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Divisibilité, division euclidienne et congruences — Cours en classe — Terminale mathématiques expertes
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Divisibilité, division euclidienne et congruences — Cours en classe — Terminale mathématiques expertes
Faire les 2kπ
Divisibilité, division euclidienne et congruences
Cours en classe — Terminale générale, Mathématiques expertes.
Fil conducteur. Une égalité du type \(a=bq+r\) relie deux points de vue : les multiples et les restes. Elle permet de dresser une liste de diviseurs, de calculer sans développer une puissance immense, de résoudre des équations entières et de construire un chiffrement simple.
Point de départ. On note \(\mathbb Z\) l'ensemble des entiers relatifs et \(\mathbb N=\{0,1,2,\ldots\}\). Les calculs avec les signes, la distributivité et les identités remarquables sont réutilisés. Le raisonnement par récurrence sera rappelé lorsqu'il intervient. Aucun résultat sur le PGCD, Bézout, Gauss ou Fermat n'est supposé connu ici.
1 Divisibilité dans les entiers relatifs
Définition : Diviseur, multiple et témoin entier
Soient \(d,a\in\mathbb{Z}\). On dit que \(d\) divise \(a\), et on écrit \(d\mid a\), s’il existe un entier \(k\in\mathbb{Z}\) tel que \(a=dk\). On dit aussi que \(d\) est un diviseur de \(a\), ou que \(a\) est un multiple de \(d\). L’entier \(k\) justifie la divisibilité.
Ainsi \(-35=7\times(-5)\) prouve que \(7\mid-35\). En revanche, \(12=5\times2{,}4\) ne prouve pas que \(5\mid12\) : \(2{,}4\notin\mathbb{Z}\).
Propriétés : Zéro, signes et quotient
Pour tout entier \(a\), \(1\mid a\), \(-1\mid a\) et \(a\mid0\). De plus, \(0\mid a\) si et seulement si \(a=0\) : en particulier, \(0\mid0\).
Changer le signe du diviseur ou du dividende ne change pas la divisibilité. Si \(d\ne0\), on dispose du critère
Démonstration : Revenir à une égalité.
Les égalités \(a=1\times a=(-1)\times(-a)\) et \(0=a\times0\) suffisent pour les trois premières affirmations. Une égalité \(a=0\times k\) impose \(a=0\) ; réciproquement \(0=0\times0\). Enfin \(a=dk\) entraîne \(a=(-d)(-k)\) et \(-a=d(-k)\), et les mêmes changements de signe donnent les réciproques. Si \(d\ne0\), \(a=dk\) équivaut à \(a/d=k\) ; le critère du quotient en découle.
Ne pas confondre. \(0\mid0\) est une affirmation sur une multiplication ; elle ne donne aucun sens à la division \(0/0\). Les multiples de \(0\) forment \(\{0\}\), alors que tous les entiers divisent \(0\).
Lemme : Borner les diviseurs et les rechercher par paires
Si \(a\ne0\) et \(d\mid a\), alors \(d\ne0\) et \(1\leqslant |d|\leqslant |a|\). Pour \(N\geqslant1\), si \(N=de\) avec \(d,e\) positifs, au moins l’un des deux facteurs vérifie \(d\leqslant\sqrt N\) ou \(e\leqslant\sqrt N\).
Démonstration : Pourquoi la recherche est finie.
Dans \(a=dk\ne0\), les entiers \(d\) et \(k\) sont non nuls ; donc \(|k|\geqslant1\) et \(|a|=|d|\,|k|\geqslant|d|\geqslant1\). Si les deux facteurs positifs de \(N\) étaient strictement supérieurs à \(\sqrt N\), leur produit serait strictement supérieur à \(N\), contradiction.
Méthode : Lister tous les diviseurs d’un entier non nul
On travaille d’abord avec \(N=|a|\). Pour chaque entier \(d\geqslant1\) tel que \(d^2\leqslant N\), on teste si \(N/d\) est entier. Dans ce cas, on inscrit les deux partenaires \(d\) et \(N/d\), sans doublon s’ils sont égaux. On range les diviseurs positifs puis on ajoute leurs opposés pour une liste dans \(\mathbb{Z}\). Le lemme garantit qu’aucune paire n’est oubliée.
Exemple : Tous les diviseurs de \(-84\)
Comme \(9^2\leqslant84<10^2\), on teste \(d=1,\ldots,9\). Les paires retenues pour \(84\) sont
Contrôle. Chaque paire a pour produit \(84\) ; les signes se vérifient en changeant celui du partenaire. Il y a \(24\) diviseurs entiers, aucun n’est nul.
Cas à isoler : pour \(a=0\), la liste des diviseurs est infinie ; la méthode précédente, qui utilise \(a\ne0\), ne s’applique pas.
2 Combinaisons linéaires et équations entières
Propriétés : Transitivité et produit
Pour des entiers \(a,b,c,d,d_1,d_2,a_1,a_2\) :
si \(d\mid a\) et \(a\mid b\), alors \(d\mid b\) ;
si \(d\mid a\), alors \(d\mid ca\) ;
si \(d_1\mid a_1\) et \(d_2\mid a_2\), alors \(d_1d_2\mid a_1a_2\).
Démonstration : Les témoins se multiplient.
Si \(a=dk\) et \(b=a\ell\), alors \(b=d(k\ell)\). De même, \(ca=d(ck)\). Enfin \(a_1=d_1k_1\) et \(a_2=d_2k_2\) donnent \(a_1a_2=(d_1d_2)(k_1k_2)\). Les nouveaux témoins sont des entiers.
