Exercices
Divisibilité et division euclidienne⚓︎
Exercices d'apprentissage
Exercice 1
On considère \(n\in \mathbb{N}^*, N\) le nombre de diviseurs positifs de \(n\) et \(P\) leur produit. Montrer que
Correction
On note \(d_1, ..., d_N\) les diviseurs de \(N\). Soit \(i \in \{1, ..., N\}\). Alors \(d_i \mid n\). Donc il existe \(b\in \mathbb{N}^*\) tel que \(n = d_i b\). En particulier \(b\mid n\), donc il existe \(j(i)\in \{1, ..., N\}\) tel que \(b = d_{j(i)}\) et \(n = d_i d_{j(i)}\).
L'application \(j : \{1, ..., N\} \longrightarrow \{1, ..., N\}\) est bijective. En effet \(j\circ j = \text{id}_{\{1, ..., N\}}\). Par conséquent
Exercice 2
On considère \(a\in \mathbb{Z},b\in \mathbb{N}^*\) et \(q \in \mathbb{Z}\) le quotient dans le division euclidienne de \(a-1\) par \(b\). Montrer que, pour tout \(n\in \mathbb{N}\), le quotient de la division euclidienne de \(ab^n -1\) par \(b^{n+1}\) est encore \(q\).
Correction
Nous avons \(a -1 = bq +r\) avec \(r\in \mathbb{N}\) tel que \(0\leq r<b\) i.e. \(1\leq r+1 \leq b\). Puis
avec
Exercices d'entrainement
Exercice 3
Résoudre dans \(\mathbb{Z}\) les équations suivantes.
1. \(x-1\mid x+3\).
Correction
Nous avons \(x-1 \mid x+3\) si et seulement s'il existe \(d\in \mathbb{Z}\) tel que \(x+3 = d(x-1)\) i.e. \(x-1 + 4 = d(x-1)\) i.e. \((d-1)(x-1) = 4\).
Ou, comme \(x\neq 1\),
Autre méthode plus générale, on peut également effectuer la division euclidienne de \(x+3\) par \(x-1\) pour reconnaître directement l'égalité précédente utilisée \(x+3 = x-1 + 4\).
2. \(x+2 \mid x^2\).
Correction
Nous avons \(x+2 \mid x^2\) si et seulement s'il existe \(d\in \mathbb{Z}\) tel que \(d(x+2) = x^2 = x^2 - 4 + 4 = (x+2)(x-2) + 4\) i.e. \(4 = (x+2)(d-(x-2)) = (x+2)(d-x+2)\).
Ou, comme \(x\neq -2\),
Avec la méthode plus générale, on peut également effectuer la division euclidienne de \(x^2\) par \(x+2\) pour obtenir l'égalité \(x^2 = (x+2)(x-2) + 4\).
Exercice 4
Résoudre dans \(\mathbb{Z}^2\) les équations suivantes.
1. \(xy = 3x + 2y\).
Correction
Nous avons
2. \(\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{y} = \dfrac{1}{5}\).
Correction
Nous avons
3. \(x^2 - y^2 - 4x -2y = 5\).
Correction
Nous avons
et pour tout \((a,b) \in \mathbb{Z}^2\)
PGCD et algorithme d'Euclide⚓︎
Exercices d'apprentissage
Exerice 5
Déterminer le PGCD et des identités de Bézout des entiers \(a\) et \(b\) :
1. \(a=33,b=24\).
Correction
2. \(a=37, b=27\).
Correction
3. \(a=270, b=105\).
Correction
4. \(a = 314, b = 159\).
Correction
Nous avons les divisions euclidiennes successives
Donc \(314 \wedge 159 = 1\) et
Exercices d'entrainement
Exercice 6
On considère deux entiers \(a,b \in \mathbb{N}^*\) tels que \(b\geq 2\) et \(a\wedge b = 1\).
