Mathématiques : 2Bac SMA-SMB

Séance 9-1-1 : Arithmétique dans ℤ - Partie 1 (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

I- P.G.C.D - P.P.M.C

1-1/ Rappels et compléments

1-2/ Calcul pratique du P.G.C.D : algorithme d'euclide

1-3/ Nombres premiers entre eux

1-4/ Théorème de bezout

1-5/ Détermination des coefficients du théorème de bezout

1-6/ Applications du théorème de bezout

1-7/ L'équation diophantienne ax+by=c

1-8/ P.G.C.D et P.P.C.M d’un nombre fini d’entiers relatifs

1-9/ Congruence modulo n (rappels et compléments)

II- Les nombres premiers

2-1/ Rappels et compléments

2-2- Petit théorème de fermat

2-3/ Décomposition en produit de facteurs premiers

2-4/ Applications de la décomposition en produit de facteurs premiers

 


I- P.G.C.D - P.P.M.C

 

1-1/ Rappels et compléments

Définition 1

Soit a et b deux entiers relatifs non nulles.

Le plus grand commun diviseur de a et b, noté a∧b ou PGCD(a,b), est le plus grand des
diviseurs positifs communs à a et b.

Le plus petit commun multiple de a et b, noté a∨b ou PPCM(a,b), est le plus petit des multiples strictement positifs communs à a et b.

On convient que : a∧0=a et a∨0=0

 

 

Remarques

Soit a et b deux entiers relatifs non nulles. Si d=a∧b et m=a∨b alors :

- d≥1 et d/a et d/b

- m≥1 et a/m et b/m

- Pour toute c∈ℕ* : c/a et c/b⇒c/d et a/c et b/c⇒m/c

- Pour toute c∈ℕ* : c/a et c/b⇒c≤d et a/c et b/c⇒m≤c

- a∧b=d et a∧1=1 et a∧a=a∧0=a

- a∨b=m et a∨1=a et a∨a=a

 

 

Proposition 1

Soit a, b et c des entiers relatifs non nulles et n un entier naturel. Alors :

1 a∧b=b∧a2 a∨b=b∨a3 a/b⇔a∧b=a⇔a∨b=b4 a∧b∧c=a∧b∧c5 ca∧cb=ca∧b6 c/ac/b⇒ac∧bc=a∧bc 7 a∨b∨c=a∨b∨c8 ca∨cb=ca∨b9 c/ac/b⇒ac∨bc=a∨bc10 an∧bn=a∧bn11 an∨bn=a∨bn12 a∧b.a∨b=ab

 

 

1-2/ Calcul pratique du P.G.C.D : algorithme d'euclide

Proposition 2

Soit a∈ℤ* et b∈ℕ*.

Lorsque b ne divise pas a, le plus grand commun diviseur des entiers a et b est égal au dernier reste non nul obtenu grâce à l'algorithme d'Euclide.

 

 

1-3/ Nombres premiers entre eux

Définition 2

Soit a et b deux entiers relatifs non nulles.

On dit que a et b sont premiers entre eux si le seul diviseur positif commun à a et b est 1, c'est-à-dire si a∧b=1:

 

Théorème 1

Soit a et b deux entiers relatifs non nulles, et d un entier naturel non nul.

Alors :

d=a∧b⇔∃α;β∈ℤ2 a=αd et b=βd et α∧β=1

 

Théorème 2

Soit a,b∈ℤ*2

On a l’implication :

d=a∧b⇔∃u;v∈ℤ2 d=au+bv

 

Remarques

Le couple u;v n'est pas unique. Par exemple :

9∧4=1=1×9-2×4 u=1 et v=-29∧4=-43×9+97×4 u=-43 et v=97

La réciproque du théorème 2 est incorrecte, contre-exemple : 3×5+7×-1=8 mais 3∧7≠8.

 

1-4/ Théorème de bezout

Théorème 3

Soit a et b deux entiers relatifs non nulles.

Alors : a∧b=1⇔∃u;v∈ℤ2 au+bv=1

 

Applications

En utilisant le théorème de Bezout, montrer que pour tout n∈ℕ :

1 5n+3∧2n+1=12 2n-1∧3-7n=1

 

1-5/ Détermination des coefficients du théorème de bezout

L’inconvénient du théorème du Bezout, sous sa forme théorique, est qu’il ne fournit pas les coefficients u et v intervenant dans la relation au+bv=1.

L’algorithme d’Euclide fournit une réponse pratique à ce problème.

À titre d’exemple, posons : a=155 et b=23.

 

1-6/ Applications du théorème de bezout

Théorème 4

Soit a, b et c des entiers relatifs non nuls.

