Une facette oubliée d’Henri Poincaré, avec ses multiples champs de compétences, est celle de la diffusion d’une certaine culture scientifique, à divers niveaux.

La vulgarisation à destination des enfants avait été mise en lumière dans le récent ouvrage de Christian Gérini (Poincaré : Ce que disent les choses, Hermann 2010). Le dernier texte BibNum (analyse de Jean-Marc Ginoux) évoque les conférences faites le samedi après-midi en mai1 908 à l’École supérieure des postes et télégraphes (aujourd’hui Télécom Paris), devant un public d’ingénieurs, sur la télégraphie sans fil. Conférences de plus haut niveau, avec des formules, mais toujours avec le même souci de transmission de la connaissance.

C’est particulièrement net pour les applications et les avantages de la télégraphie sans fil donnés par Poincaré dans ses divers écrits de l’époque. Formidable aventure que les débuts de cette « technologie » : on a du mal à imaginer quelle révolution ç’a dû être il y a 100 ans… la révolution du GSM et du téléphone portable n’en est qu’une pâle réplique (en même temps qu’une application des mêmes ondes radio) !

Les premiers émetteurs radio, certains dit « à arc chantant » (poétiques en plus !), fonctionnent sur le principe de conversion d’une source de courant continu (l’alimentation) en une onde électromagnétique rayonnée par l’antenne. Les premières applications, comme nous rappelle Poincaré dans son texte, sont dans les transmissions militaires (Poincaré mentionne dans un texte de 1909 le commandant Gustave Ferrié, 1868-1932, pionnier de la radiotransmission) et dans la sécurité marine (Poincaré mentionne aussi l’officier de marine Camille Tissot, 1868-1917).

De fait, le 23 janvier 1909 avait eu lieu une collision maritime au large de Nantucket (USA) entre le Republic et le Florida. Poincaré la mentionne dans un texte de 1909, et décrit le premier SOS radiotélégraphique de l’histoire :

« Le paquebot Le Republic approchait des côtes d’Amérique, quand il est entré en collision avec un bateau italien. Le bâtiment sombrait rapidement, malgré les efforts de l’équipage. Heureusement, le télégraphiste n’a pas perdu la tête ; il est resté courageusement à son poste ; ses signaux désespérés ont volé dans toutes les directions à l’adresse du sauveteur inconnu. De tous les points de l’horizon, les secours ont afflué. Ils sont arrivés à temps pour sauver les malheureux passagers ».

Paquebot Le Republic, image site "Histoire des SOS"

Poincaré [1907, voir références dans analyse BibNum] présente aussi les avantages de la nouvelle T.S.F. par rapport à la télégraphie optique (signaux lumineux) :

- longueur de parcours : « la longueur d’onde [du signal hertzien] étant plus grande [que celle du signal lumineux], la diffraction devient notable ; d’où la possibilité de contourner les obstacles. L’obstacle le plus important est celui qui est dû à la rotondité même du globe ». Ainsi, en télégraphie optique, on pouvait aller jusqu’à 50 km en choisissant des points hauts ; « avec la télégraphie sans fil, on ira à 300 km ».

- le signal hertzien n’est pas arrêté par le brouillard, pour la même raison que précédemment : la lumière « est dissipée par les réflexions multiples qu’elle subit à la surface des nombreuses vésicules du brouillard (…) pour que ces réflexions se produisent, il faut que les dimensions de ces vésicules soient grandes par rapport à une longueur d’onde ». Poincaré explique : « Cette transmission facile de la lumière hertzienne à travers le brouillard est une propriété précieuse, et l’on a proposé de s’en servir pour éviter les collisions en mer ».

- communication vers des postes mobiles : la communication d’un poste fixe vers un mobile est difficile avec un signal lumineux, quand on ne connaît pas la position du mobile. Pour le signal hertzien, le réglage directionnel est « long et délicat », de sorte qu’ « on ne peut guère communiquer qu’entre postes fixes  » ; au contraire, « des ondes hertziennes envoyées indifféremment dans toutes les directions permettront de communiquer avec un poste mobile, quand même la position n’en serait pas connue. D’où l’importance du nouveau système pour la marine ».

