Arithmétique dans ℤ

الحسابيات في ℤ

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📚 Contenu du cours

I. Rappels : divisibilité et division euclidienne

Divisibilité

Pour a ∈ ℤ, b ∈ ℤ*, on dit que b divise a (b | a) s'il existe k ∈ ℤ tel que a = bk.

Division euclidienne

Pour tout a ∈ ℤ et b ∈ ℕ*, il existe un unique (q, r) ∈ ℤ × ℕ tel que a = bq + r avec 0 ≤ r < b.

II. Congruences modulo n (approfondissement)

Définition

Soit n ∈ ℕ*. a ≡ b [n] ⇔ n | (a − b) ⇔ a et b ont le même reste dans la division par n.

Opérations compatibles

Si a ≡ a' [n] et b ≡ b' [n], alors :

  • a + b ≡ a' + b' [n]
  • a · b ≡ a' · b' [n]
  • ak ≡ a'k [n] pour tout k ∈ ℕ
  • P(a) ≡ P(a') [n] pour tout polynôme P à coefficients entiers

Simplification dans une congruence

ac ≡ bc [n] n'implique pas a ≡ b [n] en général. Mais :

Si pgcd(c, n) = 1 : ac ≡ bc [n] ⇒ a ≡ b [n]

III. PGCD, PPCM — rappels et approfondissements

Propriétés du PGCD

  • pgcd(a, b) = pgcd(b, a − bq) pour tout q ∈ ℤ (base de l'algorithme d'Euclide).
  • Tout diviseur commun de a et b divise pgcd(a, b).
  • pgcd(ka, kb) = |k| · pgcd(a, b).

Caractérisation du PGCD

d = pgcd(a, b) ⇔ d ≥ 0, d | a, d | b, et tout diviseur commun de a et b divise d.

Relation PGCD × PPCM

pgcd(a, b) × ppcm(a, b) = |a × b|

IV. Théorème de Bézout

Identité de Bézout

Pour tous a, b ∈ ℤ non tous deux nuls, il existe u, v ∈ ℤ tels que :

au + bv = pgcd(a, b)

Forme caractéristique (nombres premiers entre eux)

pgcd(a, b) = 1 ⇔ ∃ u, v ∈ ℤ, au + bv = 1

Algorithme d'Euclide étendu

Les coefficients u, v s'obtiennent par remontée des divisions successives de l'algorithme d'Euclide.

V. Théorème de Gauss

Énoncé

Si a | bc et pgcd(a, b) = 1, alors a | c.

Corollaires utiles

  • Si a | n, b | n et pgcd(a, b) = 1, alors ab | n.
  • Si pgcd(a, n) = 1 et pgcd(b, n) = 1, alors pgcd(ab, n) = 1.
  • Si pgcd(a, b) = 1, alors pgcd(ak, bm) = 1 pour tous k, m ∈ ℕ.

VI. Nombres premiers — approfondissement

Lemme d'Euclide

Si p est premier et p | ab, alors p | a ou p | b.

Théorème fondamental de l'arithmétique

Tout n ≥ 2 se décompose, de manière unique (à l'ordre près), en produit de facteurs premiers :

n = p1α1 · p2α2 · ... · pkαk

Nombre de diviseurs

Si n = p1α1·...·pkαk, le nombre de diviseurs positifs de n est :

τ(n) = (α1 + 1)(α2 + 1)...(αk + 1)

VII. Petit théorème de Fermat

Énoncé

Soit p un nombre premier et a un entier.

  • Si p ne divise pas a : ap−1 ≡ 1 [p]
  • Pour tout a : ap ≡ a [p]

Applications

  • Calcul rapide de restes de puissances élevées modulo un nombre premier.
  • Critères d'irréductibilité, tests de primalité (test de Fermat).
  • Résolution d'équations du type an ≡ b [p].

Exemple

Calculer 32024 mod 7. Comme 7 est premier et 7 ∤ 3 : 36 ≡ 1 [7]. Or 2024 = 6·337 + 2. Donc 32024 = (36)337·3² ≡ 1·9 ≡ 2 [7].

VIII. Équations diophantiennes ax + by = c

Critère d'existence de solutions

ax + by = c admet des solutions (x, y) ∈ ℤ² si et seulement si pgcd(a, b) | c.