1. Montrer que
Correction
2. En déduire une expression de tous les couples \(u,v\in \mathbb{Z}\) solutions de \(au+bv = 1\) en fonction de \(u_0,v_0, a,b\).
Correction
3. Déterminer deux entiers \(u,v\in \mathbb{N}\) tels que
Correction
Exercice 7
Montrer que, pour tout \(n\in \mathbb{Z}\), le PGCD de \(2n+4\) et \(3n+3\) ne peut être que \(1, 2, 3\) ou \(6\).
Correction
Nous avons
Exercice 8
Résoudre dans \(\mathbb{N}^2\) les systèmes suivants :
1. \(\begin{cases} x\wedge y = 5 \\ x\vee y = 60 \end{cases}\).
Correction
Nous avons \(60 = 2^2 \times 3 \times 5\). Donc les décomposition en produits de nombres premiers de \(x\) et \(y\) sont de la forme
avec
De plus nous avons également
Donc par unicité de la décomposition en nombres premiers de 5
Par conséquent
Donc
Réciproquement tous ces couples vérifient bien le système souhaité.
2. \(\begin{cases} x+y = 100 \\ x\wedge y = 10 \end{cases}\).
Correction
Exercice 9
Résoudre dans \(\mathbb{N}^2\) l'équation
Correction
Exercice 10
Déterminer les triplets \(a,b,c\in \mathbb{N}^*\) tels que
Correction
Exercice 11
On considère \(a,b\in \mathbb{N}\) avec \(b \neq 0\)
1. On considère \(r\in \mathbb{N}\) le reste de la division euclidienne de \(a\) par \(b\). Montrer que \(2^r−1\) est le reste de la division euclidienne de \(2^a−1\) par \(2^b−1\).
Correction
Nous avons
2. En déduire que
Correction
On considère les restes successifs dans l'algorithme d'Euclide \((r_n)_{0\leq n\leq N}\) entre \(a\) et \(b\). Nous avons donc \(a\wedge b = r_{N-1} \neq 0\) et \(r_N = 0\).
On considère également les restes successifs dans l'algorithme d'Euclide \((R_n)_{0\leq n\leq N'}\) pour les entiers \(2^a - 1\) et \(2^b - 1\). Nous avons alors d'après la question précédente
Puis le reste de la division euclidienne de \(R_1\) par \(R_2\) est, d'après la question précédente et la définition de \(r_3\) comme reste dans la division euclidienne de \(r_1\) par \(r_2\), \(R_3 = 2^{r_3} -1\). On en déduit par récurrence \(R_n = 2^{r_n} - 1\) pour tout \(n\in \{0, ..., N\}\). En particulier nous avons
Donc \(N' = N\) et, d'après l'algorithme d'Euclide,
Exercices d'approfondissement
Exercice 12
On considère la suite de Fibonacci \((\varphi_n)_{n\in \mathbb{N}}\) définie par
1. Montrer que, pour tout \(n \in \mathbb{N},\)
Correction
2. On considère \(k \in \mathbb{N}^*\) et \(n\in \mathbb{N}\). Montrer que
Correction
3. On considère \(a\in \mathbb{N},b \in \mathbb{N}^*\) et \(r \in \mathbb{N}\) le reste de la division euclidienne de \(a\) par \(b\). Montrer que
et
Correction
4. Conclure que
Correction
Exercice 13
1. Montrer que, pour \(a\in \mathbb{Z}, a\mathbb{Z}\) est un sous-groupe de \(\mathbb{Z}\).
2. Nous allons que, réciproquement, tout sous groupe de \(\mathbb{Z}\) est de cette forme. Vérifier que le sous-groupe \(\{0\}\) est de la forme voulue.
3. Soit \(H\) un sous-groupe de \(\mathbb{Z}\) non réduit à \(\{0\}\). Montrer que \(H^+ = \{h \in H, h>0\}\) possède un plus petit élément. On le note \(a = \min(H^+)\).
