Feuille des exercices Arithmétiques des entiers Classe : MPSI (4)
Exercice.1. Vu en terminale
Soit nun entier (nZ).
1. Montrer que n20[8]ou n24[8]si nest pair, n21[8]si nest impair.
2. Montrer que si nest impair, n41[8].
Exercice.2. Itération de puissance
Soit n2 et aun entier premier avec n. Pour tout kN, on note rkle reste de la
division euclidienne de akpar n.
1. Montrer que la suite rkest périodique.
2. Montrer que 13 divise 3126 +5126.
Exercice.3. Théorème de Pascal
Soit mNet (ri)ila suite d’entiers définie par r0=1 et ri+1est le reste de la division
euclidienne de 10ripar m.
1. Démontrer que, pour tout entier naturel a=an. . . a0en écriture décimale, on a
a
n
i=0
airi[m].
2. En déduire des critères simples permettant de reconnaître sur l’écriture décimale
d’un entier s’il est ou non divisible par 3, par 9, par 10, par 11.
Exercice.4. Coefficients binomiaux
1. Soit n1. Montrer que (n+1)divise 2n
n.
2. Soit p2 premier. Montrer que pdivise p
kpour k∈ {1, . . . , p1}.
3. En déduire le petit théorème de Fermat :
Si n1 et pest premier, npn[p].
4. (Plus difficile). Déduire de 2. que, pour tout NN, pour tout jN, pour tout
(x1,...,xN)ZN,ona: N
i=1
xi!pj
N
i=1
xpj
i[p].
Exercice.5. Suites et congruence
(un)une suite d’entiers naturels définie par u0=14 et un+1=5un6.
1. Montrer que pour tout entier naturel n,un+2un[4]. En déduire que pour tout
entier naturel k, on a u2k2[4]et u2k+10[4].
2. (a) Montrer que pour tout entier naturel n, on a 2un=5n+2+3.
(b) En déduire que pour tout entier naturel n, on a 2un28 [100].
Exercice.6. Suite récurrente linéaire
Démontrer que, pour tout entier n0, (35)n+ (3+5)nest divisible par 2n.
Indication : Montrer que la suite (un)nvérifie une relation de récurrence un+2=
aun+1+bunavec a,bentiers.
Exercice.7. Termes consécutifs d’une suite
Soit (un)la suite d’entiers définie par u0=14 et un+1=5un5. Démontrer que le
pgcd de deux termes consécutifs de la suite est constant. Préciser sa valeur.
Exercice.8. Calcul de pgcd
Soit a,bet ndes éléments de Z. Calculer les pgcd suivants :
1) (n2+n)(2n+1)2) (15n2+8n+6)(30n2+21n+13)
3) (a2+ab +b2)ab.
Exercice.9. pgcd et ppcm imposés
1. Résoudre, dans N2, le système : xy=18
xy=540 .
2. Généralisation : trouver une condition nécessaire et suffisante sur det mpour qu’il
existe (x,y)N2tels que xy=det xy=m.
Exercice.10.
Soit a,bet cdes entiers non nuls.
1. Montrer que c/ab =c/(ac)(bc).
2. Montrer que ab=1=a(bc) = ac.
Exercice.11. Liens entre deux pgcd
Soient a,m,nNavec a2 et mn. On note d= (an1)(am1).
1. Montrer que anar[am1].
2. En déduire que d= (ar1)(am1), puis que d=anm1.
3. A quelle condition am1/an1 ?
Exercice.12. Puissances égales
1. Montrer qu’un entier naturel qui est à la fois un carré et un cube est aussi le carré
d’un cube !
2. Généralisation : Soient a,b,n,mdes entiers naturels avec nm=1 et an=bm.
Montrer qu’il existe un entier ctel que a=cmet b=cn.
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Exercice.13. Le produit est un carré parfait
Soient aet bdeux entiers premiers entre eux tels que leur produit ab est un carré
parfait. Montrer que aet bsont deux carrés parfaits.