Théorème : Stabilité par combinaison linéaire entière
Si \(d\mid a\) et \(d\mid b\), alors, pour tous \(u,v\in\mathbb{Z}\),
Démonstration : Mettre le diviseur en facteur.
Écrivons \(a=dr\) et \(b=ds\), avec \(r,s\in\mathbb{Z}\). Alors \(ua+vb=udr+vds=d(ur+vs)\), et \(ur+vs\in\mathbb{Z}\).
Corollaire : Enlever un multiple du diviseur
Pour \(a,d,k\in\mathbb{Z}\),
Démonstration : Il faut les deux sens.
Si \(d\mid a\), alors \(d\mid a+kd\). Réciproquement, si \(d\mid a+kd\), on soustrait le multiple \(kd\) : \(d\mid(a+kd)-kd=a\).
Piège : Ne pas inverser une implication
\(d\mid(a+b)\) n’impose pas \(d\mid a\) ni \(d\mid b\) : \(3\mid(1+2)\). De même \(6\mid2\times3\), mais \(6\nmid2\) et \(6\nmid3\). Les coefficients de la combinaison doivent être entiers : la moitié d’un multiple de \(2\) n’est pas nécessairement un multiple de \(2\).
Méthode : Une divisibilité contenant l’inconnue
Lorsqu’un diviseur et le nombre à diviser dépendent du même entier \(n\), chercher une combinaison qui supprime \(n\). Transformer par équivalence, puis exploiter une liste finie de diviseurs. Vérifier les valeurs interdites et la réciproque.
Exemple : Résoudre \(n-2\mid3n+4\) dans \(\mathbb{Z}\)
On écrit \(3n+4=3(n-2)+10\). Le corollaire donne
Contrôle. Pour chacune de ces valeurs, \(10=(n-2)k\) avec \(k\in\mathbb{Z}\), donc \(3n+4=(n-2)(3+k)\) : toutes conviennent. La valeur \(n=2\) ne convient pas, car \(0\nmid10\).
Méthode : Factoriser une équation à inconnues entières
Une équation diophantienne cherche des solutions entières. Si elle se ramène à \(uv=N\ne0\), les couples ordonnés possibles sont \((u,v)=(d,N/d)\), où \(d\) parcourt tous les diviseurs entiers de \(N\). En effet, \(uv=N\) impose \(u\mid N\) et \(v=N/u\) ; la réciproque est immédiate.
Revenir ensuite aux inconnues initiales et contrôler leur intégralité. Si \(N=0\), il faut traiter séparément \(u=0\) ou \(v=0\) : la liste finie ne s’applique plus.
Exemple : Compléter un produit
Résolvons \(xy-2x+3y=11\) dans \(\mathbb{Z}^2\). Comme
| \(x+3\) | \(y-2\) | \(x\) | \(y\) |
|---|---|---|---|
| 1 | 5 | -2 | 7 |
| 5 | 1 | 2 | 3 |
| -1 | -5 | -4 | -3 |
| -5 | -1 | -8 | 1 |
Ce sont les quatre solutions \((-2,7),(2,3),(-4,-3),(-8,1)\).
Contrôle. Toute ligne a un produit égal à \(5\) ; en développant et en ajoutant \(6\), on retrouve \(xy-2x+3y=11\). L’énumération des diviseurs de \(5\) garantit l’exhaustivité.
Exemple : Un retour aux inconnues qui impose la parité
Pour \(x^2-y^2=32\), poser \(u=x-y\) et \(v=x+y\) donne \(uv=32\) et
Contrôle. \(9^2-7^2=81-49=32\) et \(6^2-2^2=36-4=32\) ; les signes ne changent pas les carrés. La restriction à \(\mathbb{N}^2\) ne garderait que \((9,7)\) et \((6,2)\).
3 Division euclidienne : quotient et reste
Théorème : Existence et unicité
Pour tout \(a\in\mathbb{Z}\) et tout entier \(b\geqslant1\), il existe un unique couple \((q,r)\in\mathbb{Z}^2\) tel que
Lecture du schéma : \(-9\) est entre les multiples consécutifs \(-14\) et \(-7\) de \(7\). En partant du multiple inférieur \(-14\), il reste à avancer de \(5\) : \(-9=7(-2)+5\).
Démonstration : Existence : construire le couple.
Si \(a\geqslant0\). Parmi les entiers \(j\in\{0,\ldots,a\}\) pour lesquels \(bj\leqslant a\), il y en a au moins un, \(j=0\). Cette liste finie admet un plus grand élément \(q\). On a \(bq\leqslant a<b(q+1)\) : si \(b(q+1)\leqslant a\), alors \(q+1\leqslant a\) puisque \(b\geqslant1\), ce qui contredirait le choix de \(q\). En posant \(r=a-bq\), on obtient \(0\leqslant r<b\).
Si \(a<0\). On applique le cas précédent à \(-a>0\) : \(-a=bQ+R\) avec \(0\leqslant R<b\). Si \(R=0\), alors \(a=b(-Q)+0\) convient. Si \(R>0\), on réécrit
Lemme : Un petit multiple est nul
Si \(b\geqslant1\), \(b\mid t\) et \(-b<t<b\), alors \(t=0\).
Démonstration : Une borne stricte décisive.
Écrire \(t=bk\) donne \(-1<k<1\). Le seul entier de cet intervalle est \(0\).
