En mathématiques le coefficient binomial central d'ordre n est le coefficient binomial défini par :
Il est ainsi nommé pour la position centrale qu'il occupe dans la liste des ( 2 n k ) {\displaystyle {\dbinom {2n}{k}}} pour 0 ⩽ k ⩽ 2 n {\displaystyle 0\leqslant k\leqslant 2n} (ligne d'indice 2 n {\displaystyle 2n} du triangle de Pascal) ; l'identité de Vandermonde : ( 2 n n ) = ∑ k = 0 n ( n k ) 2 {\displaystyle {\binom {2n}{n}}=\sum _{k=0}^{n}{\binom {n}{k}}^{2}} montre qu'il s'obtient par la somme des carrés des termes de la ligne d'indice n {\displaystyle n} de ce triangle.
Pour les premières valeurs de n, celles du coefficient binomial central associé sont : 1, 2, 6, 20, 70, 252. La liste de toutes les valeurs constitue la suite A000984 de l'OEIS.
Sauf pour le premier d'entre eux, ( 0 0 ) = 1 {\displaystyle {\binom {0}{0}}=1} , tout coefficient binomial central est un entier pair.
Plusieurs preuves élémentaires existent[1]. La plus simple, utilisant la « formule du pion » ( ( m n ) = m n ( m − 1 n − 1 ) {\displaystyle {\dbinom {m}{n}}={\frac {m}{n}}{\dbinom {m-1}{n-1}}} ), montre que ce coefficient est le double d'un entier « voisin » dans le triangle de Pascal :
Le coefficient binomial central d'ordre n est divisible par n + 1, ce qui revient à dire que le nombre de Catalan C n = 1 n + 1 ( 2 n n ) {\displaystyle C_{n}={\frac {1}{n+1}}{\dbinom {2n}{n}}} est un entier.
Pour le prouver, le plus simple est — de même que pour les coefficients binomiaux — d'utiliser l'une des nombreuses interprétations combinatoires de Cn[2].
Il existe aussi des preuves algébriques[3]. On peut par exemple remarquer[2],[4],[5] que C n = ( 2 n n ) − ( 2 n n − 1 ) {\displaystyle C_{n}={\dbinom {2n}{n}}-{\dbinom {2n}{n-1}}} .
Si p est un nombre premier, l'égalité ( 2 p p ) = 2 + ∑ k = 1 p − 1 ( p k ) 2 {\displaystyle {\binom {2p}{p}}=2+\sum _{k=1}^{p-1}{\binom {p}{k}}^{2}} , montre que ( 2 p p ) ≡ 2 ( mod p 2 ) . {\displaystyle {\dbinom {2p}{p}}\equiv 2{\pmod {p^{2}}}.}
Moins élémentairement, avec le théorème de Wolstenholme, il résulte de ( 2 p p ) = 2 ( 2 p − 1 p − 1 ) {\displaystyle {\dbinom {2p}{p}}=2{\dbinom {2p-1}{p-1}}} [6] que si p est supérieur ou égal à 5, on a même ( 2 p p ) ≡ 2 ( mod p 3 ) . {\displaystyle {\dbinom {2p}{p}}\equiv 2{\pmod {p^{3}}}.}
On conjecture que ( 2 n n ) ≡ 2 ( mod n 3 ) {\displaystyle {{2n} \choose {n}}\equiv 2{\pmod {n^{3}}}} constitue une condition nécessaire et suffisante pour que n ⩾ 5 {\displaystyle n\geqslant 5} soit premier, car cette propriété est vraie jusqu'à n = 10 9 {\displaystyle n=10^{9}} , mais cette conjecture n'est pas prouvée [7].
Dans la décomposition en produit de facteurs premiers du coefficient binomial central d'ordre n, on note e la puissance du nombre premier p, c'est-à-dire que e est le plus grand exposant tel que pe divise ( 2 n n ) {\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}} . Si ⌊ x ⌋ {\displaystyle \lfloor x\rfloor } désigne la partie entière du réel x, alors, en posant k = ⌊ log p 2 n ⌋ {\displaystyle k=\lfloor \log _{p}2n\rfloor } , on établit, en application de la formule de Legendre[8] :
Par exemple, si n = 14 {\displaystyle n=14} et p = 5 {\displaystyle p=5} , alors k = 2 {\displaystyle k=2} et e = 2 {\displaystyle e=2} , de sorte que 52 divise le nombre ( 28 14 ) = 40 116 600 {\displaystyle {\dbinom {28}{14}}=40~116~600} mais 53 ne le divise pas.
