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Chapitre 1 — Notions d'arithmétique

Semestre 1

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Cours

Plan du chapitre. I. Nombres pairs et nombres impairs — II. Multiples d’un entier naturel et PPCM — III. Diviseurs d’un entier naturel et PGCD — IV. Nombres premiers — V. Décomposition en produit de facteurs premiers et applications.

Dans tout ce chapitre, on travaille uniquement avec des entiers naturels ; les lettres aa, bb, kk, mm, nn, pp, qq désignent des entiers naturels, sauf mention contraire.

I. Nombres pairs et nombres impairs

1. L’ensemble des entiers naturels

Définition 1 : Entiers naturels

  • Les nombres 00, 11, 22, 33, … sont les entiers naturels. Leur ensemble est noté N\mathbb{N} :  N={0;1;2;3;…}\ \mathbb{N}=\{0;1;2;3;\ldots\}.
  • L’ensemble des entiers naturels non nuls est noté N∗\mathbb{N}^* :  N∗={1;2;3;…}\ \mathbb{N}^*=\{1;2;3;\ldots\}.
  • Si nn est un entier naturel, on écrit n∈Nn\in\mathbb{N} (« nn appartient à N\mathbb{N} ») ; sinon on écrit n∉Nn\notin\mathbb{N}.

Exemple 1

Dire si chacun des nombres 1717, 00, 124\dfrac{12}{4}, 72\dfrac72 et 2,42{,}4 appartient à N\mathbb{N}, et si 00 appartient à N∗\mathbb{N}^*.

Voir la solution
  • 17∈N17\in\mathbb{N} ;  0∈N\ 0\in\mathbb{N} mais 0∉N∗0\notin\mathbb{N}^*.
  • 124∈N\dfrac{12}{4}\in\mathbb{N}, car 124=3\dfrac{12}{4}=3.
  • 72∉N\dfrac{7}{2}\notin\mathbb{N}, car 72=3,5\dfrac72=3{,}5 ;  2,4∉N\ 2{,}4\notin\mathbb{N}.

Remarque

  • La somme et le produit de deux entiers naturels sont des entiers naturels.
  • La différence a−ba-b de deux entiers naturels n’est un entier naturel que si a≥ba\ge b : par exemple 3−8∉N3-8\notin\mathbb{N}.

2. Nombres pairs, nombres impairs

Définition 2 : Parité

On considère un entier naturel nn.

  • nn est pair s’il existe un entier naturel kk tel que n=2kn=2k.
  • nn est impair s’il existe un entier naturel kk tel que n=2k+1n=2k+1.

Tout entier naturel est soit pair, soit impair (et jamais les deux).

Exemple 2

Étudier la parité des nombres 9696, 5757, 00 et 11.

Voir la solution
  • 9696 est pair, car 96=2×4896=2\times48 avec 48∈N48\in\mathbb{N}.
  • 5757 est impair, car 57=2×28+157=2\times28+1 avec 28∈N28\in\mathbb{N}.
  • 00 est pair, car 0=2×00=2\times 0 ;  1\ 1 est impair, car 1=2×0+11=2\times0+1.

Méthode

Pour étudier la parité d’une expression entière AA, on cherche à l’écrire sous la forme A=2kA=2k ou A=2k+1A=2k+1, en précisant que kk est un entier naturel.

Exemple 3

On considère un entier naturel nn. Étudier la parité des nombres A=10n+6A=10n+6 et B=4n2+6n+9B=4n^2+6n+9.

Voir la solution
  • A=10n+6=2(5n+3)A=10n+6=2(5n+3). On pose k=5n+3k=5n+3 ; on a k∈Nk\in\mathbb{N}, donc A=2kA=2k : AA est pair.
  • B=4n2+6n+8+1=2(2n2+3n+4)+1B=4n^2+6n+8+1=2(2n^2+3n+4)+1. On pose k=2n2+3n+4k=2n^2+3n+4 ; on a k∈Nk\in\mathbb{N}, donc B=2k+1B=2k+1 : BB est impair.

3. Règles de calcul sur la parité

Propriété 1 : Somme et produit

On considère deux entiers naturels aa et bb.

aabba+ba+ba×ba\times b
pairpairpairpair
pairimpairimpairpair
impairpairimpairpair
impairimpairpairimpair

En particulier, un produit d’entiers naturels est pair dès que l’un des facteurs est pair.

Exemple 4 : démonstration d’une ligne du tableau

Montrer que la somme de deux entiers impairs est paire.

Voir la solution

On considère deux entiers impairs aa et bb. Il existe deux entiers naturels kk et k′k' tels que a=2k+1a=2k+1 et b=2k′+1b=2k'+1. Alors a+b=2k+2k′+2=2(k+k′+1).a+b=2k+2k'+2=2(k+k'+1). Comme k+k′+1∈Nk+k'+1\in\mathbb{N}, l’entier a+ba+b est pair.

Propriété 2 : Deux entiers consécutifs

Pour tout entier naturel nn, le produit n(n+1)n(n+1) est pair.

Voir la solution

Démonstration. On distingue deux cas.

  • Si nn est pair, alors n=2kn=2k avec k∈Nk\in\mathbb{N}, donc n(n+1)=2(k(n+1))n(n+1)=2\big(k(n+1)\big) est pair.
  • Si nn est impair, alors n+1=2k+2=2(k+1)n+1=2k+2=2(k+1) est pair, donc n(n+1)n(n+1) est pair.

Dans les deux cas, n(n+1)n(n+1) est pair.

Remarque

  • La méthode utilisée ci-dessus s’appelle un raisonnement par disjonction des cas : on traite séparément le cas « nn pair » et le cas « nn impair ».
  • Un entier nn et son carré n2n^2 ont la même parité : si n=2kn=2k, alors n2=2(2k2)n^2=2(2k^2) ; si n=2k+1n=2k+1, alors n2=2(2k2+2k)+1n^2=2(2k^2+2k)+1.

Application 1

On considère un entier naturel nn.

  1. Étudier la parité des nombres C=14n+21C=14n+21 et D=n2+3nD=n^2+3n.
  2. Montrer que E=n2+n+7E=n^2+n+7 est impair.
Voir la solution
  1. C=14n+20+1=2(7n+10)+1C=14n+20+1=2(7n+10)+1 avec 7n+10∈N7n+10\in\mathbb{N} : CC est impair.
    D=n2+3n=n(n+1)+2nD=n^2+3n=n(n+1)+2n. Le nombre n(n+1)n(n+1) est pair (propriété 2) et 2n2n est pair ; leur somme est paire : DD est pair.
  2. E=n(n+1)+7E=n(n+1)+7. Le nombre n(n+1)n(n+1) est pair, donc n(n+1)=2kn(n+1)=2k avec k∈Nk\in\mathbb{N}. Ainsi E=2k+6+1=2(k+3)+1E=2k+6+1=2(k+3)+1 avec k+3∈Nk+3\in\mathbb{N} : EE est impair.

II. Multiples d’un entier naturel et PPCM

1. Multiples d’un entier naturel

Définition 3 : Multiple

On considère deux entiers naturels aa et mm. On dit que mm est un multiple de aa s’il existe un entier naturel kk tel que m=k×a.m=k\times a.

Exemple 5

Montrer que 9191 est un multiple de 77, décrire les multiples de 44, puis montrer que, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, le nombre 5n+1+5n5^{n+1}+5^n est un multiple de 66.

