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 a, b, k, m, n, p, q 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 0, 1, 2, 3, … sont les entiers naturels. Leur ensemble est noté N : N={0;1;2;3;…}.
L’ensemble des entiers naturels non nuls est noté N∗ : N∗={1;2;3;…}.
Si n est un entier naturel, on écrit n∈N (« n appartient à N ») ; sinon on écrit n∈/N.
Exemple 1
Dire si chacun des nombres 17, 0, 412, 27 et 2,4 appartient à N, et si 0 appartient à N∗.
Voir la solution
17∈N ; 0∈N mais 0∈/N∗.
412∈N, car 412=3.
27∈/N, car 27=3,5 ; 2,4∈/N.
Remarque
La somme et le produit de deux entiers naturels sont des entiers naturels.
La différence a−b de deux entiers naturels n’est un entier naturel que si a≥b : par exemple 3−8∈/N.
2. Nombres pairs, nombres impairs
Définition 2 : Parité
On considère un entier naturel n.
n est pair s’il existe un entier naturel k tel que n=2k.
n est impair s’il existe un entier naturel k tel que n=2k+1.
Tout entier naturel est soit pair, soit impair (et jamais les deux).
Exemple 2
Étudier la parité des nombres 96, 57, 0 et 1.
Voir la solution
96 est pair, car 96=2×48 avec 48∈N.
57 est impair, car 57=2×28+1 avec 28∈N.
0 est pair, car 0=2×0 ; 1 est impair, car 1=2×0+1.
Méthode
Pour étudier la parité d’une expression entière A, on cherche à l’écrire sous la forme A=2k ou A=2k+1, en précisant que k est un entier naturel.
Exemple 3
On considère un entier naturel n. Étudier la parité des nombres A=10n+6 et B=4n2+6n+9.
Voir la solution
A=10n+6=2(5n+3). On pose k=5n+3 ; on a k∈N, donc A=2k : A est pair.
B=4n2+6n+8+1=2(2n2+3n+4)+1. On pose k=2n2+3n+4 ; on a k∈N, donc B=2k+1 : B est impair.
3. Règles de calcul sur la parité
Propriété 1 : Somme et produit
On considère deux entiers naturels a et b.
a
b
a+b
a×b
pair
pair
pair
pair
pair
impair
impair
pair
impair
pair
impair
pair
impair
impair
pair
impair
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 a et b. Il existe deux entiers naturels k et k′ tels que a=2k+1 et b=2k′+1. Alors
a+b=2k+2k′+2=2(k+k′+1).
Comme k+k′+1∈N, l’entier a+b est pair.
Propriété 2 : Deux entiers consécutifs
Pour tout entier naturel n, le produit n(n+1) est pair.
Voir la solution
Démonstration. On distingue deux cas.
Si n est pair, alors n=2k avec k∈N, donc n(n+1)=2(k(n+1)) est pair.
Si n est impair, alors n+1=2k+2=2(k+1) est pair, donc n(n+1) est pair.
Dans les deux cas, n(n+1) est pair.
Remarque
La méthode utilisée ci-dessus s’appelle un raisonnement par disjonction des cas : on traite séparément le cas « n pair » et le cas « n impair ».
Un entier n et son carré n2 ont la même parité : si n=2k, alors n2=2(2k2) ; si n=2k+1, alors n2=2(2k2+2k)+1.
Application 1
On considère un entier naturel n.
Étudier la parité des nombres C=14n+21 et D=n2+3n.
Montrer que E=n2+n+7 est impair.
Voir la solution
C=14n+20+1=2(7n+10)+1 avec 7n+10∈N : C est impair. D=n2+3n=n(n+1)+2n. Le nombre n(n+1) est pair (propriété 2) et 2n est pair ; leur somme est paire : D est pair.
E=n(n+1)+7. Le nombre n(n+1) est pair, donc n(n+1)=2k avec k∈N. Ainsi E=2k+6+1=2(k+3)+1 avec k+3∈N : E est impair.
II. Multiples d’un entier naturel et PPCM
1. Multiples d’un entier naturel
Définition 3 : Multiple
On considère deux entiers naturels a et m. On dit que m est un multiple de a s’il existe un entier naturel k tel que
m=k×a.
Exemple 5
Montrer que 91 est un multiple de 7, décrire les multiples de 4, puis montrer que, pour tout n∈N, le nombre 5n+1+5n est un multiple de 6.
Voir la solution
91 est un multiple de 7, car 91=13×7.