D'après le théorème de Kummer, on a aussi : e = 2 s p ( n ) − s p ( 2 n ) p − 1 {\displaystyle e={\dfrac {2s_{p}(n)-s_{p}(2n)}{p-1}}} où s p ( n ) {\displaystyle s_{p}(n)} est la somme des chiffres de n en base p, ce qui est aussi égal au nombre de retenues lorsqu'on effectue l'addition n + n {\displaystyle n+n} en base p. Par exemple, si tous les chiffres de n en base p sont strictement inférieurs à p / 2 {\displaystyle p/2} ( 2 n n ) {\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}} n'est pas multiple de p.
Dans le cas où p = 2 {\displaystyle p=2} , le nombre e est donc le nombre de 1 dans l’écriture binaire de n [9]. Pour tout n > 0, e vaut donc au moins 1 et l'on retrouve ainsi (voir supra) que ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} est pair, et on obtient qu'il est même multiple de 4 si n n'est pas une puissance de 2[9].
La décomposition en produit de facteurs premiers de ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} possède la particularité de se terminer par la liste des nombres premiers de ] n , 2 n ] {\displaystyle \left]n,2n\right]} (liste non vide d'après le postulat de Bertrand), comme le montre l'exemple ( 20 10 ) = 2 2 × 11 × 13 × 17 × 19 {\displaystyle {\binom {20}{10}}=2^{2}\times 11\times 13\times 17\times 19} .
On montre en effet [10] à partir de la formule de Legendre ci-dessus qu'un nombre premier p apparait dans la décomposition de ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} en produit de facteurs premiers avec l'exposant e = 1 {\displaystyle e=1} pour p dans ] n , 2 n ] {\displaystyle \left]n,2n\right]} , et avec l'exposant e = 0 {\displaystyle e=0} pour p > 2 n {\displaystyle p>2n} .
Le produit des nombres premiers de ] n , 2 n ] {\displaystyle \left]n,2n\right]} : P n = ( 2 n ) # n # {\displaystyle P_{n}={\frac {(2n)\#}{n\#}}} où n # {\displaystyle n\#} désigne la primorielle de n est en particulier un diviseur de ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} et les diviseurs premiers de ( 2 n n ) / P n {\displaystyle {\binom {2n}{n}}/P_{n}} sont tous inférieurs ou égaux à n.
Sur le site de l'OEIS, ( P n ) {\displaystyle (P_{n})} est répertoriée comme suite A261130 de l'OEIS, et ( ( 2 n n ) / P n ) {\displaystyle \left({\binom {2n}{n}}/P_{n}\right)} comme suite A263931 de l'OEIS.
En 1850, Tchebychev utilise cette propriété pour obtenir une évaluation de la distribution des nombres premiers[11].
Les exemples vus précédemment montrent que si les nombres premiers supérieurs à n de la décomposition de ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} ont un exposant égal à 1, au moins l'un de ceux qui précèdent possède un exposant > 1. Si n n'est pas une puissance de 2, on a vu que ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} est multiple de 2 2 {\displaystyle 2^{2}} , mais le phénomène est général [12].
En 1975, Paul Erdős conjecture que, pour n ⩾ 5 {\displaystyle n\geqslant 5} , le coefficient binomial central ( 2 n n ) {\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}} est toujours divisible par le carré d'un nombre premier, c'est-à-dire qu'il n'est pas quadratfrei. Le résultat est établi pour n grand par András Sárközy dix ans plus tard[13]. Il est totalement démontré par G. Velammal en 1995[14] et indépendamment par Andrew Granville et Olivier Ramaré en 1996[15].
La suite des plus grands exposants dans la décomposition en produit de facteurs premiers de ( 2 n n ) {\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}} est répertoriée comme suite A263922 de l'OEIS.
