ebook img

Nombres entiers et rationnels, congruences, permutations [Lecture notes] PDF

57 Pages·2004·0.365 MB·French
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Nombres entiers et rationnels, congruences, permutations [Lecture notes]

NOMBRES ENTIERS ET RATIONNELS, CONGRUENCES, PERMUTATIONS Coursàl’UniversitédeRennes1(2004–2005) Antoine Chambert-Loir AntoineChambert-Loir IRMAR,CampusdeBeaulieu,35042RennesCedex. E-mail:[email protected] Url:http://name.math.univ-rennes1.fr/antoine.chambert-loir Versiondu15décembre2004 TABLE DES MATIÈRES §1. Nombresentiersetprincipederécurrence .................................. 4 Unpeud’histoire,4; Quelquesdémonstrationsparrécurrence,6; Récurrence et la définition des opérations élémentaires, 8; Suitesdéfiniesparrécurrence,9. §2. Combinatoire,probabilités .............................................. 12 Rappels(sic)dethéoriedesensembles,12; Ilesttoujoursbond’avoirdes principes,14; TriangledePascal,16; Probabilités,20. §3. Divisioneuclidienne .................................................... 24 Un peu de terminologie algébrique, 24; Le théorème de la division euclidienne,25; Numération, 26; Divisibilité, 28; Plus grand diviseur commun,algorithmed’Euclide,31. §4. Nombrespremiers ...................................................... 36 Cribled’Ératosthène,36; Factorisation,38; Combienya-t-ildenombres premiers?,40; LethéorèmedeTchebychevetlepostulatdeBertrand,41; PetitthéorèmedeFermat,42. §5. Congruences ............................................................ 44 Théorèmechinois,44; Indicateurd’Euler,cryptographieRSA,45; Appendice:l’anneauZ/nZ,49. §6. Permutations ............................................................ 52 Le groupe des permutations d’un ensemble à n éléments, 52; Transpositions;unalgorithmedetri,53; Signature;lejeudetaquin,54; Orbites,ordred’unepermutation,55. 4 TABLEDESMATIÈRES §1. Nombresentiersetprincipederécurrence A. Unpeud’histoire LeopoldKronecker,unmathématicienallemandduXIXe siècleaditunjour:«Dieu a inventé les nombres entiers, le reste est l’œuvre de l’homme». L’arithmétique, la sciencequiétudielespropriétésdesnombresentiers,afascinéleshumainsprobable- mentdepuislanuitdestemps.Ontrouveentoutcasdestextesd’arithmétiqueparmi lestoutpremierstextesécritsquinousrestent(laplusanciennetablettedontondis- poseestunereconnaissancededettes). Parmi les propriétés des nombres entiers que nous allons étudier figurent des ré- sultats très anciens : l’existence d’une infinité de nombres premiers est un théorème d’Euclide, un mathématicien grec qui vivait au IVe siècle avant Jésus-Christ. Certains problèmesremontentàArchimède(lesbœufsdusoleilparexemple). Pourtant,lanécessitéd’unedéfinitiondesnombresentiersn’estapparuequ’auXIXe siècle qui fut un moment de bouleversement théorique en mathématique. C’est à ce moment que les mathématiciens commencèrent à ressentir fermement le besoin de définirplusprécisémentl’objetdeleurscience,faisantenparticulierclairementladis- tinctionentreaxiomes,définitions,théorèmes,...Lesmathématiciensdurentaussiré- soudreleproblèmedel’infini:qu’est-cequ’unensemble«infini»?Lapossibilitéd’ap- préhendermathématiquementl’infinifutd’ailleurslesujetd’unecontroversethéolo- gique—seulDieuestinfini.Pire,GeorgCantordécouvritqu’ilexistaitdesinfinisplus