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Sur les termes complémentaires de la formule sommatoire d'Euler et de celle de Stirling

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(1)

A NNALES SCIENTIFIQUES DE L ’É.N.S.

N. S

ONIN

Sur les termes complémentaires de la formule sommatoire d’Euler et de celle de Stirling

Annales scientifiques de l’É.N.S. 3e série, tome 6 (1889), p. 257-262

<http://www.numdam.org/item?id=ASENS_1889_3_6__257_0>

© Gauthier-Villars (Éditions scientifiques et médicales Elsevier), 1889, tous droits réservés.

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(2)

SIR LES TERMES COMPLEMENTAIRES

DE l'A

FORMULE SOMMATOIRE D'EULER

I;T DE

CELLE DE STIRLING,

PAR M. N. SONIN.

Dans la formule d'Euler (b == a + mh),

h ^f(a 4-- kh} = F f f{u) du ~ \h [fW - /(/7.);| 4- s^ [/f^) -y^^)] - . . .

/.:.,::0

^ („ ,^ ^l^ -/^-<(^)] - R..

le reste R^ peut être représenté par l'intégrale i

/,în+l r^ ^

1 \ ^ ":„:-: ——-——. s ^^fi \ ^ ) f^ a fi. \ i ) ^ t f

\ ^ n ) ' Jo

où l'on a admis

m — î

S:^, ( i ) = V [72^ (a +• A-À + /^) 4- /2/' (^ 4- A-// + h — ht)}, A ' - o

et ç^(^) désigne le polynôme de Bernouîli qui conserve le signe de ('— ^y1 et croît numériquement en même temps que t croit de o jus- qu'à {.

Supposons que S^(t) conserve le signe a =.- ± et' décroisse numéri-

Ann.dfî l'Éc. Normale. 3° Série. Tome V I . — AOUT 1^89, 0^

(3)

258 N. SONIN.

quement lorsque l croît de o à :1. Dans l'expression

i

/^-f-l ^ 2

^ïTrn

^(-^^R/^^^ / a S ^ Q . ^ i ) ^ / ^ ) ^ ,

\ " / • f, /(i

nous aurons sous l'intégrale le produit d'une fonction positive décrois- sante a S ^ ( ^ ) par la fonction positive croissante (— r)^ ^,/(<î) ; par con- séquent, l'intégrale dont il s'agit aura u n e v a l e u r q u i sera é v i d e m m e n t plus grande que celle de l'intégrale

( aS^(0.(---I)/^2//(Q^

.7n

et en même temps, en vertu d'un théorème c o n n u de M. T c h e h y c h e f , elle sera moindre que celle de l'expression

i

^2

}/l frj,

ou le premier facteur est égal à ^ l /2^ -1^ ) —/2 /' ' ( a ) ) , t a n d i s q u e l'autre a. pour valeur -l'B^...^. On obtient a i n s i

w — I P, A2/Î-+.1 »—

L2

f^2;../•

2

"(-.-^^^.)

 - = 0

<; ^ ^^. ,). R, < lig^ ^ [/2-1 (^ - /-'1 (^:1»

à la seule condition que S^(<?) conserve toujours le me/ne si^ne et décroisse numériquement lorsque t croît de o à ^.

Si l'on admet que

af^ (a + ^h -+"• Â-A) > ( ocf^1 (a + -| h + Â-A 4- A^) dt,

•-"o

comme cela a l i e u , par exemple, lorsque a/2" (a 4- ;1// 4- z ) est u n e

(4)

Sl'n LES FORMULES SOMMATOÎ1ŒS 1) El'LER ET DE STÏKLING. 2jq

fonction positive décroissante pour o << z << h — a, nous aurons

m-1 ///

V ^/^ (<?-+- U + /•// ) > ^ a / a / / (ff -4-. | h+ht)dt

 - = 0 ' " Ju

^ a [/2/'"'1 (b +- i^ ) — /2 / /"~l (^ + ^ ) ]

(^t, a p l u s forte raison,

- a(- i )" H, > B^^2^ a [/^"-i ( b 4- ^) - /2/-1 (a + ^.):|,

ou l'on peut remplacer/2^ ("6 4 - ^ Â ) par/2^"1^). En ce cas, nous pouvons écrire

H.= - (- ^ -B.^^ [/2 / <-1 (^ + Qh ) - r-'^ (a -h ^):|, o < ^ < |.

Celle expression du reste remplace celle de Jacobi, avec grand avan- tage, aussi bien au point de vue de la méthode que nous avons suivie (jii'a celui, des a p p l i c a t i o n s pratiques.

Pour le développement de lo^r(ï + (v), on peut trouver

Î O ^ F ( î 4- .r) == i lo^2TC "h- (,-r -t- ^) lo^.:r- — .r 4- —^- .^""1 — —1 ^'~3 4- . . . p ï ^

4,» f-.._ î ^ ..„_._„_«....-,--. y-2^+3_ /,_ ^\n .^.J'î^iri^^, f y ^L. ûy-.-2/2+l

' ^ / ( â ^ . - 3 ) ( 2 ^ . - ^ ) v / (a^-i)?./^"7

et, en particulier,

l _ , (.tf.+O.r-t

F ( i ^ .r) = y/2 TT.^' '4'2 e ''^ ~W~^ o<Q< l-.