Voir la solution
  • 9191 est un multiple de 77, car 91=13×791=13\times7.
  • Les multiples de 44 sont 00, 44, 88, 1212, 1616, … c’est-à-dire les nombres 4k4k, avec k∈Nk\in\mathbb{N}.
  • Pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, le nombre 5n+1+5n5^{n+1}+5^n est un multiple de 66 : 5n+1+5n=5n×5+5n=5n(5+1)=6×5n,avec 5n∈N.5^{n+1}+5^n=5^n\times5+5^n=5^n(5+1)=6\times5^n,\quad\text{avec } 5^n\in\mathbb{N}.

Remarque

  • 00 est un multiple de tout entier naturel aa, car 0=0×a0=0\times a.
  • Tout entier naturel mm est un multiple de 11 et de lui-même : m=m×1=1×mm=m\times1=1\times m.
  • Un entier naturel non nul aa admet une infinité de multiples : 00, aa, 2a2a, 3a3a, …
  • Un entier est pair si et seulement s’il est un multiple de 22.

Propriété 3 : Somme de multiples

On considère trois entiers naturels aa, mm et m′m'. Si mm et m′m' sont deux multiples de aa, alors, pour tous entiers naturels pp et qq, l’entier pm+qm′pm+qm' est un multiple de aa.

Voir la solution

Démonstration. On écrit m=kam=ka et m′=k′am'=k'a avec k,k′∈Nk,k'\in\mathbb{N}. Alors pm+qm′=pka+qk′a=(pk+qk′) a,pm+qm'=pka+qk'a=(pk+qk')\,a, et pk+qk′∈Npk+qk'\in\mathbb{N} : l’entier pm+qm′pm+qm' est un multiple de aa.

Application 2

  1. Déterminer les multiples de 99 inférieurs à 7070.
  2. On considère un entier naturel nn. Montrer que 2n+4−2n2^{n+4}-2^n est un multiple de 1515.
Voir la solution
  1. Les multiples de 99 sont les nombres 9k9k, k∈Nk\in\mathbb{N} ; ceux qui sont inférieurs à 7070 sont :
    00 ; 99 ; 1818 ; 2727 ; 3636 ; 4545 ; 5454 ; 6363 (car 9×8=72>709\times 8=72>70).
  2. 2n+4−2n=2n×24−2n=2n(16−1)=15×2n2^{n+4}-2^n=2^n\times2^4-2^n=2^n(16-1)=15\times2^n, avec 2n∈N2^n\in\mathbb{N}. C’est donc un multiple de 1515.

2. Plus petit commun multiple

Définition 4 : PPCM

On considère deux entiers naturels non nuls aa et bb. Le plus petit commun multiple de aa et bb est le plus petit entier naturel non nul qui est à la fois un multiple de aa et un multiple de bb.

On le note PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b) ou a∨ba\vee b.

Exemple 6

Déterminer PPCM⁡(10;15)\operatorname{PPCM}(10;15).

Voir la solution

Multiples non nuls de 1010 : 1010 ; 2020 ; 3030 ; 4040 ; 5050 ; 6060 ; …

Multiples non nuls de 1515 : 1515 ; 3030 ; 4545 ; 6060 ; …

Les multiples communs non nuls sont 3030 ; 6060 ; … Le plus petit est 3030 : PPCM⁡(10;15)=30\operatorname{PPCM}(10;15)=30.

Remarque

On considère deux entiers naturels non nuls aa et bb.

  • PPCM⁡(a;1)=a\operatorname{PPCM}(a;1)=a et PPCM⁡(a;a)=a\operatorname{PPCM}(a;a)=a.
  • PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b) est un multiple de aa et de bb, donc PPCM⁡(a;b)≥a\operatorname{PPCM}(a;b)\ge a et PPCM⁡(a;b)≥b\operatorname{PPCM}(a;b)\ge b.
  • Si bb est un multiple de aa, alors PPCM⁡(a;b)=b\operatorname{PPCM}(a;b)=b ; réciproquement, si PPCM⁡(a;b)=b\operatorname{PPCM}(a;b)=b, alors bb est un multiple de aa.
  • Les multiples communs à aa et bb sont exactement les multiples de PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b).

Application 3

Deux phares s’allument en même temps à minuit. Le premier s’allume toutes les 1212 secondes, le second toutes les 1818 secondes. Au bout de combien de secondes s’allumeront-ils de nouveau en même temps pour la première fois ?

Voir la solution

Le premier s’allume aux multiples de 1212, le second aux multiples de 1818. On cherche le plus petit multiple commun non nul.

Multiples de 1818 : 1818 ; 3636 ; … et 36=3×1236=3\times12 est un multiple de 1212, alors que 1818 n’en est pas un.

Donc PPCM⁡(12;18)=36\operatorname{PPCM}(12;18)=36 : ils s’allument de nouveau ensemble au bout de 3636 secondes.

III. Diviseurs d’un entier naturel et PGCD

1. Diviseurs d’un entier naturel

Définition 5 : Diviseur

On considère deux entiers naturels aa et dd, avec d≠0d\neq0. On dit que dd est un diviseur de aa (ou que dd divise aa, ou que aa est divisible par dd) s’il existe un entier naturel kk tel que a=d×k.a=d\times k.

Remarque

  • Pour d≠0d\neq 0 : « dd divise aa » et « aa est un multiple de dd » sont deux façons de dire la même chose.
  • 11 divise tout entier naturel ; tout entier naturel non nul dd divise 00.
  • Si a≠0a\neq0 et si dd divise aa, alors d≤ad\le a : un entier non nul n’a qu’un nombre fini de diviseurs.
  • Si a=x×ya=x\times y avec x,y∈N∗x,y\in\mathbb{N}^*, alors xx et yy sont des diviseurs de aa.

Méthode

Pour obtenir tous les diviseurs d’un entier a≥1a\ge1, on cherche les produits a=x×ya=x\times y avec x≤yx\le y : on teste les entiers x=1x=1, 22, 33, … tant que x×x≤ax\times x\le a, et chaque diviseur xx trouvé donne le diviseur associé y=axy=\dfrac ax.

Exemple 7

Déterminer les diviseurs de 3636.

Voir la solution

36=1×36=2×18=3×12=4×9=6×636=1\times36=2\times18=3\times12=4\times9=6\times6 ; et 55 ne divise pas 3636.

On s’arrête à x=6x=6 car 7×7=49>367\times7=49>36. Les diviseurs de 3636 sont : 11 ; 22 ; 33 ; 44 ; 66 ; 99 ; 1212 ; 1818 ; 3636.

2. Critères de divisibilité

Propriété 4 : Critères de divisibilité

Un entier naturel est divisible :

  • par 22 si son chiffre des unités est 00, 22, 44, 66 ou 88 ;
  • par 55 si son chiffre des unités est 00 ou 55 ;
  • par 33 si la somme de ses chiffres est divisible par 33 ;
  • par 99 si la somme de ses chiffres est divisible par 99.

Et réciproquement pour chacun de ces critères.

Exemple 8

On considère le nombre N=47 250N=47\,250.

Étudier la divisibilité de NN par 22, par 55, par 33 et par 99.