Poincaré souligne toutefois un inconvénient inhérent à ce dernier avantage, en temps de guerre notamment. L’ennemi peut difficilement capter un signal lumineux, directionnel et à haute altitude. « Les ondes hertziennes sont, au contraire, envoyées dans toutes les directions ; elles peuvent donc impressionner [atteindre] les cohéreurs [récepteurs] ennemis aussi bien que les cohéreurs amis et, pour le secret, on ne peut plus se fier qu’à son chiffre. De plus, l’ennemi peut troubler les communications en envoyant des signaux incohérents qui viendront se confondre avec les signaux émis par la station amie ».

Exemples de premières applications, et exposé des avantages de la nouvelle technique par rapport à la précédente : voici deux piliers de la vulgarisation telle que nous l’enseigne Poincaré.

L’École polytechnique a eu la bonne idée d’organiser jeudi 17 et vendredi 18 mars un colloque en l’honneur de Benoît Mandelbrot (1924-2010, X1944). J’ai participé à la matinée du vendredi, et en avais profité pour me racheter la veille son livre Les objets fractals (première édition 1975) dans l’excellente collection de poche Champs Flammarion de livres scientifiques de référence. Quelques idées en vrac à la suite de ces lecture et conférence, dans un article un peu plus long que de coutume.

Le livre de Mandelbrot n’est pas facile (pour une introduction plus facile aux fractales, je conseille Universalités et Fractales de B. Sapoval, toujours dans la même collection) – mais les chapitres 1 (Introduction), 14 (lexique de néologismes) et 15 (repères biographiques) sont passionnants du point de vue de l’épistémologie et de l’histoire des sciences. La partie mathématique est fondée sur la notion de dimension, dimension fractale évidemment – c’est LA manière d’aborder les fractales (ce que j’ai fait dans le chapitre 20 de mon premier ouvrage), par la DIMENSION comprise entre 1 et 2 (courbes fractales, de périmètre infini et délimitant une surface finie), entre 0 et 1 (poussières de Cantor), voire entre 2 et 3.

Pourquoi le terme de dimension fractale et non fractionnaire ? Mandelbrot explique : il existe des fractales de dimension 1 ou 2, et aussi des fractales de dimension π/2 – le terme « fractionnaire » faisant plutôt référence à un rationnel (pas à un entier ni à un irrationnel) ne convenait donc pas.

Du point de vue histoire des sciences, Mandelbrot nous rappelle quelques éléments : les travaux de Robert Brown (1773-1850) sur le « mouvement brownien » datent de 1827 – en fait c’est plus ancien qu’on ne l’imagine généralement. On sait que Jean Perrin (1870-1942, prix Nobel de physique 1922) travaille sur le mouvement brownien à la suite d’Einstein – Mandelbrot nous rappelle l’importance de la préface du livre de Perrin, Les Atomes (1913) (toujours dans cette même bibliothèque Flammarion), préface injustement méconnue selon lui – et c’est vrai ! C’est Perrin (et non Mandelbrot) qui introduit la mesure de la côte de la Bretagne – et Mandelbrot enfonce le clou : la géométrie fractale est bien une geos- metrios-, une mesure de la terre.

Que Mandelbrot rende à César (Perrin) ce qui lui appartient (et que pourtant on attribue généralement à Mandelbrot), montre son honnêteté intellectuelle. Ce que nous confirme Wendelin Werner (médaille Fields) dans sa conférence à l’X : quand (plus) jeune mathématicien il allait voir Mandelbrot pour discuter certaines des idées de BM, ce dernier distinguait toujours ce qu’il avait intuité lui, de ce qui relevait de l’intution d’autrui, par exemple de Werner. Il laissait ainsi libre cours à l’imagination et à la créativité mathématique de ses élèves ; d’autres se seraient empressés d’agréger l’une à l’autre. Bel hommage.