On a l’implication : a/bc et a∧b=1⇒a/c

Ce résultat est connu sous le nom de « Théorème de Gauss ».

Remarque

Dans le théorème de Gauss, la condition a∧b=1 est nécessaire.

Par exemple : 12/9×8 mais 12 ne divise ni le nombre 9 ni le nombre 8.

 

Théorème 5

Soit a, b et c des entiers relatifs non nuls.

On a l’implication : a/c et b/c et a∧b=1⇒ab/c

Remarque

Dans le théorème 5, la condition a∧b=1 est nécessaire.

Par exemple : 8/48 et 12/48 mais 12×8 ne divise pas 48.

 

Proposition 3

Soit a, b et c des entiers relatifs non nuls.

Alors :

1- a∧b=1 et a∧c=1⇔a∧bc=1

2- Pour tout m,n∈ℕ*2 : a∧b=1⇔a∧bn=1 et a∧b=1⇔am∧bn=1

 

1-7/ L'équation diophantienne ax+by=c

Théorème 6

Soit a, b et c des entiers relatifs tels que ab≠0

L’équation d’inconnue ax+by=c a des solutions si, et seulement si, a∧b divise c.

 

Théorème 7

Si le couple (x0;y0) est une solution de l’équation E : ax+by=c, alors l’ensemble solution de l’équation E s’écrit sous la forme :

S=x0+bka∧b;y0-aka∧b/k∈ℤ

 

1-8/ P.G.C.D et P.P.C.M d’un nombre fini d’entiers relatifs

Définition 3

Soit n un entier naturel, n≥2, et des entiers relatifs non nuls a1,a2,...an

Le plus grand commun diviseur des entiers a1,a2,...an, noté a1∧a2∧...∧an, est le plus grand des diviseurs positifs communs à a1,a2,...an.

Le plus petit commun multiple des entiers a1,a2,...an, noté a1∨a2∨...∨an ou PPCMa1,a2,...an, est le plus petit des multiples positifs communs a1,a2,...an.

 

Théorème 8

Soit n un entier naturel, n≥2, et des entiers relatifs non nuls a1,a2,...an.

I1 existe des entiers relatifs u1,u2,...un tels que : ∑i=1nai.ui=δ, où δ désigne le plus grand commun diviseur de a1,a2,...an.

 

Définition 4

Soit n un entier naturel, n≥2, et des entiers relatifs non nuls a1,a2,...an.

On dit que les entiers a1,a2,...an sont premiers entre eux si 1 est le seul diviseur positif commun à tous ces entiers, c'est-à-dire : a1∧a2∧...∧an=1

 

Remarques

Attention, dire que des entiers sont premiers entre eux ne signifie pas qu’ils sont entre eux deux à deux. Par exemple, les trois entiers a=8, b=7 et c=12 sont premiers entre eux. Pourtant, les entiers a et c ont 4 pour grand diviseur commun : a∧c=4>1

La relation a∨b.a∧b=ab n’est pas valable pour plus de deux entiers relatifs.

Contre-exemple : 6∨10∨15=30 et 6∧10∧15=1

donc : 6∨10∨15.6∧10∧15=30≠6×10×15

c'est-à-dire qu’on a en général : a∨b∨c.a∧b∧c≠abc

Le résultat du théorème 8 reste aussi valable pour plus de deux entiers. Plus précisément : n≥2 δ=a1∧a2∧...∧an signifie qu’il existe a'1,a'2,...a'n∈ℤn tel que pour tout i∈1;2;...;n : ai=δa'i et a'1∧a'2∧...∧a'n=1.

 

Théorème 9

Soit n un entier naturel, n≥2, et des entiers relatifs non nuls a1,a2,...an.

Les entiers a1,a2,...an sont premiers entre eux si, et seulement si :

∃u1;u2;...un∈ℤn ; ∑i=1nai.ui=1

Autrement dit :

a1∧a2∧...∧an=1⇔∃u1;u2;...un∈ℤn ; ∑i=1nai.ui=1

 

1-9/ Congruence modulo n (rappels et compléments)

Définition 5

Soit n un entier naturel non nul.

On dit que deux entiers relatifs a et b sont congrus modulo n si n divise b-a, c'est-à-dire s'il existe un entier k∈ℤ tel que b=a+kn.

On écrit : a≡b n

 

Proposition 4

Soit n un entier naturel non nul.

La relation « de congruence» est une relation d'équivalence sur ℤ, c'est-à-dire :

1) Elle est réflexive : ∀a∈ℤ a≡a n

2) Elle est symétrique : ∀a;b∈ℤ2 a≡b n⇒b≡a n

3) Elle est transitive : ∀a;b;c∈ℤ3 a≡b n et b≡c n⇒a≡c n

 

Proposition 5

Soit n un entier naturel non nul et a;b;c;d∈ℤ4. Alors :

1) a≡b n⇔(Les restes respectifs des divisions euclidiennes de a et b par n sont égaux)

2) Si a≡b n et c≡d n, alors : a+c≡b+d n et ac≡bd n.

