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Licence 3 · Arithmétique L3 — Théorie des nombres

Divisibilité et algorithme d'Euclide

Divisibilité dans Z\mathbb{Z}

1. Définitions

aa divise bb (aba\mid b) si kZ\exists k\in\mathbb{Z}, b=kab=ka.

Propriétés :
- aaa\mid a, 1a1\mid a, a0a\mid0
- aba\mid b et bcb\mid c \Rightarrow aca\mid c (transitivité)
- aba\mid b et aca\mid c \Rightarrow a(λb+μc)a\mid(\lambda b+\mu c) (combinaison linéaire)
- aba\mid b et bab\mid a \Rightarrow a=±ba=\pm b

2. Division euclidienne

Pour aZa\in\mathbb{Z}, bNb\in\mathbb{N}^* : il existe un unique couple (q,r)(q,r) avec r{0,,b1}r\in\{0,\ldots,b-1\} tel que :

a=bq+ra = bq + r

3. PGCD et algorithme d'Euclide

pgcd(a,b)\text{pgcd}(a,b) est le plus grand entier d>0d>0 divisant aa et bb.

Algorithme d'Euclide : répéter a=bq+ra=bq+r et remplacer (a,b)(a,b) par (b,r)(b,r) jusqu'à r=0r=0.

pgcd(a,b)=pgcd(b,r)==pgcd(d,0)=d\text{pgcd}(a,b) = \text{pgcd}(b,r) = \cdots = \text{pgcd}(d,0) = d

4. Théorème de Bézout

d=pgcd(a,b)d=\text{pgcd}(a,b) \Leftrightarrow il existe u,vZu,v\in\mathbb{Z} tels que au+bv=dau+bv=d.

Corollaire : aa et bb sont premiers entre eux (pgcd=1\text{pgcd}=1) \Leftrightarrow u,v:au+bv=1\exists u,v: au+bv=1.

Lemme de Gauss : si abca\mid bc et pgcd(a,b)=1\text{pgcd}(a,b)=1, alors aca\mid c.

5. PPCM

ppcm(a,b)=abpgcd(a,b)\text{ppcm}(a,b)=\frac{|ab|}{\text{pgcd}(a,b)}.

6. Nombres premiers

p2p\geq2 est premier si ses seuls diviseurs positifs sont 11 et pp.

Théorème fondamental : tout entier n2n\geq2 s'écrit de façon unique (à l'ordre près) comme produit de nombres premiers.

Exercices de la leçon

Exercice 1

Calculer pgcd(48,18)\text{pgcd}(48,18) par l'algorithme d'Euclide.

Corrigé

48=18×2+1248=18\times2+12. 18=12×1+618=12\times1+6. 12=6×2+012=6\times2+0. pgcd=6\text{pgcd}=6.

Exercice 2

Vrai ou faux : 6426\mid42.

Corrigé

42=6×742=6\times7. Donc 6426\mid42.

Exercice 3

Donner la division euclidienne de 100100 par 77.

Corrigé

7×14=987\times14=98, 10098=2100-98=2. Donc 100=7×14+2100=7\times14+2 avec 02<70\leq2<7.

Exercice 4

Vrai ou faux : pgcd(a,b)=pgcd(b,amodb)\text{pgcd}(a,b)=\text{pgcd}(b,a\bmod b).

Corrigé

Vrai. C'est la propriété fondamentale de l'algorithme d'Euclide. Si a=bq+ra=bq+r, alors tout diviseur commun de a,ba,b est diviseur commun de b,rb,r et vice versa.

Exercice 5

Quel est ppcm(12,8)\text{ppcm}(12,8) ?

Corrigé

pgcd(12,8)=4\text{pgcd}(12,8)=4. ppcm=12×8/4=96/4=24\text{ppcm}=12\times8/4=96/4=24.

Exercice 6

Trouver les coefficients de Bézout pour pgcd(35,12)\text{pgcd}(35,12).

Corrigé

Euclide : 35=12×2+1135=12\times2+11, 12=11×1+112=11\times1+1, 11=1×1111=1\times11.

Remontée (Bézout) :
1=1211×1=12(3512×2)=12×335×11=12-11\times1=12-(35-12\times2)=12\times3-35\times1.

Donc 35×(1)+12×3=135\times(-1)+12\times3=1. Coefficients : u=1u=-1, v=3v=3.

Vérification : 35+36=1-35+36=1 ✓.

Exercice 7

Vrai ou faux : Si pgcd(a,b)=1\text{pgcd}(a,b)=1 et abca\mid bc, alors aca\mid c (lemme de Gauss).

