avancées
QUANTIFIER L’INFINI ?
—
Note : Je sais que beaucoup d’entre nous ont peur des maths ! Je l’ai moi aussi été à une époque!
Cet état de fait est à mon sens en partie la conséquence d’enseignants mal préparés – comment enseigner ce que l’on ne maîtrise pas soi-même ?
D’expérience, il faut un niveau d’études supérieur pour enseigner une matière – c’est-à-dire que pour les enseigner, il faut au moins une licence ou une maîtrise en mathématiques. Votre confiance et votre maîtrise s’expriment librement et les élèves reçoivent votre perspective par osmose.
La « LOI DES TROIS » :
Pour étudier une nouvelle matière 1/ La réviser 2/ faire une pause nécessaire avant de s’y plonger avec effort – 3/ puis l’étudier point par point et s’y exercer.
Tentez d’écrire les principaux faits / formules DE MÉMOIRE, faites les corrections à ce moment-là ou essayez à nouveau plus tard.
Soyez indulgents avec moi et essayons ensemble de réveiller quelques cellules nerveuses endormies : allons à la rencontre des véritables mathématiques !
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L’une des merveilles des premières mathématiques a été la découverte qu’il existe de nombreux infinis possibles – vers la grandeur ET de la petitesse (infinitésimaux).
Nous connaissons tous est le nombre naturel ou les nombres entiers positifs :
1, 2, 3, 4, …N, N+1,…
Une des définition est l’ensemble N auquel 1 appartient, et si n appartient alors n+1 appartient aussi à N, ou encore
N = {1,2,3,….,n, n+1,…}
Maintenant, le cas le plus simple des grands nombres est la somme de 1 à N: voyons comment obtenir une formule pour cela ?
Disons que la somme = 1+2+3+ ….N, puis par la loi commutative Somme= N+…3+2+1, additionnons ensuite les nombres correspondants (le second dans l’ordre inverse) et (l’astérisque est la multiplication) ce qui donne :
Somme = 1+2+3+ ….N
Somme = N+ …3+2+1
———————–add alors – puisque les chiffres sont tous égaux à N+1 (pourquoi ?):
2*Sum = (1+N) + …. (N+1) pour n fois = (1+N)*N, diviser par 2 et obtenir : Somme = N*(N+1)/2.
Tentons quelques exemples : 1+2+3 = 6: la formule dit que pour N=3 alors N*(N+1)/2 = 3*4/2 = 12/6 = 6 nous voyons que cela correspond.
Il existe une démonstration encore plus précise utilisant l’induction mathématique!
On pense que Gauss a utilisé la méthode ci-dessus alors qu’il était enfant en Allemagne, en tant qu’élève du primaire à la fin des années 1700, et qu’il a étonné son professeur par la rapidité avec laquelle il a trouvé que la somme des entiers de 1 à 100 était de 5 050.
Réf. : https://www.nctm.org/Publications/TCM-blog/Blog/The-Story-of-Gauss/
Réf : https://letstalkscience.ca/educational-resources/backgrounders/gauss-summation
—
Maintenant, vers l’infini – la somme 1 à N croît lentement, un peu comme N*N ou N au carré.
Remarque : en informatique, il s’agit de la notation O = O(N*(N+1)/2) = O(N^2 +N) = O(N^2), ce qui signifie que la somme croît fondamentalement « aussi vite » que N*N.
Cette notation O est largement utilisée dans l’analyse des algorithmes.
— Essayons ensuite avec la MULTIPLICATION – et maintenant pour le plaisir :
LE FACTORIAL :
Que se passe-t-il SI on multiplie tous ces nombres : 1*2*3*4 …. *N ?
Cette valeur est si importante qu’elle a un nom et un symbole : le FACTORIEL :
N ! = 1*2*3*4 …. *N
Exemples :
1!=1, 2!=1*2=2, 3!=1*2*3 = 6, et lorsque N=100 ? ??
Pour N=100 : N ! = 100 ! =
93,326,215,443,944,100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000
Wow – le résultat est légèrement au-dessus du solde de mon compte bancaire !!
