Leonhard Euler : encyclopédie mathématiques
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| Portrait par Johann Georg Brucker | |
| Naissance | 15 avril 1707 Bâle (Suisse) |
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| Décès | 18 septembre 1783 (à 76 ans) Saint-Pétersbourg (Russie) |
| Nationalité | |
| Champs | Mathématiques et Physique |
| Institution | Académie des sciences de Russie Académie de Berlin |
| Signature |
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Leonhard Paul Euler, né le 15 avril 1707 à Bâle et mort le 18 septembre 1783 à Saint-Pétersbourg[1], est un mathématicien et physicien suisse, qui a passé la plupart de sa vie en Russie et en Allemagne.
Euler a fait d'importantes découvertes dans des domaines aussi variés que le calcul infinitésimal et la théorie des graphes. Il a aussi introduit une grande partie de la terminologie et de la notation des mathématiques modernes en particulier pour l'analyse mathématique, comme pour la notion d'une fonction mathématique[2]. Il est également connu pour ses travaux en mécanique, en dynamique des fluides, en optique et en astronomie.
Euler est considéré comme un éminent mathématicien du XVIIIe siècle et l'un des plus grands de tous les temps. Il est aussi l'un des plus prolifiques, et une déclaration attribuée à Pierre-Simon Laplace exprime l'influence d'Euler sur les mathématiques : « Lisez Euler, lisez Euler, c'est notre maître à tous »[3].
Euler est représenté sur la sixième série des pièces suisses de 10 francs, sur de nombreux billets de banque suisses, allemands, russes, et sur des timbres postaux. L'astéroïde (2002) Euler a été nommé en son honneur[4]. Euler est également honoré par l'Église luthérienne dans son Calendrier des Saints, le 24 mai[5] : il était un fervent chrétien, croyant en l'inerrance biblique, et s'est opposé avec force aux athées éminents de son temps.
Sommaire |
Leonhard Euler est né à Bâle[1], de Paul Euler, un pasteur des Églises réformées et de Marguerite Brucker, la fille d'un pasteur. Il a deux jeunes sœurs du nom d'Anna Maria et de Maria Magdalena[6]. Peu de temps après la naissance de Leonhard, la famille Euler a déménagé de Bâle pour rejoindre la ville de Riehen, où Euler a passé la plupart de son enfance. Paul Euler était un ami de la famille Bernoulli — Jean Bernoulli, qui était alors considéré comme le principal mathématicien européen, pourrait être celui ayant eu la plus grande influence sur le jeune Leonhard. L'éducation officielle d'Euler a commencé tôt à Bâle, où il fut envoyé vivre avec sa grand-mère maternelle. À l'âge de treize ans, il s'est inscrit à l'Université de Bâle, et en 1723, a obtenu son Master of Philosophy grâce à une dissertation qui comparait la philosophie de Descartes à celle de Newton. À cette époque, il recevait tous les samedis après-midi des leçons de Jean Bernoulli, qui a rapidement découvert chez son nouvel élève un incroyable talent pour les mathématiques[7]. Euler a alors commencé à étudier la théologie, le grec et l'hébreu à la demande de son père, afin de devenir un pasteur, mais Jean Bernoulli a convaincu Paul Euler que Leonhard était destiné à devenir un grand mathématicien. En 1727, il participe au concours de l'Académie des sciences de Paris qui consiste à résoudre un problème scientifique. Cette année là , le problème était de trouver la meilleure façon de placer les mâts d'un navire. Il a remporté la deuxième place, derrière Pierre Bouguer, qui est maintenant connu comme le « père de l'architecture navale ». Euler a ensuite gagné ce prestigieux prix annuel douze fois dans sa carrière[8].
À cette époque, les deux fils de Jean Bernoulli, Daniel et Nicolas, travaillaient à l'Académie des sciences de Russie à Saint-Pétersbourg. En juillet 1726, Nicolas est mort de l'appendicite, après avoir passé un an en Russie, et quand Daniel a admis les positions de son frère en mathématiques et en physique, il a recommandé que le poste en physiologie qu'il avait laissé vacant soit comblé par son ami Leonhard Euler. En novembre 1726, Euler a accepté avec empressement l'offre, mais a fait le voyage à Saint-Pétersbourg en retard, alors qu'il avait demandé en vain un poste de professeur de physique à l'Université de Bâle[9].