Les multiples de 4 sont 0, 4, 8, 12, 16, … c’est-à-dire les nombres 4k, avec k∈N.
Pour tout n∈N, le nombre 5n+1+5n est un multiple de 6 :
5n+1+5n=5n×5+5n=5n(5+1)=6×5n,avec 5n∈N.
Remarque
0 est un multiple de tout entier naturel a, car 0=0×a.
Tout entier naturel m est un multiple de 1 et de lui-même : m=m×1=1×m.
Un entier naturel non nul a admet une infinité de multiples : 0, a, 2a, 3a, …
Un entier est pair si et seulement s’il est un multiple de 2.
Propriété 3 : Somme de multiples
On considère trois entiers naturels a, m et m′. Si m et m′ sont deux multiples de a, alors, pour tous entiers naturels p et q, l’entier pm+qm′ est un multiple de a.
Voir la solution
Démonstration. On écrit m=ka et m′=k′a avec k,k′∈N. Alors
pm+qm′=pka+qk′a=(pk+qk′)a,
et pk+qk′∈N : l’entier pm+qm′ est un multiple de a.
Application 2
Déterminer les multiples de 9 inférieurs à 70.
On considère un entier naturel n. Montrer que 2n+4−2n est un multiple de 15.
Voir la solution
Les multiples de 9 sont les nombres 9k, k∈N ; ceux qui sont inférieurs à 70 sont : 0 ; 9 ; 18 ; 27 ; 36 ; 45 ; 54 ; 63 (car 9×8=72>70).
2n+4−2n=2n×24−2n=2n(16−1)=15×2n, avec 2n∈N. C’est donc un multiple de 15.
2. Plus petit commun multiple
Définition 4 : PPCM
On considère deux entiers naturels non nulsa et b. Le plus petit commun multiple de a et b est le plus petit entier naturel non nul qui est à la fois un multiple de a et un multiple de b.
On le note PPCM(a;b) ou a∨b.
Exemple 6
Déterminer PPCM(10;15).
Voir la solution
Multiples non nuls de 10 : 10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; …
Multiples non nuls de 15 : 15 ; 30 ; 45 ; 60 ; …
Les multiples communs non nuls sont 30 ; 60 ; … Le plus petit est 30 : PPCM(10;15)=30.
Remarque
On considère deux entiers naturels non nuls a et b.
PPCM(a;1)=a et PPCM(a;a)=a.
PPCM(a;b) est un multiple de a et de b, donc PPCM(a;b)≥a et PPCM(a;b)≥b.
Si b est un multiple de a, alors PPCM(a;b)=b ; réciproquement, si PPCM(a;b)=b, alors b est un multiple de a.
Les multiples communs à a et b sont exactement les multiples de PPCM(a;b).
Application 3
Deux phares s’allument en même temps à minuit. Le premier s’allume toutes les 12 secondes, le second toutes les 18 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 12, le second aux multiples de 18. On cherche le plus petit multiple commun non nul.
Multiples de 18 : 18 ; 36 ; … et 36=3×12 est un multiple de 12, alors que 18 n’en est pas un.
Donc PPCM(12;18)=36 : ils s’allument de nouveau ensemble au bout de 36 secondes.
III. Diviseurs d’un entier naturel et PGCD
1. Diviseurs d’un entier naturel
Définition 5 : Diviseur
On considère deux entiers naturels a et d, avec d=0. On dit que d est un diviseur de a (ou que ddivisea, ou que a est divisible par d) s’il existe un entier naturel k tel que
a=d×k.
Remarque
Pour d=0 : « d divise a » et « a est un multiple de d » sont deux façons de dire la même chose.
1 divise tout entier naturel ; tout entier naturel non nul d divise 0.
Si a=0 et si d divise a, alors d≤a : un entier non nul n’a qu’un nombre fini de diviseurs.
Si a=x×y avec x,y∈N∗, alors x et y sont des diviseurs de a.
Méthode
Pour obtenir tous les diviseurs d’un entier a≥1, on cherche les produits a=x×y avec x≤y : on teste les entiers x=1, 2, 3, … tant que x×x≤a, et chaque diviseur x trouvé donne le diviseur associé y=xa.
Exemple 7
Déterminer les diviseurs de 36.
Voir la solution
36=1×36=2×18=3×12=4×9=6×6 ; et 5 ne divise pas 36.
On s’arrête à x=6 car 7×7=49>36. Les diviseurs de 36 sont :
1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 6 ; 9 ; 12 ; 18 ; 36.