On peut se demander la raison du nombre de zéros à la fin ? une piste: écrivez la signification de 100 !
Voici une calculatrice : Calculatrice factorielle n ! (calculatorsoup.com)
Et un exercice : essayez-le avec:
N=1 000 ?
Et avec 10 000 ?
Vous serez étonné !
Note1 : En C# et dans la plupart des langages informatiques, vous devez utiliser un type spécial de « grands nombres » pour cela, ou vous obtiendrez un débordement à environ N=30. Même Excel remplace par des zéros tous les chiffres au-delà de 30 chiffres.
La taille maximale de la virgule flottante double dans les ordinateurs est d’environ : 2.2250738585072014 E – 308) ou 300 chiffres environ. Mais elle ne reflète pas une exactitude totale (elle est diluée après 15 chiffres!)
Il y a donc deux concepts ici : la taille du nombre et sa précision!
Note2 : Voilà pourquoi dans la programmation des contrats intelligents de blockchain par l’utilisation du langage Solidity, tous les nombres sont des entiers: car en finance les points flottants peuvent perdre de leur précision avec la taille… et vous pouvez alors perdre des millions !
POURQUOI LE N-FACTORIEL CROÎT-IL SI VITE ?
Observez : (N+1) ! = 1*2*3…*(N+1) = (1*2*3…*N) * (N+1) = N ! * (N+1)
Donc la factorielle de N+1 est la factorielle de N fois N+1. Exemple : 100 ! = 99 ! * 100 = 5,050.
Par conséquent, la valeur de chaque terme successif de la série est égale à N fois la factorielle précédente, et au fur et à mesure que N augmente, ce facteur croît en conséquence, puis explose !
Ces deux formules pour la somme et la multiplication d’entiers sont FONDAMENTALES dans de très nombreux domaines :
- l’Informatique – Analyse des algorithmes
- la Finance Quantique
- les Statistiques
- les Probabilités
- l’Economie
- Le Marketing
- La Physique
- La Chimie, la Biologie, etc.
C’est pourquoi des domaines tels que la « biologie » ont maintenant des spécialités telles que la « biologie computationnelle » : la fusion des mathématiques et de l’informatique avancées appliquées aux problèmes quantitatifs de ce domaine.
J’ai suivi il y a longtemps un cours avancé en utilisant le livre de Knuth sur l’analyse des algorithmes – et nous étions dans les factorielles jusqu’au cou …
Ref : Design and Analysis of Algorithm (tutorialspoint.com)
Tout ce qui précède aboutit à ceci : lorsque N ! devient grand, 1/N ! devient également très petit – génial !
Il devient si petit que VOUS POUVEZ additionner tous les « petits » nombres (infinis) :
1 + 1/1 ! + ½ ! + 1/3 ! + 1/4 ! …. + 1/N ! …. Et la somme est au final un NOMBRE FINI !
Comment cela se fait-il ?
Un ensemble infini de nombres peut s’additionner à un nombre fini ! car le N ! est si grand et si rapide que 1/N ! deviendra TRES petit très rapidement aussi, donc ajouter 1/N ! pour disons N>30 revient à ajouter un zéro : 1/30 ! = 3.76998763E-33.
Si votre compte bancaire avait ce solde inutile d’essayer d’obtenir un centime !
Comme l’IP, c’est un élément fondamental des mathématiques et des sciences avancées, appelé « e » en l’honneur d’Euler.
e = 2.71828182845904523536028747135266249775724709369995... ou juste 2.718 pour les intimes…
Ref : https://en.wikipedia.org/wiki/E_(constante_mathématique)
Leonhard Euler était un mathématicien, physicien, astronome, géographe, logicien et ingénieur suisse, qui a fondé les études de la théorie des graphes et de la topologie, et a fait des découvertes pionnières et influentes dans de nombreuses autres branches des mathématiques telles que la théorie analytique des nombres et l’analyse complexe.