Autre bel hommage de Werner : quand il était petit, il admirait les couvertures (et les contenus) consacrées aux fractales par le magazine Pour la Science – hommage aussi à Philippe Boulanger, créateur de ce magazine en France, et membre du comité d’organisation du colloque de l’X. Pour Werner, Mandelbrot faisait rêver les mathématiciens en herbe avec ses images : forme d’émerveillement aux mathématiques par la géométrie (comme d’autres ont flashé sur la physique avec les expériences du Palais de la Découverte) – des mathématiques visuelles comme les pratique encore Werner. Celui-ci a obtenu un de ses plus beaux résultats sur la base des travaux de Mandelbrot, et nous l’a expliqué dans la conférence : la dimension fractale de l’enveloppe d’un mouvement brownien plan est toujours 4/3.

De la conférence de W. Werner, on retiendra aussi la notion de lacet brownien (mouvement brownien plan où l’on force le point d’arrivée au point de départ), et surtout celle de marche auto-évitante (on force le mouvement à ne jamais revenir à un point sur lequel il est déjà passé). On retiendra aussi le tapis de Sierpinsky, poussière de Cantor bi-dimensionnelle (dans la poussière de Cantor, on évide le tiers central d’un segment à chaque itération ; dans le carré de Sierpinsky, on évide des carrés par découpage en 3*3 (ci-dessous).

D’autres conférences étaient aussi fort intéressantes. Deux autres conférenciers (sur les quatre conférences auxquelles j’ai assisté, en sus de B. Sapoval et W. Werner) étaient mathématiciens… et polytechniciens, cela m'a fait plaisir ! Laurent Calvet (X88), professeur de finance à HEC, a rappelé la notion d’invariance d’échelle en analyse financière : sur une courbe de rendement d’actifs, qu’on regarde ses variations au niveau annuel, mensuel, ou quotidien, il y a auto-similarité (de type fractale). Stéphane Jaffard (X81), professeur à Paris XII, nous a parlé de la multifractalité. Bernard Sapoval a détaillé l’application des fractales aux poumons – voir un des premiers articles du présent blog, suite au prix du magazine La Recherche reçu par Sapoval en juin 2006.

J’ai oublié de parler de l’inévitable discours officiel : le représentant du ministère a cru bon de conclure (donc en y attachant une certaine importance) qu’il se plaisait à penser que Mandelbrot, de nos jours, ne serait pas parti faire sa carrière aux Etats-Unis… Je suis toujours gêné quand on fait parler les morts – et là c’était étrange, dans un colloque d’hommage, que prétendre réécrire la vie du défunt. Comme un écho à cette rodomontade, j’ai trouvé dans un article récent de Stéphane Jaffard dans l’excellent site Image des maths une phrase de W. Werner (tout se recoupe, comme un mouvement non auto-évitant) : « Si j’avais fait le lycée tel qu’il est aujourd’hui, je n’aurais probablement pas continué en mathématiques ». CQFD.

Revenons à l’ouvrage de Mandelbrot. L’explication de sa démarche scientifique en p.16-19 est lumineuse. BM n’a pas peur d’indiquer qu’il veut « fonder une nouvelle discipline scientifique » ; qu’il a remonté un grand nombre de « filières historiques ». Il s’est « activement cherché des prédécesseurs, plutôt que les fuir », tout en sachant que « celui qui se recherche activement des précurseurs fournit des munitions à celui qui voudrait le dénigrer ».

Ainsi BM rappelle que « le concept de dimension fractale fait partie d’une certaine mathématique qui a été créée entre 1875 et 1925 ». Il cite, on l’a vu, le physicien Jean Perrin, et aussi les mathématiciens Paul Lévy et Louis Bachelier. BM considère Paul Lévy (X1904) comme « son maître », le premier à extraire les probabilités de la condescendance amusée des mathématiciens de l’analyse – j’avais essayé de mettre en valeur cette figure dans une conférence à Bercy lors du bicentenaire du Corps des mines en octobre 2010 (ici, cliquer Colloques historiques, puis mines ; ce site de Bercy est curieusement fait). Concernant Louis Bachelier, Mandelbrot fut un des premiers à tirer de l’oubli ce précurseur, « un personnage presque romantique », le premier utilisateur du mouvement brownien dans les probabilités financières dans sa thèse de 1900. Il rappelle aussi comment les fractales (notamment le flocon de Koch 1903) font leur apparition dans le cadre des « monstruosités mathématiques », les courbes continues partout et dérivables nulle part – BM cite le mathématicien Charles Hermite (1822-1901) qui « se détourne avec effroi et horreur de cette plaie lamentable des fonctions qui n’ont pas de dérivée ».

