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Arithmétique des entiers
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Université d’Eleuthéria-Polites
Exercices
Bruno Deschamps
Exercice .— Pour un réel xdonné, on appelle partie entière (resp. partie décimale) de xl’entier
noté [x] (resp. le réel élément de [0,1[ noté {x}) et défini comme étant le plus grand entier relatif
inférieur à x(resp. l’entier égal à x[x]). Montrer les propositions suivantes :
a) x= [x]+{x}et, réciproquement, si nZet d[0,1[ sont tels que x=n+dalors n= [x] et d={x}.
b) [x]x < [x] + 1 et, réciproquement, si nZetel quenx < n + 1 alors n= [x].
b’) x1<[x]xet, réciproquement, si nZetel que x1< n xalors n= [x].
c) Si xeentier alors [x] = xet {x}= 0, et, réciproquement, si l’une de ces deux égalités evérifiée,
alors xeentier.
d) [x] = [x]1 sauf si xeentier, auquel cas [x] = [x].
e) [x] + [y][x+y][x] + [y] + 1.
f) Si m1 eun réel, alors il y a exaement [x/m] multiples de mcompris entre 1 et x.
g) Soient x < y deux réels non entiers. Montrer que [x]=[y] si et seulement si, il nexie pas
d’entier dans l’intervalle ]x,y[.
Exercice .— (Théorème de Beatty) Pour un réel λ > 0, on considère l’ensemble
Sλ={[]/ n N}
/ a) On suppose dans cette queion que λeirrationnel et l’on considère un entier k > 0.
Montrer que kSλsi et seulement si, il exie un entier n#k
λ,k+ 1
λ".
b) En déduire que si αet βsont des réels irrationnels riement positifs vérifiant 1
α+1
β= 1 alors
les ensembles Sαet Sβforment une partition de N.
/ On suppose dans cette queion donnés deux réels αet βtels que les ensembles Sαet Sβ
forment une partition de N.
a) En dénombrant, pour un entier k > 0 donné, les éléments de l’ensemble {1,···,k}, montrer que
"k
α#+"k
β#=k. En déduire, en faisant tendre kvers l’infini que, 1
α+1
β= 1.
b) En raisonnant par l’absurde, montrer que αet βsont irrationnels.
Exercice .— Pour n0 entier, calculer explicitement
X
k0"n+ 2k
2k+1 #=n+ 1
2+n+ 2
4+n+ 4
8+···
(Ind. On pourra commencer par montrer que, pour tout réel x, on a [2x]=[x] + [x+ 1/2].)
Exercice .— Montrer que pour tout n0, n(n+ 1)(n+ 2)(n+ 3) edivisible par 24, et que
n(n+ 1)(n+ 2)(n+ 3)(n+ 4) edivisible par 120.
Exercice .— Déterminer les entier n1 tels que 3n1+ 5n1divise 3n+ 5n.
Exercice .— Trouver le ree de la division euclidienne de 1001000 par 13.
Exercice .— Déterminer le dernier chire de l’écriture en base 10 de l’entier 7777777
.
Exercice .— a) Montrer que le ree de la division euclidienne par 8 du carré de tout nombre
impair e1.
b) Montrer de même que tout nombre pair vérifie x20,4 mod(8).
c) Soient a,b,c trois entiers impairs. Déterminer le ree modulo 8 de a2+b2+c2et celui de
2(ab +ac +bc). En déduire que ces deux nombres ne sont pas des carrés puis que ab +bc +ca non
plus.
Exercice .— Soient a2 et n1 tel que an+ 1 soit premier. Montrer que neen fait une
puissance de 2.
Exercice .— Soit aet ndeux entiers 1. Montrer que n
ae, soit entier, soit irrationnel.
Exercice .— Montrer que, pour tout entier k0, il exie des entiers ntel qu’il nexie aucun
nombre premier dans l’intervalle [n,n +k].
Exercice .— En s’inspirant de la preuve d’Euclide de l’infinitude de l’ensemble des nombres
premiers, montrer qu’il exie une infinité de nombre premier congru à 1 modulo 4.
Exercice .— Soient n2 un entier et a,b 1 deux entiers
a) Soit b=aq +rla division euclidienne de bpar a. Donner le quotient et le ree de la division
euclidienne de nb1 par na1 en fonion de qet r. En déduire que les propositions suivantes
i) a|b,
ii) (na1)|(nb1),
sont équivalentes.
b) Soit d > 0. Montrer que les propositions suivantes
i) d= (a,b),
ii) nd1=(na1,nb1),
sont équivalentes.
