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Licence 3 · Arithmétique L3 — Théorie des nombres

Congruences et théorème de Fermat-Euler

Congruences et théorèmes de Fermat-Euler

1. Congruences

a≡b(modn)a\equiv b\pmod{n} si n∣(a−b)n\mid(a-b).

Propriétés (relation d'équivalence compatible avec les opérations) :
- a≡ba\equiv b et c≡dc\equiv d ⇒\Rightarrow a+c≡b+da+c\equiv b+d et ac≡bd(modn)ac\equiv bd\pmod n
- a≡ba\equiv b et d∣nd\mid n ⇒\Rightarrow a≡b(modd)a\equiv b\pmod d
- pgcd(c,n)=1\text{pgcd}(c,n)=1 et ac≡bc(modn)ac\equiv bc\pmod n ⇒\Rightarrow a≡b(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,…,n−1‾}\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)=p−1\varphi(p)=p-1 si pp premier
- φ(pk)=pk−pk−1=pk−1(p−1)\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 p∤ap\nmid a :

ap−1≡1(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}

Équivalent : ap≡a(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/(n1⋯nk)Z≅Z/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 x≡ai(modni)x\equiv a_i\pmod{n_i} admet une unique solution modulo N=n1⋯nkN=n_1\cdots n_k.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Calculer 17 mod 517 \bmod 5.

Corrigé

17=5×3+217=5\times3+2. Donc 17≡2(mod5)17\equiv2\pmod5.

Exercice 2

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

Corrigé

Vrai. 77 est premier, donc Z/7Z\mathbb{Z}/7\mathbb{Z} est un corps (tout élément non nul est inversible).

Exercice 3

Calculer φ(12)\varphi(12).

Corrigé

12=4×3=22×312=4\times3=2^2\times3. φ(12)=φ(4)φ(3)=2×2=4\varphi(12)=\varphi(4)\varphi(3)=2\times2=4. Les entiers ≤12\leq12 premiers à 1212 : {1,5,7,11}\{1,5,7,11\}.

Exercice 4

Vrai ou faux : 2100≡1(mod5)2^{100}\equiv1\pmod5 (petit théorème de Fermat).

Corrigé

p=5p=5, 5∤25\nmid2. Par Fermat : 24≡1(mod5)2^4\equiv1\pmod5. Comme 100=4×25100=4\times25, 2100=(24)25≡125=1(mod5)2^{100}=(2^4)^{25}\equiv1^{25}=1\pmod5 ✓.

Exercice 5

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

Corrigé

pgcd(3,10)=1\text{pgcd}(3,10)=1 et φ(10)=4\varphi(10)=4. Par le théorème d'Euler : 34≡1(mod10)3^4\equiv1\pmod{10}. Vérif : 34=81=80+1≡13^4=81=80+1\equiv1 ✓.

Exercice 6

Résoudre x≡3(mod5)x\equiv3\pmod5 et x≡2(mod7)x\equiv2\pmod7 (CRT).

Corrigé

CRT : N=5×7=35N=5\times7=35.
M1=35/5=7M_1=35/5=7, M2=35/7=5M_2=35/7=5.

7y1≡1(mod5)7y_1\equiv1\pmod5 : 2y1≡1(mod5)2y_1\equiv1\pmod5, y1=3y_1=3 (2×3=6≡12\times3=6\equiv1).
5y2≡1(mod7)5y_2\equiv1\pmod7 : 5y2≡1(mod7)5y_2\equiv1\pmod7, y2=3y_2=3 (5×3=15≡15\times3=15\equiv1).

x0=3×7×3+2×5×3=63+30=93≡93−2×35=23(mod35)x_0=3\times7\times3+2\times5\times3=63+30=93\equiv93-2\times35=23\pmod{35}.

Vérif : 23=4×5+3≡3(mod5)23=4\times5+3\equiv3\pmod5 ✓, 23=3×7+2≡2(mod7)23=3\times7+2\equiv2\pmod7 ✓.

Exercice 7

Calculer 21000(mod13)2^{1000}\pmod{13} (Fermat, p=13p=13).

Corrigé

p=13p=13, 13∤213\nmid2. Fermat : 212≡1(mod13)2^{12}\equiv1\pmod{13}.

1000=12×83+41000=12\times83+4.

21000=212×83+4=(212)83×24≡183×16≡16(mod13)2^{1000}=2^{12\times83+4}=(2^{12})^{83}\times2^4\equiv1^{83}\times16\equiv16\pmod{13}.

16=13+3≡3(mod13)16=13+3\equiv3\pmod{13}.

Exercice 8

Vrai ou faux : φ\varphi est multiplicatif, i.e., φ(mn)=φ(m)φ(n)\varphi(mn)=\varphi(m)\varphi(n) si pgcd(m,n)=1\text{pgcd}(m,n)=1.

