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Analyse · 4 affiches · formule n° 15

La formule de Stirling

La factorielle n! = 1 × 2 × … × n devient vite énorme. La formule de Stirling en donne une estimation dont l’erreur relative tend vers zéro quand n grandit.

Voir les 4 affiches 2 contrôles par le calcul

Le rapport des deux membres tend vers 1 quand nn grandit. Dessin : log10⁡n!\log_{10} n! (barres) et le logarithme de son approximation (trait), pour nn de 1 à 60 : ils se confondent.

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 un entier naturel nn qui tend vers l’infini :

n!∼2πn(ne)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,\left(\frac{n}{e}\right)^{n}
  • n!n! (« factorielle nn ») est le produit 1×2×3×⋯×n1 \times 2 \times 3 \times \cdots \times n. Par exemple, 5!=1205! = 120.
  • π\pi est le nombre bien connu, environ 3,14159, et ee la base des logarithmes naturels, environ 2,71828.
  • Le signe ∼\sim se lit « est équivalent à ». Ce n’est pas une égalité : il signifie que le rapport des deux membres tend vers 1,
limn→∞n!2πn(n/e)n=1.\lim_{n \to \infty} \frac{n!}{\sqrt{2\pi n}\,(n/e)^{n}} = 1.

Ce point est essentiel. C’est l’erreur relative qui devient petite, pas l’écart lui-même : pour n=10n = 10, la différence entre 10!10! et son approximation vaut déjà environ 30 104 ; pour n=20n = 20, elle dépasse 101610^{16}. Pourtant, en proportion, l’approximation est de plus en plus juste.

La version logarithmique. En prenant le logarithme népérien, la formule devient

ln⁡n!=nln⁡n−n+12ln⁡(2πn)+εn,où εn tend vers 0.\ln n! = n \ln n - n + \tfrac{1}{2}\ln(2\pi n) + \varepsilon_n, \quad \text{où } \varepsilon_n \text{ tend vers } 0.

On en garde souvent seulement les deux premiers termes, ln⁡n!≈nln⁡n−n\ln n! \approx n \ln n - n, notamment en physique statistique et en théorie de l’information, où nn est gigantesque. Pour n=10n = 10 : ln⁡10!\ln 10! vaut environ 15,1044 ; 10ln⁡10−1010 \ln 10 - 10 vaut environ 13,0258 ; en ajoutant 12ln⁡(20π)\frac{1}{2}\ln(20\pi), on arrive à environ 15,0960. Cette version courte n’est pas un équivalent de n!n! lui-même : oublier le terme 12ln⁡(2πn)\frac{1}{2}\ln(2\pi n) fausse n!n! d’un facteur 2πn\sqrt{2\pi n}, négligeable seulement à l’échelle des logarithmes.

On sait même mesurer l’erreur. Le rapport vaut environ 1+112n1 + \frac{1}{12n}, et pour tout entier n≥1n \geq 1 on a l’encadrement, dû à Herbert Robbins (1955) :

e1/(12n+1)<n!2πn(n/e)n<e1/(12n).e^{1/(12n+1)} < \frac{n!}{\sqrt{2\pi n}\,(n/e)^{n}} < e^{1/(12n)}.

Un exemple

Calculons l’approximation pour n=10n = 10, où 10!=362880010! = 3\,628\,800.

  1. 2π×10=20π\sqrt{2\pi \times 10} = \sqrt{20\pi}, environ 7,926654.
  2. (10e)10\left(\frac{10}{e}\right)^{10}, environ 453 999,297.
  3. Le produit donne environ 3 598 695,6.

Le rapport 36288003598695,6\frac{3\,628\,800}{3\,598\,695{,}6} vaut environ 1,00836 : l’approximation est trop petite d’environ 0,82 %. La correction 1+11201 + \frac{1}{120}, environ 1,00833, prévoit très bien cet écart.

Le rapport continue de se rapprocher de 1 :

  • n=1n = 1 : environ 1,0844 ;
  • n=5n = 5 : environ 1,0167 ;
  • n=20n = 20 : environ 1,00417 ;
  • n=100n = 100 : environ 1,000833.

Pour n=100n = 100, la formule donne environ 9,32×101579{,}32 \times 10^{157}, pour une valeur exacte d’environ 9,33×101579{,}33 \times 10^{157} : de quoi savoir, sans tout multiplier, que 100!100! compte 158 chiffres.

Une application : pile ou face. Quelle est la probabilité d’obtenir exactement 50 « pile » en 100 lancers d’une pièce équilibrée ? Elle vaut (10050)/2100=100!50!50!2100\binom{100}{50} / 2^{100} = \frac{100!}{50!\,50!\,2^{100}}. En remplaçant chaque factorielle par la formule de Stirling, presque tout se simplifie et il reste 150π\frac{1}{\sqrt{50\pi}}, environ 0,07978. La valeur exacte est environ 0,07958 : l’estimation est juste à 0,25 % près, sans avoir calculé un nombre à 158 chiffres. Plus généralement, (2nn)∼4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}}.

Pourquoi c’est vrai

La démonstration complète demande un peu d’analyse ; en voici les deux étapes.