Paul Lévy

En vrac, pour terminer, on trouvera dans le livre de BM, avec forces schémas (Werner disait que les schémas informatiques de Mandelbrot en 1975 restent meilleurs que ceux que lui obtient maintenant sur son ordinateur !) : la courbe de Peano, fractale un peu spéciale car elle a des points doubles (et même une infinité) ; la poussière de Cantor ; l’escalier du diable ; la distribution fractale des galaxies et une résolution possible du paradoxe d’Olbers (ou paradoxe de la nuit noire) ; les îles fractales de dimension 1,3 environ ; la géométrie des turbulences en hydraulique, et celle des savons. Aussi un chapitre XIII sur les néologismes français qu’il crée (fractale, où il explique le féminin, le masculin, le pluriel « comme navals »), ou qu’il exhume (voir le savoureux article sur l'expression d'ancien français à randon, au hasard, qui reste en français avec randonnée, marche au hasard, mais qui est passée en franglais avec l’affreux random).

Bref, cher Benoît, tu m’autoriseras ce tutoiement polytechnicien, tu nous traces un chemin passionnant dans l'histoire des sciences, Brown - Cantor - von Koch - Bachelier -  Paul Lévy -  Jean Perrin -  Mandelbrot - Sapoval - Werner et de nombreux autres, tes élèves. Tu nous feras encore rêver longtemps avec ta « nouvelle discipline », ta démarche scientifique et ton érudition historique…

J’éprouve la nécessité de faire le point sur mes ouvrages, notamment sur le public auquel chacun d'eux s’adresse. Il est vrai qu’ils sont de difficultés assez différentes – par ordre de difficulté croissante :

Récréations Mathéphysiques (Le Pommier, octobre 2010) : tous publics aimant la science, même non avertis ; par exemple à lire en famille, pour les parents afin qu’ils lisent une brève de temps à autre avec leur(s) enfant(s) (à partir de la 6°), pour les sensibiliser aux sciences, ou pour se sensibiliser eux-mêmes. Le plus facile de tous.

Niveau de difficulté 1

Les Indispensables astronomiques et astrophysiques (Odile Jacob, avril 2009) : l’astronomie avec quelques formules simples ; pour les professeurs du secondaire ; adultes avec formation scientifique ; jeunes amateurs de science (à partir de la 3°).

Niveau de difficulté 2 

 Les Indispensables mathématiques et physiques (Odile Jacob, avril 2006) : idem au précédent, mais avec une partie de deux chapitres (sur 21) plus difficiles (une partie de chapitre 9 sur le théorème de Gödel ; une partie du chapitre 19 sur le paradoxe EPR)

Niveau de difficulté 2,5

Regards sur les textes fondateurs de la science (Cassini, janvier 2011) : ouvrage dont j’assure simplement la direction – les auteurs sont des scientifiques de référence – les textes mathématiques y sont plus denses ; pour les professeurs du secondaire et du supérieur ; pour les étudiants en sciences et en histoire des sciences ; grand public formé à la science et amateur d’histoire des sciences.

Niveau de difficulté 3,5 

 Einstein, un siècle contre lui (Odile Jacob,octobre 2007) : ce livre est un ouvrage d'histoire des sciences et des idées au XX° siècle. Il ne comporte pas de formules mathématiques.

Niveau de difficulté n.s.

Je souhaite aux lecteurs de mes ouvrages ou de mon blog, ainsi qu'au surfeurs ou feuilleteurs occasionnels, une bonne année

1 1  1 1  1 1  1 1

Non nous n'entrons pas dans l'année 11 111 111 (à vrai dire assez lointaine)
Non ce n'est pas binaire ni babylonien encore moins cabalistique, c'est simplement à vous de placer les signes d'opération entre les paires de 1. Une solution figure ici - mais celle de 2011 est plus élégante encore, elle fait intervenir chacun des signes d'opération.

