Arithmétique dans Z I. Multiples et diviseurs dans Z et N II. Division

Gaudino, casier 5 version N1.2 (12 d´ecembre 2013)
P.C.S.I. 834 Arithmétique dans ZLycée Masséna
Rappel : toute partie non vide de Nadmet un plus petit élément, et toute partie non vide majorée de Nadmet un
plus grand élément.
I. Multiples et diviseurs dans Zet N
I.1. Définition
d´
efinition 1. Soient aet bdans Z. On dit que bdivise a, noté b|a, lorsqu’il existe kZtel que a=bk.
0 ne divise que 0, 1 et 1 divisent tout entier relatif. 0 est divisible par tout entier.
Lemme 1. Si b|aalors a= 0 ou |b|≤|a|.
I.2. Relation d’ordre
Sur Z: réflexivité, transitivité. Ni symétrique, ni antisymétrique.
Sur N: réflexivité, transitivité, antisymétrique, mais pas total. On parle d’ordre non total.
II. Division euclidienne dans N
II.1. Division euclidienne
Th´
eor`
eme 2. Soit aNet bN. Il existe un unique couple (q, r)Z2qui vérifie (qest appelé le quotient, rle
reste) :
a=bq +ret 0r < b
Calcul de qpar la partie entière (mais preuve par le plus grand entier qtel que bq a). Extension aisée au cas aZ.
Proposition 3. b|asi et seulement si r= 0.
Programmation en Python dans N.
II.2. Congruence dans Z
d´
efinition 2. Soit nN, et aet bdeux entiers relatifs. On dit que aest congru à bmodulo nlorsqu’il existe kZ
tel que a=b+kn. On note ab[n].
Proposition 4. aest congru modulo nà son reste dans la division euclidienne de apar n.
Intérêts : savoir si aet bont le même reste, savoir si aest multiple de n.
Opérations :
Somme et différence : si ab[n] et cd[n] alors a+cb+d[n] et acbd[n].
Produit : si ab[n] et mNalors am bm[nm].
Néanmoins, comme il s’agit de multiplier par un entier naturel, on garde aussi la conclusion am bm[n].
Exemple : a2+a+ 1 est toujours impair.
II.3. Relation d’équivalence
Th´
eor`
eme 5. La relation de congruence modulo nest une relation d’équivalence : réflexive, transitive, symétrique.
d´
efinition 3. Soit aZ. On note C(a)l’ensemble des entiers congrus à amodulo n. On l’appelle classe d’équivalence
de a.
Proposition 6. Les classes d’équivalences forment une partition de Z: elles sont deux-à-deux disjointes, et leur
réunion est Z.
Exemples de classes. Cette notion s’étend à toute relation d’équivalence (modulo sur R, matrices équivalentes par
lignes par exemple).
1
III. Nombres premiers dans N
III.1. Définition
d´
efinition 4. On appelle nombre premier tout entier naturel supérieur à 2qui n’admet comme diviseur dans Nque 1
et lui-même.
Vocabulaire de nombre irréductible dans Z.
Rem : pour prouver que nest premier, il suffit de chercher des diviseurs n.
III.2. Deux résultats importants
Th´
eor`
eme 7. Tout entier naturel supérieur à 2admet (au moins) un diviseur premier.
pv par récurrence forte ou en considérant le plus petit diviseur supérieur à 2 de n.
Proposition 8. Il existe une infinité de nombres premiers.
pv : On considère P={x1,··· , xn}et y= n
Y
k=0
xk!+ 1. y2 n’admet aucun diviseur premier : contradiction.
III.3. Décomposition
Th´
eor`
eme 9 (admis).Il existe une décomposition de tout entier naturel supérieur à 2en produit de nombres premiers,
composition unique à l’ordre près.
Notation n=Yqkavec des nombres premiers pas tous distincts, ou n=Ypνk
kavec des nombres premiers tous
distincts. Notion de valuation νk
Exercice : Soient aet bentiers supérieurs à 2. a|bssi k, νk(a)νk(b).
III.4. Crible d’Eratosthène (programmation Python)
On écrit l’ensemble de tous les entiers (supérieurs à 2) ;
le premier élément (2) est premier : on le retire, ainsi que ses multiples ;
le premier élément (3) est premier : on le retire, ainsi que ses multiples ;
le premier élément (5) est premier : on le retire, ainsi que ses multiples . . .
pv : à chaque étape, on a retiré les multiples des entiers inférieurs. Ne restent donc que les entiers qui n’ont aucun
diviseur autre que 1 et lui-même.
IV. PGCD et PPCM dans N
IV.1. Définitions
d´
efinition 5. Soient aet bdeux entiers naturels non-nuls. On appelle pgcd(a, b), noté aussi ab, leur plus grand
commun diviseur (dans N).
On appelle ppcm(a, b), noté aussi ab, leur plus petit commun multiple (dans N).
Soit aentier naturel non-nul : on définit (cas particulier) pgcd(a, 0) = a.
On définit pgcd(0,0) = 0.
Cette définition appelle en fait une preuve : partie non vide dans N, partie non vide majorée dans N.
Remarque : on dit que aet bsont premiers entre eux lorsque pgcd(a, b) = 1.
Représentant irréductible d’un rationnel.
Exercices :
1. Soit ppremier. On a p|aou pa= 1.
2. Si pet qsont premiers distincts, alors pq= 1.
3. Tout diviseur de aet bdivise pgcd(a, b).
IV.2. Une application
Th´
eor`
eme 10. 2est irrationnel.
2
IV.3. Calcul explicite par décomposition en produit de nombres premiers
Proposition 11. En écrivant a=Ypµk
ket b=Ypνk
kavec des nombres premiers tous distincts, on a :
pgcd(a, b) = Ypmin(µkk)
ket ppcm(a, b) = Ypmax(µkk)
k
Exercice : pgcd(a, b)×ppcm(a, b) = ab.
IV.4. Algorithme d’Euclide (programmation Python)
Pour calculer pgcd(a, b) :
1. on calcule le reste rde la division euclidienne de apar b;
2. si r= 0, alors le pgcd est b;
3. sinon, on recommence en calculant le reste de la division euclidienne de bpar r(i.e. on remplace apar b,bpar
r, et on itère).
Lemme 12. Soit aN,bN,qet rles quotients et restes dans la division euclidienne de apar b. Un entier divise
aet bssi il divise bet r.
On a de plus pgcd(a, b) = pgcd(b, r).
Proposition 13. L’algorithme d’Euclide se termine en un nombre fini d’étape, et pgcd(a, b)est le dernier reste non
nul.
Remarque : si a<b, la première étape a pour effet d’échanger aet b.
pv : On considère r0=a,r1=b, et n1, si rn6= 0 alors rn+1 est le reste de la division euclidienne de rn1par rn.
La suite est strictement décroissante à partir du rang 1. . .
ex : pgcd(150,147) = 3, pgcd(77,30) = 1.
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