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La factorielle
La factorielle d’un entier naturel n, notée n!, est le produit de tous les entiers de 1 à n : 5! = 1 × 2 × 3 × 4 × 5 = 120. Par convention, 0! = 1. Elle compte les façons de ranger n objets.
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De combien de façons peut-on ranger 10 livres sur une étagère ? Il y a 10 choix pour le premier, 9 pour le deuxième, 8 pour le troisième… soit 10 × 9 × 8 × … × 1 = 3 628 800. Ce produit est la factorielle de 10, notée 10!. La notation avec un point d’exclamation a été introduite par le mathématicien strasbourgeois Christian Kramp en 1808.
Tableau des premières valeurs
| n | n! | n | n! |
|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 7 | 5 040 |
| 1 | 1 | 8 | 40 320 |
| 2 | 2 | 9 | 362 880 |
| 3 | 6 | 10 | 3 628 800 |
| 4 | 24 | 12 | 479 001 600 |
| 5 | 120 | 15 | ≈ 1,31 × 10¹² |
| 6 | 720 | 20 | ≈ 2,43 × 10¹⁸ |
52! — le nombre d’ordres possibles d’un jeu de 52 cartes — vaut environ 8,07 × 10⁶⁷. Un jeu bien mélangé est donc presque certainement dans un ordre qui n’a jamais existé.
Pourquoi 0! = 1 ?
Trois raisons concordent :
- Récurrence :
1! = 1 × 0!, donc0! = 1! / 1 = 1. - Dénombrement : il y a exactement une façon de ranger zéro objet (ne rien faire).
- Cohérence des formules : la formule des coefficients binomiaux
n! / (k!(n − k)!)donneC(n, 0) = 1seulement si0! = 1.
Calculer avec des factorielles
La clé est de simplifier avant de calculer, car les factorielles deviennent vite énormes.
Attention : (2n)! n’est pas 2 × n!, et (a + b)! n’est pas a! + b!. Par exemple 4! = 24 alors que 2 × 2! = 4.
À quoi sert la factorielle ?
Les permutations
Le nombre de façons d’ordonner n objets distincts est n!. Six personnes autour d’une file d’attente : 6! = 720 ordres.
Les arrangements et combinaisons
- Choisir et ordonner k objets parmi n (podium de 3 parmi 10 coureurs) :
n! / (n − k)! = 10 × 9 × 8 = 720. - Choisir k objets parmi n sans ordre (3 délégués parmi 10) :
n! / (k!(n − k)!) = 120. C’est le coefficient binomial (voir le triangle de Pascal).
Ces formules servent au calcul de probabilités : la probabilité de trouver les 5 bons numéros parmi 49 dans un tirage est de 1 sur C(49, 5) = 1 906 884.
Les séries et le nombre e
Les factorielles apparaissent dans les développements en série : e = 1 + 1/1! + 1/2! + 1/3! + … ≈ 2,718 (voir le nombre e et les séries). Leur croissance rapide assure la convergence de ces sommes.
Une croissance plus rapide que l’exponentielle
| n | 2ⁿ | n! | nⁿ |
|---|---|---|---|
| 5 | 32 | 120 | 3 125 |
| 10 | 1 024 | 3 628 800 | 10¹⁰ |
| 20 | ≈ 10⁶ | ≈ 2,4 × 10¹⁸ | ≈ 10²⁶ |
Pour n assez grand, aⁿ < n! < nⁿ pour tout a fixé (voir les puissances). La formule de Stirling donne une approximation : n! ≈ √(2πn) × (n/e)ⁿ. Pour n = 10, elle donne environ 3 598 696, à moins de 1 % de la valeur exacte.
En informatique, un algorithme qui essaie toutes les permutations (comme la recherche exhaustive du plus court trajet passant par n villes) a un coût en n! : il devient inutilisable dès quelques dizaines de villes.
Propriétés utiles
- n! est divisible par tous les entiers de 1 à n.
- À partir de 5!, toute factorielle se termine par 0 ; 10! se termine par deux zéros, 25! par six zéros (on compte les facteurs 5).
n! + 2,n! + 3, …,n! + nsont tous composés : il existe des intervalles aussi longs qu’on veut sans nombre premier.
Erreurs fréquentes
- Croire que 0! = 0 : c’est 1.
- Développer entièrement avant de simplifier un quotient.
- Confondre n! et nⁿ : 3! = 6 mais 3³ = 27.
- Définir la factorielle d’un négatif : (−1)! n’existe pas (la fonction gamma prolonge la factorielle aux réels, mais pas aux entiers négatifs).
Questions fréquentes
Que vaut 0 factorielle ?
0! = 1, par convention cohérente avec la récurrence n! = n × (n − 1)! et avec le dénombrement.
Comment calculer une factorielle sur calculatrice ?
La plupart des calculatrices scientifiques ont une touche x! ou n!, souvent dans un menu probabilités. Au-delà de 69!, beaucoup affichent un dépassement car le résultat dépasse 10¹⁰⁰.
Combien de zéros à la fin de 100! ?
24 : on compte les multiples de 5 (20) et de 25 (4), chaque facteur 5 s’associant à un facteur 2.
Existe-t-il une factorielle des nombres décimaux ?
Pas au sens élémentaire. La fonction gamma d’Euler la prolonge : Γ(n + 1) = n!, et par exemple Γ(1/2) = √π.