grands que d’autres et, en un sens, l’ensemble des entiers est le plus petit ensemble infini. C’estaussiqu’àlatoutefindu XIXe sièclequeRichardDedekind,puisquelquesan- néesplustard,GiuseppePeano,énoncèrentdesaxiomesquipermettentdecaractéri- serl’ensembledesnombresentiers.Dupointdevuepratique,cesaxiomessontdonc les«briquesdebase»quelemathématicienpeutassemblerpourdémontrerunepro- priétéliéeauxnombresentiers.Voicilesquatrepremiersaxiomes,souslaprésentation dePeano(sicen’estquePeanofaisaitdébuterl’ensembledesentiersà1). a) zéro(0)estunentier; b) toutentieraunsuccesseur; c) toutentierautrequezéroestlesuccesseurd’unentier; d) sideuxentiersontmêmesuccesseur,ilssontégaux. Dupointdevuedesentiersquevousconnaissez,lesuccesseurd’unentiern n’estrien d’autrequel’entiern+1.Siunentiernn’estpaségalà0,ilvérifien>1etl’entier(n−1) estleseulentierquiaitn poursuccesseur. Ledernieraxiomeestleprincipederécurrence: e) Soit Aunensembled’entiers.Supposonsque Acontienne0etquesiunentiern appartientà A,sonsuccesseurappartienneà A.Alors Aestl’ensembledetouslesen- tiers. L’aspect remarquable de cet axiome est qu’il permet de démontrer une infinité de théorèmesenuntempsfini.Supposonsparexemplequel’ondoivedémontrerqu’une A.UNPEUD’HISTOIRE 5 P certainepropriété (n)quidépendd’unentiern estvraiepourtoutentier.Enappli- P quant le principe de récurrence à l’ensemble des entiers n tels que (n) soit vérifié, onpeutdémontrerlerésultatvouludelafaçonsuivante: – ondémontrelapropriétéP pourn=0(initialisation); P – ondémontrequesilapropriété (n)estvérifiée(hypothèsederécurrence),alors P(n+1)estencorevraie. P Le principe de récurrence entraîne que la propriété est vérifiée pour tout entier. Sanslui,ondevraitcommencerparlecasn=0,puisn=1,puisn=2,etc.,etmêmeà la7egénération,vos«successeurs»n’enseronttoujourspasvenuàbout!Pascal(XVIIe siècle)avaitdéjàutiliséleprincipederécurrence,maisilrevientbienàPeanodel’avoir dégagéentantqu’axiomequicaractériselesnombresentiers. Ilyaunevarianteimportanteduprincipederécurrencequis’énoncecommesuit: toutepartienonvidedel’ensembledesentierspossèdeunpluspetitélément.Entermes mathématiques, pour toute partie non vide A de N, il existe un entier a ∈ A tel que toutentiern∈Avérifien>a.Pourl’établir,nousallonsdémontrerlapropriétéP(n) suivante:si AestunepartiedeNtelquen∈A,alors Apossèdeunpluspetitélément. P Lapropriété (0)signifie:si AestunepartiedeNcontenant0,alors Apossèdeun pluspetitélément.Elleestvraie,cepluspetitélémentestprécisément0. SupposonsqueP(n)soitvraieetdémontronsP(n+1).Soit A unepartiedeNtel quen+1∈A.Sin+1estlepluspetitélémentde A,onaterminé;sinon,ilexistea∈A telquea<n+1,donca6n.PosonsB=A∪{n}.Onan∈B;parrécurrence,B admet unpluspetitélémentb.Cetélémentestnécessairementinférieurouégalàa cara∈A et A ⊂B, et inférieur ou égal à n, car n ∈B. Si b = n, alors n 6 a 6 n, d’où n = a, ce qui montre que b ∈ A; sinon, b < n et b ∈ A aussi. Alors, pour tout élément m de A, ona b 6m,car m ∈B.Celamontreque A possèdeunpluspetitélémentetachèvela démonstrationparrécurrence. Inversement, on peut déduire le principe de récurrence de cette variante (et des quatre premiers