2. Critères de divisibilité
Propriété 4 : Critères de divisibilité
Un entier naturel est divisible :
par 2 si son chiffre des unités est 0, 2, 4, 6 ou 8 ;
par 5 si son chiffre des unités est 0 ou 5 ;
par 3 si la somme de ses chiffres est divisible par 3 ;
par 9 si la somme de ses chiffres est divisible par 9.
Et réciproquement pour chacun de ces critères.
Exemple 8
On considère le nombre N=47250.
Étudier la divisibilité de N par 2, par 5, par 3 et par 9.
Voir la solution
Son chiffre des unités est 0 : N est divisible par 2 et par 5.
La somme de ses chiffres est 4+7+2+5+0=18, divisible par 9 (donc aussi par 3) : N est divisible par 3 et par 9.
Application 4
Déterminer les chiffres c pour lesquels le nombre à quatre chiffres 3c27 est divisible par 9.
Voir la solution
La somme des chiffres est 3+c+2+7=12+c, avec c∈{0;1;…;9}, donc 12≤12+c≤21.
Le seul multiple de 9 compris entre 12 et 21 est 18 ; donc 12+c=18, soit c=6.
Vérification : 3627=9×403.
3. Plus grand commun diviseur
Définition 6 : PGCD
On considère deux entiers naturels non nulsa et b. Le plus grand commun diviseur de a et b est le plus grand entier naturel qui divise à la fois a et b. On le note PGCD(a;b) ou a∧b.
On considère deux entiers naturels non nuls a et b.
PGCD(a;b)≥1, PGCD(a;1)=1 et PGCD(a;a)=a.
PGCD(a;b)≤a et PGCD(a;b)≤b.
Si a divise b, alors PGCD(a;b)=a ; réciproquement, si PGCD(a;b)=a, alors a divise b.
Pour tout k∈N∗ : PGCD(ka;kb)=k×PGCD(a;b).
Si d=PGCD(a;b), alors il existe deux entiers naturels non nuls α et β tels que
a=dα,b=dβetPGCD(α;β)=1.
Application 5
Déterminer tous les couples d’entiers naturels (a;b), avec a<b, tels que PGCD(a;b)=6 et a+b=48.
Voir la solution
D’après la propriété 5, a=6α et b=6β avec α,β∈N∗ et PGCD(α;β)=1.
a+b=48 donne 6(α+β)=48, soit α+β=8, avec α<β.
Les possibilités sont (α;β)∈{(1;7);(2;6);(3;5)}. Or PGCD(2;6)=2=1 : on l’écarte.
Vérification :PGCD(6;42)=6 et PGCD(18;30)=6. Les couples cherchés sont (6;42) et (18;30).
4. Nombres premiers entre eux
Définition 7
On dit que deux entiers naturels non nuls a et b sont premiers entre eux si PGCD(a;b)=1, c’est-à-dire si leur seul diviseur commun est 1.
Exemple 10
Montrer que 8 et 15 sont premiers entre eux, et que 14 et 21 ne le sont pas.
Voir la solution
8 et 15 sont premiers entre eux : les diviseurs de 8 sont 1, 2, 4, 8 et aucun d’eux, sauf 1, ne divise 15.
14 et 21 ne sont pas premiers entre eux, car 7 divise 14 et 21.
Remarque
Deux entiers naturels consécutifs non nuls n et n+1 sont toujours premiers entre eux (un diviseur commun divise leur différence 1).
Une fraction ba (avec a,b∈N∗) est irréductible lorsque a et b sont premiers entre eux. Pour la rendre irréductible, on divise a et b par PGCD(a;b) : par exemple 6036=60÷1236÷12=53.
IV. Nombres premiers
1. Définition
Définition 8 : Nombre premier
Un entier naturel est dit premier s’il admet exactement deux diviseurs : 1 et lui-même.
Exemple 11
Dire si chacun des nombres 13, 21, 0 et 1 est premier.
Voir la solution
13 est premier : ses seuls diviseurs sont 1 et 13.
21 n’est pas premier, car 21=3×7.
0 et 1 ne sont pas premiers : 1 n’a qu’un seul diviseur, et 0 en a une infinité.
Remarque
2 est le seul nombre premier pair.
Les nombres premiers inférieurs à 40 sont : 2 ; 3 ; 5 ; 7 ; 11 ; 13 ; 17 ; 19 ; 23 ; 29 ; 31 ; 37.
Si a=x×y avec x=1 et y=1 (et x,y∈N), alors a 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≥2.
Si a n’est divisible par aucun nombre premier p vérifiant p×p≤a, alors a est premier.