Euler est arrivé dans la capitale russe le 17 mai 1727. Occupant d'abord un poste au département médical de l'académie, il a ensuie été promu à un poste dans le département mathématiques. Il a logé auprès de Daniel Bernoulli, avec qui il a souvent travaillé en étroite collaboration. Euler maîtrisait alors le russe et s'est installé à Saint-Pétersbourg. Il a également pris un emploi additionnel de médecin dans la marine russe[10].
L'Académie de Saint-Pétersbourg, créée par Pierre Ier de Russie, était destinée à améliorer l'éducation en Russie et à fermer le fossé scientifique avec l'Europe occidentale. En conséquence, elle a été particulièrement intéressante pour les étudiants étrangers comme Euler. L'académie possède suffisamment de ressources financières et une bibliothèque complète tirée de la bibliothèque privée de Pierre Ier et de la noblesse russe. Très peu d'étudiants étaient inscrits dans l'académie, de façon à diminuer la charge des professeurs, à mettre l'accent sur la recherche et à offrir à son corps professoral à la fois le temps et la liberté de poursuivre des questions scientifiques[8].
Catherine Ire de Russie, qui poursuivait la politique progressive de son défunt mari, est décédée le jour de l'arrivée d'Euler. La noblesse russe a alors pris le pouvoir lors de l'ascension de Pierre II de Russie, âgé de douze ans. La noblesse se méfiait des chercheurs étrangers, et a ainsi réduit le financement et a causé d'autres difficultés à Euler et à ses collègues.
Les conditions se sont légèrement améliorées à la mort de Pierre II, Euler a donc pu rapidement gravir les échelons dans l'académie, jusqu'à devenir professeur de physique en 1731. Deux ans plus tard, Daniel Bernoulli, qui en avait assez de la censure et de l'hostilité qui se trouvait à Saint-Pétersbourg, est parti à Bâle. Euler lui a succédé à la tête du département de mathématiques[11].
Le 7 janvier 1734, il épousa Katharina Gsell (1707-1773), fille de Georg Gsell, un peintre[12]. Le jeune couple a acheté une maison sur la Neva. De leurs treize enfants, cinq seulement ont passé l'âge de l'enfance[13].
Préoccupé par la persistance des troubles en Russie, Euler a quitté Saint-Pétersbourg le 19 juin 1741 pour occuper un poste à l'Académie de Berlin, qui lui a été proposé par Frédéric II de Prusse. Il a vécu pendant vingt-cinq ans à Berlin, où il a écrit plus de 380 articles. À Berlin, il a publié deux célèbres ouvrages : l'Introductio analysin infinitorum (« Introduction à l’analyse des infiniment petits »)[1], un texte sur les fonctions publié en 1748 et Institutiones calculi differentialis (« Traité du calcul différentiel »)[14],[1], publié en 1755 et traitant du calcul différentiel[15].
En outre, Euler a été demandé pour être le professeur de la princesse d'Anhalt-Dessau, la nièce de Frédéric II. Euler lui a écrit plus de 200 lettres, qui ont ensuite été rassemblées dans un best-seller intitulé Lettres à une princesse d'Allemagne sur divers sujets de physique et de philosophie. Cet ouvrage contient des publications d'Euler sur divers sujets se rapportant à la physique et aux mathématiques, mais également sur des sujets philosophiques. Ce livre est devenu le plus largement lu de tous ses travaux mathématiques, et il a été publié en Europe et aux États-Unis. La popularité des « Lettres » témoigne de la capacité d'Euler à communiquer efficacement sur les questions scientifiques au public, une capacité rare pour un chercheur scientifique[15].