axiomes). Soit en effet A une partie de N qui contient 0 et qui, si elle contientunélément,contientsonsuccesseur.Montronsque A=N.SoitB lecomplé- mentairede AdansN,c’est-à-direl’ensembledesentiersquin’appartiennentpasà A. On veut montrer que B est vide. Raisonnons par l’absurde. Sinon, B possède un plus petitélémentb.Comme0∈A,06∈B,d’oùb6=0.Parsuite,b estlesuccesseurd’unélé- ment a deN.Si a ∈ A,alors b =s(a)∈ A,cequiestfaux;maissi a ∈B,onal’inégalité a<b quicontreditl’hypothèsequeb estlepluspetitélémentdeB. Ilresteencoreunetâcheaumathématicienconsciencieux:démontrerqu’il«existe» unensembleaveccespropriétés:lesentiersdeM.ToutleMondelesvérifienteffecti- vement,maisilsneformentpasunensembleassezbiendéfinipourlemathématicien. Nous laisserons ce problème de côté dans la suite de ce cours et feront comme si les entiersnaïfsétaientunobjetmathématiqueobéissantauxaxiomesdePeano. 6 §1.NOMBRESENTIERSETPRINCIPEDERÉCURRENCE B. Quelquesdémonstrationsparrécurrence Sivousdevezacheterunemaisonouunbienassezcher,vousdevrezprobablement emprunter la somme correspondante à une banque. La banque avance alors l’argent et, chaque mois, vous devrez payer une somme fixée (la «mensualité»). Votre capital restantdûdiminued’autant,aprèsavoirétémajorédesintérêtssurlasommerestant due.Intéressons-nousauxintérêts.Lalittératurebancairefaitengénéralmentiond’un taux annuel — pour un prêt immobilier, il est en ce moment l’ordre de 4,5% par an. Mais comme vous remboursez chaque mois, vos intérêts sont aussi calculés chaque mois et le banquierdoit utiliser un taux mensuel. On imaginerait a priori quecetaux mensuelestcalculédesortequelesintérêtsd’unan(enl’absencederemboursement) correspondentautauxannuel. Pour être plus clair, posons quelques équations. Appelons τ le taux annuel et τ a m le taux mensuel. En gros, τ = 4,5/100 = 0,045. Si le capital dû au 1er janvier est C, a les intérêts accumulés en un an seront de τ ×C, d’où un capital dû au 31 décembre a de(1+τ )C.Calculonsmensuellement.Au1er février,lesintérêtsaccumuléss’élèvent a à τ C, d’où un capital dû de (1+τ )C. Un mois plus tard, le capital dû est multiplié m m par (1+τ ), donc il vaut (1+τ )2C, et finalement, au bout d’un an, le capital dû est m m de (1+τ )12C. (Au passage, on a omis le raisonnement par récurrence qui calcule le m terme général d’une suite géométrique...) Si le taux mensuel et le taux annuel se cor- respondent,onarriveàl’équation 1+τ =(1+τ )12. a m Pourtant, ce n’est pas ce qui se passe : les banquiers utilisent systématiquement la formule τ =12τ . a m Précisément,siτ estletauxmensueleffectivement,lesprospectusaffichentcomme m tauxannuellavaleur12τ .Seposealorslaquestion:est-cepareil?Biensûr,cen’est m paspareilet,siτ >0(cequiestlecas!),onal’inégalité m (1+τ )12>1+12τ . m m Autrement dit, le taux annuel que vous payez est plus élevé que celui que la banque vousannonce.Maisc’estcommeça,ilsemblequelaréglementationofficielleenma- tièredecréditlepermette... Dansl’inégalitéprécédente,lenombre12n’arienàvoiretnousallonsmontrerque pourtoutentiern>2ettoutnombreréelx>0,ona(1+x)n>1+nx.Sin=2, (1+x)2=1+2x+x2>1+2x. carx2>0.Supposonsalorsquel’inégalitéestvraiepournetcalculons(1+x)n+1.Ona d’abord (1+x)n+1=(1+x)n(1+x) pardéfinitiondespuissances.Enmultipliantl’inégalitépour n (l’hypothèsederécur- rence)parlenombreréel(1+x)quieststrictementpositif,onobtient (1+x)n(1+x)>(1+nx)(1+x)=(1+nx)+(1+nx)x=1+(n+1)x+nx2, B.QUELQUESDÉMONSTRATIONSPARRÉCURRENCE 7 d’où (1+x)n+1>1+(n+1)x+nx2>1+(n+1)x puisquenx2>0.Celadémontrel’hypothèsepourn+1etl’inégalitéestvraiepourtout entiern. Exercices. — 1)Ondisposed’unstockillimitédepiècesde3€etde5€.Quelssontlesmontants quel’onpeutpayer? > 2)Sinestunentier 1etxunréeldans[0,1],montrerl’inégalité nx 1−nx6(1−x)n61− . 1+(n−1)x 3)Soit(x )unesuitederéelsdans]0,1[.OnposeS =x +···+x .Montrerl’inégalité n n 1 n 1 1−S <(1−x )(1−x )...(1−x )< . n 1 2 n 1+S n 4) a) Montrerquepourtoutentiern>4,ona2n<n!. b) DéterminerunentierAtelquepourtoutn>A,onait3n<n!. 5) a) Montrerquepourtoutentiern,4n+5estunmultiplede3. b) Montrerquesi10n+7estmultiplede9,10n+1+7l’estaussi.Quepeut-onendéduire? 6) a) Montrerparrécurrencesurnlesformules n(n+1) n(n+1)(2n+1) 1+2+···+n= et 12+22+···+n2= . 2 6 b) Quevaut,sinestimpair,lasomme1+3+5+···+n? c) Montrerparrécurrencequepourtoutentiernatureln,ona Xn n(n+1) (−1)kk2=(−1)n . 2 k=0 7) a) Déterminerdeuxnombresréelsaetbtelsquel’onait,pourtoutnombreréelx>0, 1 a b = + . x(x+1) x x+1 > b) Montrerparrécurrencequepourtoutentiernatureln 1,ona Xn 1 1 =1− . k(k+1) n+1 k=1 n n 8)Montrerquepourtoutentiern>1,ona Y(4k−2)=Y(n+k). k=1 p k=1 9) a) Sixety sontdeuxréelspositifs,montrerque xy6(x+y)/2. b) Montrerparrécurrencesurnquesix1,...,x2n sontdesréelspositifs, (x1···x2n)1/2n 6(x1+···+x2n)/2n. > c) SoitN 2etsoitx ,...,x desréels.Démontrerque 1 N (x ···x )1/N6(x +···+x )/N 1 N 1 N (inégalitéentremoyennearithmétiqueetmoyennegéométrique).Pourcela,choisirunentiern telqueN62n;poser,pourN6k62n,x =(x +···+x )/N;appliquerlaquestionprécédente. k 1 N 10) a) Peut-onpaverunéchiquierprivédedeuxcasesdiagonalementopposéespardesdo- minos(chacunrecouvrantexactementdeuxcases). 8 §1.NOMBRESENTIERSETPRINCIPEDERÉCURRENCE b) Démontrerquel’onpeutpaverunéchiquier8×8pardestriominosenformedeL(re- couvranttroiscases)desorteàlaisservideunecasequelconqueprescriteàl’avance.(Rempla- cer8par2n,etfaireunerécurrence...) c) QuelsrectanglessontpavablespardestriominosenformedeL?(Laréponsegénérale n’estsemble-t-ilpasconnue...) 11*)Ontracendroitesdansleplan;onsupposequedeuxd’entreellesnesontpasparallèles etquetroisd’entreellesnesontpasconcourantes. a) Quelleestlenombrederégionsduplanqu’ellesdélimitent?Combiend’entreellessont bornées?(Une(n+1)-ièmedroitecoupechacunedes n premièresen n pointsdistincts;elle traverse(n+1)régionsenlesdivisanten2.Lesquellessontbornées?) b) Quelestlenombremaximaldepartsd’ungâteaucirculairequel’onpeutobtenirenn coupsdecouteau? 12)Nousallonsdémontrerparrécurrencesurnquesi,dansunesalledenpersonnes,ilyaau moinsunefille,alorsiln’yaquedesfilles.NotonsP(n)cetteproposition. Elleestvraiepourn=1. Supposons qu’elle soit vraie pour n, c’est-à-dire supposons que lorsqu’une salle contient n personnes dont au moins une fille, alors il n’y a que des filles; montrons qu’elle est vraie pour n+1. Considérons donc une salle contenant n+1 personnes dont au moins une fille; appelons-laChantal.FaisonssortirunepersonneautrequeChantal,disons,Vincent.Lasalle contientnpersonnes,dontunefille,Chantal.Parl’hypothèsederécurrence,ilyadoncnfilles danslasalle.OnfaitalorsentrerVincent,etondemandeàChantaldesortir.Danslasalleilya npersonnesdontn−1filles.Enappliquantànouveaul’hypothèsederécurrence,onendéduit quelasallenecontientquedesfilles.OnfaitalorsrentrerChantal;lasallenecontientquedes filles. Chercherl’erreur! 