Méthode complète

  1. Calculer d = pgcd(a, b). Si d ∤ c : pas de solution.
  2. Diviser par d : a'x + b'y = c' avec pgcd(a', b') = 1.
  3. Chercher une solution particulière (x0, y0) par Bézout.
  4. Solution générale : x = x0 + b'·k, y = y0 − a'·k pour k ∈ ℤ.

IX. Systèmes de congruences — théorème chinois

Théorème chinois des restes

Soient m, n ∈ ℕ* avec pgcd(m, n) = 1. Pour tous a, b ∈ ℤ, le système :

{ x ≡ a [m]   et   x ≡ b [n] }

admet une unique solution modulo mn.

Résolution pratique

  1. Écrire x = a + mk pour un k ∈ ℤ.
  2. Reporter dans la deuxième : a + mk ≡ b [n] ⇒ mk ≡ b − a [n].
  3. Comme pgcd(m, n) = 1, m est inversible modulo n : k ≡ m−1(b − a) [n].
  4. Remonter : x = a + mk = a + m·[m−1(b − a) mod n] mod mn.

X. Critères de divisibilité (applications)

  • Par 3 ou 9 : un entier est divisible par 3 (resp. 9) ssi la somme de ses chiffres l'est. (Car 10 ≡ 1 [3] et [9].)
  • Par 11 : somme alternée des chiffres divisible par 11. (Car 10 ≡ −1 [11].)
  • Par 7 : le nombre formé en soustrayant 2× le dernier chiffre au nombre privé de son dernier chiffre est divisible par 7.
  • Par 4 : les 2 derniers chiffres forment un nombre divisible par 4.
  • Par 8 : les 3 derniers chiffres forment un multiple de 8.

🔑 Formules clés à retenir

  • Division euclidienne : a = bq + r, 0 ≤ r < b
  • Congruences : a ≡ b [n] ⇔ n | (a−b) · stable par +, ×, ^k
  • Algorithme d'Euclide : pgcd(a, b) = pgcd(b, a mod b)
  • Bézout : pgcd(a,b) = 1 ⇔ ∃ u,v : au + bv = 1
  • Gauss : a | bc et pgcd(a,b) = 1 ⇒ a | c
  • Petit Fermat : p premier, p ∤ a ⇒ ap−1 ≡ 1 [p]
  • Fermat (forme générale) : ap ≡ a [p]
  • Chinois : pgcd(m,n) = 1 ⇒ {x ≡ a [m], x ≡ b [n]} unique mod mn
  • ax + by = c : solutions ⇔ pgcd(a,b) | c · générale : (x₀+b'k, y₀−a'k)
  • τ(n) : si n = Πpiαi, alors τ(n) = Π(αi+1)
⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

🔴 Pièges classiques

Petit Fermat : p ne doit pas diviser a : le théorème dit ap−1 ≡ 1 [p] seulement si pgcd(a,p)=1. Si p | a, alors a ≡ 0 [p] et ap−1 ≡ 0 [p], pas 1 !

Congruences et division : on ne peut pas "diviser" des deux côtés d'une congruence sauf si le diviseur est premier avec le modulus. 6 ≡ 2 [4] ne donne pas 3 ≡ 1 [4] après division par 2 (car pgcd(2,4)≠1) !

Théorème chinois : vérifier pgcd(m,n)=1 : le théorème des restes chinois exige que m et n soient premiers entre eux. Si pgcd(m,n) > 1, le système peut ne pas avoir de solution.

🟢 Astuces de pros

Calcul de an mod p : utiliser le petit Fermat + décomposition de n en quotient-reste par p−1. Ex : 3100 mod 7 : 36 ≡ 1 [7] (Fermat), 100 = 6×16+4, donc 3100 ≡ 34 = 81 ≡ 4 [7].

Trouver τ(n) rapidement : décompose n = p₁α₁·p₂α₂·... puis τ(n) = (α₁+1)(α₂+1)... Ex : τ(12) = τ(2²·3) = 3×2 = 6 diviseurs (1, 2, 3, 4, 6, 12).

💡

Algorithme de Bézout : remonte les étapes d'Euclide pour exprimer pgcd(a,b) = ua + vb. Cette combinaison linéaire donne une solution particulière de l'équation diophantienne ax + by = pgcd(a,b).