La formule de Stirling
Yves Coudène, septembre 2006

Voici une preuve de la formule de Stirling qui utilise la méthode de Laplace.

Théorème : n! ∼nn+1∕2e−n2π

Preuve

Commençons par exprimer la factorielle à l’aide de la fonction Γ :

n! = Γ(n + 1) = ∫ ⁡0+∞e−ttndt

Effectuons les changements t = n(1 + u) et u = s∕n dans cette intégrale.

Γ(n + 1) = ∫ 0+∞e−ttndt = (∫ −1+∞en(ln(1+u)−u)du)nn+1e−n = (∫ −n+∞en ln(1+ s n)− s n)ds)nn+1∕2e−n

On utilise ensuite les deux inégalités suivantes :

Si u ≤ 1, ln ⁡(1 + u) − u ≤−u2 4

Si u ≥ 1, ln ⁡(1 + u) − u ≤ (ln ⁡2 − 1)u ≤−0,3u

La deuxième inégalité provient de la décroissance de ln ⁡(1 + u)∕u sur [0,+∞[.

Pour les valeurs de s appartenant à l’intervalle [−n,n], on peut appliquer le théorème de convergence dominée. En effet, la première inégalité montre que la fonction en(ln ⁡(1+ s n)− s n) est majorée par e−s2∕4 , qui est intégrable. De plus elle converge vers e−s2∕2 . Par conséquent :

∫ −nnen(ln(1+ s n)− s n)ds→∫ ℝe−s2∕2ds = 2π

L’intégrale sur l’intervalle [n,+∞[ se majore grace à la seconde inégalité :

∫ n+∞en ln(1+s∕n)−s∕n)ds ≤∫ n+∞e−0,3nsds = e−0,3n 0,3n→0.

Voici un encadrement plus précis (cf Feller, Introduction to Probability).

Théorème : 1 ≤ n! nn+1∕2e−n2π ≤ e 1 12n

Preuve

Soit un = ln ⁡ ( n! nne−nn ). En vertu de l’égalité : ath(t) = 1 2 ln ⁡ (1+t 1−t ), on a :

un+1 − un = 1 −(2n + 1) 2 ln ⁡ (1 + 1 n ) = 1 − (2n + 1)ath ( 1 2n + 1 ) = −∑ ⁡ i≥1 1 2i + 1 1 (2n + 1)2i = −1 3 1 (2n + 1)2 −1 5 1 (2n + 1)4 −⋯ ≥ −1 3∑ ⁡ k≥1 1 (2n + 1)2k = 1 12 1 n(n + 1) = 1 12 ( 1 n + 1 − 1 n )

Donc un − 1 12n est croissante, bornée, donc convergente; sa limite est égale à celle de un. Au final, un − 1 12n ≤ ln ⁡(2π) ≤ un.