Si a est divisible par l’un de ces nombres premiers (et a n’est pas lui-même ce nombre), alors a n’est pas premier.
Remarque
La condition p×p≤a s’écrit aussi p≤a. Ce test découle du crible d’Ératosthène : pour obtenir les nombres premiers jusqu’à 100, on écrit les entiers de 2 à 100, puis on barre les multiples de 2 (sauf 2), de 3 (sauf 3), de 5 et de 7 ; les nombres restants sont premiers (on s’arrête à 7 car 11×11=121>100).
Exemple 12
Le nombre 127 est-il premier ?
Voir la solution
11×11=121≤127<169=13×13 : on teste les nombres premiers 2, 3, 5, 7 et 11.
127 est impair ; la somme de ses chiffres est 10 : non divisible par 3 ; il ne se termine ni par 0 ni par 5.
127=7×18+1 et 127=11×11+6 : non divisible par 7 ni par 11.
Donc 127 est un nombre premier.
Application 6
Déterminer, parmi les nombres 83 ; 119 ; 133 ; 149, ceux qui sont premiers.
Voir la solution
83 : 9×9=81≤83<100 ; on teste 2, 3, 5, 7 : aucun ne divise 83. Donc 83 est premier.
119=7×17 : non premier.
133=7×19 : non premier.
149 : 12×12=144≤149<169 ; on teste 2, 3, 5, 7, 11 : 149=7×21+2=11×13+6, la somme des chiffres vaut 14. Aucun ne divise 149 : il est premier.
V. Décomposition en produit de facteurs premiers
1. Théorème fondamental
Théorème 1 : Décomposition
Tout entier naturel a≥2 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=p1α1×p2α2×⋯×prαr.
Exemple 13
Décomposer 60, 98 et 1000 en produits de facteurs premiers.
Voir la solution
60=22×3×5 ; 98=2×72 ; 1000=23×53.
2. Méthode pratique
Méthode
Pour décomposer un entier a≥2 :
on divise a par son plus petit diviseur premier p1 ;
on recommence avec le quotient obtenu ;
on s’arrête lorsque le quotient vaut 1.
L’entier a 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 1260 en produit de facteurs premiers.
Voir la solution
Quotient
1260
630
315
105
35
7
1
Diviseur premier
2
2
3
3
5
7
Donc 1260=22×32×5×7.
3. Applications de la décomposition
Théorème 2 : PGCD et PPCM
On considère deux entiers naturels a≥2 et b≥2 décomposés en produits de facteurs premiers.
PGCD(a;b) est le produit des facteurs premiers communs aux deux décompositions, chacun affecté du plus petit exposant.
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=23×32×5 et b=2×33×7. Déterminer PGCD(a;b) et PPCM(a;b).
Voir la solution
Facteurs communs : 2 et 3, avec les plus petits exposants 1 et 2 :
PGCD(a;b)=2×32=18.
Tous les facteurs, avec les plus grands exposants :
PPCM(a;b)=23×33×5×7=7560.
Propriété 7
Pour tous entiers naturels non nuls a et b :
PGCD(a;b)×PPCM(a;b)=a×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 ;
reconnaître un carré parfait (carré d’un entier naturel) : tous les exposants de sa décomposition sont pairs.
Application 7
On considère les entiers a=756 et b=1176.
Décomposer a et b en produits de facteurs premiers.
En déduire PGCD(a;b) et PPCM(a;b), puis vérifier la propriété 7.
PGCD(a;b)=22×3×7=84 ; PPCM(a;b)=23×33×72=10584.
Vérification : 84×10584=889056 et 756×1176=889056.
ba=23×3×7222×33×7=2×732=149.
a×b=25×34×73=(22×32×7)2×2×7, donc
a×b=22×32×7×14=25214.
Application 8 : carré parfait
Déterminer le plus petit entier naturel non nul m tel que 540m soit un carré parfait.
Voir la solution
540=22×33×5. Pour que tous les exposants deviennent pairs, il faut multiplier au minimum par 3×5=15.
Donc m=15 et 540×15=8100=902.
À retenir — l’essentiel du chapitre
n pair : n=2k ; n impair : n=2k+1 (k∈N). Le produit de deux entiers consécutifs est pair.
d divise a⟺a est un multiple de d⟺ il existe k∈N tel que a=dk (d=0).
Critères : 2 et 5 (chiffre des unités) ; 3 et 9 (somme des chiffres).
Un nombre premier a exactement deux diviseurs. Test : diviseurs premiers p avec p×p≤a.