Voir la solution
  • Son chiffre des unités est 00 : NN est divisible par 22 et par 55.
  • La somme de ses chiffres est 4+7+2+5+0=184+7+2+5+0=18, divisible par 99 (donc aussi par 33) : NN est divisible par 33 et par 99.

Application 4

Déterminer les chiffres cc pour lesquels le nombre à quatre chiffres 3c27‾\overline{3c27} est divisible par 99.

Voir la solution

La somme des chiffres est 3+c+2+7=12+c3+c+2+7=12+c, avec c∈{0;1;…;9}c\in\{0;1;\ldots;9\}, donc 12≤12+c≤2112\le 12+c\le 21.

Le seul multiple de 99 compris entre 1212 et 2121 est 1818 ; donc 12+c=1812+c=18, soit c=6c=6.

Vérification : 3627=9×4033627=9\times403.

3. Plus grand commun diviseur

Définition 6 : PGCD

On considère deux entiers naturels non nuls aa et bb. Le plus grand commun diviseur de aa et bb est le plus grand entier naturel qui divise à la fois aa et bb. On le note PGCD⁡(a;b)\operatorname{PGCD}(a;b) ou a∧ba\wedge b.

Exemple 9

Déterminer PGCD⁡(36;60)\operatorname{PGCD}(36;60).

Voir la solution

Diviseurs de 3636 : 11 ; 22 ; 33 ; 44 ; 66 ; 99 ; 1212 ; 1818 ; 3636 (exemple 7).

Diviseurs de 6060 : 11 ; 22 ; 33 ; 44 ; 55 ; 66 ; 1010 ; 1212 ; 1515 ; 2020 ; 3030 ; 6060.

Diviseurs communs : 11 ; 22 ; 33 ; 44 ; 66 ; 1212. Donc PGCD⁡(36;60)=12\operatorname{PGCD}(36;60)=12.

Propriété 5

On considère deux entiers naturels non nuls aa et bb.

  • PGCD⁡(a;b)≥1\operatorname{PGCD}(a;b)\ge1,  PGCD⁡(a;1)=1\ \operatorname{PGCD}(a;1)=1 et PGCD⁡(a;a)=a\operatorname{PGCD}(a;a)=a.
  • PGCD⁡(a;b)≤a\operatorname{PGCD}(a;b)\le a et PGCD⁡(a;b)≤b\operatorname{PGCD}(a;b)\le b.
  • Si aa divise bb, alors PGCD⁡(a;b)=a\operatorname{PGCD}(a;b)=a ; réciproquement, si PGCD⁡(a;b)=a\operatorname{PGCD}(a;b)=a, alors aa divise bb.
  • Pour tout k∈N∗k\in\mathbb{N}^* : PGCD⁡(ka;kb)=k×PGCD⁡(a;b)\operatorname{PGCD}(ka;kb)=k\times\operatorname{PGCD}(a;b).
  • Si d=PGCD⁡(a;b)d=\operatorname{PGCD}(a;b), alors il existe deux entiers naturels non nuls α\alpha et β\beta tels que a=dα,b=dβetPGCD⁡(α;β)=1.a=d\alpha,\qquad b=d\beta\qquad\text{et}\qquad\operatorname{PGCD}(\alpha;\beta)=1.

Application 5

Déterminer tous les couples d’entiers naturels (a;b)(a;b), avec a<ba<b, tels que PGCD⁡(a;b)=6\operatorname{PGCD}(a;b)=6 et a+b=48a+b=48.

Voir la solution

D’après la propriété 5, a=6αa=6\alpha et b=6βb=6\beta avec α,β∈N∗\alpha,\beta\in\mathbb{N}^* et PGCD⁡(α;β)=1\operatorname{PGCD}(\alpha;\beta)=1.

a+b=48a+b=48 donne 6(α+β)=486(\alpha+\beta)=48, soit α+β=8\alpha+\beta=8, avec α<β\alpha<\beta.

Les possibilités sont (α;β)∈{(1;7);(2;6);(3;5)}(\alpha;\beta)\in\{(1;7);(2;6);(3;5)\}. Or PGCD⁡(2;6)=2≠1\operatorname{PGCD}(2;6)=2\neq1 : on l’écarte.

Vérification : PGCD⁡(6;42)=6\operatorname{PGCD}(6;42)=6 et PGCD⁡(18;30)=6\operatorname{PGCD}(18;30)=6. Les couples cherchés sont (6;42)(6;42) et (18;30)(18;30).

4. Nombres premiers entre eux

Définition 7

On dit que deux entiers naturels non nuls aa et bb sont premiers entre eux si PGCD⁡(a;b)=1\operatorname{PGCD}(a;b)=1, c’est-à-dire si leur seul diviseur commun est 11.

Exemple 10

Montrer que 88 et 1515 sont premiers entre eux, et que 1414 et 2121 ne le sont pas.

Voir la solution
  • 88 et 1515 sont premiers entre eux : les diviseurs de 88 sont 11, 22, 44, 88 et aucun d’eux, sauf 11, ne divise 1515.
  • 1414 et 2121 ne sont pas premiers entre eux, car 77 divise 1414 et 2121.

Remarque

  • Deux entiers naturels consécutifs non nuls nn et n+1n+1 sont toujours premiers entre eux (un diviseur commun divise leur différence 11).
  • Une fraction ab\dfrac ab (avec a,b∈N∗a,b\in\mathbb{N}^*) est irréductible lorsque aa et bb sont premiers entre eux. Pour la rendre irréductible, on divise aa et bb par PGCD⁡(a;b)\operatorname{PGCD}(a;b) : par exemple 3660=36÷1260÷12=35\dfrac{36}{60}=\dfrac{36\div12}{60\div12}=\dfrac35.

IV. Nombres premiers

1. Définition

Définition 8 : Nombre premier

Un entier naturel est dit premier s’il admet exactement deux diviseurs : 11 et lui-même.

Exemple 11

Dire si chacun des nombres 1313, 2121, 00 et 11 est premier.

Voir la solution
  • 1313 est premier : ses seuls diviseurs sont 11 et 1313.
  • 2121 n’est pas premier, car 21=3×721=3\times7.
  • 00 et 11 ne sont pas premiers : 11 n’a qu’un seul diviseur, et 00 en a une infinité.

Remarque

  • 22 est le seul nombre premier pair.
  • Les nombres premiers inférieurs à 4040 sont : 22 ; 33 ; 55 ; 77 ; 1111 ; 1313 ; 1717 ; 1919 ; 2323 ; 2929 ; 3131 ; 3737.
  • Si a=x×ya=x\times y avec x≠1x\neq1 et y≠1y\neq1 (et x,y∈Nx,y\in\mathbb{N}), alors aa n’est pas premier.
  • Il existe une infinité de nombres premiers.

2. Reconnaître un nombre premier

Propriété 6 : Test de primalité

On considère un entier naturel a≥2a\ge2.

  • Si aa n’est divisible par aucun nombre premier pp vérifiant p×p≤ap\times p\le a, alors aa est premier.
  • Si aa est divisible par l’un de ces nombres premiers (et aa n’est pas lui-même ce nombre), alors aa n’est pas premier.

Remarque

La condition p×p≤ap\times p\le a s’écrit aussi p≤ap\le\sqrt a. Ce test découle du crible d’Ératosthène : pour obtenir les nombres premiers jusqu’à 100100, on écrit les entiers de 22 à 100100, puis on barre les multiples de 22 (sauf 22), de 33 (sauf 33), de 55 et de 77 ; les nombres restants sont premiers (on s’arrête à 77 car 11×11=121>10011\times11=121>100).