Malgré l'immense contribution d'Euler au prestige de l'Académie, il a finalement été contraint de quitter Berlin. Cela a été en partie à cause d'un conflit de personnalité avec Frédéric II, qui avait peu de considération pour Euler, en particulier en comparaison au cercle des philosophes du roi allemand. Voltaire a fait partie de ceux qui ont été aux côtés de Frédéric II, et le français a eu une bonne place dans le cercle du roi. Euler, un simple homme religieux et un travailleur acharné, était très classique dans ses convictions et ses goûts. Il a été, à bien des égards, l'opposé de Voltaire. Euler avait une formation limitée en rhétorique, et avait tendance à débattre sur des questions qu'il connaissait peu, faisant de lui une cible fréquente de l'esprit de Voltaire[15]. Frédéric II a également exprimé sa déception vis-à -vis des capacités d'ingénierie d'Euler :
« Je voulais avoir un jet d'eau dans mon jardin : Euler a calculé la force des roues nécessaire afin d'élever l'eau jusqu'à un réservoir, d'où elle doit redescendre à travers des canaux, pour enfin sortir de la fontaine. Mon moulin a été réalisé géométriquement mais ne peut pas élever une goutte d'eau à moins de cinquante pas du réservoir. Vanité des vanités ! Vanité de la géométrie ![16] »
La vue d'Euler a empiré tout au long de sa carrière dans les mathématiques[1]. Trois ans après avoir souffert d'une fièvre quasi-mortelle en 1735, il est devenu presque aveugle de son œil droit. Euler a plutôt reproché sa condition au travail minutieux qu'il avait effectué en cartographie pour l'Académie de Saint-Pétersbourg. La vue d'Euler de l'œil droit a empiré tout au long de son séjour en Allemagne, si bien que Frédéric II le surnommait « Cyclope »[18],[19],[20]. Euler a ensuite souffert d'une cataracte à son œil gauche, le rendant presque totalement aveugle[21]. Il semble que ce mauvais état ait eu peu d'effet sur sa productivité, Euler ayant compensé son handicap par ses compétences en calcul mental et par sa mémoire eidétique. Par exemple, Euler pouvait répéter l'Énéide de Virgile, du début à la fin, sans hésitation, et pour chaque page de son édition, il pouvait indiquer la ligne qui a été la première et la dernière. Avec l'aide de ses scribes, la productivité d'Euler sur de nombreux domaines d'étude a en fait augmenté. Il a produit en moyenne un document de mathématiques par semaine au cours de l'année 1775[22].
La situation en Russie s'était grandement améliorée depuis l'accession au trône de Catherine II de Russie, et en 1766, Euler a accepté une invitation à revenir à l'Académie de Saint-Pétersbourg et a passé le reste de sa vie en Russie. Son second séjour dans le pays a été marqué par la tragédie. Un incendie à Saint-Pétersbourg en 1771 lui a coûté son domicile, et a failli lui ôter la vie. En 1773, il a perdu son épouse de 40 ans. Trois ans après la mort de sa femme, Euler s'est marié avec la demi-sœur de celle-ci, Salomé Abigail Gsell (1723-1794)[23]. Ce mariage allait durer jusqu'à sa mort.
Le 18 septembre 1783, Euler est décédé à Saint-Pétersbourg, après avoir souffert d'une hémorragie intra-cérébrale[21], et a été enterré avec son épouse au cimetière luthérien de Smolensk sur l'île Vassilievski (les Soviétiques ont ensuite détruit le cimetière après avoir transféré les restes d'Euler au monastère Alexandre-Nevski). Son éloge funèbre a été écrit pour l'Académie française par le mathématicien et philosophe français Nicolas de Condorcet. Le récit de sa vie, avec une liste de ses œuvres, a été écrit par Nikolaus von Fuss, le beau-fils d'Euler et le secrétaire de l'Académie des sciences de Russie. Nicolas de Condorcet a déclaré :
« … il cessa de calculer et de vivre[24] »
Leonhard Euler a travaillé dans presque tous les domaines des mathématiques : la géométrie, le calcul infinitésimal, la trigonométrie, l'algèbre et la théorie des nombres. Il est une figure capitale de l'histoire des mathématiques : s'ils étaient imprimés, ses écrits, dont beaucoup sont d'un intérêt fondamental, pourraient occuper entre quarante et soixante ouvrages[22]. Le nom d'Euler est associé à un grand nombre de sujets.
