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Nombres · 4 affiches · formule n° 60

La formule du binôme de Newton

La formule du binôme de Newton donne le développement de (a + b)^n pour tout entier naturel n. Chaque terme est un produit de puissances de a et de b, multiplié par un coefficient binomial qui compte les façons de l’obtenir.

Voir les 4 affiches 10 contrôles par le calcul

Pour tout entier naturel nn et tous nombres réels ou complexes aa et bb. Dessin : les 23=82^3 = 8 façons de prendre aa ou bb dans chacun des 3 facteurs de (a+b)3(a+b)^3 ; celles qui prennent kk fois bb sont au nombre de (3k)\binom{3}{k}, soit 1, 3, 3, 1.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Pour tout entier naturel nn et tous nombres réels ou complexes aa et bb :

(a+b)n=∑k=0n(nk)an−kbk(a + b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k}\, a^{n-k}\, b^{k}
  • nn : l’exposant, un entier naturel (0,1,2,…0, 1, 2, \ldots).
  • ∑k=0n\sum_{k=0}^{n} : on additionne les termes obtenus pour k=0,1,…,nk = 0, 1, \ldots, n ; il y en a n+1n + 1.
  • (nk)\binom{n}{k} : le coefficient binomial, qui se lit « kk parmi nn » et vaut n!k!(n−k)!\frac{n!}{k!\,(n-k)!}, avec n!=1×2×⋯×nn! = 1 \times 2 \times \cdots \times n et 0!=10! = 1.
  • an−kbka^{n-k}\, b^{k} : dans chaque terme, les exposants de aa et de bb ont pour somme nn. Par convention a0=b0=1a^0 = b^0 = 1, même si aa ou bb est nul.

Écrite en entier, la formule donne

(a+b)n=an+nan−1b+n(n−1)2an−2b2+⋯+nabn−1+bn.(a+b)^n = a^n + n\,a^{n-1}b + \frac{n(n-1)}{2}\,a^{n-2}b^2 + \cdots + n\,ab^{n-1} + b^n.

Pour n=2n = 2, c’est l’identité remarquable (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 ; pour n=3n = 3, (a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3(a+b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3.

Les conditions comptent. L’exposant doit être un entier naturel : pour n=−1n = -1 ou n=12n = \frac{1}{2}, la somme finie n’a pas de sens, et il faut une série infinie (la formule du binôme généralisée, valable sous conditions). Il faut aussi que ab=baab = ba : pour des matrices qui ne commutent pas, (A+B)2(A+B)^2 vaut A2+AB+BA+B2A^2 + AB + BA + B^2, qui diffère en général de A2+2AB+B2A^2 + 2AB + B^2.

Un exemple

Développer (x+2)4(x + 2)^4. On prend a=xa = x, b=2b = 2, n=4n = 4. Les coefficients binomiaux pour n=4n = 4 sont 1,4,6,4,11, 4, 6, 4, 1.

  1. k=0k = 0 : 1×x4=x41 \times x^4 = x^4.
  2. k=1k = 1 : 4×x3×2=8x34 \times x^3 \times 2 = 8x^3.
  3. k=2k = 2 : 6×x2×22=24x26 \times x^2 \times 2^2 = 24x^2.
  4. k=3k = 3 : 4×x×23=32x4 \times x \times 2^3 = 32x.
  5. k=4k = 4 : 1×24=161 \times 2^4 = 16.

Donc (x+2)4=x4+8x3+24x2+32x+16(x + 2)^4 = x^4 + 8x^3 + 24x^2 + 32x + 16. Vérification pour x=1x = 1 : 34=813^4 = 81 et 1+8+24+32+16=811 + 8 + 24 + 32 + 16 = 81.

Un calcul approché. 1,0110=(1+0,01)10=1+10×0,01+45×0,012+120×0,013+⋯1{,}01^{10} = (1 + 0{,}01)^{10} = 1 + 10 \times 0{,}01 + 45 \times 0{,}01^2 + 120 \times 0{,}01^3 + \cdots. Les quatre premiers termes donnent 1,104 62, et la valeur exacte est environ 1,104 622 125 : les termes suivants sont minuscules.

Deux conséquences. Avec a=b=1a = b = 1, on obtient ∑k=0n(nk)=2n\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} = 2^n : un ensemble à nn éléments a 2n2^n sous-ensembles. Avec a=1a = 1 et b=−1b = -1, on obtient, pour n≥1n \geq 1, ∑k=0n(−1)k(nk)=0\sum_{k=0}^{n} (-1)^k \binom{n}{k} = 0.

Pourquoi c’est vrai

Par dénombrement. (a+b)n(a + b)^n est le produit de nn facteurs égaux à (a+b)(a + b). Pour développer, on choisit dans chaque facteur soit aa, soit bb, on multiplie les nn lettres choisies, et l’on additionne les 2n2^n produits ainsi obtenus. Un choix qui prend bb dans exactement kk facteurs, et aa dans les n−kn - k autres, donne le produit an−kbka^{n-k} b^k (c’est ici qu’on utilise ab=baab = ba pour regrouper les lettres). Le nombre de tels choix est le nombre de façons de désigner les kk facteurs qui fournissent bb parmi les nn, c’est-à-dire (nk)\binom{n}{k}. En regroupant, on obtient exactement la formule.

Par récurrence. On peut aussi écrire (a+b)n=(a+b)(a+b)n−1(a+b)^{n} = (a+b)\,(a+b)^{n-1} et développer : les coefficients obtenus suivent la règle du triangle de Pascal, (nk)=(n−1k−1)+(n−1k)\binom{n}{k} = \binom{n-1}{k-1} + \binom{n-1}{k}. Cette démonstration est détaillée sur la page du triangle de Pascal.