Démonstration : Unicité : comparer deux décompositions.
Supposons \(a=bq+r=bq'+r'\) avec \(0\leqslant r,r'<b\). Alors \(b(q-q')=r'-r\) et \(-b<r'-r<b\). Le lemme impose \(r'-r=0\), donc \(r=r'\). On en déduit \(b(q-q')=0\), puis \(q=q'\) car \(b\ne0\).
Corollaire : Divisibilité et reste nul
Pour \(b\geqslant1\), \(b\mid a\) si et seulement si le reste de la division de \(a\) par \(b\) vaut \(0\).
Démonstration : Utiliser l’unicité.
Un reste nul donne \(a=bq\), donc \(b\mid a\). Inversement \(a=bk\) avec \(k\in\mathbb{Z}\) est déjà une division euclidienne de reste \(0\) ; l’unicité permet de conclure.
Méthode : Effectuer puis vérifier une division
Trouver deux multiples consécutifs tels que \(bq\leqslant a<b(q+1)\). Calculer \(r=a-bq\), puis contrôler à la fois l’identité \(a=bq+r\) et les bornes \(0\leqslant r<b\). Pour un dividende négatif, ne pas seulement changer le signe du quotient et du reste.
Exemple : Diviser \(173\), \(-173\) et \(-180\) par \(12\)
Exemple : Exploiter une contrainte sur quotient et reste
Un entier \(a\) est divisé par \(6\) ; on impose \(q=2r+1\). Écrivons toutes les conditions :
| \(r\) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| \(q=2r+1\) | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 |
| \(a=13r+6\) | 6 | 19 | 32 | 45 | 58 | 71 |
Réciproquement, chaque colonne satisfait \(a=6q+r\) et \(0\leqslant r<6\) ; elle fournit donc une division valable. Sans la borne sur \(r\), on obtiendrait des candidats qui ne répondent pas au problème.
4 Congruences : comparer les restes
Définition : Congruence modulo un entier
On fixe un entier \(n\geqslant2\). Pour \(a,b\in\mathbb{Z}\),
Convention. Le parcours utilise \(n\geqslant2\). Modulo \(1\), tous les entiers seraient congrus et le seul reste serait \(0\) ; le module \(0\) n’est pas utilisé.
Théorème : Caractérisation par les restes
Deux entiers sont congrus modulo \(n\) si et seulement si leurs divisions euclidiennes par \(n\) ont le même reste.
Démonstration : Relier divisibilité et division euclidienne.
Écrivons \(a=nq+r\) et \(b=nq'+s\), avec \(0\leqslant r,s<n\). Si \(r=s\), alors \(a-b=n(q-q')\), donc \(a\equiv b\pmod n\). Réciproquement, si \(n\mid(a-b)\), alors
Propriétés : Trois règles de raisonnement
Pour un même module \(n\), \(a\equiv a\) ; si \(a\equiv b\), alors \(b\equiv a\) ; si \(a\equiv b\) et \(b\equiv c\), alors \(a\equiv c\). Ces trois propriétés sont la réflexivité, la symétrie et la transitivité.
Démonstration : Différences nulle, opposée et additionnée.
On utilise successivement \(a-a=0\), \(b-a=-(a-b)\) et \(a-c=(a-b)+(b-c)\), ainsi que la stabilité des multiples de \(n\).
Corollaire : Décrire tous les entiers d’un même reste
Si \(r\) est le reste de \(a\) modulo \(n\), alors
Démonstration : Le reste comme représentant.
Puisque \(a\equiv r\pmod n\), la symétrie et la transitivité donnent \(x\equiv a\pmod n\Longleftrightarrow x\equiv r\pmod n\). La définition transforme cette dernière condition en \(x-r=nk\).
Lecture : les nombres représentés diffèrent de multiples de \(9\) ; ils ont tous le reste \(5\). Le nombre \(-4\) est un représentant possible, mais n’est pas le reste euclidien.
Méthode : Prouver une congruence ou borner ses solutions
Pour comparer deux entiers : tester leur différence ou comparer leurs restes. Pour chercher tous les entiers d’un même reste : écrire \(x=r+nk\). S’il existe des bornes sur \(x\), les traduire en bornes sur l’entier \(k\).
Exemple : \(-58\) et \(23\) modulo \(9\)
La différence vaut \(-81=9(-9)\), donc \(-58\equiv23\pmod9\). On retrouve ce fait par \(-58=9(-7)+5\) et \(23=9\times2+5\).
Pour résoudre \(x\equiv23\pmod9\) avec \(-20\leqslant x\leqslant20\), on écrit
Contrôle. Elles appartiennent à l’intervalle demandé et chacune a pour reste \(5\).
5 Calculer avec des congruences
Théorème : Compatibilité avec les opérations
Pour un même module \(n\geqslant2\), si \(a\equiv a'\pmod n\) et \(b\equiv b'\pmod n\), alors
Démonstration : Les écarts restent des multiples du module.
Écrivons \(a=a'+nu\) et \(b=b'+nv\) avec \(u,v\in\mathbb{Z}\). On a \(a+b=a'+b'+n(u+v)\) et \(a-b=a'-b'+n(u-v)\). Pour le produit, la distributivité donne les quatre termes
Théorème : Puissances naturelles
Si \(a\equiv b\pmod n\), alors \(a^p\equiv b^p\pmod n\) pour tout entier \(p\geqslant1\). Pour \(p=0\), l’égalité \(a^0=b^0=1\) convient lorsque \(a\) et \(b\) sont non nuls. On ne donne pas ici de sens à \(0^0\).