Le coefficient binomial central vérifie la majoration ( 2 n n ) ⩽ ( 2 n ) π ( 2 n ) {\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}\leqslant (2n)^{\pi (2n)}} où π ( x ) {\displaystyle \pi (x)} est le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux au réel x [10],[16]:
En effet, en utilisant la majoration ⌊ 2 y ⌋ − 2 ⌊ y ⌋ ⩽ 1 {\displaystyle \lfloor 2y\rfloor -2\lfloor y\rfloor \leqslant 1} valable pour tout réel y, la valuation e p {\displaystyle e_{p}} de l'entier p dans ( 2 n n ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}} vérifie e p ⩽ ⌊ log p 2 n ⌋ {\displaystyle e_{p}\leqslant \lfloor \log _{p}2n\rfloor } d'après la formule de Legendre. Puisque p ⌊ log p 2 n ⌋ ⩽ 2 n {\displaystyle p^{\lfloor \log _{p}2n\rfloor }\leqslant 2n}
Tchebychev utilise cette propriété pour établir la minoration de gauche dans les inégalités suivantes [17]
En effet, de manière élémentaire : 2 n ⩽ ( 2 n n ) {\displaystyle 2^{n}\leqslant {\dbinom {2n}{n}}} donc π ( 2 n ) ⩾ n ln 2 ln ( 2 n ) {\displaystyle \pi (2n)\geqslant {\frac {n\ln {2}}{\ln {(2n)}}}} . Si à x ⩾ 2 {\displaystyle x\geqslant 2} on associe l'entier n tel que n ⩽ x 2 < n + 1 {\displaystyle n\leqslant {\frac {x}{2}}<n+1} :
Notons A n = ( 2 n n ) {\displaystyle A_{n}={\dbinom {2n}{n}}} et G ( x ) = ∑ n = 0 ∞ A n x n {\displaystyle G(x)=\sum _{n=0}^{\infty }A_{n}x^{n}} la série génératrice associée. À l'aide de la relation de récurrence :
on montre que G {\displaystyle G} est solution de l'équation différentielle linéaire : ( 1 − 4 x ) G ′ ( x ) = 2 G ( x ) {\displaystyle (1-4x)G^{\prime }(x)=2G(x)} ce qui permet d'obtenir l'expression[18],[19] (valable pour | x | < 1 / 4 {\displaystyle |x|<1/4} ) :
Elle se déduit facilement de la relation : ∑ n = 0 ∞ ( 2 x ) 2 n ( 2 n n ) = 1 1 − x 2 + x arcsin x ( 1 − x 2 ) 3 / 2 {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(2x)^{2n}}{\binom {2n}{n}}}={\frac {1}{1-x^{2}}}+{\frac {x\arcsin x}{(1-x^{2})^{3/2}}}} .
On en déduit la somme des inverses des coefficients binomiaux centraux : ∑ n = 0 ∞ 1 ( 2 n n ) = 4 3 + 2 π 3 27 {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{\binom {2n}{n}}}={\frac {4}{3}}+{\frac {2\pi {\sqrt {3}}}{27}}} , voir la suite A091682 de l'OEIS.
Cette relation s'obtient par dérivation de la série génératrice des intégrales de Wallis d'ordre impair[20] : ∑ n = 0 ∞ 4 n ( 2 n n ) x 2 n + 1 2 n + 1 = arcsin x 1 − x 2 {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {4^{n}}{\binom {2n}{n}}}{\frac {x^{2n+1}}{2n+1}}={\frac {\arcsin x}{\sqrt {1-x^{2}}}}} .
Pour x = 1 2 {\displaystyle x={\frac {1}{\sqrt {2}}}} dans cette dernière, on obtient la série connue d'Euler[21] : ∑ n = 0 ∞ 2 n 2 n + 1 1 ( 2 n n ) = ∑ n = 0 ∞ n ! 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n + 1 ) = π 2 {\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {2^{n}}{2n+1}}{\frac {1}{\binom {2n}{n}}}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {n!}{1\times 3\times \cdots \times {(2n+1)}}}={\frac {\pi }{2}}} .
Le coefficient binomial central apparaît de manière inattendue dans des égalités remarquables, ce qui explique l'intérêt qui lui est porté[22].
