Définition

Soient $a$ et $b$ deux entiers relatifs. On dit que $b$ divise $a$ (ou que $a$ est un multiple de $b$) s’il existe $k \in \mathbb{Z}$ tel que $a = kb$. On note ceci par $b \mid a$.

Propriétés

• Tout entier relatif $b$ divise $0$ (car $0 = 0 \times b$).

• $1$ divise tout entier relatif $a$ (car $a = a \times 1$).

• Si $c \mid a$ et $c \mid b$ alors $c \mid (au + bv)$ pour tout $u$, $v \in \mathbb{Z}$.

Théorème de la division euclidienne

Soient $a$, $b \in \mathbb{Z}$. On suppose $b \neq 0$. On appelle division euclidienne de $a$ par $b$, l’opération qui à $(a, b)$, associe le couple d’entiers relatifs $(q, r)$ tel que $a = bq + r$ où $0 \leq r < |b|$. Un tel couple existe forcément et est unique.

Vocabulaire

En reprenant les notations du théorème, $a$ s’appelle le dividende, $b$ le diviseur, $q$ le quotient et $r$ le reste de la division euclidienne.

Propriété

Soit $n \in \mathbb{N}$ tel que $n \neq 0$. Deux entiers relatifs $a$ et $b$ ont le même reste dans la division euclidienne par $n$ si et seulement si $a-b$ est un multiple de $n$.

Définition

On dit que deux entiers relatifs $a$ et $b$ sont congrus modulo $n$ (où $n$ est un entier naturel supérieur ou égal à $2$) si $a$ et $b$ ont le même reste dans la division euclidienne par $n$. On note alors $a \equiv b \mod n$.

Propriétés

Soit $n \geq 2$. Pour tout $a$, $b$, $c \in \mathbb{Z}$ :

• $a \equiv a \mod n$ (réflexivité)

• Si $a \equiv b \mod n$, alors $b \equiv a \mod n$ (symétrie)

• Si $a \equiv b \mod n$, et si $b \equiv c \mod n$, alors $a \equiv c \mod n$ (transitivité)

Propriétés

Soit $n \geq 2$. Soient $a$, $b$, $c$ et $d \in \mathbb{Z}$ tels que $a \equiv b \mod n$ et $c \equiv d \mod n$. Alors on a la compatibilité avec :

• L’addition : $a + c \equiv b + d \mod n$.

• La multiplication : $ac \equiv bd \mod n$.

• Les puissances : pour tout $k \in \mathbb{N}$, $a^k \equiv b^k \mod n$.

Définition

Soient $a$, $b \in \mathbb{Z}$ non tous nuls. Le Plus Grand Commun Diviseur de $a$ et $b$ (noté $\operatorname{PGCD}(a; b)$) est le plus grand entier positif qui les divise simultanément.

Propriétés

Soient $a$, $b \in \mathbb{Z}$ non tous nuls.

• $\operatorname{PGCD}(a; b) = \operatorname{PGCD}(b; a)$

• $\operatorname{PGCD}(a; 1) = 1$

• $\operatorname{PGCD}(a; 0) = a$

• Pour tout $k \in \mathbb{N}$, $\operatorname{PGCD}(ka; kb) = k \operatorname{PGCD}(a; b)$

• Si $b \mid a$, alors $\operatorname{PGCD}(a; b) = |b|$

Algorithme d’Euclide

Soient $a$, $b \in \mathbb{Z}$ non tous nuls. Pour obtenir $\operatorname{PGCD}(a; b)$, on procède comme suit :

1. On fait la division euclidienne de $a$ par $b$ et on appelle $r$ le reste.

2. Si $r = 0$, alors $\operatorname{PGCD}(a; b) = b$.

3. Sinon on recommence l’étape 1 en remplaçant $a$ par $b$ et $b$ par $r$.

Nombres premiers entre eux

On dit que deux nombres sont premiers entre eux si leur $\operatorname{PGCD}$ est égal à 1.