PGCD : facteurs communs, plus petits exposants ; PPCM : tous les facteurs, plus grands exposants ;
PGCD(a;b)×PPCM(a;b)=ab.
Série d’exercices
Exercice 1 — Parité Facile★☆☆☆☆
On considère un entier naturel n. Étudier la parité de chacun des nombres suivants :
A=12n+4 ;
B=6n2+10n+3 ;
C=n2+n+10 ;
D=(2n+1)(2n+5) ;
E=n(n+1)(n+5) ;
F=n2+7n+1.
On considère deux entiers pairs a et b tels que a≥b. Montrer que a−b est pair.
Montrer que le produit de deux entiers impairs est impair.
Montrer que la somme d’un entier pair et d’un entier impair est impaire.
On considère un entier naturel n. Montrer que (n+2)(n+7) est pair.
On considère un entier impair a. Montrer que a2 est impair.
On considère un entier naturel a tel que a2 est pair. Montrer que a est pair (on pourra examiner les deux parités possibles de a).
On considère un entier naturel n≥1. Vérifier que n3−n=(n−1)n(n+1), puis montrer que n3−n est pair.
Voir la solution
1) On considère n∈N.
A=12n+4=2(6n+2), avec 6n+2∈N : A est pair.
B=6n2+10n+2+1=2(3n2+5n+1)+1, avec 3n2+5n+1∈N : B est impair.
C=n(n+1)+10. Le produit n(n+1) de deux entiers consécutifs est pair : n(n+1)=2k avec k∈N. Donc C=2(k+5) : C est pair.
2n+1 et 2n+5=2(n+2)+1 sont impairs ; leur produit est impair : D est impair.
(Directement : D=4n2+12n+5=2(2n2+6n+2)+1.)
n(n+1) est pair, donc E=n(n+1)×(n+5) est pair (un facteur pair suffit).
F=n2+n+6n+1=n(n+1)+2×3n+1. Avec n(n+1)=2k (k∈N) : F=2(k+3n)+1 : F est impair.
2)a=2k et b=2k′ avec k,k′∈N. Comme a≥b, on a k≥k′, donc k−k′∈N et a−b=2(k−k′) est pair.
3)a=2k+1 et b=2k′+1 avec k,k′∈N :
ab=4kk′+2k+2k′+1=2(2kk′+k+k′)+1,
avec 2kk′+k+k′∈N : ab est impair.
4)a=2k et b=2k′+1 : a+b=2(k+k′)+1 avec k+k′∈N : a+b est impair.
5) Les entiers n+2 et n+7 diffèrent de 5, donc ils sont de parités contraires (si l’un est pair, l’autre s’obtient en ajoutant l’impair 5, d’après 4)). L’un des deux facteurs est pair, donc le produit (n+2)(n+7) est pair.
6)a=2k+1 avec k∈N : a2=4k2+4k+1=2(2k2+2k)+1 est impair. (C’est aussi le cas particulier b=a de la question 3).)
7) Deux cas seulement sont possibles pour a :
si a est impair, alors a2 est impair d’après 6), ce qui contredit l’hypothèse « a2 pair » ;
il reste donc le cas a pair.
Conclusion : si a2 est pair, alors a est pair.
8) Pour n≥1 : (n−1)n(n+1)=(n−1)(n2+n)=n3+n2−n2−n=n3−n.
Les entiers n et n+1 sont consécutifs, donc n(n+1) est pair ; par suite n3−n=(n−1)×n(n+1) est pair.
Exercice 2 — Multiples Facile★☆☆☆☆
Déterminer les multiples de 7 inférieurs à 80.
On considère un entier naturel n. Montrer que le nombre 3n+2+3n est un multiple de 10.
Déterminer les chiffres c pour lesquels le nombre à quatre chiffres 4c56 est un multiple de 3.
On considère trois entiers naturels a, m et m′ tels que m et m′ sont des multiples de a. Montrer que 5m+2m′ est un multiple de a.
On considère un entier impair a. Montrer que a2+3 est un multiple de 4.
Voir la solution
1) Les multiples de 7 sont les nombres 7k, k∈N. Comme 7×11=77<80<84=7×12, ceux qui sont inférieurs à 80 sont :
2)3n+2+3n=3n×32+3n=3n(9+1)=10×3n, avec 3n∈N : c’est un multiple de 10.
3) La somme des chiffres de 4c56 est 4+c+5+6=15+c. Comme 15 est un multiple de 3, le nombre est un multiple de 3 exactement lorsque c en est un. Avec c∈{0;1;…;9} :
c∈{0;3;6;9}.
