Etudes arithmétiques

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Etudes arithmétiques
Exercice 1 [ 01225 ] [Correction]
Soit n∈N, montrer √n∈Q⇐⇒ ∃m∈N, n =m2
En déduire que√2/∈Qet√3/∈Q
Exercice 2 [ 01211 ] [Correction]
Soient aet bdeux entiers relatifs tels que a2|b2. Montrer que a|b.
Exercice 3 [ 01212 ] [Correction]
Soit x∈Q. On suppose qu’il existe n∈N∗tel que xn∈Z. Montrer que x∈Z.
Exercice 4 [ 01213 ] [Correction]
Soient a, b ∈N∗. On suppose qu’il existe m, n premiers entre eux tels que am=bn.
Montrer qu’il existe c∈N∗tel que a=cnet b=cm.
Exercice 5 [ 01214 ] [Correction]
On divise un cercle en narcs égaux et on joint les points de division de pen p
jusqu’à ce qu’on revienne au point de départ. Quel est le nombre de côtés du
polygone construit ?
Exercice 6 [ 03669 ] [Correction]
On étudie l’équation algébrique
(E): xn+an−1xn−1+··· +a1x+a0= 0
d’inconnue xet où les coefficients a0, a1, . . . , an−1sont supposés entiers.
Montrer que les solutions réelles de (E)sont entières ou irrationnelles.
Exercice 7 [ 02361 ] [Correction]
Soit P∈Z[X]et a, b deux entiers relatifs avec b > 0et√birrationnel.
a) Exemple : montrer que√6est irrationnel.
b) Quelle est la forme de (a+√b)n?
c) Montrer que si a+√best racine de Palors a−√baussi.
d) On suppose que a+√best racine double de P. Montrer que P=RQ2avec R
et Qdans Z[X].
Exercice 8 [ 03681 ] [Correction]
On note d(n)le nombre de diviseurs positifs de n∈N∗.
Déterminer un équivalent de
1
n
n
X
k=1
d(k)
représentant la moyenne du nombre de diviseurs positifs des entiers inférieurs à n.
Exercice 9 [ 01227 ] [Correction]
Soit n∈N\ {0,1}. Montrer que nest le produit de ses diviseurs non triviaux si,
et seulement si, n=p3avec p∈ P ou n=p1p2avec p1, p2∈ P distincts.
Exercice 10 [ 01228 ] [Correction]
Soient p∈ P et α∈N∗. Déterminer les diviseurs positifs de pα.
Exercice 11 [ 01229 ] [Correction]
Soit n∈N\ {0,1}et n=QN
k=1 pαk
ksa décomposition primaire.
Quel est le nombre de diviseurs positifs de n?
Exercice 12 [ 01230 ] [Correction]
Soit n∈N\ {0,1}dont la décomposition primaire est
n=
N
Y
i=1
pαi
i
On note d(n)le nombre de diviseurs supérieurs ou égaux à 1 de net σ(n)la
somme de ceux-ci.
Montrer
d(n) =
N
Y
i=1
(αi+ 1) et σ(n) =
N
Y
i=1
pαi+1
i−1
pi−1
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Exercice 13 [ 01231 ] [Correction]
Soit σ:Z→Nqui à n∈Zassocie la somme de diviseurs positifs de n.
a) Soit p∈ P et α∈N∗. Calculer σ(pα).
b) Soient a, b ∈Zpremiers entre eux.
Montrer que tout diviseur positif ddu produit ab s’écrit de manière unique
d=d1d2avec d1et d2diviseurs positifs de aet b.
c) En déduire que si aet bsont premiers entre eux alors σ(ab) = σ(a)σ(b).
d) Exprimer σ(n)en fonction de la décomposition primaire de n.
Exercice 14 [ 03725 ] [Correction]
[Théorème d’Aubry] Soit Nun entier strictement positif.
On suppose que le cercle d’équation x2+y2=Npossède un point rationnel
(x0, y0).
On introduit (x0
0, y0 0)un point entier obtenu par arrondi de (x0, y0).
En étudiant l’intersection du cercle avec la droite joignant (x0, y0)et (x0
0, y0 0),
montrer que le cercle contient un point entier (x1, y1).
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
(⇐= ) ok
( =⇒)Si√n∈Qalors on peut écrire√n=p
qavec p∧q= 1.
On a alors q2n=p2donc n|p2
De plus q2n=p2et p2∧q2= 1 donne p2|n.