Cette formule doit désormais remplacer celle que l'on emploie ordi- nairement

_ ,.4 î r A

F (l -+•• ^) •=- V^TC.r' "2 ^'~'r+"l^•^ 0 < ô < I.. ,

11 e s t a remarquer que pour la plupart des applications suffit la for»

mule î

F ( î +• x) .= \/27T [x ••^ Q f 4'2 e -^, o < Q < ^

(5)

260 IS'. SONIN.

équivalente aux inégalités

^ï n ,r '2 e1-13' < F ( i 4- ^) < V/a TT (.2; 4- •I- )' ' i e ' 2,

q u i d o n n e n t déjà pour x ==. i

•^ € ' < 77 < -1 e2,

c'est-à-dire

2,9756.. . < 7T< 3,6945.

Varsovie;, In 8 avril 18^9.

Extrait d'une Lettre de M. Sonin à M. Henni (e.

La question sur laquelle vous avez bien v o u l u appeler mon a t t e n t i o n se résout assez facilement et plus avantageusement que ne permet de le faire l'applicatioa de la fonnule générale comme il s u i t .

Partant de la formule

/ . o ^ lo^f(.y) :=: ^ IO^-ÎTT -h (,r — l ) lop:.r — .r + - / lo^( i — e-1-^') .^.^

TT J^ • .^2 ..^ ^2

e t e m p 1 oya n t !' i d e n ti té é 1 é ni e n ta i i*e

,.r __ i ^2 ( ~-~-1 )f t'^t l - ''• (,_ i ) f ^ 2 ^ -- 2 .r2^;;2 ""w ^ ""~" J^ "^' ' < + —^^T"'" ~ ;^^3Y^211:^:•"Ç2y

on est conduit à discuter le reste

/ _ j v/- /•to Ïîn,~~î //i:

R,.=-L^, „(,_.,,.„, ^^.^,,

où il est avantageux de poser S; == .ry] pour obtenir

- (- 1)^1^= ^ / ri^-^ ]o^(î ~ ^"^.^) -..-.^.

/*()

La limite supérieure ^ y T]2^ :i log(ï — <> 27T^) ^ du second membre se trouve immédiatement. Quant à la limite inférieure, pour la déter-

(6)

SUR LES FORMULES SOMMATOIRES D ' E U L E R ET DE STIRLLNG. 2,6 i

miner, il faut développer le logarithme, ce q u i donne

-(--•) n R.=^i^f•^- 2 - 2 ^^•

k =:- 1

En considérant le terme général de cette série et le représenlanê sous la forme

. /'»"" /..7t/.-a-/i

- / .^2^~2^.-27lA(a:-+-a)-/î_————^ a > 0 ,

U ^-^

on voit tout de suite qu'il sera plus grand que

^ f . y, i rt — 1 ^î - 2 TCÂ- (^-(-a ) •f} ^

k ' ' O

lorsque, pour Y] > a, on aura toujours

^^a-Q ^. , ...^ ^s^ /- ^ i , ^, . . . .

Il suffit é v i d e m m e n t que cette inégalité soit satisfaite pour k = E . En posant

Y ^ ^2 7^ — i — r i2,

on trouve

-jx/

.. 1 == • î T T a f f2' " ^ ^ — 9.Yj,

df\

//ÎY

"—"z:(^a)2^^-^

arj "

^3 Y • . . 1 ^ V

et, comme la dérivée ,-;,- reste toujours positive, on conclulqiie ^- croît t o u j o u r s depuis ( û î c a )2— 2 jusqu'à =o pour les valeurs positives de Y]. S u p p o s a n t

( f t T ^ a )2< r^

./'y

on trouve que ,- atteint son m i n i m u m pour

( ^ T T a )2^7 1^ — - - » .

(^e n i i l u m u m est égal à

ï [ i '2 | I . -, .»

-.-_ ï — lorr—.—^- .•^; — log-ïî^Ti-a-, Tra L (27ra)2 \ Tra

(7)

"2Ô2 ^. SONIN. -- SUR LES FORMULES SOMMÀTOIRES Î/EULER ET DE S T î n L Ï N C .

et il. sera positif lorsque 26•7r2a2>,t. En ce cas, la fonction ",- reste toujours positive et, par conséquent, la fonction Y est croissante depuis Y == o, c'est-à-dire aussi positive.

Onenconclutque, poura?—-—•, lavaleurdel'expression —(— i )"1:^

n\/9.e

sera plus grande que

se ,.

/•*;» ^ "

- V 7 / y^-2^27c(aH-a)7î d-c\ = - / r^-^ lo^Ti — e-^^W\ d'f\.

^^/l^ 7rl

On parvient ainsi au résultat suivant :

logFO) -^ ilog27: + (.y — ^) lôg.r — ,r 4- —L ^>""1 — T^ <r^ ~^' "

+ f^. i\/l | _^__Jili2:L-^^^ .y-2^1-;î _ ___!i^.=J___ / ^ ,.„ ^ - 2 / / .H

v J [ ( ^ ^ - ^ 3 ) ( 3 ^ - a ) ( ^ ^ - ï ) ^ ^ - 1 /

o < Q < —'= :=o, i3G. . . .

77 \/2 ^

Je profite de cette occasion pour vous communiquer un autre résultat relatif à la fonction VÇx), à savoir : si l'on pose

a = iog.r(i 4" ^) — iog'r(ï -\-p -h .r) -\-p \os(<r + ^

1

-"—

1

],

on aura

^<i,

1 / ^\-2 î2 i / pY^

^^^^ <^^<^^L) ;

^>i,

i / p\^ Q i / r^hi i , V"^^ + l 4,. ^ <; ^ — — ^ ^ ^ ,,y ^ /——— _ ^ ^ .

•••Î4V -V P^P1—^ a 4 \ <>- a " /

La démonstration de ces formules se trouve dans un Mémoire assez étendu Sur la fonction discontinue^} et ses applications, q u i paraîtra sous peu dans les Annales de l'Université de Varsovie.

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