LA SÉRIE HARMONIQUE :
Comparons maintenant lorsque nous ajoutons seulement les réciproques de n – appelées la SÉRIE HARMONIQUE – toutes les 1/n :
1 + ½ + 1/3 + ¼ + 1/5 + …. 1/N +…
Puisque le « 1/N » devient petit aussi, la somme est-elle finie ?
NON, ce n’est pas le cas. Il s’agit d’un résultat infini, également appelé non limité en mathématiques ou série divergente.
C’est parce que ces nombres ne deviennent PAS assez rapidement petits et que chacun d’entre eux fait croître la série trop rapidement – si nous ajoutons suffisamment de nombres – comme 2 au N à chaque fois.
Vous trouverez des détails étonnants à ce sujet juste ici : http://dictionary.sensagent.com/Harmonic_series_(mathsematics)/en-en/
Poursuivons en faisant un petit saut et considérons le cas où nous élevons « e » à une puissance « x » quelconque – ou eX , également désigné par Exp(x) :
Vous ne pouvez pas imaginer à quel point cette formule est essentielle dans tous les domaines de la science comme des mathématiques !
Comme la radioactivité et la croissance bactérienne ! Il y a vraiment de tout dans les sciences, l’ingénierie, les mathématiques appliquées et les statistiques…
Un exemple simple :
C’est presque exactement la formule de la décroissance RADIOACTIVE (demi-vie) – si importante aujourd’hui à cause de Tchernobyl, des bombes A, des réacteurs et du danger actuel en Ukraine avec ses réacteurs de Zaporizhzhia qui sont les plus grands d’Europe – et se muent en chantage nucléaire par la Russie : https://en.wikipedia.org/wiki/Zaporizhzhia_Nuclear_Power_Plant.
La loi de la désintégration radioactive : R = N*Exp(-λt) où N et lambda sont des constantes, et il est admis que c’est exponentiel dans le temps, le – t.
Rappelez-vous qu’un exposant, comme 2 ici, signifie e2 = e*e = environ = (2.718)*(2.718) = 7.3890 …
Ensuite, on affirme – sans preuve- (on utilise les séries de Taylor et le fait que Exp(0)=1) :
En utilisant à nouveau la notation Big-O – en posant que le reste de la somme est supérieur à x à la cinquième puissance.
REF : https://www.wolframalpha.com/input/?i=Exp%28x%29
Expanded la formule exacte de Exp(x) est :
Exp(x) = 1 + x1 /1 ! + x2 /2 ! + x3 /3 ! +… + xN /N ! + ….
Où nous rappelons que N ! = 1*2*3…*N et xN = x*x*x…*x N fois.
Notons que 0!=1 et x0 =1
Vient maintenant la question naturelle : comment cela peut-il converger ?
Comment la somme ci-dessus peut-elle devenir un nombre ?
L’astérisque * indique une multiplication.
Considérons un terme : xN /N ! = x*x*x…*x N fois / = 1*2*3…*N = séparer les facteurs pour obtenir :
x/1 * x/2 * x/3 …. * x/N
Etant donné que x est un nombre réel (qui peut aussi être complexe) et que N est un nombre entier, pour TOUT x, il existe une infinité de nombres entiers supérieurs à x ([x] étant désigné comme la partie entière de x). Par la suite, x/N deviendra de plus en plus petit puisque N peut être BEAUCOUP plus grand que x, et vient la somme ci-dessous :
Exp(x) = 1 + x1 /1 ! + x2 /2 ! + x3 /3 ! +… + xN /N ! + ….
On ajoutera des nombres plus petits au fur et à mesure que N dépasse x, puis on ajoutera presque des zéros !
Nous donnons par la suite une dérivation étonnante de la raison pour laquelle la formule est correcte en calcul :
d/dx( Exp(x) ) = Exp(x)
C’est-à-dire que la dérivée (la pente de la tangente en x) de Exp(x) = Exp(x).