Les nombres obtenus sont 4056 ; 4356 ; 4656 ; 4956.
4)m=ka et m′=k′a avec k,k′∈N : 5m+2m′=(5k+2k′)a avec 5k+2k′∈N : c’est un multiple de a.
5)a=2k+1 avec k∈N : a2+3=4k2+4k+4=4(k2+k+1), avec k2+k+1∈N : c’est un multiple de 4.
Exercice 3 — Diviseurs et critères de divisibilité Facile★★☆☆☆
a) Déterminer les diviseurs de 30.
b) Calculer la somme de ces diviseurs et vérifier qu’elle est un multiple de 24.
Le nombre 64215 est-il divisible par 2 ? par 3 ? par 5 ? par 9 ?
Déterminer les entiers naturels compris entre 200 et 260 qui sont divisibles à la fois par 2 et par 9.
On considère un entier naturel n. Montrer que le nombre 5n+1×3n+2 est divisible par 45.
a) Déterminer les diviseurs de 20.
b) On considère deux entiers naturels x et y tels que x≥y. Montrer que x+y et x−y ont la même parité.
c) En déduire les couples d’entiers naturels (x;y) tels que x2−y2=20.
Déterminer le chiffre c pour lequel le nombre 3c75 est divisible par 45.
Déterminer les chiffres u pour lesquels le nombre à quatre chiffres u482 est divisible par 3 mais pas par 9.
a) Vérifier que, pour tout entier naturel x :
(x2+x+1)(x2−x+1)=x4+x2+1.
b) En déduire une écriture de 10101 comme produit de deux entiers naturels supérieurs à 1.
c) En déduire que 108+104+1 n’est pas un nombre premier.
On considère un entier naturel non nul n.
a) Donner huit diviseurs de 6n, exprimés en fonction de n.
b) Donner six diviseurs de 3n2+3n, exprimés en fonction de n.
c) En déduire quatre diviseurs communs à 6n et à 3n2+3n.
Voir la solution
1) a)30=1×30=2×15=3×10=5×6 (4 ne divise pas 30, et on s’arrête car 6×6>30). Les diviseurs de 30 sont 1 ; 2 ; 3 ; 5 ; 6 ; 10 ; 15 ; 30.
b)1+2+3+5+6+10+15+30=72=24×3 : la somme est bien un multiple de 24.
2) Pour 64215 : le chiffre des unités est 5, donc il est divisible par 5 mais pas par 2. La somme des chiffres est 6+4+2+1+5=18, divisible par 9 et par 3 : il est divisible par 3 et par 9 (64215=9×7135).
3) Un entier est divisible par 2 et par 9 si et seulement s’il est divisible par PPCM(2;9)=18. Les multiples de 18 entre 200 et 260 sont :
18×12=216;18×13=234;18×14=252.
4)5n+1×3n+2=5×5n×32×3n=45×(5n×3n)=45×15n, avec 15n∈N : ce nombre est divisible par 45.
5) a)20=1×20=2×10=4×5 : les diviseurs de 20 sont 1 ; 2 ; 4 ; 5 ; 10 ; 20.
b)(x+y)−(x−y)=2y est pair. Si x−y est pair, alors x+y=(x−y)+2y est pair (somme de deux pairs) ; si x−y est impair, alors x+y est impair (somme d’un impair et d’un pair). Donc x+y et x−y ont la même parité.
c)x2−y2=(x−y)(x+y). On cherche x≥y (car x2−y2=20>0) tels que (x−y)(x+y)=20, avec x−y≤x+y.
D’après a), les décompositions possibles sont (x−y;x+y)∈{(1;20);(2;10);(4;5)}. D’après b), les deux facteurs ont la même parité : seul (2;10) convient. On obtient
x−y=2 et x+y=10,d’ouˋx=6 et y=4.
Vérification : 36−16=20. L’unique couple est (6;4).
6)PPCM(5;9)=45 : les multiples communs à 5 et à 9 sont exactement les multiples de 45. Le nombre 3c75 est donc divisible par 45 si et seulement s’il est divisible par 5 et par 9. Il se termine par 5 : il est divisible par 5. La somme des chiffres est 15+c, avec 15≤15+c≤24 ; le seul multiple de 9 dans cet intervalle est 18, d’où c=3.
Vérification : 3375=45×75.
7) Le chiffre u vérifie 1≤u≤9 (nombre à quatre chiffres). La somme des chiffres est u+14, comprise entre 15 et 23.
