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Intégrales elliptiques et moyenne arithmético-géométrique

Le calcul de la moyenne arithmético-géométrique est un algorithme simple et très puissant découvert par Gauss permettant de calculer les intégrales elliptiques. L’excellent article de David Cox [1] dans L’enseignement mathématique expose l’historique des découvertes et recherches de Gauss sur le sujet.

La moyenne arithmético-géométrique a été définie par Lagrange, et est calculée de la manière suivante : si a et b sont deux réels positifs, on définit leur moyenne géométrique G = \sqrt{ab} et leur moyenne arithmétique A = \frac{a+b}{2}. Il est bien connu que G \leq A, et on a

A-G = \frac 1 2 (\sqrt b - \sqrt a)^2

Cette relation permet de montrer que si on définit des suites (a_n) et (b_n) telles que a_{n+1} et b_{n+1} sont les moyennes arithmétique et géométrique de a_n et b_n, ces suites convergent vers une même limite, notée M(a,b), la moyenne arithmético-géométrique.

Gauss remarqua à l’aide d’un changement de variable (très) astucieux que l’intégrale

\int_{0}^{\pi/2} \frac{d\theta}{\sqrt{a^2 \cos^2 \theta + b^2 \sin^2 \theta}}

restait invariante en remplaçant a et b par leurs moyennes arithmétique et géométrique. Il en déduit la valeur \frac{\pi}{2M(a,b)}. Il montra aussi que la longueur d’un quart de lemniscate de Bernoulli est \pi / 2 M(1, \sqrt 2).
On sait également qu’il relia ces propriétés à celles des fonctions thêta.
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6 January 2009 at 8:12 pm Leave a comment

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