Cela signifie que la fonction y = Exp(x) est la FONCTION D‘IDENTITÉ (comme 1 en multiplication ou zéro en addition) de l’opération DERIVATIVE…
REF : https://en.wikipedia.org/wiki/Exponential_function
Si le mot « dérivée » ou « calcul » vous fait froid dans le dos même avec le réchauffement climatique – voici de quoi vous libérer avec une excellente introduction en douceur : https://www. mathssisfun.com/calculus/derivatives-introduction.html
Nous allons ensuite utiliser les formules de base du calcul différentiel : d( xN ) / dx = N * x(N-1)
Il faut aussi : d (constante ) /dx =0 (la pente est nulle en tout point) et d( c * f(x) ) = c* ( f(x) ) où c est une constante – alors il peut sortir de la dérivée, un cas spécial
est une division : d( f(x) / c ) = f(x) /c où c n’est pas zéro – C’est toujours un péché de diviser par zéro… –
REF : https://tutorial. maths.lamar.edu/classes/calcI/DiffFormulas.aspx
En langage humain : la dérivée de X à la N est N fois x à la puissance N-1 !
Exemple : d( x5 ) / dx = 5 * x(5-1) = 5 * x4
Maintenant, dérivons pour Exp(x) en utilisant le fait que la dérivée d’une somme convergente est la somme des dérivées de CHAQUE terme (* signifie multiplication) :
d ( Exp(x) ) /dx =
d ( 1 + x1 /1 ! + x2 /2 ! + x3 /3 ! +… + xN /N ! + ….) /dx =
d(1)/dx + d(x1 /1 !)/dx + d(x2 /2 !)/dx +d( x3 /3 !)/dx +… +d( xN /N ! ) + ….
En utilisant les formules ci-dessus, puisque N ! est constant (et ne dépend pas de x) :
d ( Exp(x) ) /dx =
d(1)/dx + d(x1 /1 !)/dx + d(x2 /2 !)/dx +d( x3 /3 !)/dx +… +d( xN /N ! ) + …. =
d(1)/dx + (1/1 !) * d(x1 )/dx + (1/2 !)* d(x2 )/dx + (1/3 !) * d( x3 )/dx +… + (1/N !) * d( xN ) + …. =
Pour simplifier, examinons maintenant le terme général :
+ (1/N !) * d( xN ) + =
+ (1/N !) * N * x(N-1) + = (en utilisant la formule de calcul)
+ [1/(1*2*3…N-1*N) * N * x(N-1) + =
Maintenant le facteur N s’annule avec le facteur 1/N et nous avons 1*2*3…(N-1) et c’est précisément (N-1) ! <– l’idée clé
+ (1/(1*2*3…N-1) * x(N-1) + =
+ (1/(N-1) ! * x(N-1) + =
+ * x(N-1) /(N-1) ! + =
ET C’EST LE TERME PRÉCÉDENT DE LA SOMME !
ALORS NOUS AVONS LA MÊME SOMME QUE PRÉCÉDEMMENT :
d( Exp(x) )/dx = Exp(x)
La clé est ici que :
N!/N = (1*2*3…*N-1*N) / N = 1*2*3…*N-1 = (N-1) !
Puisque le dernier N/N est 1 ou il s’annule.
A partir de là, nous comprendrons pourquoi les équations étonnantes, étaient :
- e est le nombre d’Euler, la base des logarithmes naturels, environ 2.71828
- i est l’unité imaginaire, qui par définition satisfait à i2 = -1, et
- π est pi, le rapport entre la circonférence d’un cercle et son diamètre, soit environ 3,1415.
A VENIR :
Nous nous pencherons prochainement sur les phénomènes étonnants qui se produisent lorsque nous élevons le niveau de l’eau!
Exp(x) à un nombre complexe…. Et que sont les nombres complexes ?
Nous révélerons également la relation étonnante entre Exp(x) et les sinus et cosinus de la trigonométrie.
Et face aux infinis : la preuve que le nombre de fractions est le même que le nombre d’entiers (ALEPH ZERO) et quelques problèmes de maths non résolus !