En 1985, Derrick Lehmer[23] calcule, en fonction de deux suites de polynômes définies par récurrence sur l'entier k ⩾ − 2 {\displaystyle k\geqslant -2} , les séries de la forme
Par exemple (voir supra)[24],[25] : S − 1 ( x ) = 2 x arcsin x 1 − x 2 {\displaystyle S_{-1}(x)={\frac {2x\arcsin x}{\sqrt {1-x^{2}}}}} donc en divisant par 2 x {\displaystyle 2x} et en intégrant[26],[27] : S − 2 ( x ) = 2 ( arcsin x ) 2 {\displaystyle S_{-2}(x)=2(\arcsin x)^{2}} .
En 1730, dans son étude du problème de Bâle, Stirling avait utilisé l'accélération de convergence ∑ n = 1 + ∞ 1 n 2 = 3 S − 2 ( 1 / 2 ) = 3 ∑ n = 1 + ∞ 1 n 2 ( 2 n n ) {\displaystyle \sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {1}{n^{2}}}=3\,S_{-2}(1/2)=3\sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {1}{n^{2}{\binom {2n}{n}}}}} pour déterminer des valeurs approchées de la première somme[27] (il ne disposait pas de l'égalité ci-dessus, dont on déduit que S − 2 ( 1 / 2 ) = π 2 / 18 {\displaystyle S_{-2}(1/2)=\pi ^{2}/18} ).
L'intérêt pour les sommes avec coefficient binomial central s'est accru après que Roger Apéry a utilisé l'égalité ζ ( 3 ) = − 5 2 S − 3 ( i / 2 ) {\displaystyle \zeta (3)=-{\frac {5}{2}}S_{-3}(\mathrm {i} /2)} où ζ {\displaystyle \zeta } désigne la fonction zêta de Riemann. Dans un théorème qui porte son nom, il en déduit que ζ ( 3 ) {\displaystyle \zeta (3)} est irrationnel[28].
Lehmer montre que S k ( 1 / 2 ) = ∑ n = 1 + ∞ n k 2 n ( 2 n n ) = u k π + v k {\displaystyle S_{k}(1/{\sqrt {2}})=\sum _{n=1}^{+\infty }{\frac {n^{k}2^{n}}{\dbinom {2n}{n}}}=u_{k}\pi +v_{k}} où 2 u k {\displaystyle 2u_{k}} et v k {\displaystyle v_{k}} sont des entiers, et remarque que v k / u k {\displaystyle v_{k}/u_{k}} est « une bonne approximation de π {\displaystyle \pi } »[23] . La suite ( 2 u k − 1 ) {\displaystyle (2u_{k-1})} est la suite A014307 de l'OEIS et ( v k ) {\displaystyle (v_{k})} la suite A180875 de l'OEIS ; le fait que lim v k / u k = π {\displaystyle \lim v_{k}/u_{k}=\pi } a été démontré en 2011 [29],[30].
Lehmer s'intéresse plus généralement aux séries du type ∑ n = 0 + ∞ a n ( 2 n n ) ou ∑ n = 0 + ∞ a n ( 2 n n ) {\displaystyle \sum _{n=0}^{+\infty }a_{n}{\binom {2n}{n}}{\text{ ou }}\sum _{n=0}^{+\infty }{\frac {a_{n}}{\dbinom {2n}{n}}}} , où les a n {\displaystyle a_{n}} sont « des fonctions très simples de n {\displaystyle n} »[31]. Par exemple, en divisant par x {\displaystyle x} l'égalité ∑ n = 1 + ∞ ( 2 n n ) x n = 1 1 − 4 x − 1 {\displaystyle \sum _{n=1}^{+\infty }{\binom {2n}{n}}x^{n}={\frac {1}{\sqrt {1-4x}}}-1} (voir supra) et en intégrant, il obtient[24],[25] :
En remplaçant x {\displaystyle x} par x {\displaystyle {\sqrt {x}}} dans la double expression ci-dessus de S − 1 ( x ) {\displaystyle S_{-1}(x)} et en dérivant, on obtient :
qui donne, pour x = 1 / 4 {\displaystyle x=1/4} [32]:
On trouve dans la littérature plusieurs expressions du coefficient binomial central à l'aide d'intégrales[33]. Ainsi par exemple
La première expression est liée à l'intégrale de Wallis d'ordre pair : W 2 n = ∫ 0 π 2 sin 2 n x d x = π 2 ( 2 n n ) 4 n {\displaystyle W_{2n}=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\sin ^{2n}x{\text{ d}}x={\frac {\pi }{2}}{\frac {\binom {2n}{n}}{4^{n}}}} .
