PGCD et PPCM Thms de BEZOUT, GAUSS et FERMAT I PGCD Définition 1 Soient a et b deux entiers non nuls. Le plus grand commun diviseur de a est b, noté (a, b) ou a ∧ b, est l’entier positif d qui satisfait aux conditions : 1) d|a et d|b 2) si c|a et c|b alors c 6 d Propriété 1 Soient a et b des entiers naturels au moins égaux à 2. Le pgcd de a et b est égal au produit des facteurs premiers communs de a et de b, avec pour chacun d’eux, l’exposant le plus petit de ceux qu’il a dans a et dans b. Exemple 168 = 23 × 3 × 7 et 540 = 22 × 33 × 5, donc pgcd(168, 540) = 22 × 3 = 12 Propriété 2 Soient a, b ∈ Z non nuls. Alors, il existe deux entiers u et v tels que : au + bv = (a, b) Preuve : Soit S = {ax + by/x, y ∈ Z, ax + by > 0}. S ⊂ N et S 6= ∅, donc S admet un plus petit élément qu’on notera d = au + bv. Montrons que d = (a, b), pour cela montrons que d|a et d|b. Si d ∤ a alors il existe q et r tel que a = qd + r avec 0 < r < d. Donc r = a − qd = a − q(au + bv) = a(1 − qu) − qvb et ainsi r ∈ S et r < d ce qui est impossible puisque d est le plus petit élément de S. Donc d|a, et de même d|b. Soient c|a et c|b, alors c|au + bv et donc c|d (d > 0), donc c 6 d. Donc d = (a, b). 1 Exemple pgcd(5, 3) = 1, et on a 2 × 5 − 3 × 3 = 1. pgcd(18, 14) = 2, et on a −3 × 18 + 4 × 14 = 2. Propriété 3 Tous les diviseurs de a et b divisent (a, b). Exemple Déterminer tous les diviseurs de 284 et 128. On a pgcd(284, 128) = 4, et tous les diviseurs 4 sont : −4, −2, −1, 1, 2, 4 qui sont aussi tous les diviseurs communs à 284 et 128. Propriété 4 Soit d = (a, b) et soit k ∈ Z. 1) (a − kb, b) = (a, b). 2) En particulier (a − b, b) = (a, b) et (b, r) = (a, b) où r est le reste de la division euclidienne de a par b. 3) (ka, kb) = |k|(a, b). Preuve : 1) Soit d′ = (a − kb, b). d|a et d|b, donc d|a − kb et donc d 6 d′ . d′ |a − kb et d′ |b donc d′ |a − kb + kb donc d′ |a ainsi d′ 6 d. Et donc d = d′ . 2) c’est une conséquence du 1), a = bq + r et donc r = a − bq et d’après le 1) (a − bq, b) = (a, b). 3) Supposons que k > 0 et notons d′ = (ka, kb). On a d|a et d|b donc kd|(ka, kb). C’est à dire, il existe m tel que d′ = kdm. Donc kdm|ka et kdm|kb et donc md|a et md|b, ainsi md|d donc m = 1. Donc d′ = kd. Si k < 0 alors −k > 0 et donc d′ = −kd = |k|d. Propriété 5 Soient a et b deux naturels non nuls, et d un diviseur commun à a et b. On pose a = da′ et b = db′ . P GCD(a, b) = 1 si et seulement si P GCD(a′ , b′ ) = 1. Preuve : D’après 3) (propriété précédente) (a, b) = (da′ , db′ ) = d(a′ , b′ ). D’où la propriété. II Algorithme d’Euclide Propriété 6 Soit a, b ∈ Z, b > 0. En appliquant successivement la division euclidienne, on abtient la suite d’équation : a = bq1 + r1 0 < r1 < b b = r1 q2 + r2 0 < r2 < r1 r1 = r2 q3 + r3 0 < r3 < r2 .. . rj−2 = rj−1 qj + rj 0 < rj < rj−1 rj−1 = rj qj+1 Si d = (a, b), alors d = rj . Par suite les entiers u et v tel que d = au + bv peuvent être obtenus par élimination des ri du sytème d’équations. 