Calculateur de Fonction de Partition

Bienvenue sur le Calculateur de fonction de partition, un explorateur complet pour l'un des objets les plus fascinants de la combinatoire. Saisissez n'importe quel entier non négatif \(n\) et cet outil calculera \(p(n)\) — le nombre de façons d'écrire \(n\) comme une somme d'entiers positifs où l'ordre n'importe pas — ainsi que le nombre de partitions en parties distinctes \(q(n)\), le nombre de partitions en parties impaires \(o(n)\), l'estimation asymptotique de Hardy-Ramanujan, chaque congruence de Ramanujan correspondante et (pour les petits \(n\)) chaque partition individuelle rendue sous forme de diagramme de Young animé.

Qu'est-ce que la fonction de partition p(n) ?

La fonction de partition \(p(n)\) compte le nombre de façons d'écrire \(n\) comme une somme d'entiers positifs, sans tenir compte de l'ordre. Deux sommes qui ne diffèrent que par l'ordre de leurs termes sont considérées comme la même partition. Par exemple, les partitions de 4 sont :

• 4
• 3 + 1
• 2 + 2
• 2 + 1 + 1
• 1 + 1 + 1 + 1

Cela donne \(p(4) = 5\). Par convention \(p(0) = 1\), comptant la "partition vide". Quelques autres valeurs : \(p(1) = 1,\ p(5) = 7,\ p(10) = 42,\ p(50) = 204{,}226,\ p(100) = 190{,}569{,}292.\)

Fonction génératrice

Leonhard Euler a découvert que la fonction génératrice de \(p(n)\) possède une forme de produit magnifiquement compacte :

Chaque facteur \(1/(1 - x^k) = 1 + x^k + x^{2k} + \ldots\) contribue au choix du nombre de fois que la partie \(k\) apparaît dans la partition. En multipliant les facteurs ensemble, on génère chaque partition exactement une fois.

Diagrammes de Young (Ferrers)

Un diagramme de Young (également appelé diagramme de Ferrers) représente visuellement une partition sous la forme d'un tableau de cases aligné à gauche. Chaque ligne correspond à une partie, et les lignes sont listées de la plus grande à la plus petite. Par exemple, la partition \(4 + 2 + 1\) de 7 devient :

Les diagrammes de Young permettent de "voir" les identités de partition. Refléter un diagramme par rapport à sa diagonale principale transforme les lignes en colonnes, ce qui correspond à la partition conjuguée. Ce calculateur génère un diagramme de Young pour chaque partition de \(n\) lorsque \(n \le 15\).

Théorème des partitions d'Euler

L'un des résultats les plus élégants d'Euler stipule :

Par exemple, les partitions de 7 en parties distinctes sont \(\{7\}, \{6+1\}, \{5+2\}, \{4+3\}, \{4+2+1\}\) — au nombre de cinq. Les partitions de 7 en parties impaires sont \(\{7\}, \{5+1+1\}, \{3+3+1\}, \{3+1+1+1+1\}, \{1+1+1+1+1+1+1\}\) — également cinq. Le panneau de résumé du calculateur affiche à la fois \(q(n)\) et \(o(n)\) afin que vous puissiez vérifier cette identité pour le \(n\) choisi.

L'asymptotique de Hardy-Ramanujan

En 1918, G.H. Hardy et Srinivasa Ramanujan ont prouvé la première formule capturant le véritable taux de croissance de \(p(n)\) pour les grands \(n\) :

Le résultat est issu de la méthode du cercle de Hardy-Ramanujan, qui intègre la fonction génératrice autour des singularités sur le cercle unité. Hans Rademacher l'a affinée en 1937 en une série convergente exacte — l'une des formules les plus célèbres de la théorie analytique des nombres.

Congruences de partition de Ramanujan

En étudiant le tableau des valeurs de partition, Ramanujan a remarqué trois motifs de divisibilité étonnants :

Par exemple, \(p(4)=5,\ p(9)=30,\ p(14)=135,\ p(19)=490,\ p(24)=1575\) sont tous divisibles par 5. Le calculateur signale automatiquement chaque fois que votre \(n\) choisi appartient à l'une de ces classes.

Comment utiliser ce calculateur

1. Saisissez un entier non négatif jusqu'à 500 dans le champ de saisie, ou cliquez sur l'un des exemples célèbres rapides (0, 4, 10, 42, 100, 200).
2. Cliquez sur "Calculer les partitions". L'outil calcule \(p(n)\), \(q(n)\), \(o(n)\), et l'estimation de Hardy-Ramanujan.
3. Consultez le panneau principal affichant \(p(n)\) comme un grand titre, puis parcourez la grille de résumé pour les parties distinctes, les parties impaires, l'estimation asymptotique et l'erreur en pourcentage.
4. Inspectez les diagrammes de Young — si \(n \le 15\), chaque partition est dessinée sous forme de diagramme de Young animé dans une grille réactive.
5. Explorez le graphique de croissance — il trace \(p(k)\), \(q(k)\) et la courbe de Hardy-Ramanujan pour \(k = 0, 1, \ldots, n\). Basculez entre l'échelle linéaire et logarithmique pour voir la forme asymptotique.
6. Lisez le tableau de croissance — une vue ligne par ligne de \(p(k), q(k), o(k)\) pour les petits \(k\). Utilisez-le pour repérer la première occurrence de chaque congruence de Ramanujan.