Démonstration : Une récurrence sur l’exposant.
L’initialisation \(p=1\) est l’hypothèse. Supposons \(a^p\equiv b^p\pmod n\) à un rang \(p\geqslant1\). La règle du produit et \(a\equiv b\pmod n\) donnent \(a^{p+1}=a^pa\equiv b^pb=b^{p+1}\pmod n\). Le principe de récurrence, connu en Terminale, établit donc la propriété à tout rang \(p\geqslant1\) : il ne s’agit pas seulement d’une vérification sur quelques valeurs.
Méthode : Réduire avant de calculer
Remplacer chaque entier par un représentant plus simple pour le même module. Appliquer les règles précédentes et réduire de nouveau les résultats intermédiaires. Si l’on demande le reste, terminer par le représentant compris entre \(0\) et \(n-1\).
Exemple : Reste de \(47\times83-19^2\) modulo \(12\)
On a \(47\equiv-1\), \(83\equiv-1\) et \(19\equiv7\pmod{12}\). Donc
Contrôle. Le calcul direct donne \(47\times83-19^2=3901-361=3540=12\times295\).
Propriété : Passer à un module diviseur
Si \(a\equiv b\pmod n\) et si \(d\geqslant2\) divise \(n\), alors \(a\equiv b\pmod d\).
Démonstration : Appliquer la transitivité de la divisibilité.
On a \(n\mid(a-b)\) et \(d\mid n\), donc \(d\mid(a-b)\). La réciproque n’est pas automatique : \(1\equiv3\pmod2\), mais \(1\not\equiv3\pmod4\).
Théorème : Une simplification qui change aussi le module
Pour \(c\geqslant1\), \(m\geqslant2\) entiers et \(a,b\in\mathbb{Z}\),
Démonstration : Simplifier une égalité entière, pas seulement des symboles.
La congruence de gauche signifie \(c(a-b)=cmk\) pour un entier \(k\). Comme \(c\ne0\), cette égalité équivaut à \(a-b=mk\), qui est la congruence de droite.
Piège : On ne divise pas librement une congruence
\(3\equiv9\pmod6\) est vraie, mais \(1\equiv3\pmod6\) est fausse. La simplification correcte est \(1\equiv3\pmod2\). De même,
On ne peut pas non plus extraire arbitrairement des racines : \(2^2\equiv3^2\pmod5\), alors que \(2\not\equiv3\pmod5\). Enfin un produit nul modulo \(6\) n’impose pas un facteur nul modulo \(6\) : \(2\times3\equiv0\).
6 Grandes puissances et cycles de restes
Méthode : Chercher d’abord \(0\), \(1\) ou \(-1\)
Réduire la base avant toute autre recherche. Pour un exposant entier \(p\geqslant1\), une base congrue à \(0\) donne un reste nul ; une base congrue à \(1\) donne un reste \(1\) ; une base congrue à \(-1\) donne \((-1)^p\), donc dépend de la parité de \(p\). Ces règles découlent du théorème sur les puissances.
Théorème : Réduire l’exposant grâce à un retour à \(1\)
Soient \(a\in\mathbb{Z}\setminus\{0\}\), \(m\geqslant2\) et \(T\geqslant1\) entiers. Si \(a^T\equiv1\pmod m\) et si \(p=Tq+r\) est la division euclidienne de \(p\in\mathbb{N}\) par \(T\), alors
Démonstration : Justifier la répétition.
On a \(q\geqslant0\) et \(0\leqslant r<T\). Les règles des puissances donnent \(a^p=(a^T)^q a^r\equiv1^q a^r=a^r\pmod m\). Les cas \(q=0\) et \(r=0\) utilisent les puissances nulles de nombres non nuls.
Exemple : Reste de \(36^{2027}\) modulo \(11\)
Comme \(36\equiv3\pmod{11}\), on étudie les puissances de \(3\).
| \(p\) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| reste de \(3^p\) modulo \(11\) | 1 | 3 | 9 | 5 | 4 | 1 |
Les étapes se calculent en multipliant le reste précédent par \(3\), puis en réduisant : \(27\equiv5\), \(15\equiv4\), \(12\equiv1\pmod{11}\). En particulier \(3^5=243=11\times22+1\).
Contrôle. L’exposant se divise par \(5\), longueur du retour à \(1\), et non par \(11\). Si son reste avait été \(0\), on aurait obtenu \(3^0=1\), pas \(0\).
Lecture : chaque flèche multiplie par \(3\) puis prend le reste modulo \(11\). Le retour à \(1\) après cinq étapes est établi par le calcul ; le théorème justifie la répétition pour tous les exposants, au-delà des premières valeurs.
Piège : Le retour à \(1\) n’est pas garanti
Modulo \(8\), les restes de \(2^p\) pour \(p=0,1,2,3,\ldots\) sont \(1,2,4,0,0,\ldots\). Pour \(p\geqslant3\), \(2^p=8\times2^{p-3}\), donc le reste vaut \(0\). Il n’y a pas de retour à \(1\) après l’exposant \(0\) : le théorème précédent ne s’applique pas.
Méthode : Variante : les carrés successifs
Si aucun cycle court n’est commode, calculer les restes de \(a,a^2,a^4,a^8,\ldots\) en élevant au carré le représentant précédent. Décomposer ensuite l’exposant en somme de puissances de \(2\) et multiplier les termes utiles. La règle \((a^u)^2=a^{2u}\) et la compatibilité avec le produit justifient la méthode.