Recommandé à tous les profs (de maths ou non): à leur premier cours de rentrée ils tracent ces huit chiffres à la craie au grand tableau noir, avec les signes d'opération déjà écrits ou en les faisant deviner. Succès assuré pour l'originalité des voeux à leurs élèves !

Pour ceux qui aiment bien se creuser les méninges en fin d'année ou début d'année, quelques variantes - avec les règles que je vous propose comme suit : on se place dans le cas où les quatre signes d'opération sont utilisés, chacun une et une seule fois - on admet le 1-1  =0) en début de cycle, ce qui conduit à admettre une année à trois chiffres :

1) combien existe-t-il de telles années (avec des 1) ?

2) quand était la dernière (avant 2011) ?

3) quand sera la prochaine ?

4) quand sera la prochaine (avec un autre chiffre que le 1) ? est-elle avant ou après la réponse en 3 ?

NB: autre règle que je vous propose pour admettre un autre chiffre que le 1 : on admet un chiffre tant que les résultats d'opérations auxquels il conduit sont des résultats à un chiffre (cela réduit singulièrement les chiffres disponibles: quels sont-ils?)

5) combien existe-t-il de telles années (avec les chiffres possibles tels que définis juste avant) ?

6) quel est le siècle où l'on trouve le plus de telles années (tous chiffres tels que définis ci-dessus confondus) ?

7) toute autre question à poser sur ces nombres, à suggérer en commentaires ?

À vos commentaires et réponses, d'ici la soirée de réveillon, pendant et après !

Dans Le Monde du dernier week-end de novembre, il y avait toute une page de réactions de lecteurs à l’article datant de la semaine précédente, où Xavier Darcos estimait ne pas savoir « du tout » faire une règle de trois (résumé). Georges Marcellier indique que c’est une coquetterie de littéraire de se dire nul en mathématiques – j’avais aussi remarqué cela et le pointe souvent dans mes interventions (voir aussi l’éditorial du président de la Société mathématique de France, PDF).

Mais il y a une petite pépite dans ce courrier des lecteurs, c’est la lettre de Pierre Pelloso de Paris, un jeu mathématico-littéraire, justement : J'ai trois fois l'âge que vous aviez quand j'avais l'âge que vous avez. Quand vous aurez l'âge que j'ai, ensemble nous aurons 98 ans. Ce problème (connu) était paraît-il posé en 1928 au certificat d’études primaires – et l’on demandait une résolution arithmétique et non algébrique.

Un certificat d'études primaires de 1921, Académie d'Aix (WikiCommons, André Payan-Passeron)

Pierre Pelloso indique que seuls 1% des personnes donnent une solution arithmétique, et 80% une solution algébrique (le reste ne sait pas résoudre, c’est le vivier des futurs ministres de l’Éducation nationale). Je défie mes lecteurs pour trouver une solution arithmétique. Je n’aime pas poser des questions dont je n’ai pas la réponse (très immodestement : tel Leibniz et son défi de la chaînette), aussi je propose une solution en premier commentaire ; mais elle est fort alambiquée, et encore je la donne en ayant en tête la solution trouvée par la méthode algébrique.

Je m’avance peut-être, mais en 1928 il y a fort peu de chances qu’on apprît au primaire à faire de l’algèbre et à poser des inconnues. Rappelez-vous, pour ceux qui ont connu çà, les problèmes de robinet et surtout de trains (qui introduisent un décalage temporel, comme ici) : il ne venait à personne l’idée de les résoudre algébriquement !

Alors à vos  (porte-)plumes ! Vous pouvez essayer de simplifier ma solution, mais je suggère plutôt que vous cherchiez par vous-même sans regarder mon premier commentaire.

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Ajout d'août 2016 : Un prolongement intéressant de ce genre de sujets se trouve dans un article BibNum que j'ai édité depuis, grâce aux auteurs J. Gavin & A. Schärlig, à propos des méthodes dites de "fausse position" (ici, nombreux exemples dans l'onglet 'Analyse' ou dans le PDF 'Analyse' à télécharger).