4. Montrer que \(a\mathbb{Z} = H\).
5. Montrer qu'un tel \(a\) est un unique.
6. Soit \(a,b\in \mathbb{Z}^*\). Montrer que \(a\mathbb{Z} + b\mathbb{Z}\) est un sous-groupe de \(\mathbb{Z}\).
7. Déterminer l'élément \(c \in \mathbb{N}^*\) tel que \(a\mathbb{Z} + b\mathbb{Z} = c\mathbb{Z}\).
Correction
Entiers premiers entre eux⚓︎
Exercices d'apprentissage
Exercice 14
Montrer que, pour tout \(n \in \mathbb{N}^*\),
1. \((n^2+n) \wedge (2n+1)=1.\)
Correction
Nous effectuons la "division euclidienne"
Autrement dit
Nous pouvons également écrire que \(n^2 + n = n(n+1)\) et montrer \(n\wedge (2n+1) = 1 = (n+1) \wedge (2n+1)\).
2. \((3n^2+2n)∧(n+1)=1.\)
Correction
Nous effectuons la divison euclidienne
Autrement dit
Nous pouvons également écrire que \(3n^2 + 2n = n(3n+2)\) et montrer \(n \wedge (n+1) = 1 = (3n + 2) \wedge (n+1)\).
Exercice 15
On considère deux entiers \(a,b \in \mathbb{Z}\). Montrer que
Correction
On raisonne par double implications.
- On suppose \((a+b) \wedge (ab) = 1\). Soit \(d\) diviseur positif de \(a\) et \(b\). Alors \(d\) divise \(a+b\) et \(ab\).
Nous pouvons également utiliser le théorème de Bézout.
- On suppose \(a \wedge b = 1\). On montre alors que \(a+b\) est premier avec \(a\) et \(b\) pour en déduire qu'il est premier avec \(ab\). Soit \(d\) diviseur positif de \(a+b\) et \(a\). Alors \(d \mid a+b-a = b\). Donc, comme \(a\wedge b = 1\), \(d = 1\).
Exercices d'entrainement
Exercice 16
1. Montrer que, pour \(n \in \mathbb{N}\), il existe un unique couple d'entiers \((a_n,b_n) \in \mathbb{N}^2\) tel que
Correction
Nous montrons l'existence par récurrence. Pour l'unicité on suppose qu'il existe \(a_n,b_n,a_n',b_n' \in \mathbb{N}\) tels que
Puis on suppose par l'absurde \(b_n\neq b_n'\). Alors
2. Calculer \(a^2_n−2b^2_n\).
Correction
Nous avons
3. En déduire que
Correction
Nous avons
Exercice 17
On considère \(n \in \mathbb{N}^*\) et, pour \(q\in \mathbb{Z}\),
1. On considère \(p,q \in \mathbb{Z}\). Calculer \(\varphi_p \circ \varphi_q\).
Correction
2. Montrer que si \(n\wedge q = 1\) alors \(\varphi_q\) est bijective.
Correction
On suppose que \(n\wedge q = 1\). Alors il existe \(u,v \in \mathbb{Z}\) tels que
On considère l'application \(\varphi_v\). Nous avons pour tout \(z\in \mathbb{U}_n\), \(z = \omega_n^k\) avec \(\omega = e^{i \frac{2\pi}{n}}\) et \(k\in \{0, ..., n-1\}\). Alors
3. Montrer que la réciproque est également vérifiée.
Correction
On suppose que l'application \(\varphi_q\) est bijective. Alors \(\omega_n \in \mathbb{U}_n\) admet un antécédent par \(\varphi_q\) : il existe \(z = \omega^k \in \mathbb{U}_n, k\in \{0, ..., n-1\}\) tel que
Donc
Ainsi il existe \(\ell \in \mathbb{Z}\) tel que \(\dfrac{1-kq}{n} = \ell\) i.e. \(kq + \ell n = 1\). Ainsi, par théorème de Bézout, \(q\) et \(n\) sont premiers entre eux.
