Extrait du livre
Le triangle est-il lui-même la bonne solution au problème de Kakeya ? Difficile d’en être sûr car dès que l’on découvre une figure susceptible de répondre au problème, il est toujours à craindre qu’une autre, plus petite, ne fournisse un meilleur candidat. Kakeya s’est d’ailleurs trouvé confronté, en son temps, à cette difficulté et, ne parvenant pas à la dépasser, il décida de proposer cette question à l’ensemble des mathématiciens. C’est là une démarche naturelle pour les scientifiques que de présenter leurs résultats et soumettre les questions non résolues au reste de la communauté. Cet échange entre savants qui se fait par l’intermédiaire de revues scientifiques est particulièrement intense puisque ce sont, de nos jours, plusieurs centaines de milliers de résultats et de questions qui sont ainsi publiés chaque année pour ce qui concerne les seules mathématiques. Le destin de toutes ces questions est très inégal, la plupart d’entre elles sont presque aussi vite oubliées que résolues ; d’autres, si elles ne sont pas oubliées, ne dépassent cependant pas le cadre d’une communauté restreinte de spécialistes ; enfin une infime minorité mobilise l’attention de nombreux mathématiciens et atteint le statut de « grande question ». Certaines de ces grandes questions sont devenues célèbres, le lecteur aura peut-être entendu parler, par exemple, du problème de Fermat ou du théorème des quatre couleurs.
Ces grandes questions, outre leur intérêt propre, agissent comme des points de repère pour l’ensemble de la communauté : elles annoncent et délimitent clairement ce qui est considéré comme étant à la fois fondamental et difficile. D’ailleurs les mathématiciens se réunissent périodiquement afin d’en proposer de nouvelles. L’exemple le plus célèbre fut le congrès de Paris en 1900 où David Hilbert – qui était sans doute, avec Henri Poincaré, le plus grand mathématicien de son temps – proposa une liste de vingt-trois « grandes questions » qui eurent une profonde influence sur toutes les mathématiques du XXe siècle. Sur ces vingt-trois problèmes, cinq restent encore en suspens et font toujours l’objet de recherches en ce début de XXIe siècle. À l’occasion du passage au troisième millénaire, un congrès exceptionnel s’est tenu à Paris, où de nouveau une liste de problèmes a été proposée. Mais, autres temps autres mœurs, chacun de ces problèmes a été assorti d’un prix d’un million de dollars offert par la fondation Clay à qui les résoudra.
Les vingt-trois "grandes questions"
1 - Premier problème de Hilbert : Hypothèse du continu. Résolu (indécidable !)
Prouver l'hypothèse du continu de Cantor. Paul Cohen, en se basant sur les travaux de Gödel, montra en 1963 que cette conjecture était indécidable. Hilbert rattache ce problème à la question suivante : prouver que l'ensemble des nombres réels peut être bien ordonné. Ernst Zermelo prouva que l'existence de ce bon ordre est équivalent à l'axiome du choix de Zermelo. Ainsi, le prouver revient à accepter cet axiome, ce que nombre de mathématiciens refusèrent. Alors que Hilbert pensait que ces deux problèmes étaient liés, Cohen prouva qu'ils étaient indépendants en montrant que l'hypothèse du continu de Cantor était indécidable.
Pour des compléments voir : => Georg CANTOR (1845 - 1918)
2 - Deuxième problème de Hilbert : Démontrer la consistance des axiomes de l'arithmétique. Résolu.
Gödel montra en 1931, via son théorème d'incomplétude, que cela ne pouvait être démontré sans sortir de l'arithmétique. Gerhard Gentzen, cependant, donna, en 1936, une réponse affirmative au moyen d'une récurrence transfinie.
3 - Troisième problème de Hilbert. Résolu.
Étant donnés deux polyèdres d'égal volume, peut-on découper le premier polyèdre en des polyèdres et les rassembler pour former le second polyèdre ?
Max Dehn, élève de Hilbert, montra que non, en 1902, en démontrant qu'il était impossible de diviser un cube et un tétraèdre régulier de même volume en un nombre fini de polyèdres deux à deux identiques. Malgré tout, le paradoxe de Banach-Tarski constitue un résultat positif pour cette question si l'on n'exige pas que les morceaux intermédiaires soient des polyèdres et surtout si l'on suppose l'axiome du choix.