1. La forme générale. On passe au logarithme : ln⁡n!=ln⁡1+ln⁡2+⋯+ln⁡n\ln n! = \ln 1 + \ln 2 + \cdots + \ln n. Cette somme ressemble à l’aire sous la courbe de ln\ln, soit ∫1nln⁡xdx=nln⁡n−n+1\int_1^n \ln x \,\mathrm{d}x = n \ln n - n + 1. En corrigeant la comparaison par la méthode des trapèzes, on fait apparaître un terme 12ln⁡n\frac{1}{2}\ln n. On montre alors que la suite

un=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+nu_n = \ln n! - \left(n + \tfrac{1}{2}\right)\ln n + n

est décroissante et converge vers une limite cc : l’écart un−un+1u_n - u_{n+1} est positif et se comporte comme 112n2\frac{1}{12n^2}, dont la somme est finie. Il en découle n!∼ecn(ne)nn! \sim e^{c}\,\sqrt{n}\,\left(\frac{n}{e}\right)^{n}.

2. La constante. Il reste à prouver que ec=2πe^{c} = \sqrt{2\pi}, c’est-à-dire c=ln⁡2πc = \ln\sqrt{2\pi}, environ 0,918938. On l’obtient grâce aux intégrales de Wallis, ∫0π/2sinn⁡tdt\int_0^{\pi/2} \sin^n t\,\mathrm{d}t, dont on connaît à la fois une formule exacte avec des factorielles et le comportement pour nn grand. Numériquement, u1000000u_{1\,000\,000} vaut environ 0,918938 : la limite est bien là.

Une autre voie part de l’intégrale n!=∫0∞xne−xdxn! = \int_0^{\infty} x^n e^{-x}\,\mathrm{d}x et l’approche, autour de son maximum, par une courbe en cloche : la constante 2π\sqrt{2\pi} vient alors de l’intégrale de Gauss. Ce procédé porte le nom de méthode de Laplace.

Un peu d’histoire

La formule réunit deux contributions. Abraham de Moivre, mathématicien français installé à Londres, étudie la loi binomiale, par exemple le nombre de « pile » obtenus sur un grand nombre de lancers d’une pièce. Il obtient une approximation de la forme n!≈Cnn+1/2e−nn! \approx C\, n^{n + 1/2} e^{-n}, sans identifier exactement la constante CC. James Stirling, mathématicien écossais, montre dans son ouvrage Methodus Differentialis (1730) que cette constante vaut 2π\sqrt{2\pi}.

Le résultat porte le nom de Stirling, alors que de Moivre en avait obtenu la forme générale. De Moivre s’en est servi pour approcher la loi binomiale par une courbe en cloche, résultat publié en 1733, un cas particulier de ce qui deviendra le théorème central limite.

La formule s’étend aux nombres non entiers grâce à la fonction Gamma d’Euler, qui prolonge la factorielle : Γ(x+1)∼2πx(x/e)x\Gamma(x + 1) \sim \sqrt{2\pi x}\,(x/e)^{x} quand xx tend vers l’infini.

Ce que montre l’affiche

Comme n!n! grandit trop vite pour être dessiné directement, l’affiche représente son logarithme décimal, qui correspond à peu près au nombre de chiffres. Pour chaque nn de 1 à 60, une barre colorée a pour hauteur log10⁡n!\log_{10} n!, calculé exactement en additionnant les log10⁡k\log_{10} k ; la dernière atteint environ 81,92, car 60!60! compte 82 chiffres. Par-dessus, un trait relie les valeurs du logarithme de l’approximation de Stirling : il épouse le sommet des barres. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

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

  • le rapport n!/(√(2πn)(n/e)ⁿ) décroît vers 1n = 1 : 1.08444 ; n = 150 : 1.000556
  • rapport ≈ 1 + 1/(12n) pour n = 100 (DLMF 5.11)obtenu 1.0008336778720035, attendu 1.0008336805555555, écart 2.68e-9 (tolérance 1e-8)

Sources

Questions fréquentes

À quoi sert la formule de Stirling ?

Elle permet d’estimer n! pour de grandes valeurs de n sans tout multiplier. On s’en sert en probabilités, en combinatoire et en physique statistique, par exemple pour approcher des coefficients binomiaux.

La formule de Stirling est-elle une égalité ?

Non. Le signe ~ signifie que le rapport entre n! et √(2πn)(n/e)ⁿ tend vers 1. La différence entre les deux, elle, devient de plus en plus grande.

Quelle est la précision de la formule de Stirling ?

L’erreur relative vaut environ 1/(12n) : environ 0,82 % pour n = 10 et 0,083 % pour n = 100. Multiplier l’approximation par 1 + 1/(12n) la rend nettement plus précise.

Combien de chiffres compte 100! ?

158 chiffres. La formule de Stirling donne log₁₀(100!) environ égal à 157,97, ce qui suffit à le savoir sans calculer 100! en entier.

Qui a trouvé la formule de Stirling ?

Abraham de Moivre a obtenu la forme générale avec une constante inconnue ; James Stirling a montré en 1730, dans son Methodus Differentialis, que cette constante vaut √(2π).