Divisible par 3 : u+14∈{15;18;21}, soit u∈{1;4;7}.
Divisible par 9 : u+14=18, soit u=4.
Donc u∈{1;7} : les nombres 1482 et 7482 conviennent.
8) a) On développe :
(x2+x+1)(x2−x+1)=x4−x3+x2+x3−x2+x+x2−x+1=x4+x2+1.
b) Avec x=10 : 104+102+1=10101 et (100+10+1)(100−10+1)=111×91. Donc 10101=111×91.
c) Avec x=100 : x4=108 et x2=104, donc
108+104+1=(10000+100+1)(10000−100+1)=10101×9901.
Les deux facteurs sont supérieurs à 1 : ce nombre n’est pas premier.
9) a)6n=1×6n=2×3n=3×2n=6×n : les nombres 1 ; 2 ; 3 ; 6 ; n ; 2n ; 3n ; 6n sont des diviseurs de 6n.
b)3n2+3n=3n(n+1) : les nombres 1 ; 3 ; n ; n+1 ; 3n ; 3(n+1) en sont des diviseurs (on peut aussi citer n(n+1) et 3n(n+1)).
c) Les nombres 1 ; 3 ; n ; 3n figurent dans les deux listes : ce sont des diviseurs communs à 6n et à 3n2+3n. (Ces diviseurs ne sont pas nécessairement distincts : pour n=1 ou n=3, certains coïncident.)
Exercice 4 — PGCD Facile★★☆☆☆
a) Déterminer les diviseurs de 54 et ceux de 90.
b) En déduire PGCD(54;90).
Déterminer les couples d’entiers naturels (a;b), avec a<b, tels que PGCD(a;b)=9 et a+b=90.
b) Diviseurs communs : 1 ; 2 ; 3 ; 6 ; 9 ; 18. Donc PGCD(54;90)=18.
2) On écrit a=9α et b=9β avec α,β∈N∗, α<β et PGCD(α;β)=1. De a+b=90 on tire α+β=10.
(α;β)
(1;9)
(2;8)
(3;7)
(4;6)
PGCD(α;β)
1
2
1
2
On retient (1;9) et (3;7) : les couples cherchés sont (9;81) et (27;63).
Vérification : PGCD(9;81)=9 et PGCD(27;63)=9, avec 9+81=27+63=90.
Exercice 5 — Nombres premiers Facile★★☆☆☆
Déterminer, parmi les nombres suivants, ceux qui sont premiers : 51 ; 221 ; 223 ; 247 ; 289 ; 311 ; 1001.
On considère un entier naturel non nul n.
a) Vérifier que n3+8=(n+2)(n2−2n+4).
b) En déduire que n3+8 n’est pas premier.
Voir la solution
1)
51=3×17 : non premier.
221=13×17 : non premier.
223 : 14×14=196≤223<225=15×15. On teste 2, 3, 5, 7, 11, 13 : 223 est impair, la somme de ses chiffres vaut 7, il ne se termine ni par 0 ni par 5, et 223=7×31+6=11×20+3=13×17+2. Donc 223 est premier.
247=13×19 : non premier.
289=17×17 : non premier.
311 : 17×17=289≤311<324=18×18. On teste 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17 : 311=7×44+3=11×28+3=13×23+12=17×18+5 ; la somme des chiffres vaut 5. Donc 311 est premier.
1001=7×11×13 : non premier.
Les nombres premiers de la liste sont 223 et 311.
2) a)(n+2)(n2−2n+4)=n3−2n2+4n+2n2−4n+8=n3+8.
b) Pour n≥1 : n+2≥3 ; et n2−2n+4=(n−1)2+3≥3. Le nombre n3+8 est donc le produit de deux entiers naturels différents de 1 : il n’est pas premier.
Exercice 6 — Décomposition en facteurs premiers Facile★★☆☆☆
On considère les entiers naturels a=2352 et b=3780.
Décomposer a et b en produits de facteurs premiers.
En déduire PGCD(a;b) et PPCM(a;b).
Écrire ba sous forme irréductible et simplifier a×b.
Déterminer le plus petit entier naturel non nul m tel que m×a soit un carré parfait.
Déterminer le plus petit entier naturel non nul p tel que p×b soit le cube d’un entier naturel.
Voir la solution
1) Par divisions successives :
Quotients de a
2352
1176
588
294
147
49
7
1
Diviseurs premiers
2
2
2
2
3
7
7
Quotients de b
3780
1890
945
315
105
35
7
1
Diviseurs premiers
2
2
3
3
3
5
7
a=24×3×72etb=22×33×5×7.