Exercice .— a) Soient p1 un entier et, pour tout i= 1,···,n, un entier non nul aipremier avec
p. Montrer que l’entier A=a1.···.anepremier avec p.
b) En déduire que si peun nombre premier alors pdivise le coecient binomial
Ci
p=p(p1)···(pi+ 1)
i(i1)···1
pour tout i= 1,···,p 1.
(Ind. On pourra utiliser le lemme de Gauss.)
c) Prouver alors que, pour tout aNet tout ppremier, on a apamod(p) (Petit théorème de
Fermat).
Exercice .— / Soit l1 un entier et c > 0 un réel. Montrer que l’ensemble
((x1,···,xl)Nl/1
x1
+···+1
xl
=c)
efini.
/ a) Soient x,y,z 1 trois entiers. Montrer que 1
x+1
y=1
zsi et seulement si, il exie trois entiers
u,v,w 1 avec (u,v) = 1 tels que
x=u(u+v)w
y=v(u+v)w
z=uvw
b) Montrer que si u,v,w,u0,v0,w01 sont six entiers tels que uvw =u0v0w0, alors u(u+v)w=
u0(u0+v0)w0si et seulement si u=u0,v=v0et w=w0.
c) En déduire que si n1 eun entier dont la décomposition en faeurs premiers en=
pe1
1···pek
kalors l’ensemble ((x,y)N2/1
x+1
y=1
n)
contient exaement Nn=
k
X
i=0
2iσ(k)
i(e1,···,ek) où σ(k)
idésigne la i-ème fonion symétrique élé-
mentaire d’ordre k(on a convenu ici que σ(k)
0= 1).
d) Prouver finalement que Nn=
k
Y
i=1
(1 + 2ei).
Exercice .— A/ (Triplets pythagoriciens) Un triplet d’entiers (x,y,z) edit pythagoricien si x2+
y2=z2. On dira d’un triplet pyhtagoricien (x,y,z) qu’il eprimitif si en plus pgcd(x,y,z) = 1.
.— Expliquer comment la recherche des triplets pythagoriciens se ramène à la recherche des
triplets pythagoriciens primitifs.
.— On suppose dans cette queion que (x,y,z) eun triplet pyhtagoricien primitif.
.a.— Montrer que les entiers x,y,z sont en fait premiers entre eux deux à deux.
.b.— En raisonant par l’absurde, montrer que zenécessairement impair. En déduire que xet
ysont de parités diérentes.
.c.— Montrer que si xeimpair alors les entiers zyet z+ysont premiers entre eux. En déduire
que chacun de ces entiers eun carré.
.— Montrer que les triplets pyhtagoriciens primitifs (x,y,z) tels que xsoit impair et ysoit pair,
sont exaement les entiers de la forme
x=kl, y =k2l2
2, z =k2+l2
2
ket lsont deux entiers impairs premiers entre eux tels que k > l. Donner alors trois exemples
de triplets pythagoriciens primitifs.
.— Montrer que les triplets pyhtagoriciens primitifs (x,y,z) tels que xsoit pair et ysoit impair,
sont exaement les entiers de la forme
x= 2nm, y =m2n2, z =m2+n2
net msont deux entiers premiers entre eux et de parités diérentes tels que m>n.
B/ (Léquation X4h+Y4h=Z4h)
.— On souhaite montrer dans cette queion que si x,y et zsojt trois entiers tel que x4+y4=z2
alors au moins un de ces entiers enul (i.e. xyz = 0). On raisonne par l’absurde en supposant
l’exience d’un triplet (x,y,z)N3tel que x4+y4=z2et xyz ,0.
.a.— Montrer que l’on peut choisir le triplet (x,y,z) de sorte que zsoit minimal, c’e-à-dire que
si (x0,y0,z0)N3désigne un triplet tel que x04+y04=z02et x0y0z0,0 alors z0z.
.b.— Montrer que xet ysont premiers entre eux et en déduire que (x2,y2,z) eun triplet
pythagoricien primitif.
Quitte à intervertir le rôle de xet de yon va supposer dans la suite que x2epair. Il exie donc
deux entiers premiers entre eux net mde parités diérentes tels que m>net x= 2nm,y=m2n2,
z=m2+n2.