Exercice.14. Nombre de diviseurs d’un entier
Soit nun nombre entier, n=pα1
1. . . pαr
rsa décomposition en produit de facteurs
premiers. On note d(n)le nombre de diviseurs de n.
1. Montrer que d(n) =
r
i=1
(αi+1).
2. Montrer que nest un carré parfait si et seulement si d(n)est impair.
3. Montrer que
d/n
d=nd(n).
Exercice.15. Equation du second degré
Résoudre les équations suivantes :
1. x2+x+7=0 dans Z/13Z.
2. x24x+3=0 dans Z/12Z.
Exercice.16. Test de primalité de Miller-Rabin
Soit pun nombre premier impair que l’on écrit sous la forme p=2s.d+1.
Soit a∈ {1, . . . , p1}. On définit une suite récurrente (bi)en posant bi=ad×2i.
1. Question préliminaire : Montrer que dans Z/pZ, l’équation x2=1 entraîne x=1
ou x=1.
2. Montrer que bs1[p].
3. On suppose que b0n’est pas congru à 1 modulo p.
Montrer l’existence de i∈ {0, . . . , s1}tel que bi≡ −1[p].
4. En déduire un test de non-primalité d’un entier.
Exercice.17. Indicateur d’Euler
Pour n1 un entier, on définit l’indicateur d’Euler de npar :
φ(n) = card{k∈ {1, . . . , n}/kest premier avec n}.
1. Calculer φ(p)lorsque pest un nombre premier.
2. Calculer φ(pα), où pest premier et α1.
3. Que signifie φ(n)pour l’anneau Z/nZ?
4. En déduire que si nm=1, alors φ(nm) = φ(n)φ(m).
5. Déduire des questions précédentes une formule pour calculerφ(n)pour tout entier
n.
6. (a) Soit dun diviseur de n. On pose : Ad={1kn;kn=d}. Quel est le
cardinal de Ad?
(b) En déduire que n=
d|n
φ(d).
Exercice.18. Carrés de Z/pZ
Soit pun nombre premier impair. On rappelle que le groupe G= (Z/pZ)est cy-
clique, c’est-à-dire qu’il existe x0Gtel que {xs
0;s0}=G.
1. Soit xG. Que vaut xp1?
2. En déduire que si kest un carré dans Z/pZ, alors kp1
2=1.
3. Prouver la réciproque.
4. Soit xG. Que peut valoir x(p1)/2?
Exercice.19. Ordre d’éléments
On se propose de montrer qu’il n’existe pas d’entier n2 tel que ndivise 2n1. On
raisonne par l’absurde et on supposons qu’un tel entier nexiste. On note ple plus petit
diviseur premier de n.
1. Montrer que p>2.
2. On note ml’ordre de la classe de 2 dans (Z/pZ), montrer que :
m/p1 et m/n. Conclure.
Exercice.20. Carrés de Z/nZ
On considère l’équation x2=1 dans Z/nZ, où n2.
1. Quel est le nombre de solutions pour n=pα, α1 et pest un nombre premier
impair ?
2. Quel est le nombre de solutions pour n=2, 4 ?
3. Quel est le nombre de solutions pour n=2α,α3 ?
4. Quel est le nombre de solutions pour une valeur quelconque de n?
Exercice.21. Théorème de Wilson
Le but de cet exercice est de démontrer le théorème de Wilson :
Un entier n2 est premier si et seulement si (n1)!≡ −1[n].
1. Soit p2 premier. Combien de solutions l’équation x2=1 admet-elle de solutions
dans Z/pZ?
2. Soit p2 premier. Montrer que (p1)!=1[p].
3. Soit n2 un entier tel que ndivise (n1)!+1. Montrer que pour tout a
{1, . . . , n1},aest inversible dans (Z/nZ,×). En déduire que nest premier.
Exercice.22. Un groupe d’inversibles non cyclique
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Soit n3 un entier.