Euler a introduit et popularisé plusieurs conventions de notation par le biais de ses nombreux, et largement diffusés, ouvrages. Plus particulièrement, il a introduit la notion de fonction[2] et a été le premier à écrire f(x) pour désigner la fonction f appliquée à l'argument x, en 1734[25]. Il a également introduit la notation moderne des fonctions trigonométriques, la lettre e pour la base du logarithme naturel (également connu sous le nom de nombre d'Euler) en 1727[25], la lettre grecque Σ pour désigner une somme en 1755[25] et la lettre i pour représenter l'unité imaginaire, en 1777[26]. L'utilisation de la lettre grecque π pour désigner le rapport de la circonférence d'un cercle sur son diamètre a également été popularisé par Euler, mais celui-ci n'est pas à l'origine de la notation.
Le développement du calcul infinitésimal a été au premier plan des recherches mathématiques du XVIIIe siècle, et la famille Bernoulli — amis d'Euler — est à l'origine de nombreux progrès dans ce domaine. Grâce à leur influence, l'étude du calcul infinitésimal est devenu l'un des axes principaux du travail d'Euler. Bien que certaines des démonstrations d'Euler ne soient pas acceptables au regard des normes modernes de rigueur mathématique[27], ses idées ont tout de même conduit à de grandes avancées.
Euler est bien connu dans le domaine de l'analyse pour son usage fréquent des séries numériques et des séries entières. Il a notamment montré que le nombre e est la somme de la série de terme général 1/n! :
Il a trouvé le « développement en série entière » de la fonction exponentielle :
et celui de la fonction Arctangente.
Sa tenacité à utiliser les développements en séries lui a permis de résoudre le fameux problème de Bâle en 1735[27] :
Euler a introduit l'utilisation de la fonction exponentielle et des logarithmes dans les démonstrations en analyse. Il a découvert des moyens d'exprimer différentes fonctions logarithmiques en utilisant les séries entières, et il a étendu la notion de logarithmes aux nombres négatifs et les nombres complexes[26]. Il a également défini la fonction exponentielle pour les nombres complexes, et a découvert la relation qui la lie aux fonctions trigonométriques :
Un cas particulier de cette « formule d'Euler », obtenu en donnant à φ la valeur π est
formule connue sous le nom d'identité d'Euler, et qualifiée de « formule la plus remarquable des mathématiques » par Richard Feynman, car elle réunit en seulement 7 caractères l'addition,la multiplication, l'exponentiation, l'égalité, et les constantes remarquables 0, 1, e, i et π [28]. En 1988, les lecteurs de The Mathematical Intelligencer l'ont désignée comme « la plus belle formule mathématique de tous les temps[29],[30] ». Au total, le nom d'Euler figurait dans trois des cinq formules arrivées en tête de ce vote[29],[30].
La formule de De Moivre
est une conséquence directe de la formule d'Euler.
En outre, Euler a contribué à la théorie des fonctions transcendantes avec l'introduction de la fonction gamma. Il a également introduit une nouvelle méthode pour résoudre les équations quartiques. Il a aussi trouvé une façon de calculer des intégrales avec des limites complexes, préfigurant le développement moderne de l'analyse complexe, et a inventé le calcul des variations, qui inclut l'un de ses résultats les plus célèbres, nommé l'équation d'Euler-Lagrange.
Euler fut le pionnier de l'utilisation de méthodes d'analyse pour résoudre des problèmes de la théorie des nombres. Ce faisant, il a réuni deux branches différentes des mathématiques et introduit un nouveau champ d'étude, la théorie analytique des nombres. Euler a aussi introduit la théorie des séries hypergéométriques, des fonctions hyperboliques et la théorie analytique des fractions continues. Par exemple, il a prouvé l'infinité des nombres premiers en utilisant la divergence de la série harmonique, et il a utilisé les méthodes analytiques pour avoir une meilleure compréhension de la répartition des nombres premiers. Les travaux d'Euler dans ce domaine ont contribué à l'élaboration du théorème des nombres premiers[31].
L'intérêt d'Euler dans la théorie des nombres peut être attribué à l'influence de Christian Goldbach, son ami[32] à l'Académie de Saint-Pétersbourg. Un grand nombre des premiers travaux d'Euler en théorie des nombres est fondé sur les travaux de Pierre de Fermat. Euler a développé quelques idées de Fermat, et a réfuté certaines de ses conjectures.
Euler a fait le lien entre la distribution des nombres premiers et l'analyse. Il a démontré que la série des inverses des nombres premiers diverge[33]. Pour ce faire, il a découvert le lien entre la fonction zêta de Riemann et les nombres premiers.