Exemple 12

Le nombre 127127 est-il premier ?

Voir la solution

11×11=121≤127<169=13×1311\times11=121\le127<169=13\times13 : on teste les nombres premiers 22, 33, 55, 77 et 1111.

  • 127127 est impair ; la somme de ses chiffres est 1010 : non divisible par 33 ; il ne se termine ni par 00 ni par 55.
  • 127=7×18+1127=7\times18+1 et 127=11×11+6127=11\times11+6 : non divisible par 77 ni par 1111.

Donc 127127 est un nombre premier.

Application 6

Déterminer, parmi les nombres 8383 ; 119119 ; 133133 ; 149149, ceux qui sont premiers.

Voir la solution
  • 8383 : 9×9=81≤83<1009\times9=81\le83<100 ; on teste 22, 33, 55, 77 : aucun ne divise 8383. Donc 8383 est premier.
  • 119=7×17119=7\times17 : non premier.
  • 133=7×19133=7\times19 : non premier.
  • 149149 : 12×12=144≤149<16912\times12=144\le149<169 ; on teste 22, 33, 55, 77, 1111 : 149=7×21+2=11×13+6149=7\times21+2=11\times13+6, la somme des chiffres vaut 1414. Aucun ne divise 149149 : il est premier.

V. Décomposition en produit de facteurs premiers

1. Théorème fondamental

Théorème 1 : Décomposition

Tout entier naturel a≥2a\ge2 qui n’est pas premier s’écrit comme un produit de nombres premiers. Cette écriture est unique, à l’ordre des facteurs près. On la présente sous forme de produit de puissances de nombres premiers : a=p1 α1×p2 α2×⋯×pr αr.a=p_1^{\,\alpha_1}\times p_2^{\,\alpha_2}\times\cdots\times p_r^{\,\alpha_r}.

Exemple 13

Décomposer 6060, 9898 et 10001000 en produits de facteurs premiers.

Voir la solution

60=22×3×560=2^2\times3\times5 ; 98=2×72\quad 98=2\times7^2 ; 1000=23×53\quad 1000=2^3\times5^3.

2. Méthode pratique

Méthode

Pour décomposer un entier a≥2a\ge2 :

  1. on divise aa par son plus petit diviseur premier p1p_1 ;
  2. on recommence avec le quotient obtenu ;
  3. on s’arrête lorsque le quotient vaut 11.

L’entier aa est alors le produit de tous les diviseurs premiers utilisés. On présente les calculs dans un tableau à deux colonnes (quotients à gauche, diviseurs premiers à droite).

Exemple 14

Décomposer 12601260 en produit de facteurs premiers.

Voir la solution
Quotient1260126063063031531510510535357711
Diviseur premier222233335577

Donc 1260=22×32×5×71260=2^2\times3^2\times5\times7.

3. Applications de la décomposition

Théorème 2 : PGCD et PPCM

On considère deux entiers naturels a≥2a\ge2 et b≥2b\ge2 décomposés en produits de facteurs premiers.

  • PGCD⁡(a;b)\operatorname{PGCD}(a;b) est le produit des facteurs premiers communs aux deux décompositions, chacun affecté du plus petit exposant.
  • PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b) est le produit de tous les facteurs premiers apparaissant dans l’une ou l’autre décomposition, chacun affecté du plus grand exposant.

Exemple 15

On considère a=23×32×5a=2^3\times3^2\times5 et b=2×33×7b=2\times3^3\times7. Déterminer PGCD⁡(a;b)\operatorname{PGCD}(a;b) et PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b).

Voir la solution

Facteurs communs : 22 et 33, avec les plus petits exposants 11 et 22 : PGCD⁡(a;b)=2×32=18\operatorname{PGCD}(a;b)=2\times3^2=18.

Tous les facteurs, avec les plus grands exposants : PPCM⁡(a;b)=23×33×5×7=7560\operatorname{PPCM}(a;b)=2^3\times3^3\times5\times7=7560.

Propriété 7

Pour tous entiers naturels non nuls aa et bb : PGCD⁡(a;b)×PPCM⁡(a;b)=a×b.\operatorname{PGCD}(a;b)\times\operatorname{PPCM}(a;b)=a\times b.

Remarque

La décomposition en facteurs premiers sert aussi à :

  • simplifier une fraction : on supprime les facteurs communs au numérateur et au dénominateur ;
  • simplifier une racine carrée : on regroupe les facteurs premiers par paires, puisque p2=p\sqrt{p^2}=p ;
  • reconnaître un carré parfait (carré d’un entier naturel) : tous les exposants de sa décomposition sont pairs.

Application 7

On considère les entiers a=756a=756 et b=1176b=1176.

  1. Décomposer aa et bb en produits de facteurs premiers.
  2. En déduire PGCD⁡(a;b)\operatorname{PGCD}(a;b) et PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b), puis vérifier la propriété 7.
  3. Écrire ab\dfrac ab sous forme irréductible.
  4. Simplifier a×b\sqrt{a\times b}.
Voir la solution
  1. 756=2×378=22×189=22×33×7756=2\times378=2^2\times189=2^2\times3^3\times7 ;
    1176=2×588=22×294=23×147=23×3×721176=2\times588=2^2\times294=2^3\times147=2^3\times3\times7^2.
  2. PGCD⁡(a;b)=22×3×7=84\operatorname{PGCD}(a;b)=2^2\times3\times7=84 ;
    PPCM⁡(a;b)=23×33×72=10 584\operatorname{PPCM}(a;b)=2^3\times3^3\times7^2=10\,584.
    Vérification : 84×10 584=889 05684\times10\,584=889\,056 et 756×1176=889 056756\times1176=889\,056.
  3. ab=22×33×723×3×72=322×7=914\dfrac ab=\dfrac{2^2\times3^3\times7}{2^3\times3\times7^2}=\dfrac{3^2}{2\times7}=\dfrac{9}{14}.
  4. a×b=25×34×73=(22×32×7)2×2×7a\times b=2^5\times3^4\times7^3=(2^2\times3^2\times7)^2\times2\times7, donc a×b=22×32×7×14=25214.\sqrt{a\times b}=2^2\times3^2\times7\times\sqrt{14}=252\sqrt{14}.

Application 8 : carré parfait

Déterminer le plus petit entier naturel non nul mm tel que 540 m540\,m soit un carré parfait.

Voir la solution

540=22×33×5540=2^2\times3^3\times5. Pour que tous les exposants deviennent pairs, il faut multiplier au minimum par 3×5=153\times5=15.

Donc m=15m=15 et 540×15=8100=902540\times15=8100=90^2.

À retenir — l’essentiel du chapitre

  • nn pair : n=2kn=2k ;  n\ n impair : n=2k+1n=2k+1 (k∈Nk\in\mathbb{N}). Le produit de deux entiers consécutifs est pair.
  • dd divise aa   ⟺  \iff aa est un multiple de dd   ⟺  \iff il existe k∈Nk\in\mathbb{N} tel que a=dka=dk (d≠0d\neq0).
  • Critères : 22 et 55 (chiffre des unités) ; 33 et 99 (somme des chiffres).
  • Un nombre premier a exactement deux diviseurs. Test : diviseurs premiers pp avec p×p≤ap\times p\le a.
  • PGCD : facteurs communs, plus petits exposants ; PPCM : tous les facteurs, plus grands exposants ; PGCD⁡(a;b)×PPCM⁡(a;b)=ab\operatorname{PGCD}(a;b)\times\operatorname{PPCM}(a;b)=ab.