Exemple : \(7^{117}\) modulo \(13\)
Les carrés successifs donnent :
| exposant | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 |
| reste | 7 | 10 | 9 | 3 | 9 | 3 | 9 |
En effet \(49\equiv10\), \(100\equiv9\), \(81\equiv3\), puis \(9\equiv9\pmod{13}\) ; les carrés suivants redonnent alternativement \(3\) et \(9\). Comme \(117=64+32+16+4+1\),
7 Résoudre une congruence et trouver un inverse
Dans cette section, le module \(m\) est un entier au moins égal à \(2\) ; \(a\), \(b\), \(c\), les inconnues et les paramètres de solution sont des entiers.
Théorème : Une recherche exhaustive par les restes
Pour résoudre \(ax\equiv b\pmod m\) dans \(\mathbb{Z}\), il suffit de tester \(r=0,1,\ldots,m-1\). Chaque reste \(r\) qui vérifie \(ar\equiv b\pmod m\) fournit toutes les solutions \(x=r+mk\), \(k\in\mathbb{Z}\).
Démonstration : Pourquoi ces essais suffisent.
Tout entier \(x\) possède une unique écriture \(x=mq+r\), \(0\leqslant r<m\). Alors \(ax-b=m(aq)+(ar-b)\), donc \(m\mid(ax-b)\) si et seulement si \(m\mid(ar-b)\). Tous les entiers ont ainsi été pris en compte ; des essais arbitraires n’auraient pas suffi.
Exemple : Plusieurs restes solutions : \(4x\equiv6\pmod{10}\)
| \(r\) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| reste de \(4r\) modulo \(10\) | 0 | 4 | 8 | 2 | 6 | 0 | 4 | 8 | 2 | 6 |
Les restes solutions sont \(4\) et \(9\). Par conséquent
Contrôle. \(4(4+10k)-6=10(1+4k)\) et \(4(9+10k)-6=10(3+4k)\) sont bien des multiples de \(10\).
Définition : Inverse modulo \(m\)
Un entier \(c\) est un inverse de \(a\) modulo \(m\) si \(ac\equiv1\pmod m\). Il ne s’agit pas de la fraction réelle \(1/a\). Pour le déterminer avec un petit module, tester les restes \(0,\ldots,m-1\) et chercher un produit de reste \(1\).
Exemple : Un inverse trouvé et un cas sans inverse
Modulo \(7\), les produits \(3\times1,3\times2,\ldots,3\times5\) ont pour restes \(3,6,2,5,1\). Ainsi \(5\) est un inverse de \(3\) : \(3\times5=15=7\times2+1\).
En revanche, \(4\) n’a pas d’inverse modulo \(10\) : \(4c=1+10k\) serait une égalité entre un entier pair et un entier impair. Cela n’empêche pas \(4x\equiv6\pmod{10}\) d’avoir des solutions, comme on vient de le voir.
Propriété : Unicité du reste de l’inverse
Si \(c\) et \(d\) sont des inverses de \(a\) modulo \(m\), alors \(c\equiv d\pmod m\). Il y a donc au plus un inverse dans \(\{0,\ldots,m-1\}\).
Démonstration : Comparer les deux inverses par le produit.
Les congruences \(ad\equiv1\) et \(ac\equiv1\) donnent \(c\equiv c(ad)=(ca)d\equiv d\pmod m\).
Théorème : Résoudre grâce à un inverse vérifié
Si \(ac\equiv1\pmod m\), alors
Démonstration : Multiplier, puis prouver la réciproque.
Si \(ax\equiv b\), multiplier par \(c\) donne \(cax\equiv cb\), donc \(x\equiv cb\). Inversement, \(x\equiv cb\) donne \(ax\equiv acb\equiv b\). De même, \(au\equiv av\) donne \(u\equiv v\) en multipliant par \(c\) ; la réciproque s’obtient en multipliant par \(a\).
Méthode : Tableau ou inverse ?
Pour un petit module, le tableau des restes est toujours possible et exhaustif. Si l’on repère un inverse, le vérifier d’abord ; multiplier ensuite les deux membres, réduire le résultat, puis écrire toutes les solutions entières. Ne jamais déduire « aucune solution » de la seule absence d’inverse.
Exemple : Une famille ou aucune solution
Pour \(3x\equiv4\pmod7\), l’inverse \(5\) donne \(x\equiv5\times4=20\equiv6\pmod7\). Les solutions sont \(x=6+7k\), \(k\in\mathbb{Z}\).
Contrôle. \(3(6+7k)-4=18+21k-4=14+21k=7(2+3k)\).
En revanche, \(6y\equiv5\pmod9\) n’a aucune solution entière. En effet, \(6y-5=9k\) imposerait \(5=6y-9k=3(2y-3k)\), donc \(3\mid5\), ce qui est faux.
8 Établir des critères de divisibilité
Notation : Écriture décimale et valeur des chiffres
Un entier naturel \(N=\overline{a_sa_{s-1}\ldots a_1a_0}\) s’écrit
Théorème : Un critère fondé sur les derniers chiffres
Soient \(s\geqslant1\) et \(d\geqslant2\) des entiers. Si \(d\) divise \(10^s\) et si \(N=10^s A+B\), avec \(A,B\in\mathbb{N}\) et \(0\leqslant B<10^s\), alors
Démonstration : Retirer une partie déjà divisible.
