Cours darithmétique
? (n) la somme de ses diviseurs positifs ou ?(n) le nombre de nombres premiers avec n et compris entre 1 et n. Trouver tous les entiers n > 1 tels que :.
Exercices Juniors
Trouver tous les couples de nombres premiers (pq) tels que : Solution de l'exercice 6 Cette équation est valable pour tous n
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est une puissance d'un nombre premier alors n est un nombre premier. Exercice 18 Trouver tous les entiers strictement positifs a
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TD ARITHMÉTIQUE ÉLÉMENTAIRE
Trouver le plus petit entier naturel divisible par tous les nombres entre et . Trouver un nombre entier n à trois chiffres tel que n soit un.
Cours d"arithm´etique
Premi`ere partie
PierreBornsztein
XavierCaruso
PierreNolin
MehdiTibouchi
D´ecembre 2004
Ce document est la premi`ere partie d"un cours d"arithm´etique ´ecrit pour les ´el`eves pr´e-
parant les olympiades internationales de math´ematiques. Le plan complet de ce cours est :1. Premiers concepts
2. Division euclidienne et cons´equences
3. Congruences
4.´Equations diophantiennes
5. Structure deZ/nZ
6. Sommes de carr´es
7. Polynˆomes `a coefficients entiers
8. Fractions continues
Cette premi`ere partie traite les quatre premiers chapitres. Les quatre derniers chapitres forment quant `a eux la deuxi`eme partie de ce cours. Contrairement `a la seconde partie, cette premi`ere partie se veut le plus ´el´ementairepossible. Les notions abstraites, souvent plus difficiles `a assimiler, mais qui clarifient les id´ees
lorsqu"elles sont comprises, ne sont ´evoqu´ees que dans la seconde partie. Nous conseillons au lecteur de bien maˆıtriser ce premier tome avant de passer `a la lecture du second.Les notions et les th´eor`emes introduits ici sont g´en´eralement tout `a fait suffisants pour
traiter les exercices propos´ees aux olympiades internationales de math´ematiques.Vous trouverez `a la fin de chaque chapitre une s´erie d"exercices de difficult´e variable mais
indiqu´ee par des ´etoiles1. Toutes les solutions sont rassembl´ees `a la fin du document.
Nous vous souhaitons bon apprentissage et bonne lecture. 1 Plus nous avons jug´e l"exercice difficile, plus le nombre d"´etoiles est important. 1Liste des abbr´evations :
AMM American Mathematical Monthly
APMO The Asian Pacific Mathematics Olympiad
CG Concours g´en´eral
OIM Olympiades Internationales de Math´ematiquesSL Short List
TDV Tournoi Des Villes
Liste des notations :
?ensemble videNensemble des entiers naturels (positifs ou nuls)
N ?ensemble des entiers naturels strictement positifsZensemble des entiers relatifs
Qensemble des nombres rationnels
Rensemble des nombres r´eelsPsymbˆole de sommation2Qsymbˆole de produit3 a|b adiviseb [x]partie enti`ere dex {x}partie d´ecimale dex pgcdplus grand commun diviseur a?bpgcd(a,b) ppcmplus petit commun multiple a?bppcm(a,b) a≡b(modN)aest congru `abmoduloN pun nombre premier v p(n)valuationp-adique den d(n)nombre de diviseurs positifs denσ(n)somme des diviseurs positifs den
?fonction indicatrice d"Euler s b(n)somme des chiffres denen baseb π(n)nombre de nombres premiers inf´erieurs ou ´egaux `an a n...a0b´ecriture en baseb n!factorielle den:n! = 1×2× ··· ×n C k ncoefficient binomial : Ck n=n! k!(n-k)! u n≂vnles suites(un)et(vn)sont ´equivalentes 2 Une somme index´ee par l"ensemble vide est ´egale `a0.3Un produit index´e par l"ensemble vide est ´egale `a1.
2Table des mati`eres
1 Premiers concepts 4
1.1 Divisibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Nombres premiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Valuationp-adique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Quelques fonctions arithm´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Nombres rationnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Division euclidienne et cons´equences 24
2.1 Division euclidienne et d´ecomposition en baseb. . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Algorithme d"Euclide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Algorithme d"Euclide ´etendu et th´eor`eme de B´ezout . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Lemme de Gauss et cons´equences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Congruences 37
3.1 D´efinition, premi`eres propri´et´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Crit`eres de divisibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Ordre d"un ´el´ement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Th´eor`eme chinois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Congruences modulop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Congruences modulopn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7 Coefficients binomiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.8 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4´Equations diophantiennes 56
4.1 Quelques r´eflexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 Utilisation des congruences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Descente infinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4´Equations de degr´e2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5´Equations de degr´e3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
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