Entiers naturels et d´enombrement
Chapitre 11
1 Rudiments d’arithm´etique 2
1.1 Multiples et diviseurs d’un entier . . . . . . . . . . 2
1.2 Division euclidienne dans N............. 3
1.3 PGCDetPPCM ................... 4
1.3.1 PGCD..................... 4
1.3.2 Algorithme d’Euclide et PGCD . . . . . . . 5
1.3.3 PPCM..................... 6
1.4 Nombres premiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 D´enombrement 9
2.1 G´en´eralit´es sur les ensembles finis . . . . . . . . . . 9
2.2 Op´erations sur les ensembles et cardinaux . . . . . 11
2.3 D´enombrement des ensembles d’applications . . . . 12
2.4 D´enombrement des parties d’un ensemble fini . . . 14
Mathieu Mansuy - Professeur de Math´ematiques en sup´erieures PCSI au Lyc´ee Saint Louis (Paris)
PCSI5 Lyc´ee Saint Louis
1 Rudiments d’arithm´etique
1.1 Multiples et diviseurs d’un entier
efinition.
´
Etant donn´es deux entiers a, b, on dit que adivise b, ou aest un diviseur de b, ou que best multiple
de a, s’il existe un entier ctel que b=ac. On note alors a|b.
Notations. On notera D(b) l’ensemble des diviseurs de b, et aZl’ensemble des multiples de a.
Exemple.
D(12) = {1,1,2,2,3,3,4,4,6,6,12,12},D(11) = {1,1,11,11}.
0Z={0}et D(0) = Z.
±1Z=Zet D(±1) = {−1,1}.
Remarque. Soient a, b Z. On a a|bsi et seulement si bZaZ. En effet :
Si bZaZ, alors baZ, et donc il existe cZtel que b=ac, soit encore a|b.
Supposons que a|b, alors il existe cZtel que b=ac. Alors pour tout kZ,bk =a(ck)aZ. Ainsi
bZaZ.
Soient a, b, c des entiers.
(1) (a|bet a|c)a|b+c.
(2) a|ba|bc.
(3) (a|bet b|a)⇒ |a|=|b|.
(4) (a|bet c|d)ac|bd.
(5) ab|ca|cet b|c.
Propri´et´e 1
Remarque. La r´eciproque du dernier point est fausse : 6 et 4 divisent 12, mais 24 = 6 ×4 ne divise pas 12.
Preuve.
(1) Supposons que a|bet a|c. Alors il existe k1, k2Ztels que b=k1aet c=k2a. D’o`u par somme
b+c= (k1+k2)a, i.e. a|(b+c).
(2) Si a|b, alors il existe kZtel que b=ak. D’o`u bc =akc =a(kc) et donc a|bc.
(3) Supposons que a|bet b|a. Alors il existe k1, k2Ztels que b=k1aet a=k2b. Alors b=k1k2b. Si b= 0,
alors a= 0 et on a le r´esultat. Si b6= 0, alors k1k2= 1 et k1=k2=±1. Ainsi a=±b, et donc |a|=|b|.
(4) Supposons que a|bet c|d. Alors il existe k1, k2Ztels que b=k1aet d=k2c. D’o`u par produit :
bd = (k1a)(k2c) = (k1k2)ac et donc ac|bd.
(5) Si ab|c, alors il existe kZtel que c=abk, ce qui ce r´ecrit c=a(bk) = b(ak). Ainsi a|cet b|c.
Exemple. Montrer que pour tout entier impair n,n21 est multiple de 8.
Il existe kZtel que n= 2k+ 1. D’o`u n21 = 4q(q+ 1) qui est un multiple de 8 car comme les entiers qet
q+ 1 sont cons´ecutifs, l’un d’eux est pair, et on a n21=8q(q+1)
2avec q(q+1)
2Z.
Montrer que pour tout entier naturel n, 23n1 est multiple de 7.
On le montre par r´ecurrence sur nN.
La propri´et´e est vraie pour n= 0.
Supposons la propri´et´e vraie au rang nN:kZ: 23n1=7k. Au rang n+ 1 on a :
23(n+1) 1 = 8 ×23n1HR
= 8 ×(7k+ 1) 1 = (7 + 1)(7k+ 1) 1 = 7(7k+k+ 1) + 1 1
2
PCSI5 Lyc´ee Saint Louis
La propri´et´e est donc vraie au rang n+ 1. On conclut par principe de r´ecurrence.
Exemple. Pour tout a, b Zet nN, (ab) divise (anbn).
Exercice. Crit`eres de divisibilit´e par 3,9,11.
On consid`ere un entier naturel ndont l’´ecriture d´ecimale est n= ¯ap. . . a1a0, de sorte que :
n=ap10p+··· +a1101+a0100.
(a) Montrer que nest multiple de 3 si et seulement si
p
X
k=0
akest multiple de 3.
On utilise que 10 = 9 + 1, d’o`u par le binˆome de Newton pour tout kN:
10k= (9 + 1)k=
k
X
i=0 k
i9kde la forme 3qk+ 1.
Ainsi :
n=
p
X
k=0
ak10k= 3(
p
X
k=0
qkak) +
p
X
k=0
ak.
L’entier nest donc multiple de 3 si et seulement si
p
X
k=0
akest multiple de 3.
(b) Montrer que nest multiple de 9 si et seulement si Pp
k=0 akest multiple de 9.
On proc`ede comme pr´ec´edement.
(c) Montrer que nest multiple de 11 si et seulement si Pp
k=0(1)kakest multiple de 11.
On utilise que 10 = 11 1, d’o`u par le binˆome de Newton pour tout kN:
10k= (11 1)k=
k
X
i=0 k
i11k(1)kide la forme 11qk+ (1)k.