Par double divisibilité n=p2.
ni 2, ni 3 ne sont des carrés d’un entier, donc√2/∈Qet√3/∈Q.
Exercice 2 : [énoncé]
Supposons a2|b2.
Posons d= pgcd(a, b). On a d2= pgcd(a, b)2= pgcd(a2, b2) = a2donc d=|a|puis
a|b.
Exercice 3 : [énoncé]
On peut écrire x=p
qavec p∈Z,q∈N∗et p∧q= 1.
xn=k∈Zdonne qnk=pn.p∧q= 1 donc pn∧qn= 1. Puisque qn|pn×1on a
qn|1(par Gauss).
Par suite qn= 1 et donc q= 1 et x=p∈Z.
Exercice 4 : [énoncé]
Il existe u, v ∈Ztel que mu +nv = 1.
Analyse : Si cconvient alors c=cmu+nv =buav.A priori c∈Q.
Synthèse : Soit c=buav. On a cn=bnuanv =amuanv =aet de même cm=b.
Puisque le nombre rationnel cpossède une puissance entière, c∈Z.
Exercice 5 : [énoncé]
Le nombre de côté du polygone construit est le plus petit entier k∈N∗tel que
n|kp.
Posons δ= pgcd(n, p). On peut écrire n=δn0et p=δp0avec n0∧p0= 1.
n|kp ⇐⇒ n0|kp0i.e. n0|k. Ainsi k=n0=n/δ.
Exercice 6 : [énoncé]
Supposons x=p/q une racine rationnelle de l’équation (E)avec pet qpremiers
entre eux.
En réduisant au même dénominateur, on obtient
pn+an−1qpn−1+··· +a1pqn−1+a0qn= 0
Puisque qdivise an−1qpn−1+··· +a1pqn−1+a0qn, on obtient que qdivise pn.
Or pet qsont premiers entre eux donc nécessairement q= 1 et donc x=p∈Z.
Ainsi les racines rationnelles de (E)sont entières.
Exercice 7 : [énoncé]
a) Supposons√6 = p/q avec p∧q= 1. On a 6q2=p2donc ppair, p= 2k. On
obtient alors 3q2= 2k2et donc qest pair. Absurde car pet qsont premiers
entre eux.
b) Par développement selon la formule du binôme de Newton
(a+√b)n=αk+βk
√bavec αk, βk∈Z
c) a+√bracine de P=Pn
k=0 akXkdonne
n
X
k=0
akαk= n
X
k=0
akβk!√b
L’irrationalité de√bentraîne
n
X
k=0
akαk=
n
X
k=0
akβk= 0
ce qui permet de justifier qu’alors P(a−√b)=0.
d) Posons
Q= (X−a+√b)(X−a−√b) = X2−2aX +a2−b∈Z[X]
Par division euclidienne P=QS +Tavec deg T < 2. Or en posant cette
division euclidienne, on peut affirmer que S, T ∈Z[X]avec P, Q ∈Z[X]et Q
unitaire. a+√b, a −√bracine de Pentraîne T= 0 et donc P=QS avec
Q, S ∈Z[X]. En dérivant P0=Q0S+QS0et a+√bentraîne racine de P0
donne a+√bracine de S. On peut alors comme ci-dessus justifier S=QR
avec R∈Z[X]et conclure.
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Exercice 8 : [énoncé]
On peut écrire n
X
k=1
d(k) =
n
X
k=1 X
d|k
1
et en permutant les deux sommes
n
X
k=1
d(k) =
n
X
d=1 X k∈Ad
1
avec Adl’ensemble des multiples de dqui sont inférieurs à n. On a évidemment
Card Ad=E(n/d)
et donc n
X
k=1
d(k) =
n
X
d=1
En
d
Puisque
x−1< E (x)≤x
on obtient l’encadrement
n n
X
d=1
1
d−1!≤
n
X
k=1
d(k)≤n
n
X
d=1
1
d
Sachant qu’il est connu que n
X
k=1
1
d∼ln n
on obtient
1
n
n
X
k=1
d(k)∼ln n
Exercice 9 : [énoncé]
(⇐= ) clair
( =⇒)nest divisible par un nombre premier pet ne peut lui être égal. On peut
donc écrire n=pd avec 1< d < n. Si dest premier alors on obtient la seconde
forme. Sinon, il ne peut qu’être divisible par p(car q|dimplique que nest un
multiple de pqd car nest produit de ses diviseurs non triviaux). Le nombre dest
alors de la forme d=pk.k= 1 et k≥3sont à exclure puisque nest le produit de
ses diviseurs non triviaux. Il reste d=p2et alors n=p3
Exercice 10 : [énoncé]
Soit d∈Div(pα)∩N. Notons βla plus grande puissance de ptelle que pβ|d.