Euler a démontré les identités de Newton, le petit théorème de Fermat, le théorème des deux carrés de Fermat, et il a également travaillé sur le théorème des quatre carrés de Lagrange. Il a aussi défini la fonction φ qui associe à tout entier n le nombre d'entiers positifs inférieurs à n et qui sont premiers avec n. En utilisant les propriétés de cette « indicatrice », il a généralisé le petit théorème de Fermat pour aboutir à ce qui est maintenant connu sous le nom de théorème d'Euler. Il a contribué de manière significative à la recherche sur les nombres parfaits, qui ont fasciné les mathématiciens depuis Euclide. Euler a également fait progresser les recherches sur le théorème des nombres premiers, et il a conjecturé la loi de réciprocité quadratique. Ces deux derniers énoncés sont considérés comme des théorèmes fondamentaux de la théorie des nombres, et en cela Euler a ouvert la voie aux travaux de Carl Friedrich Gauss[34].
En 1772, Euler a démontré que que 231 − 1 = 2 147 483 647 est un nombre premier de Mersenne. Il est resté le plus grand nombre premier connu jusqu'en 1867[35].
Leonhard Euler a montré que, pour tout triangle, les neuf points suivants :
sont situés sur un même cercle[36]. Ce « cercle des neuf points » est encore appelé « cercle d'Euler » associé au triangle.
Il a démontré aussi que, dans tout triangle, l'orthocentre, le centre du cercle circonscrit, le centre de gravité et le centre du cercle des neuf points sont alignés[36]. La droite qui les porte est appelée « droite d'Euler » associée au triangle.
En 1736, Euler a résolu le problème des sept ponts de Königsberg[37]. La ville de Königsberg[38], en Prusse, est traversée par la rivière Pregolia, qui entoure deux grandes îles reliées entre elles et aux deux rives par sept ponts. Le problème était de savoir s'il est possible de suivre un chemin qui emprunte chaque pont une fois et une seule et revienne au point de départ. Euler a établi que, pour que ce soit possible, il aurait fallu que chacune des quatre zones géographiques (les deux îles et les deux rives) soit atteinte par un nombre pair de ponts — en termes modernes : que chacun des quatre « sommets » du « graphe » soit adjacent à un nombre pair d'« arêtes » (un graphe ayant cette propriété est dit « eulérien »). La résolution de ce problème est considérée comme le premier théorème de la théorie des graphes[37].
Euler a également établi la formule V − E + F = 2 liant le nombre de sommets, d'arêtes et de faces d'un polyèdre convexe[39], et donc d'un graphe planaire. La constante de cette formule est maintenant connue comme la caractéristique d'Euler pour un graphe (ou pour un autre objet mathématique), et est liée au genre de l'objet[40]. L'étude et la généralisation de cette formule, notamment par Cauchy[41] et L'Huillier[42], est à l'origine de la topologie.
En outre, Leonhard Euler est le premier à avoir étudié le problème du cavalier, en 1759. Il publiera ses recherches sur la question dans « Solution d'une question curieuse qui ne paraît soumise à aucune analyse »[43].
Certains des plus grands succès d'Euler ont été dans la résolution des problèmes analytiques dans des domaines autres que les mathématiques et dans la description de nombreuses applications des nombres de Bernoulli, des séries de Fourier, des diagrammes de Venn, des nombres d'Euler, des constantes e et π, des fractions continues et des intégrales. Il a développé des outils qui rendent plus faciles à appliquer certains problèmes physiques. Il a fait progresser le domaine de l'amélioration de l'approximation numérique d'intégrales, en inventant ce qui est maintenant connu sous le nom de méthode d'Euler. Euler a également démontré, en même temps que l'écossais Colin Maclaurin — mais bien indépendamment — la formule d'Euler-Maclaurin[44]. Il a aussi facilité l'utilisation des équations différentielles, en particulier en introduisant la constante d'Euler-Mascheroni :
Un des domaines les moins communs qui intéressait Euler était l'application des idées mathématiques à la musique. En 1739, il a écrit Tentamen novae theoriae musicae, dans l'espoir de finalement intégrer la théorie musicale aux mathématiques. Cette partie de son travail, cependant, n'a pas reçu une grande attention et a été décrite comme trop mathématique pour les musiciens mais aussi trop musicale pour les mathématiciens[45].
