Cours d’Alg`
ebre I Bachelor Semestre 3
Prof. E. Bayer Fluckiger 8 octobre 2012
S´erie 3
Exercice 1.
(1) Sachant que le 8 octobre 2012 est un lundi, d´eterminer `a quel jour de
la semaine correspond la date du 8 octobre 2013. R´epondez `a la mˆeme
question en rempla¸cant 2013 par 2014 puis 2015 puis 2016. Essayez de
d´eterminer quel jour de la semaine vous ˆetes n´e.
(2) Calculer le reste de la division euclidienne de 21001 par 15,puis le reste de
la division euclidienne de 41100 par 29.
Solution.
(1) Les jours de la semaine se r´epettent tous les 7 jours. Cela signifie que pour
d´eterminer quel jour de la semaine correspond `a la date du 8/10/2013 en
sachant que le 8/10/2012 est un lundi, il suffit de calculer le reste de la
division euclidienne par 7 du nombre de jours ´ecoul´es entre 8/10/2012 et
le 8/10/2013, `a savoir 365 jours (2013 n’est pas une ann´ee bisextile ; 2012
est une ann´ee bisextile mais le mois de f´evrier intervenant dans les calculs
est le mois de f´evrier 2013). On peut constater que 365 1 mod 7. Par
cons´equent, le 8/10/2013 est un mardi.
De la mˆeme mani`ere, on peut montrer que le 8/10/2014 est un mer-
credi et le 8/10/2015 un jeudi. L’ann´ee 2016 est bisextile. Nous devons
donc prendre en compte un jour suppl´ementaire, `a savoir le 29/2/2016.
Autrement dit, 366 jours s’´ecoulent entre le 8/10/2015 et le 8/10/2016.
Le 8/10/2016 est donc un samedi.
(2) Pour r´epondre `a la question on utilise les classes de congruences modulo
15 et modulo 29 de la fa¸con suivante :
21001 = 21000 ·2 = (24)250 ·2 = 16250 ·215 1250 ·215 2,
et
41100 29 12100 29 (122)50 29 14450 29 (1)50 29 1.
Le reste de la division euclidienne de 21001 par 15 est donc 2, et le reste
de la divison euclidienne de (41)100 par 29 est 1.
2
D´efinition 1. Soient a, b Z.On dit que adivise bet on note a|bs’il existe
cZtel que ac =b.
D´efinition 2. Soient a, b Znon nuls. On dit que dZest un plus grand
commun diviseur (pgcd) de aet b, et on note d= Pgcd(a, b) si dsatisfait aux
deux conditions suivantes :
(1) l’entier ddivise aet b;
(2) l’entier dest divisible par tout diviseur commun cde aet b.
Remarque : Dans l’exercice 3 on commence par vous demander de montrer que
deux entiers non nuls admettent toujours un pgcd, unique au signe pr`es. Par
d´efaut on parle du pgcd de aet bpour d´esigner l’unique pgcd positif de aet b.
D´efinition 3. Soient a, b Znon nuls. On appelle relation de Bezout entre aet
btoute ´egalit´e de la forme
λa +µb = Pgcd(a, b)
avec λ, µ Z. Les entiers λet µsont appel´es coefficients de Bezout.
Exercice 2.
Soient a, b N\ {0}.
(1) Montrer que deux entiers non nuls admettent toujours un pgcd, unique
au signe pr`es.
(2) Soit rle reste de la division euclidienne de apar b. Montrer que
Pgcd(a, b) = Pgcd(b, r).
(3) En d´eduire un algorithme permettant de calculer Pgcd(a, b), ainsi qu’une
relation de Bezout entre aet b. Pensez `a bien justifier votre r´eponse.
(4) En modifiant la r´eponse a la question pr´ec´edente, montrer l’existence
d’une relution de B´ezout entre aet b.
Solution.
(1) Commen¸cons par montrer l’unicit´e au signe pr`es. Supposons que det d0
sont deux Pgcd de aet b. Comme dest un Pgcd et d0est un diviseur
commun de aet b, on a d0|d. De mani`ere analogue on montre que d|d0.
Ainsi, on a d0=±d. L’existence du Pgcd de aet bd´ecoule du th´eor`eme
fondamental de l’arithm´etique.
En effet, d’apr`es le th´eor`eme fondamental de l’Arithm´etique, tout entier
naturel n1 se d´ecompose de fa¸con unique `a l’ordre des facteurs pr`es
en produit de nombres premiers. Si Pd´esigne l’ensemble des nombres
premiers, une telle d´ecomposition peut s’´ecrire sous la forme
n=Y
p∈P
pαp,
3
o`u les entiers naturels αp0 sont presque tous nuls, c’est-`a-dire qu’ils
sont tous nuls, sauf un nombre fini d’entre eux. Le produit ci-dessus est
donc un produit fini.
Soient a=Y
p∈P
pαpet b=Y
p∈P
pβples d´ecompositions de aet ben produit
de nombres premiers. On v´erifie alors que l’entier naturel ddonn´e par
d=Y
p∈P
pmin{αp;βp}
est un pgcd de aet b, et donc le pgcd de aet b.
(2) Soit dun Pgcd de aet b. La division euclidienne de apar bs’´ecrit
a=qb +r(*)
pour un couple d’entiers (q, r) avec 0 r < b.
Comme ddivides b, l’entier ddivise bq. Or ddivise adonc ddivise
aqb =r. Soit d0un diviseur commun de bet r. De l’´egalit´e (*) nous
d´eduisons que d0divise a. Par d´efinition de dnous savons alors que d0
divise d. Ainsi dsatisfait aux deux conditions d´efinissant le Pgcd de bet
r.