Corrigé

Vrai. La multiplicativité de φ\varphi découle du CRT : (Z/mn)×≅(Z/m)××(Z/n)×(\mathbb{Z}/mn)^\times\cong(\mathbb{Z}/m)^\times\times(\mathbb{Z}/n)^\times si pgcd(m,n)=1\text{pgcd}(m,n)=1.

Exercice 9

Démontrer le petit théorème de Fermat en utilisant le binôme.

Corrigé

Preuve par récurrence sur a≥0a\geq0 :

Base : 0p=0≡0(modp)0^p=0\equiv0\pmod p ✓.

Hérédité : Supposons ap≡a(modp)a^p\equiv a\pmod p. Alors :
(a+1)p=∑k=0p(pk)ak(a+1)^p=\sum_{k=0}^p\binom{p}{k}a^k.

Pour 0<k<p0<k<p : p∣(pk)p\mid\binom{p}{k} (car pp premier divise p!p! mais pas k!(p−k)!k!(p-k)! pour 0<k<p0<k<p).

Donc (a+1)p≡ap+1≡a+1(modp)(a+1)^p\equiv a^p+1\equiv a+1\pmod p. □\square

Exercice 10

Vrai ou faux : Si nn est composé, alors an−1≡1(modn)a^{n-1}\equiv1\pmod n pour tout aa avec pgcd(a,n)=1\text{pgcd}(a,n)=1.

Corrigé

Faux en général (mais vrai pour les nombres de Carmichael, exception rare). En général pour nn composé il existe des aa premiers à nn avec an−1≢1(modn)a^{n-1}\not\equiv1\pmod n, ce qui est la base du test de primalité de Fermat.

Exercice 11

Calculer φ(pk)\varphi(p^k) pour pp premier et k≥1k\geq1.

Corrigé

Les entiers entre 11 et pkp^k non premiers à pkp^k sont exactement les multiples de pp : p,2p,…,pk−1⋅pp, 2p, \ldots, p^{k-1}\cdot p. Il y en a pk−1p^{k-1}.

φ(pk)=pk−pk−1=pk−1(p−1)\varphi(p^k) = p^k - p^{k-1} = p^{k-1}(p-1). □\square

Exercice 12

Vrai ou faux : L'ordre de aa dans (Z/pZ)×(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\times divise p−1p-1.

Corrigé

Vrai. (Z/pZ)×(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\times est un groupe d'ordre p−1p-1. Par le théorème de Lagrange, l'ordre de tout élément divise l'ordre du groupe.

Exercice 13

Montrer que n∣φ(an−1)n\mid\varphi(a^n-1) pour pgcd(a,p)=1\text{pgcd}(a,p)=1.

Corrigé

Posons N=an−1N=a^n-1. Alors an≡1(modN)a^n\equiv1\pmod N.

L'ordre de aa dans (Z/NZ)×(\mathbb{Z}/N\mathbb{Z})^\times divise nn. D'autre part ak≡1(modN)a^k\equiv1\pmod N implique N∣ak−1N\mid a^k-1. Pour k<nk<n, ak−1<an−1=Na^k-1<a^n-1=N, donc ak≢1(modN)a^k\not\equiv1\pmod N. L'ordre est exactement nn.

Par Lagrange : n∣∣(Z/NZ)×∣=φ(N)=φ(an−1)n\mid|(\mathbb{Z}/N\mathbb{Z})^\times|=\varphi(N)=\varphi(a^n-1). □\square

Exercice 14

Trouver toutes les solutions de x2≡1(mod15)x^2\equiv1\pmod{15}.

Corrigé

CRT : Z/15≅Z/3×Z/5\mathbb{Z}/15\cong\mathbb{Z}/3\times\mathbb{Z}/5.

x2≡1(mod3)x^2\equiv1\pmod3 : x≡±1(mod3)x\equiv\pm1\pmod3, i.e., x≡1x\equiv1 ou x≡2x\equiv2.
x2≡1(mod5)x^2\equiv1\pmod5 : x≡±1(mod5)x\equiv\pm1\pmod5, i.e., x≡1x\equiv1 ou x≡4x\equiv4.

4 solutions mod 15 :
- (1,1)→x≡1(mod15)(1,1)\to x\equiv1\pmod{15}
- (1,4)→x≡4(1,4)\to x\equiv4 (vérif: 42=16≡14^2=16\equiv1 ✓)
- (2,1)→x≡11(2,1)\to x\equiv11 (112=121=8×15+1≡111^2=121=8\times15+1\equiv1 ✓)
- (2,4)→x≡14≡−1(2,4)\to x\equiv14\equiv-1 (142=196=13×15+1≡114^2=196=13\times15+1\equiv1 ✓)

Exercice 15

Vrai ou faux : Le groupe (Z/pZ)×(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\times est cyclique (il existe un générateur).

Corrigé

Vrai. (Z/pZ)×(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\times est un groupe abélien d'ordre p−1p-1. Tout groupe abélien fini est produit de groupes cycliques. De plus, pour pp premier, ce groupe est cyclique (il admet une racine primitive modulo pp). C'est un résultat classique non trivial.

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