2 III. THÉORÈMES DE BEZOUT, GAUSS ET FERMAT Exemple 966 429 108 105 = = = = 429 × 2 + 108 108 × 3 + 105 105 × 1 + 3 3 × 35 On a donc (966, 429) = 3 et de plus : 3 = 108 − 105 = 108 − 429 + 3 × 108 = −429 + 4 × 108 = −429 + 4 × (966 − 2 × 429) = 4 × 966 − 9 × 429 III Théorèmes de Bezout, Gauss et Fermat Définition 2 Soit a et b deux entiers non nuls sont premiers entre eux si (a, b) = 1. Propriété 7 1) soit a un entier et p un nombre premier. p|a ⇐⇒ (a, p) = p. 2) soit p, q deux nombres premiers tels que p 6= q, alors (p, q) = 1 Théorème 1 (de Bezout) Soient a et b deux entiers non nuls. (a, b) = 1 ⇐⇒ il existe deux entiers u, v tels que au + bv = 1. Preuve : ⇒ déjà démontré. ⇐ On suppose que 1 = au + bv. On note d = (a, b), on a donc d|au + bv et donc d|1, ainsi d = 1. Théorème 2 (de Gauss) Soient a, b, c trois entiers non nuls. Si a|bc et (a, b) = 1 alors a|c. Preuve : (a, b) = 1, donc il existe u, v tels que au + bv = 1 et donc acu + bcv = c. Or a|bc et a|ac donc a|acu + bcv, ainsi a|c. Propriété 8 Soient a, b, c trois entiers non nuls et p un nombre premier. 1) Si (a, b) = 1 et a|c et b|c alors ab|c. 2) Si p|ab, alors p|a ou p|b. Preuve : 1) a|c, donc il existe k tel que c = ak. De plus b|c donc b|ak, or (a, b) = 1 donc d’après Gauss b|k, donc k = bk ′ . Ainsi c = abk ′ et donc ab|c. 2) Si p|a la propriété est démontré, sinon (a, p) = 1, d’après Gauss p divise donc b. Remarque La propriete 2) se traduit par si ab ≡ 0 [p] alors a ≡ 0 [p] ou b ≡ 0 [p] Définition 3 Soit n un entier naturel, on définit le nombre n! (se lit "factoriel n") par : n! = n(n − 1)(n − 2) · · · 2 × 1 Par convention : 0! = 1. 3 Définition 4 Soient p et k deux entiers naturels tels que k 6 p. p On définit le nombre entier (se lit "k parmi p") par : k p! p = k k!(p − k)! Propriété 9 (formule du binôme de Newton) a, b ∈ R et n est un entier naturel. n n n n n 2 n−2 n n n n n−1 n−1 2 n−1 (a + b) = a + a b+ a b +···+ a b + ab + b n n−1 n−2 2 1 0 Propriété 10 Soit p un nombre premier. Pour tout k ∈ {1, 2, . . . , n − 1}, p divise p . k Preuve : p (p − 1)! p p−1 p! p = × = = k!(p − k)! k (k − 1)!(p − 1 − (k − 1))! k k−1 k p p−1 p Et donc, k =p , ainsi p divise k . Or (p, k) = 1, donc d’après Gauss : p divise k k − 1 k p . k Théorème 3 (le petit théorème de Fermat) Pour tout nombre premier p et tout entier relatif a, ap ≡ a [p] Remarque Conséquance de ce théorème : Si p est premier alors pour tout a, b, (a + b)p ≡ ap + bp [p]. Preuve : on remarque que an ≡ rn [p] où r est le reste de la division euclidienne de a par p, de plus r > 0. Donc il suffit de montrer cette propriete pour a ∈ N. Par reccurence sur a en utilisant la propriete précédente. Pour a = 0 et 1, c’est évident. Supposons que ap ≡ a [p], alors (a + 1)p ≡ ap + 1 [p] ainsi (a + 1)p ≡ a + 1 [p]. D’où la propriété. Théorème 4 Soit p un nombre premier et a un entier relatif. Si p ne divise pas a alors ap−1 ≡ 1 [p]. Preuve : D’après Fermat a(ap−1 − 1) ≡ 0 [p] or a n’est pas congru à 0 modulo p et p est premier donc ap−1 − 1 ≡ 0 [p]. 