LEÇON N˚ 12 :
Multiples, diviseurs, division euclidienne.
Pré-requis :
Zest bien ordonné et archimédien ;
Toute partie non vide et minorée (respectivement majorée) de Zpossède un plus petit (repectivement
grand) élément ;
Notions de groupes, sous-groupes (les sous-groupes de Zsont les nZ).
12.1 Multiples et diviseurs
Définition 1 : Soient a,bZ. S’il existe un entier kZtel que a=kb, alors on dit que :
a est un multiple de b,
b est un diviseur de a,
a est divisible par b,
b divise a, ce qui est noté b|a.
Exemples : Les multiples de 8 sont les nombres de la forme 8kavec kZ. Ses diviseurs sont : 1,
1, 2, 2, 4, 4, 8 et 8 (ce sont d’ailleurs les mêmes multiples et diviseurs pour le nombre 8).
Remarques 1 :
Si b|aet b6=0, alors le quotient a/bexiste et est entier (relatif).
Quelque soit l’entier relatif a, on a toujours a|a,a|0 et 1|a.
Si b|aet a6=0, alors |b|6|a|. Un nombre non nul n’a par conséquent qu’un nombre fini de diviseurs
(mais pas de multiples !).
Si b|aet a|b, alors nécessairement a=±b.
Proposition 1 : Soient a,b,ctrois entiers relatifs. Alors :
(i) Si c|bet b|a, alors c|a.
(ii) Si c|b, alors ca|ba.
(iii) Si c|aet c|b, alors cdivise a+b,abet plus généralement au +bv pour tous entiers
relatifs uet v.
démonstration :
(i) Par hypothèse, c|b et b|a, donc il existe k,kZtels que b =kc et a =kb, ce qui donne
a=k(kc) = (kk)c. Puisque kkZ, on en déduit que c|a.
(ii) Par hypothèse, c|b donc il existe k Ztel que b =kc. En multipliant les deux membres par le
nombre a, on trouve ba =akc =k(ca), c’est-à-dire ca|ba.
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Multiples, diviseurs, division euclidienne
(iii) Par hypothèse, c|a et c|b, donc il existe k,kZtels que a =kc et b =kc. Soient alors u,vZ.
Les deux égalités précédentes peuvent s’écrire au = (ku)c et bv = (kv)c par multiplication
des deux membres. En ajoutant membre à membre ces deux égalités, on obtient au +bv =
(ku)c+ (kv)c= (ku +kv)c. Puisque ku +kvZ, on en déduit finalement que c|au +bv.
Exercice : Prouver que la somme de :
1. deux nombres impairs consécutifs est un multiple de 4 ;
2. trois entiers consécutifs est un multiple de 3 ;
3. cinq entiers consécutifs est un multiple de 5 ;
4. quatre entiers consécutifs n’est jamais un multiple de 4.
Solution :
1. Soit nZ. On note i1=2n+1et i2=2n+3les deux entiers impairs consécutifs. Leur somme Nest alors égale à
N=4n+4=4(n+1). Puisque n+1Z, on en déduit que 4|N, c’est-à-dire que Nest un multiple de 4.
2. Pour tout nZ, la somme des trois entiers consécutifs n1,net n+1vaut 3n, qui clairement un multiple de 3.
3. Pour tout nZ, la somme des cinq entiers consécutifs n2,n1,n,n+1et n+2vaut 5n, qui clairement un multiple
de 5.
4. Pour tout nZ, la somme des quatre entiers consécutifs n,n+1,n+2et n+3vaut 4n+6=4(n+1, 5). Or n+1, 5 6∈ Z:
par suite, cette somme ne peut pas être multiple de 4.
Exercice : Montrer que si le nombre n4 (nZ) est multiple de 5, alors n21 l’est aussi.
Solution : Puisque n4est multiple de 5, il existe un entier kZtel que n4=5kn+1=5k+5(n+1)(n1) =
5(k+1)(n1)n21=5k, avec k= (k+1)(n1)Z. Par définition, n21est multiple de 5.
12.2 Division euclidienne dans Z
Théorème 1 (fondamental) : Soient (a,b)Z×Z. Il existe un unique couple (q,r)Z2
tel que a=bq +r, avec 0 6r<|b|.
démonstration :
Unicité : Si a =bq +r=bq+r, alors b(qq) = rr⇒ |b| |qq|=|rr|<|b| 06
|qq|<1q=qcar q,qZet par suite, r =r.
Existence : Supposons b >0. Soit A ={nZ|nb 6a}. A n’est pas vide (en effet, si a 60,
0A et si a <0, alors a A), et majoré par max(0, a)(car n 6a/b61
bmax(0, a)6
max(0, a)), donc A admet un plus grand élément que l’on note qA. Soit r =aqAb. qAA
ce qui implique que qAb6a, d’où r >0et qA+1n’appartient pas à A. On en déduit que
(qA+1)b>aqAb+b>ab>aqAbr<b=|b|, donc 06r<|b|et l’on a
bien a =qAb+r. Si b >0, partir de (a,b).
Définition 2 : Déterminer qet r, c’est effectuer la division euclidienne de a par b. Dans cette
division, a,b,qet rsont respectivement appelés dividende,diviseur,quotient et reste.
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Multiples, diviseurs, division euclidienne
Remarques 2 :
1. Si r=0, alors bdivise a.
2. bq n’est pas nécessairement le multiple de ble plus proche de a.
Exemple : 14 =2×5+4 (a=14, b=5). Or 15 est un multiple de bplus proche de aque 2b=10.
Corollaire 1 : Soit (a,b)N×N. Il existe un unique couple (q,r)N2tel que a=bq +r,
avec r<b.
démonstration :Si a <b, q =0. Sinon, a r=bq >0, donc q N.