Nombres premiers⚓︎
Exercices d'apprentissage
Exercice 18
Montrer que les entiers suivants ne sont pas premiers.
1. \(4n^3+6n^2+4n+1, n\in \mathbb{N}^*\).
Correction
Nous avons
avec \((n+1)^2 +n^2, 2n+1 \geq 2\).
2. \(n^4−n^2+16, n\in \mathbb{Z}\).
Correction
Nous avons
avec \(n^2 + 3n +4,n^2 - 3n+4 \neq -1,0,1\) pour tout \(n\in \mathbb{Z}\).
Exercices d'entrainement
Exercice 19
1. On considère deux entiers \(a,n\in\mathbb{N}\) tels que \(a,n\geq 2\). Montrer que
Les entiers de la forme \(2^p - 1, p\in \mathcal{P}\) sont appelés des nombres de Mersenne.
Correction
2. On considère un entier \(n\in \mathbb{N}^*\). Montrer que
où \(2^\mathbb{N} = \{2^k, k\in \mathbb{N}\}\) est l'ensemble des puissances de \(2\). Les entiers de la forme \(2^{2^k} - 1\) sont appelés nombres de Fermat. La réciproque n'est pas vérifiée comme par exemple avec \(k = 5\) :
Correction
3. On considère les entiers de Fermat \(F_n = 2^{2^n} + 1,n\in \mathbb{N}\). Montrer que les nombres de Fermat \((F_n)_{n\in \mathbb{N}}\) sont premiers entre eux deux à deux.
Correction
4. En déduire une autre démonstration du fait qu'il y ait une infinité de nombres premiers.
Correction
Exerice 20
Montrer que
Correction
Nous avons
Donc, comme \(\prod_{j=0}^{499} (2j+1)\) est impair,
Congruence⚓︎
Exercices d'apprentissage
Exercice 21
Montrer que
Correction
Nous avons
et
Donc
Ainsi
Autrement dit \(11\mid 2^{123} + 3^{121}\).
Exercice 22
Déterminer le reste de la division euclidienne de \(1234^{4321}+4321^{1234}\) par \(7\).
Correction
Exercice 23
Déterminer les entiers \(n\in \mathbb{Z}\) tels que \(10 \mid n^2+(n+1)^2+(n+3)^2\).
Correction
On raisonne modulo 10 :
Donc
Exercice 24
On considère un entier \(n \in \mathbb{Z}\) impair. Montrer que
Correction
Exercices d'entrainement
Exercice 25
Montrer que pour tout \(n\in \mathbb{N}\) :
1. \(6 \mid 5n^3+n\).
2. \(7 \mid 3^{2n+1}+2^{n+2}\).
3. \(5 \mid 2^{2n+1}+3^{2n+1}\).
4. \(11 \mid 3^{8n} \times 5^4+5^{6n} \times 7^3\).
5. \(9 \mid 4^n - 1 − 3n\).
6. \(15^2 \mid 16^n−1−15n\).
Correction
Exercice 26
On considère \(\lambda,a,b \in \mathbb{Z}\) et \(m\in \mathbb{N}^∗\). Montrer que si \(\lambda \wedge m = 1\) alors
Correction
Exercice 27
1. Montrer que pour tout entier \(n\in \mathbb{N}, 5\mid (2^{3n + 5} + 3^{n+1})\).
Correction
2. Montre que pour tout entier \(n\in \mathbb{N}, 30 \mid (n^5 - n)\).
Correction
Nous avons \(30 = 5\times 6\) avec \(5\wedge 6 =1\). Puis nous vérifions que pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(n^5 - n \equiv 0[5]\) et \(n^5 - n \equiv 0[6]\).
3. Quel est le reste de la division euclidienne de \(16^{(2^{1000})}\) par \(7\) ?