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Arithmétique des entiers
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Université d’Eleuthéria-Polites
Cours de Licence /
Bruno DE
S
CHAMPS
Version .
On nepas d’un pays mais on ed’une ville
Où la rue artérielle limite le décor.
Les cheminées d’usine hululent à la mort.
La lampe du gardien rigole de mon yle.
La misère écrasant son mégot sur mon cœur
A laissé dans mon sang la trace indélébile
Qui a le même son et la même couleur
Que la suie des crassiers, du charbon inutile.
Les forges de mes tempes ont pilonné les mots.
J’ai limé de mes mains le creux des évidences.
Les mots calaminés crachent des hauts-fourneaux.
Mes yeux d’acier trempé inventent le silence.
Je me soûle à New York et me bats à Paris.
Je balance à Rio et ris à Montréal
Mais c’equand même ici que poussa tout petit
Cette fleur de grisou à tige de métal.
Table des matières
Présentation axiomatique des entiers naturels
.Axiomatique...........................................
.Arithmétique sur N.......................................
..Addition..........................................
..Multiplication......................................
Lanneau Zdes entiers relatifs
.Conruion...........................................
.Propriété de l’anneau Z. ....................................
..Divisibilité........................................
..Congruence .......................................
..Euclidienneté ......................................
..Nombres premiers et faorialité de Z......................... 
..pgcdetppcm ...................................... 
..Sous-groupes de Zet théorème de Bezout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
Lanneau Z/nZ
.Struure de Z/nZ........................................ 
.Calcul de ϕ(n) .......................................... 
.Etude de (Z/nZ)........................................ 
.Le cryptosyèmeR.S.A. .................................... 
Présentation axiomatique des entiers naturels
.Axiomatique
Dans ce qui suit, Edésigne un ensemble et un ordre sur E. On considère les axiomes suivants :
S.. Lensemble Eenon vide.
S.. Lordre eun bon ordre sur E(i.e. toute partie non vide de Epossède un plus petit élément).
S.. Toute partie majorée non vide de Epossède un plus grand élément.
S..Ene possède pas de plus grand élément.
Premières remarques : Si (E,) vérifie les axiomes S.. alors eun ordre total sur E. Par ailleurs si
(E,) vérifie S.,,. alors Eeun ensemble infini. Enfin, si Evérifie S.,. alors Epossède un plus
petit élément.
Dans la suite on considère un ensemble ordonné (E,) vérifiant les axiomes S.,,. On note 0 le
plus petit élément de E.
Les fonions successeur et prédécesseur : Considérons un élément nEet F={mE/ m > n}.
D’après ce qui précède Fnepas vide (sinon Eposséderait un plus grand élément). On appelle
successeur de nl’élément noté s(n) égal au plus petit élément de l’ensemble F.
Considérons un élément nE{0}et F={mE/ m < n}. D’après ce qui précède Fnepas vide
(car 0 F) et emajorée (par n). On appelle prédécesseur de nl’élément noté p(n) égal au plus grand
élément de l’ensemble F.
Propriété .— a) Pour tout nEon a s(n)> n et pour tout mEon a m>nms(n).
b) Pour tout nE{0}on a p(n)< n et pour tout mEon a m<nmp(n).
c) La fonion se riement croissante et la fonion pe riement décroissante.
d) Pour tout nE{0}on a sp(n) = n.
Preuve : a,b,c) Exercices.
d) On a p(n)< n, donc s(p(n)) n. Posons m=s(p(n)) et supposons que m<n, on a donc mp(n) mais
comme m=s(p(n)) on a m>p(n) ce qui eabsurde. Ainsi m=n.
——–
Théorème .— (appelé principe de récurrence) Soit Aune partie de E. Si Avérifie
0A.
• ∀nE,nA=s(n)A.
alors A=E.
Preuve : Raisonnons par l’absurde en supposant que A,E. On considère alors l’ensemble F=EA
qui edonc non vide. Soit n0le plus petit élément de F. On a n0,0 (car 0 <F) et donc n0a un
prédécesseur m0. Comme n0> p(n0) = m0et que n0ele plus petit élément de Aon a m0<F, donc
m0Aet par suite n0=s(m0)Ace qui eabsurde.
