Feuille des exercices Arithmétiques des entiers Classe : MPSI (4)
Soit n≥3 un entier.
1. Soit aun entier impair. Montrer que a2n−2≡1[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 n≥1, on pose Un={z∈C,zn=1}.
1. Soit n∈N∗. 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)n∈Ndéfinie par u0=0, u1=1 et, pour
tout n∈N,un+2=un+1+un.
1. Montrer que pour tout n∈N∗,un−1un+1−u2
n= (−1)n.
2. En déduire que unet un+1sont premiers entre eux pour tout n∈N.
3. Montrer que : ∀n∈Net ∀p∈N∗,un+p=unup−1+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 a∈Net b∈N∗. 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 X2−X−1. 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 n≥2. Montrer que le calcul du pgcd de Fn+1et Fnpar l’algorithme d’Eu-
clide nécessite exactement n−1 divisions euclidiennes (i.e. le premier reste nul est
obtenu à la (n−1)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 (n−1)divisions, on a :
a≥dFn+1et b≥dFn.
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,b∈N∗avec 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 p≡1 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 n≡n0
mod ket |n0|<k
2.
1. Montrer que si pest somme de deux carrés, alors p≡1 mod 4.
2. On suppose désormais p≡1 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 :
(p−1)!≡ −1 mod p. Théorème de Wilson
(c) Montrer que : (p−1)!≡p−1
2!2
mod p. (Dans le produit (p−1)!, se
ramener à un produit d’entiers compris entre −p
2et p
2.)
(d) Montrer qu’il existe x∈Ztel que x2+1≡0 mod pet |x|<p
2.
3. On fixe x∈Ztel que x2+1≡0 mod pet |x|<p
2.
(a) Soit k∈Ztel que x2+1=kp. Montrer que k<p.
Lycée Omar Ibn El-Khattab -3- Mr. Faress Moussa