Descente de Fermat
0ba
u0v0
u1v1
u2v2
··· ···
֒→ ←֓
֒→ ←֓
֒→ ←֓
տ=v01×b
(un,vn) = (q,r), où vnest le premier des viconstruits tels que vn<b. L’algorithme se termine
car vn=anb a6(n+1)b, et Zest archimédien (donc a,bN,cN|cb >a).
12.3 Sous-groupes de Zet algorithme d’Euclide
Théorème 2 : Pour tout sous-groupe Gde Z, il existe un unique aNtel que G=aZ.
démonstration :Supposons G 6={0}. Soit P =GN. P possède un plus petit élément a >0.
Par récurrence, aZG. Soit alors b G. Par division euclidienne, b =aq +r avec 06r<a. G
étant un groupe, r =baq G, et donc r P∪ {0}car r >0. Mais par définition de a, et comme
r<a, r ne peut appartenir à P, donc r =0et par suite, b =aq. Il vient que G aZ.
Proposition 2 : Soit (a,b)Z2.Gab =aZ+bZ={au +bv |(u,v)Z2}est un sous-
groupe de Zet il existe un unique dNtel que Gab =dZ.
démonstration :0Gab, et x =au +bv,y=au+bvxy=a(uu) + b(vv)
Gab, donc Gab est un sous- groupe de Z. Le théorème précédent assure l’existence de d tel que Gab =dZ.
Proposition 3 : Soit (a,b)Z2.dest l’unique entier naturel tel que :
(i) d|aet d|b;
(ii) (c|aet c|b)c|d.
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Multiples, diviseurs, division euclidienne
démonstration :d divise tous les éléments de dZ=Gab, donc en particulier a et b. Si c divise a et
b, alors c divise au +bv, donc c divise d.
Définition 3 : dest appelé Plus Grand Commun Diviseur de a et b, noté PGCD(a,b)ou ab.
Algorithme d’Euclide
Soit (a,b)(N)2, avec a>b. Si b|a,ab=b. Sinon, a=bq1+r1, et ab=br11. On réitère
le procédé : r0=bet rk1=rkqk1+rk+1(k>1) jusqu’à trouver un dernier reste non nul rn,
diviseur de rn1(rn+1=0). Le procédé s’arrête parce que r0>r1>r2>··· >0. Au final,
ab=rn.
Exemple : Déterminons 145 7.
145 =7×20 +5
7=5×1+2
5=2×2+1dernier reste non nul
2=1×2+0.
Conclusion : 145 7=1. On dit que 145 et 7 sont premiers entre eux. Cet algorithme peut facile-
ment être implanté dans une calculatrice :
:pgcd(a,b)
:Prgm
:Local t,ta,tb,q
:If b<a Then: b->t: a->b: t->a
:EndIf
:ClrIO
:Disp "Algorithme d’Euclide"
:a->ta: b->tb
:Loop
:Disp string(tb)&" / "&string(ta)&": quo
tient "&string(int(tb/ta))&" reste "&st
ring(tb-ta*int(tb/ta))
:ta->t
:tb-ta*int(tb/ta)->ta
:t->tb
:If ta=0 Then
:Exit
:EndIf
:EndLoop
:Disp "pgcd("string(b)&","&string(a)&")
= "&string(tb)
:EndPrgm
On tape ceci sur l’écran Home, puis on valide :
On obtient ainsi l’écran suivant :
1: Démontrons cette égalité : a=bq1+r1. Soient d=abet d1=br1.d1|r1et d1|b, donc d1|bq1. Il
vient que d1|bq1+r1d1|a, et comme d1|b,d1|d(d’après le point (ii) de la proposition 2). Or d|aet b, donc
d|bq1ad|r1d|d1. Au final, d=d1.
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Multiples, diviseurs, division euclidienne
12.4 Applications
12.4.1 Congruences dans Z
Définition 4 : Soit nN. Deux nombres entiers a,bZsont dits congrus modulo n si ab
est divisible par n. On note alors ab[n].
Propriétés : La relation de congruence est réflexive,symétrique et transitive : c’est une relation
d’équivalence.
Par division euclidienne de apar n, on a a=qn +r, donc ar[n], avec 0 6r<n.rest le
seul nombre congru à amodulo nvérifiant 0 6r<n. La classe ade apossède donc un élément
unique dans [[0, n1]].
Réciproquement, pour tout r[[0, n1]],r={r+kn,kZ}.
L’ensemble Zquotienté par sera noté Z/nZ, et possède néléments : 0, . . . , n1. Enfin,
xx[n]
yy[n]x+yx+y[n]
xy xy[n],
donc on peut munir canoniquement Z/nZde deux lois de composition interne :
x+y=x+yet x·y=x·y.
Muni de ces deux lois, (Z/nZ,+,·)est l’anneau des classes résiduelles modulo n.
12.4.2 Eléments inversibles de Z/nZ
Proposition 4 : aest inversible (dans Z/nZ) si et seulement si an=1 (dans Z). L’ensemble
des éléments inversibles de Z/nZforme un groupe.
démonstration :a inversible ⇔ ∃ a|a a=1aakn =1Bézout
an=1. L’égalité de
Bézout est vue plus en détail dans la leçon n˚ 13.
Remarque 3 :
Si ab ac [n]et an=1, alors aadmet un inverse adans Z/nZ, d’où aa b =aa c b=cbc[n].
On peut donc « simplifier » une congruence par tout nombre premier avec n.
Corollaire 2 : Z/nZest un corps si et seulement si nest un nombre premier.
démonstration :Z/nZcorps 1, . . . , n1sont inversibles 1, . . . , n1premiers avec n n
est premier.
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