Le coefficient binomial central s'obtient comme résultat des sommes suivantes[34] :
La première relation — cas particulier de l'identité de Vandermonde — s'obtient par exemple en exprimant le coefficient de degré n de deux façons dans ( 1 + X ) 2 n = ( 1 + X ) n ( 1 + X ) n {\displaystyle (1+X)^{2n}=(1+X)^{n}(1+X)^{n}} .
La deuxième relation s'obtient en exprimant le coefficient de degré 2n de deux façons dans l'identité ( 1 − X 2 ) 2 n = ( 1 − X ) 2 n ( 1 + X ) 2 n {\displaystyle (1-X^{2})^{2n}=(1-X)^{2n}(1+X)^{2n}} .
La troisième est le cas particulier m = 2 n + 1 {\displaystyle m=2n+1} de l'égalité ∑ k = 0 n ( − 1 ) k ( m k ) = ( − 1 ) n ( m − 1 n ) {\displaystyle \sum _{k=0}^{n}(-1)^{k}{\binom {m}{k}}=(-1)^{n}{\binom {m-1}{n}}} , que l'on peut démontrer par récurrence sur n {\displaystyle n} (à l'aide de la formule de Pascal), mais aussi combinatoirement[35].
Connaissant un équivalent de la suite des intégrales de Wallis et leur lien avec les coefficients binomiaux centraux (voir supra), on obtient : ( 2 n n ) ∼ 4 n π n {\displaystyle {\dbinom {2n}{n}}\sim {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}} .
Cet équivalent permet d'établir la formule de Stirling à partir de celle d'Abraham de Moivre.
Inversement, on peut utiliser la formule de Stirling pour produire un équivalent du coefficient binomial central[36].
A partir du développement asymptotique de n {\displaystyle n} !, on obtient ( 2 n n ) = 4 n π n ( 1 − 1 8 n + o ( 1 n ) ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}={\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}\left(1-{\frac {1}{8n}}+o\left({\frac {1}{n}}\right)\right)} .
L'encadrement issu du développement ci-dessus : 4 n π n ( 1 − 1 8 n ) ⩽ ( 2 n n ) ⩽ 4 n π n {\displaystyle {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}\left(1-{\frac {1}{8n}}\right)\leqslant {\binom {2n}{n}}\leqslant {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi n}}}} est valable pour tout n ⩾ 1 {\displaystyle n\geqslant 1} .
On peut même améliorer la majoration en ( 2 n n ) ⩽ 4 n π ( n + 1 / 4 ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}\leqslant {\frac {4^{n}}{\sqrt {\pi (n+1/4)}}}} pour tout n ⩾ 1 {\displaystyle n\geqslant 1} [37].
Le produit ( 2 n n ) ( 2 m m ) {\displaystyle {\binom {2n}{n}}{\binom {2m}{m}}} est divisible par ( n + m n ) {\displaystyle {\binom {n+m}{n}}} . Leur quotient T n , m = ( 2 n ) ! ( 2 m ) ! n ! m ! ( n + m ) ! {\displaystyle T_{n,m}={\frac {(2n)!(2m)!}{n!m!(n+m)!}}} est représenté par la suite A068555 de l'OEIS.
Cette propriété peut se démontrer par récurrence grâce à la relation T n + 1 , m = 4 T n , m − T n , m + 1 {\displaystyle T_{n+1,m}=4T_{n,m}-T_{n,m+1}} ou à l'aide de la formule de Legendre[38].
Dans son encyclopédie CRC Concise Encyclopedia of Mathematics (en), Eric W. Weisstein définit le coefficient binomial central d'ordre n comme étant le coefficient binomial ( n ⌊ n / 2 ⌋ ) {\displaystyle {\dbinom {n}{\lfloor n/2\rfloor }}} [39]. Il s'agit alors de la suite A001405 de l'OEIS.
Les termes de rang n pair selon cette définition correspondent aux coefficients définis au début de cet article.