(3) Nous d´ecrivons un algorithme r´ecursif bas´e sur le r´esultat de la question 2.
Entr´ee : deux entiers a, b.
Sortie : un Pgdc pour aet b.
PGCD(a, b){
r := Residue(a, b) ; /*rest le reste de la division de apar b*/
If r= 0 returns b; /* Cela signifie que si b divise aalors b= Pgdc(a, b)*/
else returns PGCD(b, r) ;
}
Cet algorithme termine en temps fini (et ne cr´ee pas de boucle infinie)
car le reste rdiminue au moins de 1 `a chaque appel r´ecursif `a la fonction
PGCD. Par ailleurs, le r´esultat de la question (2) implique que l’algorithme
retourne bien un Pgcd de aet b.
(4) Nous modifions la r´eponse `a la question pr´ec´edente en donnant un algo-
trithme permettant le calcul d’une relation de Bezout entre aet b.
4
Entr´ee : deux entiers positifs aet b.
Sortie : un tableau Aavec pour entr´ees λ:= A[1], µ := A[2] tels que
λa +µb = Pgcd(a, b).
BR(a, b){
r := Residue(a, b) ; /*rest le reste de la divison euclidienne de apar b*/
If r= 0 returns [0,1] ; /* dans ce cas on a bien 0·a+1·b=b=Pgcd(a, b).*/
else q:= (ab)/r ;
returns [BR(b, r)[2],(BR(b, r)[1] BR(b, r)[2] q] ;
}.
Soient a, b deux entiers strictement positifs. Nous montrons par r´ecurrence
que BR(a, b) calcule bien un couple de coefficients de Bezout pour aet b.
Initialisation : b= 1. Dans ce cas r= 0 et la fonction calcule bien
une relation de Bezout entre aet b, `a savoir [0,1].
´
Etape de r´ecurrence : on suppose que pour tout couple (a1, b1) d’en-
tiers positifs tels que b1< b le r´esultat BR(a1, b1) est une relation de
Bezout entre a1et b1. Si b|aalors r= 0 et le r´esultat provient alors de la
d´efinition de BR. Sinon, on a 0 < r < b. Dans ce second cas, l’hypoth`ese de
r´ecurrence montre que les entiers λ1:= BR(b, r), µ1:= BR(b, r) v´erifient :
λ1b+µ1r= Pgcd(b, r).()
En rempla¸cant rpar aqb dans l’´equation () on constate que
µ1a+ (λ1µ1q)b= Pgcd(b, r).
Comme Pgcd(a, b) = Pgcd(b, r) on en d´eduit que [λ, µ] := [µ1,(λ1µ1q)]
sont des coefficients de Bezout pour aet b.
Exercice 3.
(1) Trouver tous les entiers ntels que 147 divise 34n1.
(2) Montrer que l’application
f:Z/20ZZ/20Z
[n]20 7−[13n]20
est un automorphisme de groupes.
Solution.
5
(1) On va montrer que 147 divise 34n1 si et seulement si n13 mod 147.
Les entiers 147 et 34 n’ayant pas de facteur premier commun, on a
Pgcd(147,34) = 1.On commence par remarquer que 147 divise 34n1 si
et seulement si il existe mZtel que 34n1 = 147m, c’est `a dire si et
seulement si il existe une relation de Bezout entre 147 et 34 de la forme
147m+ 34n= 1. Le calcul des relations de Bezout entre 147 peut ˆetre
effectu´e `a l’aide de l’algorithme d’Euclide ´etendu d´ecrit dans la solution
de l’exercice 2.
147 = 4 34 + 11
34 = 3 11 + 1
La seconde ´egalit´e donne une relation de Bezout entre 34 et 11. En rem-
pla¸cant 11 par 147 434 dans cette seconde ´egalit´e, on constate que
3147 + 13 34 = 1 est une relation de Bezout entre 147 et 34. Nous
allons d´ecrire deux m´ethodes pour d´eduire tous les ntels que 147 divise
34n1.
Premi`ere m´ethode : on a 34n10 mod 147 si et seulement si
34n1 mod 147. Comme 3147+1334 = 1, la multiplication par 34
est un automorphisme de Z/147Zd’inverse la multiplication par 13. Plus
g´en´eralement, nous verrons dans l’exercice suivant que la multiplication
par 34 est un automorphisme de tout groupe cyclique d’ordre fini premier
`a 34. En d’autre termes, pour tout entier non a [n]147 = [13 34n]147.
En particulier, [34n]147 = [1]147 si et seulement si [n]147 = [13 34n]147 =
[13]147.
Seconde m´ethode : Pour d´eduire de l’´egalit´e 3147 + 13 34 = 1
toutes les relations de Bezout entre 147 et 34, on remarque que l’on a
147m+ 34n= 1 si seulement si 34(n13) + 147(m+ 3) = 0. Comme 147
and 34 sont premiers entre eux, l’´egalit´e 34(n13) + 147(m+ 3) = 0 est
possible 1si et seulement si il existe un entier ktel que n= 13 + 147ket
m=3 + 34k.
(2) La multiplication par un nombre entier dans Z/20Zet plus g´en´eralement
dans un groupe cyclique est un homomorphisme de groupe. Cette affir-
mation est une cons´equence de la distributivit´e de la multiplication par
rapport `a l’addition. Comme Z/20Zest un ensemble fini, une application
de Z/20Zdans lui-mˆeme est bijective si et seulement si elle est injective.
Ainsi pour pour montrer que fest un automorphisme de groupe, il suffit
de montrer que ker(f) = {[0]20}.
1une mani`ere simple de le prouver consiste ˜
A utiliser le Lemme d´ecrit dans la seconde
question
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