Puisque \(d\mid10^s\), on a \(d\mid10^sA\). On applique le corollaire sur l’ajout ou le retrait d’un multiple du diviseur à \(N=10^sA+B\).
| Diviseurs testés | Partie décimale à examiner |
|---|---|
| \(2,5,10\) | Le chiffre des unités. |
| \(4,25,100\) | Le nombre formé par les deux derniers chiffres. |
| \(8,125,1000\) | Le nombre formé par les trois derniers chiffres. |
Il ne faut pas inventer un test similaire pour tout diviseur : l’hypothèse \(d\mid10^s\) est ce qui justifie cette méthode.
Théorème : Somme des chiffres : critères de \(3\) et de \(9\)
Si \(S=a_0+a_1+\cdots+a_s\), alors \(N\equiv S\pmod3\) et \(N\equiv S\pmod9\). Ainsi \(N\) est divisible par \(3\) (respectivement par \(9\)) si et seulement si \(S\) est divisible par \(3\) (respectivement par \(9\)).
Démonstration : Remplacer chaque puissance de \(10\).
Comme \(10\equiv1\pmod3\) et \(10\equiv1\pmod9\), toutes les puissances \(10^i\) ont pour reste \(1\) pour chacun de ces modules. On remplace chaque terme \(a_i10^i\) par \(a_i\) dans la somme. L’équivalence de divisibilité vient du fait que deux entiers congrus ont le même reste, notamment le même reste nul.
Exemple : \(583\,146\)
La somme des chiffres est \(5+8+3+1+4+6=27\). Comme \(27\) est divisible par \(9\), \(583\,146\) l’est aussi, et donc il est également divisible par \(3\).
Contrôle. \(583\,146=9\times64\,794\). Le critère donne une divisibilité, pas le quotient \(64\,794\).
Théorème : Somme alternée : critère de \(11\)
Soit \(A=a_0-a_1+a_2-a_3+\cdots+(-1)^s a_s\), la somme alternée en commençant par le chiffre des unités. Alors \(N\equiv A\pmod{11}\), donc
Démonstration : Utiliser \(10\equiv-1\pmod{11}\).
On a \(10^i\equiv(-1)^i\pmod{11}\). En remplaçant dans l’écriture décimale de \(N\), on obtient la somme alternée \(A\). La caractérisation par le reste nul donne les deux sens du critère.
Exemple : \(604\,879\)
En partant des unités, \(A=9-7+8-4+0-6=0\). Le nombre est donc divisible par \(11\) : \(604\,879=11\times54\,989\). Sa somme de chiffres vaut \(6+0+4+8+7+9=34\) ; il n’est divisible ni par \(3\) ni par \(9\).
Commencer la somme alternée par la gauche peut changer son signe, mais pas sa divisibilité par \(11\). Il faut obtenir un multiple de \(11\), pas nécessairement \(0\). La somme alternée, éventuellement négative, n’est pas toujours le reste euclidien.
9 Démontrer une divisibilité ou une impossibilité
Méthode : Choisir le raisonnement
Une assertion portant sur tous les entiers ne se prouve pas par quelques essais. On peut factoriser, construire un témoin entier ou examiner tous les restes pour un module pertinent. Pour réfuter une assertion universelle, un seul contre-exemple suffit.
Pour prouver une impossibilité, chercher un module pour lequel les deux membres ne peuvent pas avoir le même reste. L’absence de contradiction pour un module ne suffit pas, à elle seule, à établir l’existence d’une solution.
Lemme : De \(2\) et \(3\) à \(6\)
Un entier divisible à la fois par \(2\) et par \(3\) est divisible par \(6\).
Démonstration : Une justification sans théorème ultérieur.
Écrire \(N=3k\). Si \(N\) est pair, alors \(k=N-2k\) est pair, donc \(k=2\ell\) avec \(\ell\in\mathbb{Z}\). Ainsi \(N=3(2\ell)=6\ell\). On ne peut pas remplacer \(2\) et \(3\) par deux nombres quelconques sans justification : \(12\) est divisible par \(4\) et \(6\), mais pas par \(24\).
Propriété : Un produit de trois entiers consécutifs
Pour tout \(n\in\mathbb{Z}\), \(6\mid n^3-n\).
Démonstration : Factoriser, puis combiner deux divisibilités.
On a \(n^3-n=n(n^2-1)=n(n-1)(n+1)\). L’un des deux entiers consécutifs \(n-1\) et \(n\) est pair : si \(n=2k\), c’est \(n\) ; si \(n=2k+1\), c’est \(n-1=2k\).
L’un des trois facteurs est divisible par \(3\). En effet, la division de \(n\) par \(3\) donne exactement l’un des cas :
Propriété : Restes d’un carré modulo \(4\)
Le carré d’un entier a pour reste \(0\) ou \(1\) modulo \(4\).
Démonstration : Séparer les entiers pairs et impairs.
Si \(x=2k\), alors \(x^2=4k^2\equiv0\pmod4\). Si \(x=2k+1\), alors \(x^2=4k^2+4k+1=4(k^2+k)+1\equiv1\pmod4\).
Corollaire : Une famille d’équations sans solution entière
Pour tout entier \(k\), l’équation \(x^2+y^2=4k+3\) n’a aucune solution dans \(\mathbb{Z}^2\).
Démonstration : Comparer les restes possibles.