4 - Quatrième problème de Hilbert. Résolu.
Définir toutes les géométries dont la plus courte distance entre deux points est un segment de droite.
La géométrie différentielle a permis de répondre en partie à ce problème, bien que l'on ne puisse pas à proprement parler de réponse ferme.
5 - Cinquième problème de Hilbert. Démontrer que les groupes de Lie sont nécessairement différentiables. Résolu.
Le théorème de Gleason-Montgomery-Zippin en 1953 y répondit par l'affirmative.
6 - Sixième problème de Hilbert. L'axiomatisation, basée sur le modèle mathématique, de la physique. Résolu.
Du fait de l'apparition de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique, le problème fut vite obsolète. Malgré tout, on peut noter que la physique théorique et les mathématiques ne cessent de se rapprocher. En axiomatisant la Théorie des probabilités, Kolmogorov a résolu en partie ce problème.
7 - Septième problème de Hilbert. Démontrer la transcendance des nombres ab, avec a algébrique et b irrationnel. Incomplet
Les travaux de Gelfond, complétés par Schneider et Baker, ont permis de résoudre en partie ce problème.
8 - Huitième problème de Hilbert. Démontrer l'hypothèse de Riemann. OUVERT !
Tous les zéros imaginaires de la fonction ζ (zêta) ont une partie imaginaire égale à 1/2.
Malgré les progrès faits notamment par Deligne qui démontra les conjectures de Weil, et reçut pour cela la médaille Fields en 1978, on est encore loin d'avoir résolu ce problème, qui s'annonce comme celui du XXIe siècle.
9 - Neuvième problème de Hilbert. Établir une loi de réciprocité dans les corps de nombres algébriques. Résolu.
Une réponse à ce problème est apportée par la loi de réciprocité d'Artin, démontrée par celui-ci en 1927.Ce théorème enrichit la connaissance de la théorie des corps de classes, dont le développement fut facilité par l'introduction des idèles par Chevalley en 1936.
10 - Dixième problème de Hilbert. Résolu : C'est impossible !
Trouver un algorithme déterminant si une équation diophantienne a des solutions.
Il fallut attendre les travaux de Church et Turing en 1930 pour définir rigoureusement la notion d'algorithme. En 1970, Yuri Matijasevic, établissant une équivalence entre les ensembles récursivement énumérables et les ensembles diophantiens, a établi qu'un tel algorithme ne pouvait pas exister.
11 - Onzième problème de Hilbert. Résolu.
Classifier les formes quadratiques à coefficients dans les anneaux d'entiers algébriques.
Le théorème de Hasse-Minkowski résout le problème sur Q, et Siegel le résolut sur d'autres anneaux intègres.
12 - Douzième problème de Hilbert. Résolu : Pas de solution !
Prolonger le théorème de Kronecker sur les corps non-abéliens.
Le théorème de Youri Matiiassevitch, démontré en 1970 par Youri Matiiassevitch, implique que le dixième problème de Hilbert n'a pas de solution.
13 -Treizième problème de Hilbert. Résolu.
Montrer l'impossibilité de résoudre les équations du septième degré au moyen de fonctions de seulement deux variables.
Plus généralement, il s'agit d'étudier les fonctions continues (et, en fait, les fonctions continues de trois variables) qui ne peuvent pas s'exprimer par composition à partir de fonctions continues de deux variables. En 1954, Kolmogorov et son élève Vladimir Arnold ont montré que cette classe était vide.
En revanche, la question de la résolubilité de l'équation du septième degré par des fonctions analytiques de deux variables est encore ouverte.
14 -Quatorzième problème de Hilbert. Résolu.
Prouver le caractère fini de certains systèmes complets des fonctions.
Cependant, la recherche de conditions suffisantes pour la validité du résultat d'Hilbert a été source d'idées très fécondes en géométrie. Nagata donna en 1959 un contre-exemple qui montra la fausseté de la conjecture.