Les programmes de l’atelier vérifient la formule en développant (a+b)n(a+b)^n pas à pas jusqu’à n=100n = 100 en nombres entiers exacts, en énumérant les 2n2^n choix jusqu’à n=16n = 16, sur 3 000 cas exacts avec des entiers jusqu’à un million, sur 10 000 cas réels et 3 000 cas complexes tirés au hasard.

Un peu d’histoire

Des cas particuliers sont très anciens : le cas n=2n = 2 figure, sous forme géométrique, dans les Éléments d’Euclide. Les coefficients binomiaux apparaissent en Inde comme nombres de combinaisons, et le commentateur Halayudha (Xe siècle) décrit un procédé équivalent au triangle arithmétique. Le mathématicien persan al-Karaji (953-1029) aurait écrit un livre, aujourd’hui perdu, contenant la formule et une table des coefficients ; un énoncé explicite se trouve au XIIe siècle chez al-Samaw’al, qui l’attribue à al-Karaji. En Chine, Yang Hui (XIIIe siècle) présente le triangle en l’attribuant à Jia Xian, au XIe siècle.

En Europe, le triangle est étudié par plusieurs auteurs au XVIe siècle, puis de façon systématique par Blaise Pascal dans son Traité du triangle arithmétique. Isaac Newton, vers 1664-1665, étend la formule à des exposants qui ne sont pas des entiers naturels, sous forme de série infinie : c’est cette généralisation qui lui vaut d’avoir donné son nom à la formule, connue bien avant lui pour les exposants entiers. Le binôme est resté un symbole de mathématiques savantes : chez Conan Doyle, dans Le Dernier Problème, le professeur Moriarty a écrit dans sa jeunesse un traité sur le théorème du binôme.

Ce que montre l’affiche

Le dessin développe (a+b)3(a + b)^3 choix par choix. Chacune des 23=82^3 = 8 façons de prendre aa ou bb dans les trois facteurs est une rangée de trois carreaux, marqués aa ou bb. Les rangées sont regroupées en colonnes selon le nombre kk de bb : on compte 1, 3, 3 et 1 rangées, c’est-à-dire (3k)\binom{3}{k}, et sous chaque colonne figure le terme correspondant, a3a^3, 3a2b3a^2b, 3ab23ab^2 et b3b^3. Les rangées sont énumérées par le programme de l’atelier, qui vérifie que la somme des huit produits redonne bien (a+b)3(a+b)^3. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Formule du binôme de Newton (Wikipédia) (nouvel onglet), Binomial theorem (Wikipedia) (nouvel onglet), Binomial Theorem (MathWorld) (nouvel onglet), NIST DLMF, § 1.2 (nouvel onglet).

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • développement pas à pas de (a + b)ⁿ : les coefficients sont n!/(k!(n − k)!), calcul exact pour n = 0 à 100
  • dénombrement : parmi les 2ⁿ choix de a ou de b dans les n facteurs, exactement C(n, k) prennent k fois b (n = 0 à 16, choix énumérés)
  • calcul exact sur 3 000 cas : a, b entiers relatifs jusqu’à 10⁶, n jusqu’à 40
  • 10 000 cas réels tirés au hasard (a, b entre −3 et 3, n jusqu’à 30)écart relatif maximal 8.62e-16
  • 3 000 cas complexes (n jusqu’à 20)écart relatif maximal 8.51e-16
  • a = b = 1 : la somme des coefficients vaut 2ⁿ ; a = 1, b = −1 : la somme alternée vaut 0 (n = 1 à 60)
  • dessin : 8 choix, groupes de 1, 3, 3, 1 = C(3, k) ; la somme des 8 produits vaut (a + b)^3 pour 1 000 couples d’entiers
  • deuxième ligne de l’affiche : a^3 + 3\,a^2b + 3\,ab^2 + b^3
  • il faut ab = ba : pour deux matrices qui ne commutent pas, (A + B)² ≠ A² + 2AB + B²
  • n entier naturel : pour n = −1, (1 + 1)⁻¹ = 1/2 alors que la somme de k = 0 à −1 est vide (0)

Sources

Questions fréquentes

À quoi sert la formule du binôme de Newton ?

Elle développe directement (a+b)n(a+b)^n sans multiplier nn fois les parenthèses. Par exemple (x+2)4=x4+8x3+24x2+32x+16(x+2)^4 = x^4 + 8x^3 + 24x^2 + 32x + 16.

Comment trouver les coefficients du binôme ?

Le coefficient de an−kbka^{n-k}b^k est (nk)=n!k!(n−k)!\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!\,(n-k)!}. On peut aussi le lire à la ligne nn du triangle de Pascal : 1, 4, 6, 4, 1 pour n=4n = 4.

Comment développer (a − b)^n ?

On applique la formule avec −b-b à la place de bb : les termes où bb apparaît avec un exposant impair changent de signe. Ainsi (a−b)3=a3−3a2b+3ab2−b3(a-b)^3 = a^3 - 3a^2b + 3ab^2 - b^3.

La formule marche-t-elle avec un exposant négatif ou fractionnaire ?

Pas sous cette forme : la somme finie n’existe que pour un entier naturel nn. Newton a montré qu’on peut alors écrire une série infinie, la formule du binôme généralisée, valable par exemple pour (1+x)α(1+x)^\alpha quand |x|<1|x| < 1.

Pourquoi parle-t-on du binôme de Newton alors que la formule est plus ancienne ?

Pour les exposants entiers, elle était connue bien avant Newton, notamment en Perse, en Inde et en Chine. Newton l’a étendue vers 1665 aux exposants non entiers, d’où le nom resté en usage.