From: Jean-François Couchot Date: Fri, 22 Feb 2013 16:11:03 +0000 (+0100) Subject: modif de arithmétique X-Git-Url: https://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/and/gitweb/cours-maths-dis.git/commitdiff_plain/53d3f77238e8e3cb2ff74399bf23d74402d3550a modif de arithmétique --- diff --git a/arithmetique/entiersNaturels.tex b/arithmetique/entiersNaturels.tex index babbac9..0860dba 100755 --- a/arithmetique/entiersNaturels.tex +++ b/arithmetique/entiersNaturels.tex @@ -1,126 +1,32 @@ +\section{Principe de récurrence } - - -\section{Nombres entiers naturels ($\N$)} - -\subsection{Définition de $\N$} - -\subsubsection{Définition} - -\begin{Def}[Ensemble des entiers naturels] -On appelle \emph{ensemble des nombres entiers naturels}\index{entiers naturels} $\N$ tout ensemble possédant les propriétés suivantes +Pour démontrer par \emp{récurrence} +\index{récurrence!restreinte} +qu'une propriété $P(n)$ est vraie quel que soit l'entier $n \ge n_0$, +on procède en deux étapes: \begin{enumerate} -\item Il existe une injection de $\N$ dans $\N$. - -Cette injection, appelée \emph{fonction de succession}\index{fonction!de succession}, sera notée $s$ dans la suite. - -L'image d'un entier $n$ par la fonction de succession $s$, soit $s(n)$, est appelée \emph{successeur} \index{successeur} de $n$.\\ - -\item Il existe un élément de $\N$ qui n'est le successeur d'aucun élément de $\N$. - -Cet élément est appelé \og \emph{zéro}\fg{}\index{zéro} et noté 0 dans la suite. - -\item Le \og \emph{Principe de récurrence} \fg{} \index{principe de récurrence} \index{récurrence} est satisfait : - -Soit $M$ la partie de $\N$ constituée par les entiers qui possèdent une certaine propriété $p$. On note \og $p(n)$\fg{} le fait que l'entier $n$ possède la propriété $p$. - -\begin{Th}[Principe de récurrence] -Il s'énonce ainsi : \og Si $M$ contient 0 et le successeur de chacun de ses éléments, alors $M=\N$.\fg{} -\end{Th} - - -Sous forme formalisée... - -Soit $M=\{n\in\N \mid p(n)\}$; si $0\in M$ et si $[n \in M \Imp s(n) \in M]$, alors $M=\N$. -\end{enumerate} -\end{Def} - - - -\begin{Rem} - $M=\N$ signifie évidemment que la propriété est -possédée par tous les entiers naturels. C'est, en général, la conclusion attendue d'un \og raisonnement par récurrence\fg{} -\end{Rem} - - -\subsubsection{Sur la récurrence} - -Il existe une version \og affaiblie\fg{} du principe de récurrence : la récurrence restreinte, qui permet de s'assurer qu'une propriété est vraie à partir d'un certain rang... - - -\begin{Th}[Récurrence restreinte] -\index{récurrence!restreinte} -Soit $M=\{n\in\N \mid p(n)\}$. - -Si $p\in M$ et si, $[n \in M \Imp s(n) \in M]$, alors $M$ est de la forme $\{p,p+1,p+2,\ldots\}$. -\end{Th} - - -Il existe encore une version \og renforcée\fg{} : la récurrence généralisée, qui permet de \og supposer la -propriété vraie jusqu'à l'ordre $n$\fg{}... - - -\begin{Th}[Récurrence généralisée] -\index{récurrence!généralisée} - Soit $M=\{n\in\N \mid p(n)\}$. - -Si, $\qqs p \in M$, $\{0,1,2,\ldots,p\} \sse M$ et si $s(p)\in M$, alors $M=\N$. -\end{Th} - -\begin{Proof} - Elle se démontre à partir de la récurrence \og normale\fg{}. -\end{Proof} - - -\begin{Rem} -La récurrence généralisée permet d'éviter un double raisonnement par récurrence. -\end{Rem} - -\bigskip - -\noindent Manière correcte de rédiger un raisonnement par récurrence : - +\item on vérifie que $P(n_0)$ est vraie; +\item\label{itm:2} on suppose que $P(n)$ est vraie pour un certain entier $n \ge n_0$, + c'est l'hypothèse de récurrence, et on démontre que $P(n+1)$ est vraie. +\end{enumerate} +Le \emph{principe de récurrence} dit alors que $P(n)$ est vraie quel que soit +l'entier $n \ge n_0$. Une variante consiste à remplacer l'étape~\ref{itm:2} par \begin{enumerate} - \item Soit $M$ l'ensemble des entiers naturels qui vérifient ... (mettre ici l'énoncé de la propriété que l'on cherche à démontrer) - -\item Initialisation de la récurrence : vérifier que 0 est élément de $M$ (\og la propriété est vraie pour $n=0$\fg{}) - -\item Caractère héréditaire de la propriété : soit $n$ un élément de $M$ (cela a un sens, puisque l'on sait maintenant que $M$ n'est pas vide : il contient au moins 0), vérifions que $s(n)$ est encore élément de $M$ (\og la propriété est vraie pour $n+1$\fg{}) +\item[2 bis.] on suppose