On peut écrire d=pβkavec p6 |k.
Puisque p6 |ket p∈ P on a p∧k= 1. Or k|pα×1donc, par Gauss : k|1.
Par suite d=pβavec β∈N. De plus d|pαdonc pβ≤pαpuis β≤α.
Inversement : ok.
Exercice 11 : [énoncé]
Les diviseurs positifs sont les d=QN
k=1 pβk
kavec ∀1≤k≤N, 0≤βk≤αk.
Le choix des βkconduisant à des diviseurs distincts, il y a exactement
QN
k=1 (αk+ 1) diviseurs positifs de n.
Exercice 12 : [énoncé]
Soit d∈Ndiviseur de n.
Tout diviseur premier de dest aussi diviseur de net c’est donc l’un des p1, . . . , pN.
Par suite, on peut écrire d=QN
i=1 pβi
iavec βi∈N.
pβi
i|ddonc pβi i|nd’où βi≤αi.
Ainsi dest de la forme d=QN
i=1 pβi
iavec pour tout i∈ {1, . . . , N},0≤βi≤αi.
Inversement de tels nombres sont bien diviseurs de n.
Il y a autant de nombres de cette forme distincts que de choix pour les
β1, . . . , βN.Pour βi, il y a αi+ 1 choix possibles, au total d(n) = QN
i=1 (αi+ 1).
De plus
σ(n) =
α1
X
β1=0
α2
X
β2=0
. . .
αN
X
βN=0
pβ1
1pβ2 2. . . pβN
N
=
α1
X
β1=0
pβ1
1
α2
X
β2=0
pβ2
2
. . . 
αN
X
βN=0
pβN
N
Par sommation géométrique
σ(n) =
N
Y
i=1
pαi+1
i−1
pi−1
Exercice 13 : [énoncé]
a) Div(pα)∩N=1, p, p2, . . . , pαdonc σ(pα) = pα+1 −1
p−1.
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b) Soit d∈Div(ab)∩N. Posons d1= pgcd(d, a)et d2= pgcd(d, b).
On a d1∈Div(a)∩Net d2∈Div(b)∩N.
Puisque a∧b= 1 on a d1∧d2= 1. Or d1|det d2|ddonc d1d2|d.
d1=du1+av1et d2=du2+bv2donc d1d2=dk +abv1v2d’où d|d1d2.
Finalement d=d1d2.
Supposons d=δ1δ2avec δ1∈Div(a)∩Net δ2∈Div(b)∩N.
On a d1|δ1δ2et d1∧δ2= 1 donc d1|δ1et de même δ1|d1puis d1=δ1. De
même d2=δ2.
c) σ(ab) = Pd|ab d=Pd1|aPd2|bd1d2=Pd1|ad1Pd2|bdb=σ(a)σ(b).
d) Si n=pα1
1. . . pαN
Nalors σ(n) = QN
i=1
pαi+1−1
i
pi−1.
Exercice 14 : [énoncé]
Si le couple (x0, y0)est entier la conclusion est entendue.
Sinon, on peut écrire
x0=p0/d0et y0=q0/d0avec p0, q0∈Zet d0∈N\ {0,1}
Considérons alors un couple entier (x0
0, y0 0)obtenu par arrondi de (x0, y0). On a
D2= (x0−x0
0)2+ (y0−y0 0)2≤1/4+1/4
La droite joignant nos deux couples peut être paramétrée par
x=x0
0+λ(x0−x0 0)
y=y0
0+λ(y0−y0 0)avec λ∈R
Cette droite coupe le cercle en (x0, y0)pour λ= 1 et recoupe encore celui-ci en
(x1, y1)obtenu pour
λ=(x0
0)2+ (y0 0)2−N2
D2
Puisque
D2=N2−2(x0x0
0+y0y0 0)+(x0 0)2+ (y0 0)2=d1
d0
avec d1∈N∗et d1< d0car D2<1.
Le nombre λest donc de la forme d0k/d1avec kentier et les coordonnées (x1, y1)
sont alors de la forme
x1=p1/d1et y1=q1/d1avec p1, q1∈Zet d1∈N∗, d1< d0
Si d1= 1, le processus s’arrête, sinon il suffit de répéter l’opération jusqu’à
obtention d’un couple entier.
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