Série d’exercices

Exercice 1 — Parité Facile ★☆☆☆☆

  1. On considère un entier naturel nn. Étudier la parité de chacun des nombres suivants :
    • A=12n+4A=12n+4 ;
    • B=6n2+10n+3B=6n^2+10n+3 ;
    • C=n2+n+10C=n^2+n+10 ;
    • D=(2n+1)(2n+5)D=(2n+1)(2n+5) ;
    • E=n(n+1)(n+5)E=n(n+1)(n+5) ;
    • F=n2+7n+1F=n^2+7n+1.
  2. On considère deux entiers pairs aa et bb tels que a≥ba\ge b. Montrer que a−ba-b est pair.
  3. Montrer que le produit de deux entiers impairs est impair.
  4. Montrer que la somme d’un entier pair et d’un entier impair est impaire.
  5. On considère un entier naturel nn. Montrer que (n+2)(n+7)(n+2)(n+7) est pair.
  6. On considère un entier impair aa. Montrer que a2a^2 est impair.
  7. On considère un entier naturel aa tel que a2a^2 est pair. Montrer que aa est pair (on pourra examiner les deux parités possibles de aa).
  8. On considère un entier naturel n≥1n\ge1. Vérifier que n3−n=(n−1)n(n+1)n^3-n=(n-1)n(n+1), puis montrer que n3−nn^3-n est pair.
Voir la solution

1) On considère n∈Nn\in\N.

  • A=12n+4=2(6n+2)A=12n+4=2(6n+2), avec 6n+2∈N6n+2\in\N : AA est pair.
  • B=6n2+10n+2+1=2(3n2+5n+1)+1B=6n^2+10n+2+1=2(3n^2+5n+1)+1, avec 3n2+5n+1∈N3n^2+5n+1\in\N : BB est impair.
  • C=n(n+1)+10C=n(n+1)+10. Le produit n(n+1)n(n+1) de deux entiers consécutifs est pair : n(n+1)=2kn(n+1)=2k avec k∈Nk\in\N. Donc C=2(k+5)C=2(k+5) : CC est pair.
  • 2n+12n+1 et 2n+5=2(n+2)+12n+5=2(n+2)+1 sont impairs ; leur produit est impair : DD est impair. (Directement : D=4n2+12n+5=2(2n2+6n+2)+1D=4n^2+12n+5=2(2n^2+6n+2)+1.)
  • n(n+1)n(n+1) est pair, donc E=n(n+1)×(n+5)E=n(n+1)\times(n+5) est pair (un facteur pair suffit).
  • F=n2+n+6n+1=n(n+1)+2×3n+1F=n^2+n+6n+1=n(n+1)+2\times3n+1. Avec n(n+1)=2kn(n+1)=2k (k∈Nk\in\N) : F=2(k+3n)+1F=2(k+3n)+1 : FF est impair.

2) a=2ka=2k et b=2k′b=2k' avec k,k′∈Nk,k'\in\N. Comme a≥ba\ge b, on a k≥k′k\ge k', donc k−k′∈Nk-k'\in\N et a−b=2(k−k′)a-b=2(k-k') est pair.

3) a=2k+1a=2k+1 et b=2k′+1b=2k'+1 avec k,k′∈Nk,k'\in\N : ab=4kk′+2k+2k′+1=2(2kk′+k+k′)+1,ab=4kk'+2k+2k'+1=2(2kk'+k+k')+1, avec 2kk′+k+k′∈N2kk'+k+k'\in\N : abab est impair.

4) a=2ka=2k et b=2k′+1b=2k'+1 : a+b=2(k+k′)+1a+b=2(k+k')+1 avec k+k′∈Nk+k'\in\N : a+ba+b est impair.

5) Les entiers n+2n+2 et n+7n+7 diffèrent de 55, donc ils sont de parités contraires (si l’un est pair, l’autre s’obtient en ajoutant l’impair 55, d’après 4)). L’un des deux facteurs est pair, donc le produit (n+2)(n+7)(n+2)(n+7) est pair.

6) a=2k+1a=2k+1 avec k∈Nk\in\N : a2=4k2+4k+1=2(2k2+2k)+1a^2=4k^2+4k+1=2(2k^2+2k)+1 est impair. (C’est aussi le cas particulier b=ab=a de la question 3).)

7) Deux cas seulement sont possibles pour aa :

  • si aa est impair, alors a2a^2 est impair d’après 6), ce qui contredit l’hypothèse « a2a^2 pair » ;
  • il reste donc le cas aa pair.

Conclusion : si a2a^2 est pair, alors aa est pair.

8) Pour n≥1n\ge1 : (n−1)n(n+1)=(n−1)(n2+n)=n3+n2−n2−n=n3−n(n-1)n(n+1)=(n-1)(n^2+n)=n^3+n^2-n^2-n=n^3-n.

Les entiers nn et n+1n+1 sont consécutifs, donc n(n+1)n(n+1) est pair ; par suite n3−n=(n−1)×n(n+1)n^3-n=(n-1)\times n(n+1) est pair.

Exercice 2 — Multiples Facile ★☆☆☆☆

  1. Déterminer les multiples de 77 inférieurs à 8080.
  2. On considère un entier naturel nn. Montrer que le nombre 3n+2+3n3^{n+2}+3^n est un multiple de 1010.
  3. Déterminer les chiffres cc pour lesquels le nombre à quatre chiffres 4c56‾\overline{4c56} est un multiple de 33.
  4. On considère trois entiers naturels aa, mm et m′m' tels que mm et m′m' sont des multiples de aa. Montrer que 5m+2m′5m+2m' est un multiple de aa.
  5. On considère un entier impair aa. Montrer que a2+3a^2+3 est un multiple de 44.
Voir la solution

1) Les multiples de 77 sont les nombres 7k7k, k∈Nk\in\N. Comme 7×11=77<80<84=7×127\times11=77<80<84=7\times12, ceux qui sont inférieurs à 8080 sont :

00 ; 77 ; 1414 ; 2121 ; 2828 ; 3535 ; 4242 ; 4949 ; 5656 ; 6363 ; 7070 ; 7777.

2) 3n+2+3n=3n×32+3n=3n(9+1)=10×3n3^{n+2}+3^n=3^n\times3^2+3^n=3^n(9+1)=10\times3^n, avec 3n∈N3^n\in\N : c’est un multiple de 1010.

3) La somme des chiffres de 4c56‾\overline{4c56} est 4+c+5+6=15+c4+c+5+6=15+c. Comme 1515 est un multiple de 33, le nombre est un multiple de 33 exactement lorsque cc en est un. Avec c∈{0;1;…;9}c\in\{0;1;\ldots;9\} : c∈{0;3;6;9}.c\in\{0;3;6;9\}. Les nombres obtenus sont 40564056 ; 43564356 ; 46564656 ; 49564956.