que $P(k)$ est vraie pour tout $k$ compris entre +$n_0$ et $n$, et on démontre que $P(n+1)$ est vraie. \end{enumerate} - -\bigskip - -\begin{Rem} -Toute phrase, telle que celles que l'on peut souvent lire, de la forme \og supposons la propriété vraie pour $n$\fg{} devrait immédiatement appeler la question : qu'est-ce que c'est que $n$ ? - -\begin{itemize} -\setlength{\labelwidth}{100pt} - \item Si $n$ est \og un entier quelconque\fg{} , alors vous supposez la propriété vraie pour un entier quelconque, et il ne vous reste plus grand chose à démontrer.... - -\item Si $n$ est un entier fixé, mettons 47, alors vous allez démontrer la propriété pour 48, et il vous restera pas mal de chemin à faire\ldots -\end{itemize} - -Non, ce que vous supposez, ce n'est pas que la propriété est vraie (pour quoi que ce soit), mais que $n$ est un entier pour lequel la propriété est vérifiée (cet entier étant évidemment quelconque parmi ceux pour lesquels la propriété est vérifiée), ce n'est pas du tout la même chose. -\end{Rem} +Ceci se déduit du fait que $\Nat$ est un ensemble complètement ordonné. -\subsubsection{Exercices} - -\paragraph{Une première récurrence} - \begin{Exo} \begin{enumerate} \item Calculez 1, 1+3, 1+3+5, et 1+3+5+7. \item A quoi $1+3+5+7+...+(2n-1)+(2n+1)$ semble-t-il être égal (en fonction de $n$) ? -\item Démontrer que l'on a effectivement l'égalité +\item Démontrer par récurrence que l'on a effectivement l'égalité \end{enumerate} \end{Exo} -\paragraph{Somme d'entiers élevés à une puissance donnée} - -On montre, dans ce qui suit, une application de la technique de récurrence, pour calculer $S_k(n) = 1^k+2^k+...+n^k, \forall k,n \in \N$ (d'autres techniques, plus efficaces, existent). - \begin{Exo} On souhaite calculer $S_1(n) = 1+2+...+n$. \begin{enumerate} @@ -157,9 +63,6 @@ Poursuivre le raisonnement pour $S_3(n)$. Cette méthode permet-elle de calculer \end{Exo} -\paragraph{Autres exercices sur la récurrence} - - \begin{Exo} Montrer que $\forall n \in \N$, 7 divise $3^{2n+1}+2^{n+2}$. \end{Exo} @@ -176,34 +79,14 @@ Montrer que $\forall m,n \in \N^*, \forall r \in \N, m^{2r+1}+n^{2r+1}$ est divi \end{Exo} -\subsection{Opérations et relation d'ordre dans $\N$} -On suppose ici connues les opérations et la relation d'ordre classiques qui existent dans $\N$ : addition, multiplication, relation d'inégalité au sens large. - -Ces éléments peuvent être définis rigoureusement, et toutes les propriétés démontrées par récurrence. - -\begin{Ex} -Par exemple, on peut définir la relation $p\leqslant n$ par $\exi q\in\N,\ n=p+q$. -\end{Ex} - -\begin{Th} -Les opérations précédentes ont pour propriétés : -\begin{itemize} -\item l'addition est commutative, associative, il existe un élément neutre (0), -\item la multiplication est commutative, associative et admet aussi un élément neutre (1), -\item la multiplication est distributive sur l'addition, -\item les entiers sont totalement ordonnés par l'inégalité, et cette relation d'ordre est compatible avec l'addition et avec la multiplication. -\end{itemize} -\end{Th} - - -\subsection{Nombres premiers} - -\subsubsection{Définitions} +\section{Nombres premiers} \begin{Def}[Multiple, diviseur] -Si un entier $n$ peut s'écrire sous la forme $n=pq$, où $p$ et $q$ sont des entiers, on dit que $n$ est un \emph{multiple} \index{multiple} de $p$ et que $p$ est un \emph{diviseur}\index{diviseur} de $n$. +Si un entier $n$ peut s'écrire sous la forme $n=pq$, où $p$ +et $q$ sont des entiers, on dit que $n$ est un \emph{multiple} \index{multiple} +de $p$ et que $p$ est un \emph{diviseur}\index{diviseur} de $n$. \end{Def} @@ -211,7 +94,7 @@ Si un entier $n$ peut s'écrire sous la forme $n=pq$, où $p$ et $q$ sont des en Soit $m = 2^3 * 5 * 7^2 * 13^3$. Combien le nombre $m$ a-t-il de diviseurs naturels ? \end{Exo} -\noindent Réponse : (3+1)*(1+1)*(2+1)*(3+1)=96. +%\noindent Réponse : (3+1)*(1+1)*(2+1)*(3+1)=96. \begin{Def}[Nombre premier] Un \emph{nombre premier}\index{nombre!premier} est un nombre entier strictement supérieur à 1 qui n'est divisible que par 1 et par lui-même. @@ -233,7 +116,7 @@ Il existe une infinité de nombres premiers. -\subsubsection{Décomposition en facteurs premiers} +\subsection{Décomposition en facteurs premiers} \begin{Def}[Décomposition en facteurs premiers] L'écriture d'un entier $n$ sous la