Exemple concret : Partitions de 5

Parcourons \(n = 5\). Toutes les partitions sont :

• \(5\)
• \(4 + 1\)
• \(3 + 2\)
• \(3 + 1 + 1\)
• \(2 + 2 + 1\)
• \(2 + 1 + 1 + 1\)
• \(1 + 1 + 1 + 1 + 1\)

Donc \(p(5) = 7\). Partitions en parties distinctes : \(\{5\}, \{4+1\}, \{3+2\}\) — au nombre de trois, donc \(q(5) = 3\). Partitions en parties impaires : \(\{5\}, \{3+1+1\}, \{1+1+1+1+1\}\) — également trois, donc \(o(5) = 3\). Le théorème d'Euler est vérifié. Enfin, \(n = 5 \equiv 0 \pmod 5\) n'est pas de la forme \(5k+4\), donc la congruence de \(5\) ne s'applique pas ; cependant, \(p(4) = 5\) satisfait bien \(p(5k+4) \equiv 0 \pmod 5\).

Valeurs classiques de p(n)

Histoire

• Années 1750 : Leonhard Euler étudie les partitions et découvre l'identité de la fonction génératrice ainsi que le théorème "distinctes = impaires".
• 1915 : Le major Percy MacMahon publie une table de \(p(n)\) pour \(n\) jusqu'à 200 — calculée à la main.
• 1918 : Hardy et Ramanujan prouvent la formule asymptotique en utilisant la méthode du cercle.
• 1919 : Ramanujan publie les célèbres congruences \(p(5k+4),\ p(7k+5),\ p(11k+6)\).
• 1937 : Hans Rademacher affine Hardy-Ramanujan en une série convergente exacte.
• 2011 : Ken Ono et Jan Bruinier prouvent que \(p(n)\) peut être exprimé comme une somme algébrique finie pour chaque entier positif.

Applications

• Combinatoire et théorie des représentations — les partitions indexent les représentations irréductibles du groupe symétrique \(S_n\).
• Mécanique statistique — les comptes de partitions apparaissent dans l'entropie des gaz quantiques idéaux et dans les fonctions de partition de la théorie des cordes.
• Formes modulaires — la fonction génératrice de \(p(n)\) est étroitement liée à la fonction êta de Dedekind.
• Informatique — les benchmarks d'énumération pour le problème de la somme de sous-ensembles et la programmation entière utilisent fréquemment les comptes de partitions.

Foire aux questions

Qu'est-ce que la fonction de partition p(n) ?

\(p(n)\) compte le nombre de façons d'exprimer \(n\) comme une somme d'entiers positifs où l'ordre n'a pas d'importance. \(p(4) = 5\) car 4 peut être écrit comme \(4\), \(3+1\), \(2+2\), \(2+1+1\) ou \(1+1+1+1\). Par convention \(p(0) = 1\).

Qu'est-ce qu'un diagramme de Young ou de Ferrers ?

Un diagramme de Young est une représentation visuelle d'une partition : chaque partie devient une rangée de cases alignées à gauche, les parties étant listées de la plus grande à la plus petite du haut vers le bas. Pour \(4+2+1\), dessinez une rangée de 4, une rangée de 2 et une rangée de 1. Ce calculateur génère un diagramme de Young pour chaque partition quand \(n \le 15\).

Que dit le théorème des partitions d'Euler ?

Pour chaque entier positif \(n\), le nombre de partitions de \(n\) en parties distinctes est égal au nombre de partitions de \(n\) en parties impaires. Pour \(n = 5\) : les parties distinctes donnent \(\{5\}, \{4+1\}, \{3+2\}\) ; les parties impaires donnent \(\{5\}, \{3+1+1\}, \{1+1+1+1+1\}\). Les deux comptes sont égaux à 3.

Quelle est la formule asymptotique de Hardy-Ramanujan ?

Elle stipule que \(p(n) \sim \frac{1}{4n\sqrt{3}} \exp\!\left(\pi \sqrt{2n/3}\right)\) quand \(n \to \infty\). Ce fut la première formule à décrire le taux de croissance exact de \(p(n)\), découverte en 1918 par G.H. Hardy et Srinivasa Ramanujan.

Quelles sont les congruences de partition de Ramanujan ?

Trois motifs de divisibilité remarquables : \(p(5k+4) \equiv 0 \pmod 5\), \(p(7k+5) \equiv 0 \pmod 7\), et \(p(11k+6) \equiv 0 \pmod{11}\). Par exemple, \(p(4)=5, p(9)=30, p(14)=135\) sont tous divisibles par 5.

À quelle vitesse p(n) croît-elle ?

p(n) croît de manière sous-exponentielle mais plus rapidement que n'importe quel polynôme, environ comme \(\exp(\pi \sqrt{2n/3})\). À titre de comparaison : \(p(10)=42\), \(p(50)=204{,}226\), \(p(100)=190{,}569{,}292\), et \(p(200) \approx 4 \times 10^{12}\). Utilisez l'échelle logarithmique du graphique pour visualiser cette courbe de croissance.

Ressources supplémentaires

• Fonction de partition - Wikipédia
• Congruences de Ramanujan - Wikipédia