4 IV. PPCM Autre démonstration : Soient les entiers 1, 2, · · · , p − 1 et a un entier permier avec p. Les restes de la division euclidienne des nombres a, 2a, · · · , (p − 1)a par p sont tous différents. En effet, par l’absurde supposons que ka et k ′ a ont le même reste. Donc p divise ka − k ′ a c’est à dire a(k ′ − k). Or, p et a sont premiers entre eux, d’après le théorème de Gauss, p divise donc k ′ − k, de plus −p < k ′ − k < p donc k = k ′ . De plus, aucun de ces restes est nul, car p est premier avec k et a donc avec ka. Par conséquent, p ne divise pas ka. Il y a donc p − 1 restes possibles : 1, 2, · · · , p − 1 et donc a × 2a × 3a × · · · (p − 1)a ≡ 1 × 2 × 3 × · · · (p − 1)a [p] ⇔ (p − 1)! × ap−1 ≡ (p − 1)! [p]. Donc, p divise (p − 1)!(ap−1 − 1) or p et (p − 1)! sont premiers entre eux car p est premiers avec tout entier k tel que 0 < k < p. D’après Gauss, p divise ap−1 − 1, par conséquent ap−1 ≡ 1 [p]. IV PPCM Définition 5 Le plus petit commun multiple des naturels non nuls a et b est le plus petit élément de l’ensemble des multiples communs à a et b. cad : m = ppcm(a, b) ⇔ a|m et b|m et si a|µ et b|µ alors m ≤ µ Exemple ppcm(6; 4) = 12 et ppcm(5, 3) = 15 Remarque ppcm(a, a) = a, ppcm(a, 0) = 0, ppcm(a, 1) = a. Propriété 11 Soient a et b des naturels au moins égaux à 2. Le ppcm de a et b est égal au produit de tous les facteurs communs de a et de tous ceux de b, avec pour chacun d’eux, l’exposant le plus grand de ceux qu’il a dans a et dans b. Exemple Déterminer ppcm(168, 540). On a 168 = 23 × 3 × 7 et 540 = 22 × 33 × 5, donc ppcm(168, 540) = 23 × 33 × 5 × 7 Propriété 12 1) L’ensemble des multiples communs de a et de b est l’ensemble des multiples de leur ppcm. 2) Soient a et b des entiers naturels : ppcm(a, b) × pgcd(a, b) = ab Preuve : On suppose a et b non nuls. Soit d = pgcd(a, b), donc a = da′ et b = db′ avec pgcd(a′ , b′ ) = 1. Soit µ un multiple de a et b, donc µ = ka = k ′ b. D’où kda′ = k ′ db′ , ainsi ka′ = k ′ b′ . On peut donc dire que b′ divise ka′ , or a′ et b′ sont premiers entre eux, donc b′ divise k. Ainsi, k = mb′ et donc µ = mda′ b′ . Ainsi, tous les multiples de a et b sont des multiples de da′ b′ et donc le plus petit est da′ b′ . Ainsi, ppcm(a, b) = da′ b′ . 5 Par conséquent, pgcd(a, b) × ppcm(a, b) = d × da′ b′ = da′ × db′ = ab. Exemple 1 Pour déterminer le ppcm, on détermine le pgcd par l’algorithmre d’Euclide par exemple, puis ppcm = ab/pgcd. Déterminer ppcm(44100, 36036) Exemple 2 Déterminer deux naturels connaissant leur produit 1512 et leur ppcm 252. On a pgcd(a, b) = 1512/252 = 6, donc a′ b′ = 252/6 = 42 avec pgcd(a′ , b′ ) = 1. On obtient (1, 42); (2; 21); (3; 14); (6; 7); (7; 6); (14; 3); (21; 2) et (42; 1). Ainsi les solutions sont : (6, 252); (12; 126); (18; 84); (36; 42); (42; 36); (84; 18); (126; 12) et (252; 6). 6