Corrigé

Vrai. C'est le lemme de Gauss. Preuve : pgcd(a,b)=1u,v:au+bv=1\text{pgcd}(a,b)=1\Rightarrow\exists u,v:au+bv=1. Multipliant par cc : auc+bvc=cauc+bvc=c. Comme aauca\mid auc et abca\mid bc (donc abvca\mid bvc), on a aca\mid c.

Exercice 8

Calculer pgcd(2101,2151)\text{pgcd}(2^{10}-1, 2^{15}-1).

Corrigé

Propriété : pgcd(2m1,2n1)=2pgcd(m,n)1\text{pgcd}(2^m-1,2^n-1)=2^{\text{pgcd}(m,n)}-1.

pgcd(10,15)=5\text{pgcd}(10,15)=5.

Donc pgcd(2101,2151)=251=31\text{pgcd}(2^{10}-1,2^{15}-1)=2^5-1=31.

Exercice 9

Vrai ou faux : Il existe une infinité de nombres premiers.

Corrigé

Vrai. Preuve d'Euclide : supposons une liste finie p1,,pkp_1,\ldots,p_k. Alors N=p1pk+1N=p_1\cdots p_k+1 n'est divisible par aucun pip_i (reste 11). Donc NN a un facteur premier non dans la liste : contradiction.

Exercice 10

Résoudre 7x1(mod11)7x\equiv1\pmod{11} (trouver l'inverse de 77 mod 1111).

Corrigé

Euclide : 11=7×1+411=7\times1+4, 7=4×1+37=4\times1+3, 4=3×1+14=3\times1+1.

Bézout : 1=43=4(74)=2×47=2(117)7=2×113×71=4-3=4-(7-4)=2\times4-7=2(11-7)-7=2\times11-3\times7.

Donc 7×(3)+11×2=17\times(-3)+11\times2=1, soit 7×(3)1(mod11)7\times(-3)\equiv1\pmod{11}.

38(mod11)-3\equiv8\pmod{11}. Donc l'inverse de 77 mod 1111 est 88. Vérif : 7×8=56=55+1=5×11+117\times8=56=55+1=5\times11+1\equiv1 ✓.

Exercice 11

Montrer que pgcd(n,n+1)=1\text{pgcd}(n,n+1)=1 pour tout nNn\in\mathbb{N}.

Corrigé

Preuve :

Soit d=pgcd(n,n+1)d=\text{pgcd}(n,n+1). Alors dnd\mid n et d(n+1)d\mid(n+1).

Donc d[(n+1)n]=1d\mid[(n+1)-n]=1.

Comme d1d\geq1 et d1d\mid1, on a d=1d=1. \square

Exercice 12

Vrai ou faux : pp premier et pabp\mid ab \Rightarrow pap\mid a ou pbp\mid b.

Corrigé

Vrai. C'est la propriété fondamentale des nombres premiers (Euclide). Si pap\nmid a, alors pgcd(p,a)=1\text{pgcd}(p,a)=1 (car pp est premier), et par le lemme de Gauss pbp\mid b.

Exercice 13

Résoudre l'équation diophantienne 15x+21y=615x+21y=6.

Corrigé

pgcd(15,21)=36\text{pgcd}(15,21)=3\mid6 : l'équation admet des solutions.

On divise par 33 : 5x+7y=25x+7y=2.

Bézout : 7×35×4=2120=17\times3-5\times4=21-20=1, donc 7×65×8=27\times6-5\times8=2. Solution particulière : x0=8x_0=-8, y0=6y_0=6.

Solution générale : x=8+7kx=-8+7k, y=65ky=6-5k, kZk\in\mathbb{Z} (les 7=15/37=15/3 et 5=21/35=21/3).

Exercice 14

Montrer que tout entier n2n\geq2 admet un facteur premier.

Corrigé

Preuve par descente infinie :

Si nn est premier, c'est lui-même son facteur premier.

Sinon n=abn=ab avec 1<a<n1<a<n. L'entier aa est 2\geq2. Par récurrence (ou descente sur des diviseurs strictement plus petits), aa admet un facteur premier pp. Alors pap\mid a et ana\mid n, donc pnp\mid n. \square

Exercice 15

Vrai ou faux : L'algorithme d'Euclide a une complexité O(log(min(a,b)))O(\log(\min(a,b))) étapes.

Corrigé

Vrai. Par le lemme de Lamé : le nombre d'étapes est 5log10(min(a,b))+1\leq5\log_{10}(\min(a,b))+1. En pratique on montre que les restes diminuent d'au moins moitié tous les deux pas, donnant O(logϕ(min(a,b)))O(\log_\phi(\min(a,b))) (lié aux nombres de Fibonacci).

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