4) m=kam=ka et m′=k′am'=k'a avec k,k′∈Nk,k'\in\N : 5m+2m′=(5k+2k′) a5m+2m'=(5k+2k')\,a avec 5k+2k′∈N5k+2k'\in\N : c’est un multiple de aa.

5) a=2k+1a=2k+1 avec k∈Nk\in\N : a2+3=4k2+4k+4=4(k2+k+1)a^2+3=4k^2+4k+4=4(k^2+k+1), avec k2+k+1∈Nk^2+k+1\in\N : c’est un multiple de 44.

Exercice 3 — Diviseurs et critères de divisibilité Facile ★★☆☆☆

  1. a) Déterminer les diviseurs de 3030. b) Calculer la somme de ces diviseurs et vérifier qu’elle est un multiple de 2424.
  2. Le nombre 64 21564\,215 est-il divisible par 22 ? par 33 ? par 55 ? par 99 ?
  3. Déterminer les entiers naturels compris entre 200200 et 260260 qui sont divisibles à la fois par 22 et par 99.
  4. On considère un entier naturel nn. Montrer que le nombre 5n+1×3n+25^{n+1}\times3^{n+2} est divisible par 4545.
  5. a) Déterminer les diviseurs de 2020. b) On considère deux entiers naturels xx et yy tels que x≥yx\ge y. Montrer que x+yx+y et x−yx-y ont la même parité. c) En déduire les couples d’entiers naturels (x;y)(x;y) tels que x2−y2=20x^2-y^2=20.
  6. Déterminer le chiffre cc pour lequel le nombre 3c75‾\overline{3c75} est divisible par 4545.
  7. Déterminer les chiffres uu pour lesquels le nombre à quatre chiffres u482‾\overline{u482} est divisible par 33 mais pas par 99.
  8. a) Vérifier que, pour tout entier naturel xx : (x2+x+1)(x2−x+1)=x4+x2+1.(x^2+x+1)(x^2-x+1)=x^4+x^2+1. b) En déduire une écriture de 10 10110\,101 comme produit de deux entiers naturels supérieurs à 11. c) En déduire que 108+104+110^8+10^4+1 n’est pas un nombre premier.
  9. On considère un entier naturel non nul nn. a) Donner huit diviseurs de 6n6n, exprimés en fonction de nn. b) Donner six diviseurs de 3n2+3n3n^2+3n, exprimés en fonction de nn. c) En déduire quatre diviseurs communs à 6n6n et à 3n2+3n3n^2+3n.
Voir la solution

1) a) 30=1×30=2×15=3×10=5×630=1\times30=2\times15=3\times10=5\times6 (44 ne divise pas 3030, et on s’arrête car 6×6>306\times6>30). Les diviseurs de 3030 sont 11 ; 22 ; 33 ; 55 ; 66 ; 1010 ; 1515 ; 3030.

b) 1+2+3+5+6+10+15+30=72=24×31+2+3+5+6+10+15+30=72=24\times3 : la somme est bien un multiple de 2424.

2) Pour 64 21564\,215 : le chiffre des unités est 55, donc il est divisible par 55 mais pas par 22. La somme des chiffres est 6+4+2+1+5=186+4+2+1+5=18, divisible par 99 et par 33 : il est divisible par 33 et par 99 (64 215=9×713564\,215=9\times7135).

3) Un entier est divisible par 22 et par 99 si et seulement s’il est divisible par PPCM⁡(2;9)=18\operatorname{PPCM}(2;9)=18. Les multiples de 1818 entre 200200 et 260260 sont : 18×12=216 ;18×13=234 ;18×14=252.18\times12=216\ ;\quad18\times13=234\ ;\quad18\times14=252.

4) 5n+1×3n+2=5×5n×32×3n=45×(5n×3n)=45×15n5^{n+1}\times3^{n+2}=5\times5^n\times3^2\times3^n=45\times(5^n\times3^n)=45\times15^n, avec 15n∈N15^n\in\N : ce nombre est divisible par 4545.

5) a) 20=1×20=2×10=4×520=1\times20=2\times10=4\times5 : les diviseurs de 2020 sont 11 ; 22 ; 44 ; 55 ; 1010 ; 2020.

b) (x+y)−(x−y)=2y(x+y)-(x-y)=2y est pair. Si x−yx-y est pair, alors x+y=(x−y)+2yx+y=(x-y)+2y est pair (somme de deux pairs) ; si x−yx-y est impair, alors x+yx+y est impair (somme d’un impair et d’un pair). Donc x+yx+y et x−yx-y ont la même parité.

c) x2−y2=(x−y)(x+y)x^2-y^2=(x-y)(x+y). On cherche x≥yx\ge y (car x2−y2=20>0x^2-y^2=20>0) tels que (x−y)(x+y)=20(x-y)(x+y)=20, avec x−y≤x+yx-y\le x+y.

D’après a), les décompositions possibles sont (x−y;x+y)∈{(1;20);(2;10);(4;5)}(x-y;x+y)\in\{(1;20);(2;10);(4;5)\}. D’après b), les deux facteurs ont la même parité : seul (2;10)(2;10) convient. On obtient x−y=2  et  x+y=10,d’ouˋx=6  et  y=4.x-y=2\ \text{ et }\ x+y=10,\quad\text{d'où}\quad x=6\ \text{ et }\ y=4. Vérification : 36−16=2036-16=20. L’unique couple est (6;4)(6;4).

6) PPCM⁡(5;9)=45\operatorname{PPCM}(5;9)=45 : les multiples communs à 55 et à 99 sont exactement les multiples de 4545. Le nombre 3c75‾\overline{3c75} est donc divisible par 4545 si et seulement s’il est divisible par 55 et par 99. Il se termine par 55 : il est divisible par 55. La somme des chiffres est 15+c15+c, avec 15≤15+c≤2415\le15+c\le24 ; le seul multiple de 99 dans cet intervalle est 1818, d’où c=3c=3.

Vérification : 3375=45×753375=45\times75.

7) Le chiffre uu vérifie 1≤u≤91\le u\le9 (nombre à quatre chiffres). La somme des chiffres est u+14u+14, comprise entre 1515 et 2323.

  • Divisible par 33 : u+14∈{15;18;21}u+14\in\{15;18;21\}, soit u∈{1;4;7}u\in\{1;4;7\}.
  • Divisible par 99 : u+14=18u+14=18, soit u=4u=4.

Donc u∈{1;7}u\in\{1;7\} : les nombres 14821482 et 74827482 conviennent.

8) a) On développe : (x2+x+1)(x2−x+1)=x4−x3+x2+x3−x2+x+x2−x+1=x4+x2+1.(x^2+x+1)(x^2-x+1)=x^4-x^3+x^2+x^3-x^2+x+x^2-x+1=x^4+x^2+1.

b) Avec x=10x=10 : 104+102+1=10 10110^4+10^2+1=10\,101 et (100+10+1)(100−10+1)=111×91(100+10+1)(100-10+1)=111\times91. Donc 10 101=111×9110\,101=111\times91.

c) Avec x=100x=100 : x4=108x^4=10^8 et x2=104x^2=10^4, donc 108+104+1=(10 000+100+1)(10 000−100+1)=10 101×9901.10^8+10^4+1=(10\,000+100+1)(10\,000-100+1)=10\,101\times9901. Les deux facteurs sont supérieurs à 11 : ce nombre n’est pas premier.