Les sommes de deux restes pris dans \(\{0,1\}\) donnent \(0\), \(1\) ou \(2\) modulo \(4\), jamais \(3\). Or \(4k+3\) a pour reste \(3\), contradiction.
Limite. Avoir un reste \(0\), \(1\) ou \(2\) modulo \(4\) n’assure pas qu’un nombre est somme de deux carrés. Par exemple, pour obtenir \(6\), les carrés possibles ne dépassant pas \(6\) seraient \(0\), \(1\) et \(4\) ; aucune somme de deux de ces nombres ne vaut \(6\).
10 Application : un chiffrement affine
Définition : Coder les lettres par des entiers
On associe aux lettres \(A,B,\ldots,Z\) les rangs \(0,1,\ldots,25\). On travaille sans accents ni espaces dans les exemples. Le chiffrement étudié transforme le rang \(x\) en l’unique rang \(y\) tel que
Propriété : Déchiffrer grâce à l’inverse de \(5\)
Le rang de départ est l’unique entier \(x\) entre \(0\) et \(25\) vérifiant
Démonstration : Vérifier l’inverse et les deux sens.
On a \(5\times21=105=26\times4+1\), donc \(21\) est un inverse de \(5\) modulo \(26\). Ainsi
Exemple : Chiffrer puis déchiffrer MATH
| lettre | \(x\) | \(5x+7\) | reste \(y\) | lettre chiffrée |
|---|---|---|---|---|
| M | 12 | 67 | 15 | P |
| A | 0 | 7 | 7 | H |
| T | 19 | 102 | 24 | Y |
| H | 7 | 42 | 16 | Q |
Le message chiffré est PHYQ. Les réductions sont \(67=26\times2+15\), \(102=26\times3+24\) et \(42=26+16\).
Pour déchiffrer, soustraire \(7\) avant de multiplier par \(21\) :
| lettre reçue | \(y\) | \(21(y-7)\) | reste \(x\) | lettre retrouvée |
|---|---|---|---|---|
| P | 15 | 168 | 12 | M |
| H | 7 | 0 | 0 | A |
| Y | 24 | 357 | 19 | T |
| Q | 16 | 189 | 7 | H |
Contrôle. \(168=26\times6+12\), \(357=26\times13+19\) et \(189=26\times7+7\). Le message initial est retrouvé.
Piège : Reste négatif apparent et coefficient non inversible
Pour déchiffrer F, de rang \(y=5\), on obtient \(21(5-7)=-42\). Il faut prendre \(-42=26(-2)+10\) : le rang \(10\) correspond à K.
Remplacer \(5\) par \(2\) dans la règle de chiffrement détruirait l’unicité : les rangs \(0\) et \(13\) donneraient tous deux le reste \(7\), donc la lettre H. Le nombre \(2\) n’a pas d’inverse modulo \(26\), car \(2c=1+26k\) opposerait un nombre pair à un impair.
Ce modèle sert à comprendre le rôle des congruences et des inverses ; il ne constitue pas une méthode sûre pour protéger des communications réelles.
11 Algorithmes : calculer et justifier
Vocabulaire : Lire un programme entier
Les arguments ci-dessous sont des
entiers. Pour \(b>0\), Python donne le quotient
euclidien avec a // b et le reste avec a % b.
Ainsi \(-47=6(-8)+1\) donne
-47 // 6 = -8 et -47 % 6 = 1 : le quotient est
arrondi vers le bas, pas vers zéro.
Dans un programme, = est une affectation : on calcule le
membre droit avec l’ancienne valeur, puis on remplace la valeur à
gauche. == teste une égalité ; ** calcule une
puissance ; l’indentation délimite les blocs d’instructions. Une
congruence est une relation ; % est une opération qui
calcule un reste.
Méthode : Distinguer tests et preuve
Préciser les entrées autorisées, suivre les états dans l’ordre des instructions, puis établir un invariant : une affirmation vraie au départ et après chaque passage complet. Justifier aussi la terminaison et relier le test d’arrêt au résultat attendu. Quelques tests numériques réussis ne remplacent pas cette preuve.
Algorithme : Division par soustractions successives
Entrées : \(a\geqslant0\) et \(b\geqslant1\), entiers. Sortie : quotient \(q\) et reste \(r\). \(q\) compte les groupes de \(b\) retirés ; \(r\) est ce qui reste à répartir.
def division_soustractions(a, b):
if a < 0 or b <= 0:
raise ValueError("il faut a >= 0 et b > 0")
q, r = 0, a
while r >= b:
q = q + 1
r = r - b
return q, r
Démonstration : Invariant, terminaison, résultat.
Au test de la boucle, l’invariant est \(a=bq+r\), avec \(q,r\geqslant0\). Il est vrai initialement, puisque \(a=b\times0+a\). Si \(r\geqslant b\), les nouvelles valeurs sont \(q'=q+1\) et \(r'=r-b\geqslant0\) ; alors
Exemple : Trace de la division de \(29\) par \(6\)
| passages terminés | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| \(q\) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| \(r\) | 29 | 23 | 17 | 11 | 5 |
| \(6q+r\) | 29 | 29 | 29 | 29 | 29 |
Le test \(5\geqslant6\) est faux :
la fonction renvoie \((4,5)\). Une
soustraction supplémentaire produirait \((5,-1)\), qui n’est pas une division
euclidienne. Cette version refuse les dividendes négatifs, contrairement
aux opérations // et % avec un diviseur
positif. Elle peut être lente si le quotient est grand.