13)LejeudestoursdeHanoïestconstituéden disquesderayonsdistinctsetdetroispiquets pouvant les accueillir. On ne peut poser un disque que sur un disque plus grand. Au début, les disques sont empilés du plus grand au plus petit sur un des piquets; le but du jeu est de déplacerl’ensemblesurundesdeuxautrespiquets.Montrerquec’esteffectivementpossible en2n−1étapes,maispasenmoins. C. Récurrenceetladéfinitiondesopérationsélémentaires Leprincipederécurrencepermetaussidedéfinir desobjetsdépendantd’unentier. Ainsi,quelquesannéesavantquePeanon’énoncesesaxiomes,Grassmannavaitdéfini les opérations arithmétiques à l’aide de l’opération x 7→ x+1 et d’un raisonnement par récurrence. Expliquons comment procéder et comment démontrer les propriétés élémentairesdel’additionetdelamultiplication. Toutd’abord,onnote1lesuccesseurde0,2lesuccesseurde1,3celuide2,etc.On noteraaussis(n)lesuccesseurd’unentiern;pourlesentiersnaïfs,celacorrespondà ajouter1. Si m et n sont deux entiers, on veut définir l’entier m+n, ce qu’on va faire par ré- currence sur n. Si n = 0, on pose m+0 = m. Si n est un entier différent de 0, n est le successeur d’un entier n0; l’entier m+n0 a été défini par récurrence et on pose m+n = s(m+n0). En termes naïfs, n0 = n−1 et la formule précédente signifie que m+n=m+(n0+1)=(m+n0)+1.Celadéfinitl’additiondedeuxentiersarbitraires. D.SUITESDÉFINIESPARRÉCURRENCE 9 Montronsmaintenantquel’additionestcommutative,c’est-à-direquem+n=n+ m.NotonsP(n)lapropriété:pourtoutentierm,m+n=n+m. LapropriétéP(0)s’écrit:pourtoutentier m,ona m+0=0+m,et m+0=m par définition.Nousallonsdoncdémontrerparrécurrencesurmque0+m=mpourtout entierm.Pourm=0,ondoitdémontrer0=0+0,cequiestvrai.Supposonsalorsque m =0+m; on a alors 0+s(m)=s(0+m) par construction. Par l’hypothèse de récur- rence,0+m=m,donc0+s(m)=s(m),cequimontrelapropriétépourlesuccesseur P dem.Parrécurrence,lapropriété (0)estdoncvraie. P Supposonsque (n)soitvérifiéeetmontronsquelapropriétéestencorevraiepour lesuccesseurden.Simestunentier,soitQ(m)lapropriétém+s(n)=s(n)+m;nous allonsencoreladémontrerparrécurrence!Si m =0,ona0+s(n)=s(n)+0carP(0) Q estvraie.Silapropriété (m)estvraie,alors s(m)+s(n)=s(s(m)+n) pardéfinitiondes(m)+s(n) =s(n+s(m)) carP(n)estvraie =s(s(n+m)) pardéfinitionden+s(m) =s(s(m+n)) carP(n)estvraie =s(m+s(n)) pardéfinitiondem+s(n) =s(s(n)+m) carQ(m)estvraie =s(n)+s(m) pardéfinitiondes(n)+s(m). Q Ainsi, la propriété (s(m)) est vraie. Par récurrence, elle est donc vraie pour tout en- P tierm,cequidémontrelapropriété (s(n)). P Parrécurrence,lapropriété estvraiepourtoutentier. Ilfaudraitmaintenantdémontrerl’associativitédel’addition,c’est-à-direquesi m, n,p sontdesentiers,ona(m+n)+p=m+(n+p). Pour construire la multiplication, on utilise le fait que pour multiplier m par n, on doiteffectuerl’additionn+n+···+n,mfois.Posonsainsi,pourtoutentiern,1×n=n. Sim×n estdéfini,ondéfinitalorss(m)×n