9) a) 6n=1×6n=2×3n=3×2n=6×n6n=1\times6n=2\times3n=3\times2n=6\times n : les nombres 11 ; 22 ; 33 ; 66 ; nn ; 2n2n ; 3n3n ; 6n6n sont des diviseurs de 6n6n.

b) 3n2+3n=3n(n+1)3n^2+3n=3n(n+1) : les nombres 11 ; 33 ; nn ; n+1n+1 ; 3n3n ; 3(n+1)3(n+1) en sont des diviseurs (on peut aussi citer n(n+1)n(n+1) et 3n(n+1)3n(n+1)).

c) Les nombres 11 ; 33 ; nn ; 3n3n figurent dans les deux listes : ce sont des diviseurs communs à 6n6n et à 3n2+3n3n^2+3n. (Ces diviseurs ne sont pas nécessairement distincts : pour n=1n=1 ou n=3n=3, certains coïncident.)

Exercice 4 — PGCD Facile ★★☆☆☆

  1. a) Déterminer les diviseurs de 5454 et ceux de 9090. b) En déduire PGCD⁡(54;90)\pgcd(54;90).
  2. Déterminer les couples d’entiers naturels (a;b)(a;b), avec a<ba<b, tels que PGCD⁡(a;b)=9\pgcd(a;b)=9 et a+b=90a+b=90.
Voir la solution

1) a) 54=1×54=2×27=3×18=6×954=1\times54=2\times27=3\times18=6\times9 : diviseurs de 5454 : 11 ; 22 ; 33 ; 66 ; 99 ; 1818 ; 2727 ; 5454.

90=1×90=2×45=3×30=5×18=6×15=9×1090=1\times90=2\times45=3\times30=5\times18=6\times15=9\times10 : diviseurs de 9090 : 11 ; 22 ; 33 ; 55 ; 66 ; 99 ; 1010 ; 1515 ; 1818 ; 3030 ; 4545 ; 9090.

b) Diviseurs communs : 11 ; 22 ; 33 ; 66 ; 99 ; 1818. Donc PGCD⁡(54;90)=18\pgcd(54;90)=18.

2) On écrit a=9αa=9\alpha et b=9βb=9\beta avec α,β∈N∗\alpha,\beta\in\N^*, α<β\alpha<\beta et PGCD⁡(α;β)=1\pgcd(\alpha;\beta)=1. De a+b=90a+b=90 on tire α+β=10\alpha+\beta=10.

(α;β)(\alpha;\beta)(1;9)(1;9)(2;8)(2;8)(3;7)(3;7)(4;6)(4;6)
PGCD⁡(α;β)\pgcd(\alpha;\beta)11221122

On retient (1;9)(1;9) et (3;7)(3;7) : les couples cherchés sont (9;81)(9;81) et (27;63)(27;63).

Vérification : PGCD⁡(9;81)=9\pgcd(9;81)=9 et PGCD⁡(27;63)=9\pgcd(27;63)=9, avec 9+81=27+63=909+81=27+63=90.

Exercice 5 — Nombres premiers Facile ★★☆☆☆

  1. Déterminer, parmi les nombres suivants, ceux qui sont premiers :
    5151 ; 221221 ; 223223 ; 247247 ; 289289 ; 311311 ; 10011001.
  2. On considère un entier naturel non nul nn. a) Vérifier que n3+8=(n+2)(n2−2n+4)n^3+8=(n+2)(n^2-2n+4). b) En déduire que n3+8n^3+8 n’est pas premier.
Voir la solution

1)

  • 51=3×1751=3\times17 : non premier.
  • 221=13×17221=13\times17 : non premier.
  • 223223 : 14×14=196≤223<225=15×1514\times14=196\le223<225=15\times15. On teste 22, 33, 55, 77, 1111, 1313 : 223223 est impair, la somme de ses chiffres vaut 77, il ne se termine ni par 00 ni par 55, et 223=7×31+6=11×20+3=13×17+2223=7\times31+6=11\times20+3=13\times17+2. Donc 223223 est premier.
  • 247=13×19247=13\times19 : non premier.
  • 289=17×17289=17\times17 : non premier.
  • 311311 : 17×17=289≤311<324=18×1817\times17=289\le311<324=18\times18. On teste 22, 33, 55, 77, 1111, 1313, 1717 : 311=7×44+3=11×28+3=13×23+12=17×18+5311=7\times44+3=11\times28+3=13\times23+12=17\times18+5 ; la somme des chiffres vaut 55. Donc 311311 est premier.
  • 1001=7×11×131001=7\times11\times13 : non premier.

Les nombres premiers de la liste sont 223223 et 311311.

2) a) (n+2)(n2−2n+4)=n3−2n2+4n+2n2−4n+8=n3+8(n+2)(n^2-2n+4)=n^3-2n^2+4n+2n^2-4n+8=n^3+8.

b) Pour n≥1n\ge1 : n+2≥3n+2\ge3 ; et n2−2n+4=(n−1)2+3≥3n^2-2n+4=(n-1)^2+3\ge3. Le nombre n3+8n^3+8 est donc le produit de deux entiers naturels différents de 11 : il n’est pas premier.

Exercice 6 — Décomposition en facteurs premiers Facile ★★☆☆☆

On considère les entiers naturels a=2352a=2352 et b=3780b=3780.

  1. Décomposer aa et bb en produits de facteurs premiers.
  2. En déduire PGCD⁡(a;b)\pgcd(a;b) et PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b).
  3. Écrire ab\dfrac ab sous forme irréductible et simplifier a×b\sqrt{a\times b}.
  4. Déterminer le plus petit entier naturel non nul mm tel que m×am\times a soit un carré parfait.
  5. Déterminer le plus petit entier naturel non nul pp tel que p×bp\times b soit le cube d’un entier naturel.
Voir la solution

1) Par divisions successives :

Quotients de aa235223521176117658858829429414714749497711
Diviseurs premiers22222222337777
Quotients de bb378037801890189094594531531510510535357711
Diviseurs premiers22223333335577

a=24×3×72etb=22×33×5×7.a=2^4\times3\times7^2\qquad\text{et}\qquad b=2^2\times3^3\times5\times7.

2) PGCD⁡(a;b)=22×3×7=84\pgcd(a;b)=2^2\times3\times7=84.

PPCM⁡(a;b)=24×33×5×72=105 840\operatorname{PPCM}(a;b)=2^4\times3^3\times5\times7^2=105\,840.

Contrôle : 84×105 840=8 890 560=2352×378084\times105\,840=8\,890\,560=2352\times3780.

3) ab=24×3×7222×33×5×7=22×732×5=2845\dfrac ab=\dfrac{2^4\times3\times7^2}{2^2\times3^3\times5\times7}=\dfrac{2^2\times7}{3^2\times5}=\dfrac{28}{45}, fraction irréductible car PGCD⁡(28;45)=1\pgcd(28;45)=1.

a×b=26×34×5×73=(23×32×7)2×5×7a\times b=2^6\times3^4\times5\times7^3=(2^3\times3^2\times7)^2\times5\times7, donc a×b=23×32×7×35=50435.\sqrt{a\times b}=2^3\times3^2\times7\times\sqrt{35}=504\sqrt{35}.