Algorithme : Puissance modulaire par multiplications successives
Entrées : \(a\in\mathbb{Z}\), \(e\in\mathbb{N}\) et \(m\geqslant1\) entiers. Le programme prend le reste après chaque produit ; il ne construit pas d’abord l’entier \(a^e\) tout entier.
def puissance_modulaire(a, exposant, module):
if exposant < 0 or module < 1:
raise ValueError("exposant >= 0 et module >= 1 requis")
produit = 1 % module
base = a % module
for _ in range(exposant):
produit = (produit * base) % module
return produit range(exposant) prévoit
exactement \(e\) passages ;
_ est ici un indice dont on n’utilise pas la valeur. Pour
\(e=0\), le programme représente le
produit vide, égal à \(1\) ; il renvoie le reste de \(1\), même si \(a=0\). Cette convention algorithmique ne
définit pas l’expression mathématique \(0^0\) dans le cours.
Démonstration : Un invariant fondé sur les produits de facteurs.
Après \(j\) passages, produit est le
reste du produit de \(j\) facteurs
égaux à \(a\). Au départ, \(j=0\) : l’initialisation est le reste de
\(1\). Si l’affirmation est vraie après
\(j\) passages, la multiplication par
base, qui a le même reste que \(a\), puis la prise du reste donnent le
produit de \(j+1\) facteurs. La
compatibilité des congruences avec le produit justifie ce passage pour
\(m\geqslant2\) ; pour \(m=1\), tous les restes valent \(0\). La boucle s’arrête après \(e\) passages et la valeur renvoyée est
entre \(0\) et \(m-1\).
Exemple : Trace pour \(5^4\) modulo \(17\)
Les valeurs successives de
produit sont
Contrôle. \(5^4=625=17\times36+13\). Avec un exposant nul et un module \(17\), aucun passage n’est exécuté et le résultat est \(1\) ; avec un module \(1\), il est \(0\).
Bon réflexe. Conserver les opérations entières pour les tests de divisibilité. Un quotient en virgule flottante peut être arrondi ; l’apparence de l’affichage ne prouve pas qu’un grand quotient est entier.
12 Synthèse : résultats et premiers gestes
À retenir : Les relations fondamentales et leurs conditions
\(d\mid a\Longleftrightarrow a=dk\) pour un \(k\in\mathbb{Z}\). Le critère \(a/d\in\mathbb{Z}\) exige \(d\ne0\).
\(d\mid a\) et \(d\mid b\) entraînent \(d\mid ua+vb\) pour \(u,v\in\mathbb{Z}\).
Si \(a\in\mathbb{Z}\) et \(b\geqslant1\) entier, il existe un unique couple \((q,r)\in\mathbb{Z}^2\) tel que \(a=bq+r\) et \(0\leqslant r<b\).
Pour \(n\geqslant2\), \(a\equiv b\pmod n\Longleftrightarrow n\mid(a-b)\) \(\Longleftrightarrow\) les deux restes euclidiens sont égaux.
On peut additionner, soustraire, multiplier et élever à une puissance naturelle positive des congruences de même module. Pas de division arbitraire ni d’extraction de racine.
\(ca\equiv cb\pmod{cm}\Longleftrightarrow a\equiv b\pmod m\) pour \(c\geqslant1\), \(m\geqslant2\). Si \(ac\equiv1\pmod m\), alors \(ax\equiv b\pmod m\Longleftrightarrow x\equiv cb\pmod m\).
\(x\equiv r\pmod m\) décrit tous les entiers \(x=r+mk\), \(k\in\mathbb{Z}\). Le reste est le représentant vérifiant \(0\leqslant r<m\).
| Face à la question… | Premier geste et contrôle final | Repère |
|---|---|---|
| Tous les diviseurs | Paires jusqu’à \(d^2\leqslant|a|\) ; opposés si recherche dans \(\mathbb{Z}\), cas \(a=0\) séparé. | § 1, p. 1 |
| Divisibilité avec une inconnue | Retirer une combinaison entière ; garder des équivalences et vérifier les candidats. | § 2, p. 2 |
| Équation entière | Factoriser ; lister les couples ordonnés ; contrôler l’intégralité au retour. | p. 3 |
| Quotient et reste | Écrire l’identité et les deux bornes ; vérifier aussi si le dividende est négatif. | § 3, p. 4 |
| Calcul modulaire | Réduire les nombres, pas les règles ; terminer par le reste autorisé. | § 5, p. 7 |
| Grande puissance | Retour à \(1\) justifié ou carrés successifs ; distinguer module et période. | § 6, p. 8 |
| Congruence linéaire | Tableau exhaustif ou inverse vérifié ; écrire toutes les familles de solutions. | § 7, p. 10 |
| Chiffres décimaux | Écrire les puissances de \(10\), puis choisir le module ; justifier le critère. | § 8, p. 11 |
| Preuve ou impossibilité | Factorisation ou liste complète des restes ; ne pas conclure à partir de quelques essais. | § 9, p. 13 |
| Chiffrement | Rangs, transformation, reste ; déchiffrer avec l’inverse et contrôler en rechiffrant. | § 10, p. 14 |
| Algorithme | Préconditions, états, invariant, arrêt ; distinguer preuve générale et tests. | § 11, p. 15 |
Savoir produire une rédaction complète : annoncer le domaine des inconnues, justifier les transformations, conclure sur toutes les solutions et effectuer un contrôle adapté. Les restes simplifient le calcul ; ils ne dispensent jamais de vérifier les conditions d’utilisation.
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