parlaformule s(m)×n=(m×n)+n. Ondémontrealorsparrécurrencequem×n=n×m,que(m×n)×p=m×(n×p),etc. Exercices. — 1)Démontrerl’associativitédel’addition,lacommutativitéetl’associativitédela multiplication. D. Suitesdéfiniesparrécurrence Cesontlessuites(denombresentiers,réels,depoints,defonctions,...)dontchaque termeestdéfinienfonctionduprécédent,voiredesdeuxprécédents,...Lessuitesarith- métiques,définiesparunerelationdelaformeun+1=un+a,ensontunexemple.On démontreparrécurrencequeu =u +na pourtoutentiern. n 0 De même, les suites géométriques sont définies par une relation un+1 = aun. Le nombrea estappeléraison.etl’onau =anu pourtoutentiern. n 0 10 §1.NOMBRESENTIERSETPRINCIPEDERÉCURRENCE Revenons au problème des prêts bancaires. La question, connaissant le taux men- suelτ ,lecapitalempruntéC etlenombredemensualitésN,estdecalculerlemon- m tant M de la mensualité. Ou à l’inverse, connaissant le taux mensuel, le capital dont vousavezbesoinetlamensualitéquevouspouvezpayer,decalculerlenombred’an- néespendantlesquellesvousdevrezrembourservotreprêt. OnposeC =C et,plusgénéralement,onnoteC lecapitalrestantdûauboutden 0 n mois. Au bout de chaque mois, la banque vous considère comme débiteur des inté- rêts mensuels sur le capital dû au début du mois mais vous crédite du montant de la mensualité,sibienquelecapitalrestantdûaumois(n+1)vérifielarelation Cn+1=Cn+τmCn−M=(1+τm)Cn−M. Lasuite(C )estdoncunmélanged’unesuitearithmétiqueetd’unesuitegéométrique. n Il y a une astuce pour ramener cette suite à une suite géométrique. Cherchons un réel Atelque Cn+1−A=(1+τm)(Cn−A) Enidentifiantlesdeuxrelations,onobtient Aτ =M. m Lasuite(C −A)estunesuitegéométriquedepremierterme(C −A)etderaison(1+ n 0 τ ).Onaainsi,pourtoutentiern, m C −A=(1+τ )n(C −A), n m 0 d’oùlaformule (1+τ )n−1 C =(1+τ )nC − m M. n m 0 τ m Si tout le capital est remboursé en N mois, on a C = 0 et cette formule permet de N déterminer la mensualité M. Inversement, si M est fixée, on peut trouver n tel que C =0;àmoinsd’unecoïncidencepeuprobable,onn’obtiendrapasunnombreentier n maisunnombreréeldelaformeN+x avec06x<1.Celasignifiequ’onremboursera lamensualitéfixéependantN mois,etqueladernièremensualitéseraplusfaible. Exercices. — 1)Onconsidèreunesuitearithmétique(u )depremiertermeu etderaisona n 0 etonposeU =u +···+u =Pn u .MontrerqueU =(n+1)(u +1an). n 0 n k=0 k n 0 2 2)Onconsidèreunesuitegéométrique(v )depremiertermeu etderaisona etonposeen- n 0 coreU =u +···+u .Onsupposeque a 6=1;montreralorsqueU =u an+1−1.QuevautU n 0 n n 0 a−1 n danslecasoùa=1? 3)Unrécipientcontient1dm3 deriz,chaquegrainfaisant1mm3.Ondisposeungrainderiz sur la première case d’un échiquier, deux sur la deuxième, quatre sur la suivante, et ainsi de suite,endoublantàchaquefoislenombredegrains.Combiendecasesdel’échiquierseront remplieslorsquelepotderiznecontiendraplusassezdegrains?Combienenreste-t-ildansle pot? 4)Lasuite(un)estdéfinieparu1=1/2etun=un−1/(2nun−1+1),sin>2.Calculeru1+···+un pour tout entier n. (Commencez par calculer explicitement cette somme pour de petites va- leurs de n, conjecturez alors une formule générale que vous démontrerez ensuite par récur- rence.)

See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.