Preuve : Si pne divise pas a,pest premier avec a, donc pjbd’après le Théorème de
Gauss.
Remarque : Les propriétés des deux derniers Lemmes sont, en fait, des conditions
nécessaires et su¢santes pour qu’un nombre pdistinct de §1soit premier. En e¤et :
1) Si pest premier avec tout nombre qu’il ne divise pas, soit p=ab. Si pne divise pas
a,pest premier avec aet le Théorème de Gauss entraîne pjbd’oùb=pu et 1 = au d’où
a=§1. Si pdivise a,a=pu entraîne encore 1 = ub d’oùb=§1. Cela prouve que pest
premier.
2) Supposons la propriété “pjab )pjaou pjb”vraie pour tous a; b. Si p=ab, alors
pjaou pjb. Si pdivise a, alors a=pu, d’où1 = ub et b=§1. De la même manière pjb
entraîne a=§1.
2 Théorème fondamental de l’arithmétique
L’existence d’une division euclidienne dans Zpermet de prouver que Zest un anneau
principal. Un Théorème classique montre que tout anneau principal est factoriel ([2],
[3]) et par conséquent Zsera un anneau factoriel. Notons au passage que les mêmes
raisonnements s’appliquent àl’anneau des polynômes àune indéterminéeK[X]lorsque
Kdésigne un corps commutatif.
Nous donnons ci-dessous une preuve directe de la factorialitéde Z.
Théorème 1 Théorème fondamental.
L’anneau Zest factoriel, autrement dit pour tout n2Znf0;§1g,
1) Il existe "2 f§1g, des nombres premiers naturels p1; :::; pkdistincts deux àdeux et des
entiers naturels non nuls ®1; :::; ®ktels que n="p®1
1:::p®k
k.
2) Il y a unicitéde cette décomposition àl’ordre des facteurs près. Cela signi…e que
n="p®1
1:::p®k
k="0q¯1
1:::q¯m
m
entraîne "="0,k=met l’existence d’une permutation ¾de Nk=f1; :::; kgtelle que
qi=p¾(i)et ¯i=®¾(i)pour tout i.
Preuve : On peut supposer n2N¤et "= 1. L’existence et l’unicitése montrent chacune
par récurrence sur n.
²Existence : Si n= 2,(p1;®1) = (2;1). Si n > 2,npossède au moins un diviseur
premier pd’après le Lemme 1, et l’on peut écrire n=pm avec m < n. Si m= 1, c’est
…ni. Sinon on applique l’hypothèse récurrente àmpour obtenir une décomposition de n.
²Unicité: Elle est acquise si n= 2 puisque 2 = q¯1
1:::q¯m
mmontre que qidivise 2pour
tout i, autrement dit m= 1,q1= 2 et ¯1= 1. Supposons que l’unicitésoit démontrée
jusqu’au rang n, et considérons les écritures n+ 1 = p®1
1:::p®k
k=q¯1
1:::q¯m
mavec ®1,:::,®k,
¯1,:::,¯m2N¤
, et oùles p1,:::,pk,q1,:::,qm2Nsont premiers. pkdivise q¯1
1:::q¯m
mdonc
divisera l’un des qid’après le Lemme 3, par exemple pkjqm. Comme pkest premier, cela
entraîne pk=qmet
n+ 1
pk
=p®1
1:::p®k¡1
k=q¯1
1:::q¯m¡1
m:
2