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FF - EXERCICES SUR LES NOMBRES
Arithmétique
Nota : dans cette section, sauf indication contraire, tous les nombres utilisés sont des nombres entiers.
Trouver les nombres entiers n3tels que l’on puisse partager l’ensemble {1,...,n}en deux
sous-ensembles dont la somme des éléments de l’un soit égal au produit des éléments de l’autre.
Solution
Notons Set Ples deux ensembles. Le problème est toujours possible sauf pour n= 4.
Si n= 3 Le problème est évident avec S={1,2}et P={3}.
Si n= 2p6, considérons
P={1, p 1,2p}et S={1,...,n} \ P.
Alors, la somme σdes éléments de Sest le produit de ceux de Pcar
σ=
2p1
X
k=1
k1(p1) = p(2p1) p= 2p22p= 1 ×(p1) ×(2p).
Si n= 2p+ 1 5, considérons
P={1, p, 2p}et S={1,...,n} \ P.
Alors, la somme σdes éléments de Sest le produit de ceux de Pcar
σ=
2p+1
X
k=1
k13p= (p+ 1)(2p+ 1) 13p= 2p2= 1 ×p×(2p).
Dans le cas n= 4 par contre, on constate qu’aucune partition ne convient. En effet, si l’on prend une
partition {{a, b, c},{d}}, l’égali
a+b+c=d
implique
10 = a+b+c+d= 2d
donc d= 5, ce qui n’est pas possible. De même, égalité
a×b×c=d
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implique
24 = 4! = a×b×c×d=d2
qui n’est pas possible non plus.
Si l’on prend une partition {{a, b},{c, d}}, l’égalité
a×b=c+d
implique
a×b+a+b=a+b+c+d= 10
puis
(a+ 1)(b+ 1) = a×b+a+b+ 1 = 11 ,
qui n’est pas possible.
Trouver les nombres entiers naturels non nuls xet ytels que xydivise x+y.
Solution
Si l’on a
x+y=λ(xy),
avec λentier non nul, on en tire
(λ+ 1)y= (λ1)x ,
et λest supérieur à 2.
Il y a alors deux cas possibles.
1) si λ= 2p+ 1, alors
(p+ 1)y=px ,
et p+ 1 divise x. Donc x=q(p+ 1), d’où y=qp.
Réciproquement, si
x=q(p+ 1) et y=qp ,
alors xy=qdivise x+y=q(2p+ 1).
2) si λ= 2p, alors
(2p+ 1)y= (2p1)x ,
et 2p+ 1 divise x. Donc x=q(2p+ 1) d’où y=q(2p1).
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Réciproquement, si
x=q(2p+ 1) et y=q(2p1) ,
alors xy= 2qdivise x+y= 4qp.
Remarque : on a en particulier comme solutions les nombres x=q(r+ 1) et y=q(r1).
Soit aet bdeux nombres entiers naturels non nuls. Montrer que les conditions suivantes sont
équivalentes :
(i) a+bdivise a×b
(ii) a+bdivise a2
(iii) a+bdivise b2
Trouver tous les couples (a, b)vérifiant ces conditions.
Solution
En écrivant
a2=a(a+b)ab
l’équivalence de (i) et (ii) est évidente, et par symétrie du problème, celle de (i) et (iii) également.
Soit aet btels que a+bdivise ab. Il existe qentier tel que
ab =q(a+b).
Soit δle PGCD de aet b. On a donc
a=δaet b=δb
avec aet bpremiers entre eux. Alors
δ2ab=qδ(a+b)
puis
δab=q(a+b).
Comme aet bsont premiers avec a+b, le produit abdivise q. Il existe λentier tel que
q=λab,
donc
δab=λab(a+b),
ce qui donne
δ=λ(a+b),
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ainsi que
a=λa(a+b) et b=λb(a+b).
Inversement, soit aet bdeux nombres entiers naturels non nuls, et λun entier naturel. Posons
a=λa(a+b) et b=λb(a+b).
Alors
a+b=λ(a+b)2
divise
a×b=λ2ab(a+b)2.
Remarque : on a également 1
a+1
b=1
q,
et ce qui précède donne deux nombres entiers dont la somme des inverses est l’inverse d’un nombre
entier.
Soit aet bdeux nombres entiers naturels non nuls.
1) Montrer que pour tout entier naturel n
a2n+b2n2(ab)nmod (a+b).
2) Trouver les nombres aet btels que a2n+b2nsoit divisible par a+b.
3) Expliciter ces nombres si n= 1. Dans ce cas, quand aet bsont-ils premiers entre eux ?
Solution
1) Evaluons la différence
n=a2n+b2n2(ab)n.
Si n= 2s, on a
n=a2n+b2n2anbn= (a2sb2s)2,
et a2sb2sest divisible par a+b.
Si n= 2s+ 1,
n=a2n+b2n+ 2anbn= (a2s+1 +b2s+1)2,
et a2s+1 +b2s+1 est divisible par a+b.
2) D’après ce qui précède, a2n+b2nest divisible par a+bsi et seulement si 2(ab)nest divisible par
a+b. Soit aet btels que a+bdivise 2(ab)n. Il existe donc qentier tel que
2(ab)n=q(a+b).
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Soit δle PGCD de aet b. On a donc
a=δaet b=δb
avec aet bpremiers entre eux. Alors
2δ2n(ab)n=qδ(a+b)
et donc
2δ2n1(ab)n=q(a+b).
Comme (ab)net a+bsont premiers entre eux, le produit (ab)ndivise q. Il existe λentier tel que
q=λ(ab)n,
donc
2δ2n1(ab)n=λ(ab)n(a+b),
ce qui donne
2δ2n1=λ(a+b).
Il en résulte que a+bdivise 2δ2n1.
Inversement, soit trois nombres a,b,δ, tels que a+bdivise 2δ2n1, alors si
a=δaet b=δb
le nombre a+b=δ(a+b)divise 2δ2net, puisque,
2(ab)n= 2δ2n(ab)n,
le nombre a+bdivise bien 2(ab)n.
3) Lorsque n= 1, le nombre a+bdivise 2δ, c’est-à-dire
2δ=λ(a+b),
avec λentier.
Si aet bsont tous deux impairs (a+b)/2est un nombre entier qui divise δ. Donc
δ=λa+b
2,
ainsi que
a=λaa+b
2et b=λba+b
2.
Ces nombres sont premiers entre eux si et seulement si λ=a=b= 1 c’est-à-dire a=b= 1.
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