15 - Quinzième problème de Hilbert. Mettre en place les bases du calcul énumératif de Hermann Schubert. Résolu.
Ce problème a donné naissance aux théories de la multiplicité de Samuel et Grothendieck. Résolu par Van der Waerden en 1930.
16 - Seizième problème de Hilbert. Développer une topologie des courbes et des surfaces algébriques. OUVERT !
Ce problème comporte deux parties.
- La première concerne le nombre de branches réelles d'une courbe algébrique, et leur disposition ; de nombreux résultats modernes (Petrovskii, Thom, Arnold) apportent des informations à leur sujet.
- La seconde partie du problème pose la question de l'existence d'un nombre maximal de cycles limite pour une équation différentielle linéaire
définie par des polynômes homogènes de degré donné ; cette question est encore ouverte.
17 - Dix-septième problème de Hilbert. Résolu.
Montrer qu'une fonction rationnelle positive peut s'écrire sous la forme de somme de carrés de fonctions rationnelles.
Résolu par Artin en 1927. Une démonstration purement logique a été trouvée par Robinson.
18 - Dix-huitième problème de Hilbert. Construire un espace euclidien avec des polyèdres congruents. Résolu.
Le problème comporte trois parties.
- Premièrement, montrer qu'il n'existe à isomorphisme près qu'un nombre fini de groupes discrets d'isométries de admettant un domaine fondamental compact ; cette question fut résolue par Ludwig Bieberbach en 1910.
- Deuxièmement, la question de l'existence de polyèdres qui ne sont pas des groupes fondamentaux, mais qui peuvent cependant paver l'espace ; de tels polyèdres furent construits par Reinhardt et Heesch dans les années trente.
- Troisièmement, ce problème comporte aussi la fameuse conjecture de Kepler sur l'empilement des sphères dans l'espace, résolue en 1998 par
Thomas Hall.
19 - Dix-neuvième problème de Hilbert. Résolu.
Prouver que le calcul des variations est toujours nécessairement analytique.
Résolu par Bernstein et Tibor Rado en 1929.
20 - Vingtième problème de Hilbert. Étudier la solution générale des problèmes de valeur limite.
22 - Vingt-et-unième problème de Hilbert. Résolu.
Prouver que toute représentation complexe de dimension finie peut s'obtenir par action de monodromie sur une équation différentielle de Fuchs.
Résolu par Helmut Rörl en 1957.
23 - Vingt-deuxième problème de Hilbert. Résolu.
Uniformiser des courbes analytiques au moyen de fonctions automorphes.
Résolu par Koebe et Henri Poincaré en 1907.
24 - Vingt-troisième problème de Hilbert. Développer une méthode générale de résolution dans le calcul des variations.
Théorème de Fermat
« L’équation xn + yn = zn n’a pas de solution avec x, y, z > 0 et n > 2 ».
Si n=2, nous avons à faire aux triplets pythagoriciens :
Recherche de triplets pythagoriciens contenant l’entier 2015 :
Dans cet exercice, on s’intéresse aux triplets d’entiers naturels non nuls (x, y, z) tels que x2 + y2 = z2.
Ces triplets seront nommés « triplets pythagoriciens » en référence aux triangles rectangles dont ils mesurent les côtés, et notés en abrégé « TP ». Ainsi (3,4,5) est un TP car 32+42 = 9 + 16 = 25 = 52.
-
Démontrer que, si (x,y,z) est un TP, et p un entier naturel non nul, alors le triplet (px, py, pz) est lui aussi un TP.
- En utilisant le TP donné dans le préambule, déterminer un TP de la forme (x, y, 2015).
- On admet que, pour tout entier naturel n, (2n+1)2+(2n2+2n)2= (2n2+2n+1)2. Déterminer un TP de la forme (2015, y, z).
- En remarquant que 4032 = 169 × 961, déterminer un couple d’entiers naturels non nuls (x, z) tels que : z2 − x2 = 4032, avec x < 403.
- En déduire un TP de la forme (x, 2015, z).
Théorème des quatre couleurs
Colorier une carte avec 4 couleurs n'est pas si évident que ça, bien que le théorème
affirme que c'est possible...
Saurais-tu colorier une carte comme celle-ci ?