1. Soit aun entier impair. Montrer que a2n21[2n].
2. Le groupe (Z/(2nZ))est-il cyclique ?
Indication :
1. Procéder par récurrence sur n.
2. Combien y-a-t-il d’éléments dans (Z/(2nZ))?
Exercice.23. Lemme-chinois-version-racines-de-1
Pour tout entier n1, on pose Un={zC,zn=1}.
1. Soit nN. Démontrer que Unest un sous-groupe de (C,×).
2. Soient aet bdeux entiers 1.
Soit l’application f:Uab Ua×Ubdéfinie par f(z) = (zb,za).
(a) Démontrer que fest bien définie.
(b) Démontrer que fest un morphisme de groupes.
(c) On suppose aet bpremiers entre eux. Démontrer que fest injective.
(d) On suppose toujours aet bpremiers entre eux. Déduire de la question précé-
dente que fest surjective.
Exercice.24. Fibonacci-et-pgcd
On appelle suite de Fibonacci la suite (un)nNdéfinie par u0=0, u1=1 et, pour
tout nN,un+2=un+1+un.
1. Montrer que pour tout nN,un1un+1u2
n= (1)n.
2. En déduire que unet un+1sont premiers entre eux pour tout nN.
3. Montrer que : nNet pN,un+p=unup1+un+1up(indication : faire une
récurrence sur p).
4. En déduire que pour tous (n,p)N2, pgcd(un+p,up) = pgcd(un,up).
5. Soient aNet bN. Soit rle reste de la division euclidienne de apar b. Montrer
que pgcd(ua,ub) = pgcd(ub,ur).
6. Montrer que pour tous (m,n)N2, pgcd(um,un) = upgcd(m,n)
(indication : s’inspirer de l’algorithme d’Euclide).
Exercice.25. Complexité de l’algorithme d’Euclide
On rappelle que la suite de Fibonacci (Fn)nest l’unique suite vérifiant F0=0, F1=1
et pour tout entier naturel n,Fn+2=Fn+1+Fn.
1. Déterminer les racines réelles de X2X1. On désignera par ϕla plus grande et
b
ϕla plus petite. Montrer que les suites (ϕn)net (b
ϕn)nvérifie la même relation de
récurrence que Fn.
2. Déterminer deux réels λet µtels que pour tout entier n,Fn=λϕn+µb
ϕn. En dé-
duire que Fn=E1
5ϕn+1
2.
3. Soit n2. Montrer que le calcul du pgcd de Fn+1et Fnpar l’algorithme d’Eu-
clide nécessite exactement n1 divisions euclidiennes (i.e. le premier reste nul est
obtenu à la (n1)edivision). Quel est ce pgcd ?
4. Démontrer le théorème de Lamé :
Soient aet bdeux entiers tels que 0 <b<aet de pgcd d. Montrer que si l’algo-
rithme d’Euclide s’arrête au bout de (n1)divisions, on a :
adFn+1et bdFn.
5. Soit N(a,b)le nombre de divisions euclidiennes à effectuer pour déterminer le
pgcd de aet bpar l’algorithme d’Euclide. En déduire qu’il existe deux constantes
réelles (à préciser) αet βtelles que pour tous les entiers a,bNavec a>b>0,
N(a,b)αln b+β.
Exercice.26. Entiers sommes de deux carrés
On se propose de démontrer le théorème suivant, énoncé par Fermat et complète-
ment démontré par Euler.
Le nombre premier impair pest somme de deux carrés si et seulement si p1 mod 4.
Dans tous le problème, pest un entier naturel premier impair. On rappelle que si kest
un entier impair, alors pour tout entier nil existe un unique entier n0tel que nn0
mod ket |n0|<k
2.
1. Montrer que si pest somme de deux carrés, alors p1 mod 4.
2. On suppose désormais p1 mod 4. On rappelle que l’anneau Z/pZdes entiers
modulo pest un corps.
(a) Montrer que 1 et 1 sont leur propre inverse modulo p, et que ce sont les
seuls.