——–
Théorème .— Lapplication seune bijeion de Esur E{0}. Son application réciproque ela fonion
p
Preuve : Prouvons que sebien à valeur dans E{0}. Supposons qu’il exienEtel que s(n) = 0,
on a donc 0 > n ce qui een contradiion avec le fait que 0 ele plus petit élément de E.
Montrons l’injeivité de s. Soit n,m Etels que s(n) = s(m). Comme eun ordre total, les
éléments net msont comparables (disons, par exemple, que nm). Si n < m on a donc ms(n) mais
comme s(m)> m on en déduit que s(m)> s(n) ce qui eabsurde, donc n=m.
Montrons la surjeivité de s. Considérons l’ensemble A=s(E){0}. Par hypothèse, on a 0 A. Si
maintenant on prend nAalors nEet donc s(n)s(E)A. Ainsi, par le principe de réccurence on
en déduit que A=Eet donc que s(E) = E{0}.
——–
Théorème .— Un ensemble non vide ordonné (E,)vérifie les axiomes S.,,,. si et seulement si
l’ensemble Evérifie les axiomes (dits de Peano) suivants :
P..il exie un élément 0Eet une application s:EE.
P..Lapplication seinjeive et à valeurs dans E{0}.
P..Toute partie Ade Evérifiant 0Aet s(A)Aeégale à E.
Preuve : S.0,1,2,3.=P .0,1,2.eclair, la fonion sà considérer étant la fonion successeur. La
réciproque eadmise. Un des ingrédients de la preuve consie dans le fait que l’ordre que l’on
recherche sur Ese définit de manière non-équivoque par les deux propriétés suivantes : /xE,
0x./x,y E,xys(x)s(y).
——–
Théorème .— Soient (E,)et (E0,0)deux ensembles ordonné vérifiant les axiomes S.,,,. Il exie une
unique bijeion croissante de Esur E0.
Preuve : Notons 0 (resp. 00) le plus petit élément de E(resp. de E0).
Unicité. Soient fet gdeux bijeions croissantes de Esur E0. Lapplication g1fedonc une
bijeion croissante de Edans lui-même. Une telle application enécessairement égale à l’identité
(exercice).
Exience. On considère l’ensemble Edes applications f:AE0telle que :
a) aA,ba=bA,
b) friement croissante,
c) f(0) = 00,
d) aA{0},f(p(a)) = p0(f(a)) où p0désigne la fonion prédécesseur de E0.
Lensemble Eenon vide car f:{0} −E0définie par f(0) = 00ecertainement un élément de
E. Sur E, on considère l’ordre défini de la manière suivante :
f:AE0g:BE0ABet g|A=f
Lensemble ordonné (E,) einduif car, si {fi:AiE0}idésigne une chaîne, alors l’ensemble
A=SiAisatisfait la condition a) et l’application f:AE0définie par f(a) = fi(a) pour tout aAi
ebien définie à cause de la définition de et vérifie b), c) et d) (exercice).
D’après Zorn, Epossède un élément maximal f:AE0. On a obligatoirement A=E(exercice).
Maintenant, fétant riement croissante einjeive. Il ree donc à regarder sa surjeivité. Sup-
posons que f(E),E0et soit yle plus petit élément de l’ensemble E0f(E). On a y,00(car f(0) = 00) et
donc p0(y)f(E). Il exie donc xEtel que f(x) = p0(y), mais f(x) = f(p(s(x))) = p0(f(s(x))) et donc,
par injeivité de p0, on a y=f(s(x)) f(E) ce qui eabsurde.
——–
En conclusion, tous les ensembles ordonnés vérifiant les axiomes S.,,,. sont isomorphes en
tant qu’ensembles ordonnés, leurs propriétés pour cette ruures sont donc les mêmes. Dans la suite
on choisira Nun tel ensemble (l’exience d’un tel ensemble econsécutive d’axiomes de la théorie
des ensembles). On l’appelera "ensemble des entiers naturels".
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