Licence 3Arithmétique

Congruences et théorème de Fermat-Euler

60 min15 exercicesSéquence 2.2Licence 3

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Durée : 60 min

Congruences et théorèmes de Fermat-Euler

1. Congruences

ab(modn)a\equiv b\pmod{n} si n(ab)n\mid(a-b).

Propriétés (relation d'équivalence compatible avec les opérations) :
- aba\equiv b et cdc\equiv d \Rightarrow a+cb+da+c\equiv b+d et acbd(modn)ac\equiv bd\pmod n
- aba\equiv b et dnd\mid n \Rightarrow ab(modd)a\equiv b\pmod d
- pgcd(c,n)=1\text{pgcd}(c,n)=1 et acbc(modn)ac\equiv bc\pmod n \Rightarrow ab(modn)a\equiv b\pmod n (simplification)

2. Anneau Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}

L'anneau des classes de résidus modulo nn est Z/nZ={0ˉ,1ˉ,,n1}\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}=\{\bar0,\bar1,\ldots,\overline{n-1}\}.

Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} est un corps ssi nn est premier.

Groupe des unités : (Z/nZ)×={aˉ:pgcd(a,n)=1}(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times = \{\bar a : \text{pgcd}(a,n)=1\}, d'ordre φ(n)\varphi(n).

3. Indicatrice d'Euler

φ(n)=card{k{1,,n}:pgcd(k,n)=1}\varphi(n) = \text{card}\{k\in\{1,\ldots,n\} : \text{pgcd}(k,n)=1\}.

- φ(p)=p1\varphi(p)=p-1 si pp premier
- φ(pk)=pkpk1=pk1(p1)\varphi(p^k)=p^k-p^{k-1}=p^{k-1}(p-1)
- φ(mn)=φ(m)φ(n)\varphi(mn)=\varphi(m)\varphi(n) si pgcd(m,n)=1\text{pgcd}(m,n)=1 (multiplicativité)

4. Théorème d'Euler

Pour pgcd(a,n)=1\text{pgcd}(a,n)=1 :

aφ(n)1(modn)a^{\varphi(n)} \equiv 1 \pmod{n}

5. Petit théorème de Fermat

Pour pp premier et pap\nmid a :

ap11(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}

Équivalent : apa(modp)a^p \equiv a\pmod p pour tout aa.

6. Théorème chinois des restes (CRT)

Si n1,,nkn_1,\ldots,n_k sont deux à deux premiers entre eux :

Z/(n1nk)ZZ/n1Z××Z/nkZ\mathbb{Z}/(n_1\cdots n_k)\mathbb{Z} \cong \mathbb{Z}/n_1\mathbb{Z} \times \cdots \times \mathbb{Z}/n_k\mathbb{Z}

Le système xai(modni)x\equiv a_i\pmod{n_i} admet une unique solution modulo N=n1nkN=n_1\cdots n_k.

Exercices

Calculer 17mod517 \bmod 5.

Vrai ou faux : Z/7Z\mathbb{Z}/7\mathbb{Z} est un corps.

Calculer φ(12)\varphi(12).

Vrai ou faux : 21001(mod5)2^{100}\equiv1\pmod5 (petit théorème de Fermat).

Calculer 3φ(10)(mod10)3^{\varphi(10)}\pmod{10} (φ(10)=4\varphi(10)=4).

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