forme $n=a^{\alpha}b^{\beta}c^{\gamma}\ldots$, où $a\vir b\vir c\vir\ldots$ sont les diviseurs premiers distincts de $n$ et où les exposants $\alpha\vir\beta\vir\gamma\vir\ldots$ sont tels que, par exemple, $n$ est divisible par $a^{\alpha}$ mais pas par $a^{\alpha+1}$ s'appelle la \emph{décomposition en facteurs premiers} \index{décomposition en facteurs premiers} de $n$. @@ -256,6 +139,42 @@ La décomposition d'un entier en ses facteurs premiers est unique. + +\subsection{Relation de divisibilité} + +Dans le chapitre sur les relations entre ensembles, +on a vu la relation binaire de \og divisibilité\fg{} définie dans $\Net$. +Cette relation est une relation d'ordre partielle: +il existe des paires d'entiers non comparables par cette relation. + +\begin{Ex} +3 ne divise pas 7 et 7 ne divise pas 3. +Ces deux entiers ne sont donc pas comparables du point de vue de la divisibilité. +\end{Ex} + +Cet ordre n'est donc que partiel, mais il existe, pour chaque +couple d'entiers distincts, une borne inférieure et une borne supérieure. +Cette relation engendre donc un treillis. + + +\begin{Def}[PGCD, PPCM] +Tout ensemble fini de nombres entiers strictement positifs admet une borne sup et une borne inf pour la relation de divisibilité. + +Cette borne inférieure et cette borne supérieure sont respectivement appelées \emph{plus grand commun diviseur}\index{plus grand commun diviseur} \index{PGCD} et \emph{plus petit commun multiple} \index{PPCM} \index{plus petit commun multiple} de ces deux entiers. +\end{Def} + +\begin{Notation} +Ils sont respectivement notés $a\et b$ et $a\ou b$. +\end{Notation} + + +\begin{Def} +Deux nombres entiers strictement positifs $a$ et $b$ sont dits \emph{premiers entre eux} lorsque $a\et b=1$. +\end{Def} + + + + \begin{Exo}[Nombres de Fermat] On appelle nombres de Fermat les nombres de la forme $2^{2^p}+1$. \begin{enumerate} @@ -272,36 +191,93 @@ On appelle nombres de Fermat les nombres de la forme $2^{2^p}+1$. \end{Exo} -\subsection{Relation de divisibilité} -On a vu dans le chapitre sur les relations entre ensembles la relation binaire de divisibilité définie dans $\Net$. +\section{Algorithmes d'Euclide et applications} + +\subsection{PGCD de deux entiers} -Cette relation est une relation d'ordre partiel : il existe des paires d'entiers non comparables par cette relation. +On a vu plus haut la justification de l'existence du PGCD de deux nombres strictement positifs par comparaison de leurs décompositions en facteurs premiers.\\ -\begin{Ex} -3 ne divise pas 7 et 7 ne divise pas 3. -Ces deux entiers ne sont donc pas comparables du point de vue de la divisibilité. -\end{Ex} +Par définition, le PGCD de $a$ non nul avec 0 est $a$ (défintion raisonnable, car 0 est divisible par tout entier non nul, donc par $a$, qui l'est aussi par $a$) et enfin le PGCD de 0 et de 0 n'est pas +défini. -Cet ordre n'est donc que partiel, mais il existe, pour chaque couple d'entiers distincts, une borne inférieure et une borne supérieure... +Il est possible de considérer des nombres négatifs (bien que ce soit sans grand intérêt dans les applications pratiques), mais le PGCD est celui des valeurs absolues.\\ -\begin{Def}[PGCD, PPCM] -Tout ensemble fini de nombres entiers strictement positifs admet une borne sup et une borne inf pour la relation de divisibilité. +L'algorithme consistant à comparer les décompositions en facteurs premiers n'est pas efficace, la découverte de diviseurs de nombres très grands est un problème difficile dont nous reparlerons plus loin. -Cette borne inférieure et cette borne supérieure sont respectivement appelées \emph{plus grand commun diviseur}\index{plus grand commun diviseur} \index{PGCD} et \emph{plus petit commun multiple} \index{PPCM} \index{plus petit commun multiple} de ces deux entiers. -\end{Def} -\begin{Notation} -Ils sont respectivement notés $a\et b$ et $a\ou b$. -\end{Notation} +\subsection{Algorithme d'Euclide} + +\subsubsection{Algorithme} +\index{algorithme!d'Euclide} +On se limite ici au cas de deux entiers $a$ et $b$ strictement positifs. \\ + +\noindent Supposons par exemple $a>b$... + +\begin{enumerate} +\item La division euclidienne de $a$ par $b$ peut s'écrire $a=bq+r$ avec $0\infeg rb$... - -\begin{enumerate} -\item La division euclidienne de $a$ par $b$ peut s'écrire $a=bq+r$ avec $0\infeg r