Théorème de Bachet-Bézout

Soient $a$ et $b$ deux entiers relatifs non nuls. On note $d$ leur PGCD. Alors il existe deux entiers relatifs $u$ et $v$ tels que $ua + vb = d$.

Théorème de Bézout

Une conséquence de ce théorème est que $a$ et $b$ sont premiers entre eux si et seulement s’il existe deux entiers relatifs $u$ et $v$ tels que $ua + vb = 1$.

Résolution d’une congruence simple

Supposons que l’on souhaite résoudre une congruence du type $ax \equiv b \mod n$ d’inconnue $x$. On pose $d = \operatorname{PGCD(a; n)}$. Alors :

1. Si $d$ ne divise pas $b$, on cherche deux entiers $u$ et $v$ tels que $au + nv = 1$ (avec l’algorithme d’Euclide étendu par exemple). Les solutions de la congruence sont alors les entiers $x$ vérifiant $x \equiv ub \mod n$.

2. Si $d \mid b$, cela revient à résoudre la congruence $\frac{a}{d}x \equiv \frac{b}{d} \mod \frac{n}{d}$, et on se ramène au cas 1 (avec la nouvelle congruence à résoudre).

Lemme de Gauss

Soient $a$, $b$ et $c$ trois entiers non nuls. Si $c \mid ab$ et $c$ est premier avec $a$, alors $c \mid b$.

Corollaire

Soient $a$, $b$ et $c$ trois entiers non nuls. Si $b \mid a$, $c \mid a$ et que $b$ et $c$ sont premiers entre eux, alors $bc \mid a$.

Définition

Une équation diophantienne linéaire en deux variables $x$ et $y$ est une équation de la forme $(E) : ax + by = c$ où les coefficients $a$, $b$ et $c$ sont des entiers relatifs et où les solutions sont également des entiers relatifs.

Solutions de $(E)$

En reprenant les notations précédentes, on pose $d = \operatorname{PGCD}(a; b)$. Alors :

• Si $d \mid c$, on cherche une solution particulière à $(E)$ que l’on note $(x_0; y_0)$. Alors les solutions de $(E)$ sont les couples $(x_k; y_k)$ où $x_k = x_0 + k\frac{b}{d}$ et $y_k = y_0 - k\frac{a}{d}$.

• Sinon, $(E)$ n’a pas de solution.

Nombre premier

Un nombre entier $p \geq 2$ est dit premier si ses seuls diviseurs positifs sont $1$ et lui-même.

Propriétés

Soit $n \in \mathbb{N}$ supérieur ou égal à 2, alors on a les propriétés suivantes :

• Si $n$ n’admet aucun diviseur premier inférieur ou égal à $\sqrt{n}$, alors $n$ est premier.

• Si $n$ n’est pas premier alors $n$ admet au moins un diviseur premier inférieur ou égal à $\sqrt{n}$.

• Si $n$ est premier et $n$ ne divise pas un entier $m$, alors $n$ et $m$ sont premiers entre eux.

Lemme d’Euclide

Soit $p$ un nombre premier et $a$ et $b$ deux entiers. Si $p \mid ab$ alors $p \mid a$ ou $p \mid b$.

Infinité de nombres premiers

Il existe une infinité de nombres premiers.

Petit théorème de Fermat

Soit $p$ un nombre premier et $a$ un entier non divisible par $p$. Alors $a^{p-1} \equiv 1 \mod p$.

Théorème fondamental de l’arithmétique

Soit $n \in \mathbb{N}$ supérieur ou égal à 2, alors $n$ peut s’écrire de la façon suivante : $$n = p_{1}^{\alpha_1} \times p_{2}^{\alpha_2} \times \dots \times p_{n}^{\alpha_n}$$ où $p_1$, $p_2$, ... , $p_n$ des nombres premiers tels que $p_1 < p_2 < \dots < p_n$ et $\alpha_1$, $\alpha_2$, ... , $\alpha_n$ des entiers naturels non nuls.