Une visualisation géométrique et une démonstration de l’irrationalité de la racine carrée de 2

Dans un repère d’origine le point , tracez le cercle de diamètre 3 unités passant par comme ci-dessous:

Placez le point de coordonnées puis tracez le segment partant de , perpendiculaire à l’axe des abscisses qui rejoint le cercle. On note le point du cercle obtenu:

Enfin, tracez la droite et constatez avec une certaine surprise qu’elle ne coupe aucun point de coordonnées entières (hormis évidemment). Donc est irrationnel.

La droite (OA) ne passe par aucun point de la grille, ce qui correspond au fait que est irrationnel. Le point (5,7) est très proche, mais comme on le voit sur le zoom, il n’est pas sur la droite (cela s’explique par le fait que le rapport 7/5 = 1,4 est proche de )

Être à la hauteur

La première chose qu’il faut expliquer, c’est que le segment rouge a pour longueur .

En effet, le triangle est inscrit dans le cercle et un de ses côtés est un diamètre de ce cercle. Il est donc rectangle et le segment rouge est la hauteur issue de l’angle droit de ce triangle. On sait alors qu’on a la relation donc , ce qui donne .

Dans un triangle rectangle, on peut calculer facilement la hauteur issue de l’angle droit.

Ainsi, le vecteur a pour coordonnées et donc une équation de la droite est !

Pythagore et Thalès en guest stars

L’idée de la démonstration qui va suivre m’est venue du constat suivant: si on suppose que est rationnel alors il existe deux nombres entiers naturels et qu’on peut supposer premiers entre eux (important pour la fin !) tels que , ce qui s’écrit encore et donc il existe un point de coordonnées entières qui appartient à la droite d’équation ! Si on suppose donc qu’un tel point de coordonnées entières existe sur cette droite, alors on est dans la situation géométrique suivante (la figure est fausse évidemment, elle est juste schématique):

D’après le théorème de Thalès, on a :

On sait que et . De plus, d’après le théorème de Pythagore:

On en déduit donc que:

ce qui s’écrit aussi . En prenant le carré de cette égalité, on a ainsi la relation suivante:

Un peu d’arithmétique en guise de conclusion

Comme 3 est premier avec 2, et comme 3 divise , c’est que 3 divise (lemme de Gauss). Pour trouver une contradiction, nous allons étudier tous les restes possibles de l’expression  modulo 3. Par exemple, si et alors . Voici dans le tableau suivant toutes les possibilités de résultat pour :

On se rend compte que la seule possibilité pour que est et ce qui entraîne que et sont tous les deux divisibles par 3, mais cela contredit le fait qu’ils sont premiers entre eux…

Amusante cette preuve, non ?

Note: pour les plus érudits d’entre vous, vous savez que si un nombre premier divise une somme de deux carrés et si est congru à 3 modulo 4 alors et sont nécessairement divisibles par . Ici, il est clair que est congru à 3 modulo 4…

Fignolage

Si on analyse cette preuve, on se rend compte que ce qui est important est la relation , mais en développant et réduisant cette expression, on voit qu’elle est équivalente à . On aurait donc très bien pu montrer  l’irrationalité de de la manière plus directe suivante:

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Si on suppose qu’il existe et premiers entre eux tels que alors en prenant le carré de cette expression, on obtient c’est-à-dire . En ajoutant des deux côtés, on obtiendrait ce qui, comme 3 est premier avec 2, entraînerait que 3 divise . Or, les restes possibles de modulo 3 sont:

et donc, on voit que si alors nécessairement, et sont divisibles par 3, ce qui contredit le fait qu’ils sont premiers entre eux.

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Pourquoi la géométrie ?

Alors, à quoi nous a servi la géométrie ici, puisqu’on peut faire une démonstration encore plus courte juste en ajoutant les ? D’un point de vue formel, à rien. Mais d’un point de vue de l’intuition, je n’aurais jamais eu l’idée d’ajouter ces dans pour avoir , alors que les théorèmes de Thalès et de Pythagore faisaient apparaître naturellement cette expression.

Et en plus, la géométrie nous a permis d’avoir une belle interprétation du fait que est irrationnel: le fait qu’une certaine droite construite à la règle et au compas ne passe jamais par des points de coordonnées entières !

P.S: Je n’ai jamais vu nulle part cette démonstration utilisant le fait que 3 divise une somme de carrés, donc si vous avez une référence à ce sujet, n’hésitez pas à la poster dans les commentaires !