3) Si a≡b n et k∈ℤ, alors : ka≡kb n

4) Si a≡b n et p∈ℕ, alors : ap≡bp n

 

Théorème 10

Soit a, b et c des entiers relatifs non nulles et n∈ℕ*.

Si d=c∧n alors :

ac≡bc n⇔a≡b nd

 

Proposition 6

Soit a, b et c des entiers relatifs non nuls et n;p∈ℕ*2 tels que c∧n=1

Alors :

1 ac≡bc n⇔a≡b n2 a≡b np/n⇒a≡b p3 ac≡bc pp premierp ne divise pas c⇒a≡b p

 

II- Les nombres premiers

 

2-1/ Rappels et compléments

Définition 6

Un entier relatif p est dit premier lorsqu’il admet exactement quatre diviseurs.

Remarques

Si p est un entier premier dans ℕ, alors -p est premier dans ℤ. C’est pourquoi dans cette section, nous nous limitons à l'ensemble ℕ des entiers naturels.

L’ensemble des nombres premiers (positifs) est noté ℙ.

Un entier n≥2 non premier est dit composé.

 

Théorème 11

Soit n un entier composé supérieur ou égal à 2. Alors :

1) Le plus petit diviseur positif de n différent de 1 est un nombre premier.

2) n est un produit de nombres premiers. En particulier, n possède au moins un diviseur premier.

3) n possède un facteur premier p tel que p2≤n.

 

Théorème 12

L'ensemble ℙ des nombres premiers positifs est infini.

 

 

Théorème 13

1) Si p et q sont deux nombres premiers positifs distincts, alors ils sont premiers entre eux.

En d’autres termes : p∈ℙ et q∈ℙ et p≠q⇒p∧q=1

2) Si p∈ℙ, alors p est premier avec tous les entiers qu'il ne divise pas.

En d'autres termes : ∀a∈ℤ ∀p∈ℙ p ne divise pas a⇒p∧a=1

 

Proposition 7

Soit a,b∈ℤ2 et p un nombre premier. Alors :

p/ab⇔p/a ou p/b

 

Corollaire

Soit a1,a2,...an des entiers relatifs et p un nombre premier. Alors :

p/a1.a2....an⇔∃i∈1;2;...;n p/ai

Soit a∈ℤ et p un nombre premier. Alors :

∀n∈ℕ* p/an⇔p/a

Soit p1,p2,...,pn et p des nombres premiers. Alors :

p/p1.p2....pn⇔∃i∈1;2;...;n p=pi

 

 

2-2- Petit théorème de fermat

Théorème 14

1) Si p est un nombre premier positif, alors il divise ap-a, pour tout a∈ℤ.

Autrement dit : ∀a∈ℤ ap≡a p

2) Si p est un nombre premier positif, alors pour tout a∈ℤ : p∧a=1⇒ap-1≡1 p

 

 

Remarques

La réciproque du petit théorème de Fermat n'est pas vraie. Autrement dit, si ap-1≡1 p, alors l’entier p n'est pas nécessairement premier. A titre d’exemple, le nombre p=341=31×11 n’est pas premier, or, il divise 2341-2 car :

2341-2=22340-1=221034-1=2210-1∑k=033210k=2×3×341×∑k=033210k

Le petit théorème de Fermat permet de calculer le reste de n'importe quel entier assez grand modulo un nombre premier positif p.

 

 

2-3/ Décomposition en produit de facteurs premiers

Théorème 15

Tout élément de ℤ*-1;-1 admet une décomposition en produit de nombres premiers, unique à
l’ordre près des facteurs.

Autrement dit, si n∈ℤ*-1;-1, il existe N∈ℕ*, ε∈1;-1, des nombres premiers deux à deux distincts p1,p2,...pN, et des entiers α1,α2,...αN tels que : n=ε.p1α1.p2α2...pNαN

Ce théorème est connu sous le nom « Théorème fondamental de l'arithmétique ».

 

 

2-4/ Applications de la décomposition en produit de facteurs premiers

Théorème 16

Soit n∈ℤ*-1;-1 et sa décomposition n=ε.p1α1.p2α2...pNαN en produit de facteurs premiers.

Les diviseurs de n sont les entiers relatifs : d=ε'.p1γ1.p2γ2...pNγN avec ∀k∈1;2;...;N 0≤γk≤αk et ε'∈1;-1

Le nombre de diviseurs positifs de n est : 1+α11+α2...1+αn