(b) En regroupant les éléments de Z/pZpar paires, montrer que :
(p1)!≡ −1 mod p. Théorème de Wilson
(c) Montrer que : (p1)!p1
2!2
mod p. (Dans le produit (p1)!, se
ramener à un produit d’entiers compris entre p
2et p
2.)
(d) Montrer qu’il existe xZtel que x2+10 mod pet |x|<p
2.
3. On fixe xZtel que x2+10 mod pet |x|<p
2.
(a) Soit kZtel que x2+1=kp. Montrer que k<p.
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(b) Soit E={qN|il existe a,bNtels que a2+b2=qp}. Montrer que E
contient un élément compris entre 1 et p1. Soit mle minimum de Eet on
fixe aet bdans Ntels que a2+b2=mp.
(c) Montrer que mest impair. (Raisonner par l’absurde : aet bseraient de même
parité et développer (a+b
2)2+ ( ab
2)2.)
4. On se propose de montrer que m=1. On raisonne par l’absurde en supposant
m3.
(a) Établir l’identité de Lagrange :
(α2+β2)(γ2+δ2) = (αγ +βδ)2+ (αδ βγ)2.
(b) Soient a0et b0Ztels que |a0|<m
2,|b0|<m
2, et a0amod m,b0b
mod m. Soit n=a2
0+b2
0. Montrer que n6=0.
(c) Montrer qu’il existe uNtel que n=um, puis que 1 um
2.
(d) Montrer que up est une somme de deux carrés d’entiers. (On partira du pro-
duit (um)(mp)et on utilisera l’identité de Lagrange.)
(e) Conclure.
5. Déterminer l’ensemble des entiers nNqui sont somme de deux carrés.
Exercice.27.
Soit xun nombre réel. On définit deux suites (dn)net (εn)nde la manière suivante :
IOn pose d0=E(x)et ε0=xE(x)E(x)désigne la partie entière de x.
IPour tout nN, on pose dn+1=E(10εn)et εn+1=10εnE(10εn).
1. Dans cette question uniquement, on suppose x=123, 456. Calculer d0,d1,d2,d3et
ε0,ε1,ε2,ε3. Que valent dnet εnpour n>4 ?
2. On revient au cas général.
(a) Montrer que pour tout nN,εn[0, 1[.
(b) En déduire que pour tout nN,dn∈ {0, . . . , 9}.
(c) On pose Sn=
n
k=0
dk10kpour tout nN. Montrer que x=Sn+εn
10npour tout
nN.
(d) En déduire que (Sn)nconverge vers x.
3. Soient TNet NN. On suppose que la suite (dn)nest T-périodique à partir
du rang N.
(a) Pour nN, on pose un=10N+TSn+N+T10NSn+N. Montrer que la suite
(un)nest constante.
(b) En déduire qu’il existe pZtel que pour tout nN, 10N+TSn+N+T
10NSn+N=p.
(c) En déduire que xest rationnel.
4. Soit αle nombre dont l’écriture décimale est 0, 123456456456456 . . .. Montrer que
αest rationnel et l’écrire sous la forme d’une fraction de deux entiers.
5. On suppose que xest rationnel. Il existe donc aZet bNtel que x=a
b. On
définit deux suites (qn)net (rn)nde la manière suivante.
Iq0et r0sont respectivement le quotient et le reste de la division euclidienne de
apar b.
IPour tout nN,qn+1et rn+1sont respectivement le quotient et le reste de la
division euclidienne de 10rnpar b.
(a) Justifier qu’il existe deux entiers naturels Net Mdistincts tels que rN=rM.
(b) En déduire que (rn)nest périodique à partir d’un certain rang.
(c) En déduire que (qn)nest également périodique à partir d’un certain rang.
(d) Montrer que pour tout nN,rn=bεnet qn=dn. On a donc prouvé que la
suite (dn)nétait périodique à partir d’un certain rang.
6. On suppose que x=13
35 . Déterminer NNet TNtels que la suite (dn)nsoit
T-périodique à partir du rang N.
`````
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