4) m×am\times a est un carré parfait lorsque tous les exposants de sa décomposition sont pairs. Dans a=24×31×72a=2^4\times3^1\times7^2, seul l’exposant de 33 est impair : le plus petit mm est m=3m=3, et 3a=7056=8423a=7056=84^2.

5) p×bp\times b est un cube lorsque tous les exposants sont des multiples de 33. Dans b=22×33×51×71b=2^2\times3^3\times5^1\times7^1, il manque 212^1, 525^2 et 727^2 : p=2×52×72=2450,p×b=23×33×53×73=2103.p=2\times5^2\times7^2=2450,\qquad p\times b=2^3\times3^3\times5^3\times7^3=210^3.

Exercice 7 — PGCD, PPCM et fractions Facile ★★☆☆☆

On considère les entiers naturels a=72×35a=72\times35 et b=63×14b=6^3\times14.

  1. Décomposer aa et bb en produits de facteurs premiers.
  2. En déduire PGCD⁡(a;b)\pgcd(a;b) et PPCM⁡(a;b)\operatorname{PPCM}(a;b).
  3. À l’aide des décompositions de 8484 et de 120120, écrire les fractions 1184\dfrac{11}{84} et 17120\dfrac{17}{120} avec le plus petit dénominateur commun possible.
Voir la solution

1) 72=23×3272=2^3\times3^2 et 35=5×735=5\times7, donc a=23×32×5×7a=2^3\times3^2\times5\times7.

63=23×336^3=2^3\times3^3 et 14=2×714=2\times7, donc b=24×33×7b=2^4\times3^3\times7.

2) PGCD⁡(a;b)=23×32×7=504\pgcd(a;b)=2^3\times3^2\times7=504 ;  PPCM⁡(a;b)=24×33×5×7=15 120\ \operatorname{PPCM}(a;b)=2^4\times3^3\times5\times7=15\,120.

3) 84=22×3×784=2^2\times3\times7 et 120=23×3×5120=2^3\times3\times5. Le plus petit dénominateur commun est PPCM⁡(84;120)=23×3×5×7=840.\operatorname{PPCM}(84;120)=2^3\times3\times5\times7=840. Comme 840=84×10=120×7840=84\times10=120\times7 : 1184=110840et17120=119840.\frac{11}{84}=\frac{110}{840}\qquad\text{et}\qquad\frac{17}{120}=\frac{119}{840}.

Exercice 8 — Divisibilité et expression littérale Moyen ★★★☆☆

On considère un entier naturel nn.

  1. Montrer que n2+7n+21=(n+3)(n+4)+9n^2+7n+21=(n+3)(n+4)+9.
  2. En déduire les valeurs de nn pour lesquelles n+3n+3 divise n2+7n+21n^2+7n+21.
Voir la solution

1) (n+3)(n+4)+9=n2+4n+3n+12+9=n2+7n+21(n+3)(n+4)+9=n^2+4n+3n+12+9=n^2+7n+21.

2) On pose N=n2+7n+21=(n+3)(n+4)+9N=n^2+7n+21=(n+3)(n+4)+9.

  • Si n+3n+3 divise NN, comme n+3n+3 divise (n+3)(n+4)(n+3)(n+4), il divise la différence N−(n+3)(n+4)=9N-(n+3)(n+4)=9. Donc n+3∈{1;3;9}n+3\in\{1;3;9\} ; or n+3≥3n+3\ge3, d’où n+3=3n+3=3 ou n+3=9n+3=9, soit n=0n=0 ou n=6n=6.
  • Réciproquement : pour n=0n=0, N=21=3×7N=21=3\times7 ; pour n=6n=6, N=99=9×11N=99=9\times11. Les deux valeurs conviennent.

Les valeurs cherchées sont n=0n=0 et n=6n=6.

Exercice 9 — Problème concret Moyen ★★★☆☆

Un fleuriste dispose de 378378 roses et de 270270 tulipes. Il veut composer des bouquets tous identiques (même nombre de roses et même nombre de tulipes dans chaque bouquet) en utilisant toutes ses fleurs.

  1. Justifier, sans poser de division, que 378378 et 270270 sont divisibles par 22 et par 99.
  2. Décomposer 378378 et 270270 en produits de facteurs premiers.
  3. Calculer le nombre maximal de bouquets qu’il peut composer, puis la composition de chaque bouquet.
Voir la solution

1) 378378 et 270270 se terminent par 88 et 00 : ils sont pairs. Les sommes des chiffres sont 3+7+8=183+7+8=18 et 2+7+0=92+7+0=9, divisibles par 99 : ils sont divisibles par 99.

2) 378=2×189=2×9×21=2×33×7378=2\times189=2\times9\times21=2\times3^3\times7 ; 270=2×135=2×27×5=2×33×5\quad 270=2\times135=2\times27\times5=2\times3^3\times5.

3) Le nombre de bouquets doit diviser 378378 et 270270 (toutes les fleurs sont utilisées, chaque bouquet est identique). Le nombre maximal est donc PGCD⁡(378;270)=2×33=54.\pgcd(378;270)=2\times3^3=54. Chaque bouquet contient alors 378÷54=7378\div54=7 roses et 270÷54=5270\div54=5 tulipes.

Exercice 10 — Carrés parfaits Difficile ★★★★☆

On rappelle qu’un carré parfait est un entier naturel qui est le carré d’un entier naturel. On admet qu’un entier naturel strictement compris entre les carrés de deux entiers naturels consécutifs n’est pas un carré parfait.

  1. Montrer que les nombres suivants sont des carrés parfaits :
    324324 ; 20252025 ; 144×225144\times225 ; 125×312^5\times3.
  2. On considère un entier naturel nn. Montrer que 9n2+12n+49n^2+12n+4 est un carré parfait.
  3. a) Le nombre 200200 est-il un carré parfait ? Justifier. b) On considère un entier naturel non nul nn. Montrer que n2+nn^2+n n’est pas un carré parfait.
Voir la solution

1)

  • 324=22×34=(2×32)2=182324=2^2\times3^4=(2\times3^2)^2=18^2 ;
  • 2025=34×52=(32×5)2=4522025=3^4\times5^2=(3^2\times5)^2=45^2 ;
  • 144×225=122×152=(12×15)2=1802144\times225=12^2\times15^2=(12\times15)^2=180^2 ;
  • 125×3=210×35×3=210×36=(25×33)2=864212^5\times3=2^{10}\times3^5\times3=2^{10}\times3^6=(2^5\times3^3)^2=864^2.

2) 9n2+12n+4=(3n)2+2×3n×2+22=(3n+2)29n^2+12n+4=(3n)^2+2\times3n\times2+2^2=(3n+2)^2, avec 3n+2∈N3n+2\in\N : c’est un carré parfait.

3) a) 142=196<200<225=15214^2=196<200<225=15^2 : 200200 est strictement compris entre les carrés de deux entiers consécutifs, ce n’est pas un carré parfait.

b) Pour n≥1n\ge1 :

  • n2<n2+nn^2<n^2+n, car n>0n>0 ;
  • n2+n<n2+2n+1=(n+1)2n^2+n<n^2+2n+1=(n+1)^2, car n<2n+1n<2n+1.

Ainsi n2<n2+n<(n+1)2n^2<n^2+n<(n+1)^2 : n2+nn^2+n est strictement compris entre les carrés des entiers consécutifs nn et n+1n+1, ce n’est pas un carré parfait.

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