Leonhard Euler a également contribué à d'autres sciences, comme certains domaines des sciences physiques, en étudiant par exemple le mouvement de la Lune.
Euler a contribué à l'élaboration de la théorie d'Euler-Bernoulli, qui est est un modèle utilisé dans le domaine de la résistance des matériaux. En dehors de l'application avec succès ses outils d'analyse aux problèmes liés à la mécanique newtonienne, Euler a également appliqué ses techniques à des problèmes d'astronomie. Ses travaux dans cette science ont été reconnus par un certain nombre de prix décernés par l'Académie de Paris au cours de sa carrière[46]. Ses réalisations comprennent la détermination avec une grande précision des orbites des comètes et des autres corps célestes, mais aussi la compréhension de la nature des comètes, et le calcul de la parallaxe du Soleil. Ses calculs ont également contribué à l'élaboration de tables précises de longitudes[47].
En dynamique des fluides, Euler a été le premier à poser les équations désormais connues sous le nom d'équations d'Euler des fluides parfaits, dans « Mémoires de l'Académie royale des sciences et des belles lettres de Berlin » (1757). Elles permettent le calcul de nombreux écoulements, comme la circulation sanguine, l'aérodynamique des automobiles et des avions, l'hydraulique, l'océanographie, la météorologie ou la grande tache rouge de Jupiter[48].
En outre, Euler a fait d'importantes contributions en optique. Il a exprimé son désaccord avec la théorie corpusculaire de la lumière de Newton dans Opticks, qui était alors la théorie dominante. Ses documents des années 1740 sur l'optique ont contribué à faire en sorte que la théorie ondulatoire de la lumière proposée par Christian Huygens devienne la théorie la plus largement répandue, au moins jusqu'au développement de la théorie quantique de la lumière[49].
Il est aussi crédité pour avoir, avec l'aide des courbes fermées, illustré le raisonnement syllogistique, en 1768. Ces schémas sont désormais connus sous le nom des diagrammes d'Euler[50].
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Leonhard Euler et son ami Daniel Bernoulli ont été des adversaires de la Monadologie de Leibniz et de la philosophie de Christian Wolff. Euler a insisté sur le fait que la connaissance est fondée en partie sur la base de lois quantitatives précises. Les tendances religieuses d'Euler pourraient aussi avoir eu une incidence sur son aversion de la doctrine, il est allé jusqu'à qualifier les idées de Wolff de « sauvages et athées »[51].
Beaucoup de ce qui est connu des croyances religieuses d'Euler peuvent être déduites de ses Lettres à une princesse d'Allemagne sur divers sujets de physique et de philosophie et d'un ouvrage antérieur, Rettung der Göttlichen Offenbahrung Gegen die Einwürfe der Freygeister. Ces écrits montrent qu'Euler était un fervent chrétien qui estimait que la Bible avait été inspirée[52].
Une anecdote rapportée par Dieudonné Thiébault[53] met en scène les croyances religieuses d'Euler. Le philosophe français Denis Diderot, en visite à Saint-Pétersbourg en 1773-1774, avait accepté, à la demande de l'impératrice Catherine II, de voir la preuve de l'existence de Dieu qu'Euler prétendait pouvoir produire. Les deux hommes se rencontrèrent donc et Euler, sur un ton d'une parfaite conviction annonça « Monsieur, , donc Dieu existe, répondez ! ». Le désarroi de Diderot, pour qui, (selon l'anecdote) les mathématiques étaient incompréhensibles, provoqua les rires de la cour. Gêné, il demanda à quitter la Russie. Il se peut que l'anecdote soit apocryphe et Thiébault ne prétend pas le contraire. De toute évidence, ce dernier n'était pas présent, ses mémoires sont tardifs et Diderot n'était pas étranger aux mathématiques - comme en atteste la réputation qu'il s'était faite avec ses Mémoires sur différents sujets de mathématiques entre autres.
Leonhard Euler a une vaste bibliographie mais ses ouvrages les plus célèbres sont :
Une collection définitive des travaux d'Euler, nommée Opera Omnia, a été publiée en 1911 par la Commission Euler de l'Académie suisse des Arts et des Sciences.
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