.c.— Montrer qu’il exie deux entiers p > q premiers entre eux et de parité diérentes tels que
m= 2pq,y=p2q2et n=p2+q2.
.d.— Montrer que n,p et qsont des carrés et, en écrivant n=z02,p=x02et q=y02, montrer que
x04+y04=z02. En déduire une absurdité.
.— Soit h1 un entier et n= 4h. Montrer que si (x,y,z)N3esolution de l’équation
Xn+Yn=Zn
alors xyz = 0. En déduire toutes les solutions entière de cette équation.
Exercice .— ) Soient x,y R. Montrer, par récurrence sur l’entier n1, que
xnyn= (xy).
n1
X
k=0
xkyn1k
) Soient a,b,p des entiers naturels non nuls.
a) Montrer que s’il exie un entier lNtel que b=a+pl, alors pour tout hN, il exie un entier
mhNtel que bh=ah+pmh.
b) En déduire que si abedivisible par p, alors l’entier
p1
X
k=0
akbp1kl’eaussi.
c) Prouver finalement que si abedivisible par pnpour un certain entier n1, alors apbpe
divisible par pn+1.
Exercice .— Le but de cet exercice ede montrer que, pour tout n0, l’entier 7n+n3nepas
divisible par 9.
) a) Soit aN, montrer que 7a1 mod(9) si et seulement si aedivisible par 3.
b) Montrer que, pour tout n0, n30,1 ou 1 mod(9).
) On considère un entier n0 tel que 9 divise 7n+n3.
a) Montrer que n61 mod(9) et donc que 72n1 mod(9).
b) En déduire que nedivisible par 3 et conclure.
Exercice .— (Autour de la série harmonique) On considère, pour tout n1, le réel
H(n) = 1 + 1
2+···+1
n
/ Montrer que la suite (H(n))ntend vers +.
/ Prouver que, pour tout n1, v2(H(n)) = ro‘u rele plus grand entier tel que 2rn. En
déduire que H(n) neentier que pour n= 1.
/ On fixe un entier m1 et pour tout n0, on pose un=H(m+n)H(m) et an=v2(un).
a) Montrer que an=max
1knv2(m+k).
b) En déduire toutes les valeurs de net mpour lesquelles H(m+n)H(m) eentier.
/ Soit p3 un nombre premier. On écrit
H(p1) = 1 + 1
2+···+1
p1=a
b
aet bsont premiers entre eux. Montrer que pdivise a.
/ Pour n1, on pose H(n) = a(n)
b(n)a(n) et b(n) sont deux entiers positifs premiers entre eux.
On veut montrer qu’il exie une infinité d’entiers npour lesquels a(n) nepas une puissance
d’un nombre premier. On raisonne par l’absurde et l’on suppose l’exience d’un entier N1 tel
que, pour tout nN,a(n) ela puissance d’un nombre premier.
a) En utilisant le /, montrer que, pour tout n1, on a b(n)> n/2.
b) En utilisant le /et le /, montrer qu’il exie un rang N0Ntel que, pour tout nombre
premier pN0, l’entier a(p1) eune puissance au moins carrée de p.
c) Soit pN0un nombre premier. Montrer, par récurrence sur l’entier k1, que l’entier a(pk1)
eune puissance au moins carrée de p.
(Ind. On pourra remarquer que H(pk+1 1) = H(pk1)
p+
pk1
X
q=1
p1
X
r=1
1
pq +r.)
d) En déduire que a(pkp) eaussi divisible par ppour tout k2.
(Ind. On pourra remarquer que H(pkp) = H(pk1)
p1
X
r=1
1
pkr.)
e) En choisissant un premier pN0, un entier n1 tel que pnne divise pas a(p1) et un entier
k > n tel que pkp > 2pn, arriver à une contradiion.
Exercice .— (Nombres de Fermat.)
) Soit a2 et m2 deux entiers.
a) On suppose que mpossède un diviseur impair q3 et l’on pose m=kq. Montrer que l’entier
(2k+ 1) eun diviseur de l’entier 2m+ 1.
b) En déduire que si 2m+ 1 eun nombre premier alors aepair et meune puissance de 2.
) Le n-ième nombre de Fermat e, par définition, l’entier Fn= 22n+ 1.
a) Vérifier que Fneun nombre premier pour n= 0,···,4.
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