2)PGCD(a;b)=22×3×7=84.
PPCM(a;b)=24×33×5×72=105840.
Contrôle : 84×105840=8890560=2352×3780.
3)ba=22×33×5×724×3×72=32×522×7=4528, fraction irréductible car PGCD(28;45)=1.
a×b=26×34×5×73=(23×32×7)2×5×7, donc
a×b=23×32×7×35=50435.
4)m×a est un carré parfait lorsque tous les exposants de sa décomposition sont pairs. Dans a=24×31×72, seul l’exposant de 3 est impair : le plus petit m est m=3, et 3a=7056=842.
5)p×b est un cube lorsque tous les exposants sont des multiples de 3. Dans b=22×33×51×71, il manque 21, 52 et 72 :
p=2×52×72=2450,p×b=23×33×53×73=2103.
Exercice 7 — PGCD, PPCM et fractions Facile★★☆☆☆
On considère les entiers naturels a=72×35 et b=63×14.
Décomposer a et b en produits de facteurs premiers.
En déduire PGCD(a;b) et PPCM(a;b).
À l’aide des décompositions de 84 et de 120, écrire les fractions 8411 et 12017 avec le plus petit dénominateur commun possible.
3)84=22×3×7 et 120=23×3×5. Le plus petit dénominateur commun est
PPCM(84;120)=23×3×5×7=840.
Comme 840=84×10=120×7 :
8411=840110et12017=840119.
Exercice 8 — Divisibilité et expression littérale Moyen★★★☆☆
On considère un entier naturel n.
Montrer que n2+7n+21=(n+3)(n+4)+9.
En déduire les valeurs de n pour lesquelles n+3 divise n2+7n+21.
Voir la solution
1)(n+3)(n+4)+9=n2+4n+3n+12+9=n2+7n+21.
2) On pose N=n2+7n+21=(n+3)(n+4)+9.
Si n+3 divise N, comme n+3 divise (n+3)(n+4), il divise la différence N−(n+3)(n+4)=9. Donc n+3∈{1;3;9} ; or n+3≥3, d’où n+3=3 ou n+3=9, soit n=0 ou n=6.
Réciproquement : pour n=0, N=21=3×7 ; pour n=6, N=99=9×11. Les deux valeurs conviennent.
Les valeurs cherchées sont n=0 et n=6.
Exercice 9 — Problème concret Moyen★★★☆☆
Un fleuriste dispose de 378 roses et de 270 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.
Justifier, sans poser de division, que 378 et 270 sont divisibles par 2 et par 9.
Décomposer 378 et 270 en produits de facteurs premiers.
Calculer le nombre maximal de bouquets qu’il peut composer, puis la composition de chaque bouquet.
Voir la solution
1)378 et 270 se terminent par 8 et 0 : ils sont pairs. Les sommes des chiffres sont 3+7+8=18 et 2+7+0=9, divisibles par 9 : ils sont divisibles par 9.
3) Le nombre de bouquets doit diviser 378 et 270 (toutes les fleurs sont utilisées, chaque bouquet est identique). Le nombre maximal est donc
PGCD(378;270)=2×33=54.
Chaque bouquet contient alors 378÷54=7 roses et 270÷54=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.
Montrer que les nombres suivants sont des carrés parfaits : 324 ; 2025 ; 144×225 ; 125×3.
On considère un entier naturel n. Montrer que 9n2+12n+4 est un carré parfait.
a) Le nombre 200 est-il un carré parfait ? Justifier.
b) On considère un entier naturel non nul n. Montrer que n2+n n’est pas un carré parfait.
Voir la solution
1)
324=22×34=(2×32)2=182 ;
2025=34×52=(32×5)2=452 ;
144×225=122×152=(12×15)2=1802 ;
125×3=210×35×3=210×36=(25×33)2=8642.
2)9n2+12n+4=(3n)2+2×3n×2+22=(3n+2)2, avec 3n+2∈N : c’est un carré parfait.
3) a)142=196<200<225=152 : 200 est strictement compris entre les carrés de deux entiers consécutifs, ce n’est pas un carré parfait.
b) Pour n≥1 :
n2<n2+n, car n>0 ;
n2+n<n2+2n+1=(n+1)2, car n<2n+1.
Ainsi n2<n2+n<(n+1)2 : n2+n est strictement compris entre les carrés des entiers consécutifs n et n+1, ce n’est pas un carré parfait.