Ainsi :
n=
p
X
k=0
ak10k= 11(
p
X
k=0
qkak) +
p
X
k=0
(1)kak.
L’entier nest donc multiple de 11 si et seulement si
p
X
k=0
(1)kakest multiple de 11.
1.2 Division euclidienne dans N
On consid`ere un nombre entier naturel net un nombre entier naturel b > 0.
Alors il existe un unique couple (q, r) appartenant `a N×Ntel que :
n=qb +ret 0 r < b.
On dit que qest le quotient et rle reste de la division euclidienne de npar b.
Th´eor`eme 2
Preuve. Unicit´e du couple (q, r).
Supposons qu’il existe deux couples d’entiers naturels (q1, r1) et (q2, r2) tels que :
n=q1b+r1, n =q2b+r2et 0 r1, r2< b.
3
PCSI5 Lyc´ee Saint Louis
On en d´eduit par diff´erence : (q1q2)b=r2r1. Ainsi r2r1est un multiple de bet b < r2r1< b. D’o`u
r2r1= 0, et donc r1=r2. En reportant, on obtient alors q1=q2.
Existence du couple (q, r).
Par r´ecurrence sur n, montrons P(n) : (q, r)N2:n=qb +ret 0 r < b.
La propri´et´e est vraie pour n= 0 en prenant (q, r) = (0,0).
Supposons la propri´et´e P(k) vraie pour tout kn1 et montrons que P(n) est vraie :
Si n<b, le couple (q, r) = (0, n) convient.
Si nn, on a 0 nb<n. Par hypoth`ese de r´ecurrence, il existe un couple (q, r)N2tel que
nb=qb +ret 0 r < b
ce qu’on peut r´e´ecrire comme suit :
(q, r)N2:n=q(b+ 1) + ret 0 r < b.
Ainsi le couple (q+ 1, r) convient ici. On a donc montr´e la propri´et´e P(n).
On conclut par principe de r´ecurrence que la propri´et´e P(n) est vraie pour tout nN.
Soient (a, b)N×N. Alors bdivise asi et seulement si le reste de la division euclidienne de apar
best nulle.
Propri´et´e 3
Preuve.
Si bdivise a, alors il existe qNtel que a=bq. Par unicit´e dans la division euclidienne, on en d´eduit
que le reste de la division euclidienne de apar best ´egal `a 0.
Supposons que le reste de la division euclidienne de apar bsoit nul. Alors il existe qtel que a=bq+0 = bq,
et donc bdivise a.
Exercice. ´
Ecrire un algorithme de division euclidienne.
Entrer n0 et b > 0. q0 ; rn; Tant que rb, faire :
|rrb;
|qq+ 1 ;
Sortir qet r;
1.3 PGCD et PPCM
1.3.1 PGCD
efinition.
Soient (a, b)N2, (a, b)6= (0,0). L’ensemble D(a)∩ D(b)Ndes diviseurs communs positifs de aet de b
est une partie non vide et finie de N. Elle admet donc un plus grand ´el´ement appel´e Plus Grand Commun
Diviseur, not´e P GCD(a, b) ou ab.
Remarques.
ab=ba.
Si a > 0, on a a0 = a.
Par convention, on posera 0 0 = 0.
On peut ´etendre la d´efinition du P GCD dans le cas o`u a, b Zen posant ab=|a|∧|b|.
Exemple. D(6) N={1,2,3,6},D(8) N={1,2,4,8}, donc 6 8 = 2.
4
PCSI5 Lyc´ee Saint Louis
1.3.2 Algorithme d’Euclide et PGCD
Soient aet bdeux entiers naturels avec b > 0. Si rd´esigne le reste de la division de apar b, alors :
D(a)∩ D(b) = D(b)∩ D(r)
Propri´et´e 4
Preuve. On effectue la division euclidienne de apar b:a=bq +ravec 0 r < b. Alors :
si dest un diviseur de aet b, alors d|abq =r, donc d|bet d|r.
si dest un diviseur de bet r, alors d|bq +r=a, donc d|aet d|b.
Description de l’algorithme d’Euclide.
On d´efinit une suite d’entiers naturels (rk) telle que :
r0=a,r1=b,
Pour k1, on suppose rket rk1.
Si rk>0, on note rk+1 le reste de la division euclidienne de rk1par rk. En particulier rk+1 < rk.
La suite (rk) est une suite d’entiers naturels strictement d´ecroissante. Il existe donc NNtelle que rN6= 0 et
rN+1 6= 0.
Soient (a, b)N2\ {(0,0)}. Le PGCD de aet best le dernier reste non nul quand on effectue les
divisions euclidiennes successives.
Propri´et´e 5 (Deuxi`eme caract´erisation du P GCD)
Preuve. Grˆace au r´esultat pr´ec´edent, on obtient que :
D(a)∩ D(b) = D(b)∩ D(r2) = D(rN)∩ D(rN+1) = D(rN)∩ D(0) = D(rN)Z=D(rN).
Par d´efinition, abest le plus grand diviseur positif de aet de b. C’est donc rN, le dernier reste non nul quand
on effectue les divisions euclidiennes successives.
Exemple. Calculer 162 207.
On effectue les divisions euclidiennes successives :
207 = 162 ×1 + 45
162 = 45 ×3 + 27
45 = 27 ×1 + 18
27 = 18 ×1+9
18 = 9 ×2+0
Ainsi 162 207 = 9.
Exercice. ´
Ecrire un algorithme d´eterminant le PGCD de deux entiers naturels aet b.
Entrer aet b.q0 ; rn; Tant que b > 0, faire :
|rreste de la division euclidienne de apar b;
|ab;
|br;
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