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Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide

Domaine : Théorie des nombres · Niveau : débutant · Prérequis : aucun

L'idée

On dit que \(a\) divise \(b\), et l'on écrit \(a \mid b\), s'il existe un entier \(k\) tel que \(b = ka\). Le PGCD de \(a\) et \(b\) est le plus grand entier qui divise les deux ; ils sont premiers entre eux si leur PGCD vaut \(1\).

Le fait le plus utile est presque évident :

\[\text{si } d \mid a \text{ et } d \mid b, \text{ alors } d \mid ua + vb \text{ pour tous entiers } u, v.\]

On s'en sert pour éliminer une variable : si \(d\) divise deux expressions en \(n\), on cherche une combinaison où \(n\) disparaît. Par exemple, \(d = \operatorname{pgcd}(n^2 + 1, n + 1)\) divise \((n^2 + 1) - (n - 1)(n + 1) = 2\), donc vaut \(1\) ou \(2\).

Les théorèmes de base

Résultat Énoncé
Division euclidienne Pour \(b > 0\), il existe un unique couple \((q, r)\) avec \(a = bq + r\) et \(0 \leq r < b\)
Algorithme d'Euclide \(\operatorname{pgcd}(a, b) = \operatorname{pgcd}(b, r)\) où \(r\) est le reste de \(a\) par \(b\) ; on itère jusqu'à un reste nul
Bézout \(\operatorname{pgcd}(a, b) = 1\) si et seulement s'il existe des entiers \(u, v\) avec \(au + bv = 1\) ; plus généralement, le PGCD est la plus petite combinaison \(au + bv\) strictement positive
Gauss Si \(a \mid bc\) et \(\operatorname{pgcd}(a, b) = 1\), alors \(a \mid c\)
Produit Si \(a \mid c\), \(b \mid c\) et \(\operatorname{pgcd}(a, b) = 1\), alors \(ab \mid c\)
PGCD et PPCM \(\operatorname{pgcd}(a, b) \times \operatorname{ppcm}(a, b) = ab\) pour \(a, b > 0\)
Taille Si \(a \mid b\) et \(b \neq 0\), alors \(\lvert a \rvert \leq \lvert b \rvert\)

Le dernier point est souvent décisif : un entier non nul n'a que des diviseurs plus petits que lui. En particulier, un entier fixé divisible par des nombres arbitrairement grands est nul.

Exemple résolu

Problème

Soient \(a \geq 2\), \(m\) et \(n\) des entiers strictement positifs. Montrer que \(\operatorname{pgcd}(a^m - 1, a^n - 1) = a^{\operatorname{pgcd}(m, n)} - 1\).

Étape 1 : une étape d'Euclide. Supposons \(m > n\). On élimine la plus grande puissance par une combinaison :

\[(a^m - 1) - a^{m-n}(a^n - 1) = a^{m-n} - 1.\]

Tout diviseur commun de \(a^m - 1\) et \(a^n - 1\) divise donc \(a^{m-n} - 1\), et réciproquement. Ainsi

\[\operatorname{pgcd}(a^m - 1, a^n - 1) = \operatorname{pgcd}(a^{m-n} - 1, a^n - 1).\]

Étape 2 : reconnaître l'algorithme. Sur les exposants, on a remplacé \((m, n)\) par \((m - n, n)\) : c'est exactement l'algorithme d'Euclide par soustractions, qui ne change pas \(\operatorname{pgcd}(m, n)\).

Étape 3 : conclure. On répète jusqu'à ce que les deux exposants soient égaux, à \(g = \operatorname{pgcd}(m, n)\). Le PGCD cherché vaut alors \(\operatorname{pgcd}(a^g - 1, a^g - 1) = a^g - 1\).

Par exemple, \(\operatorname{pgcd}(2^{12} - 1, 2^{18} - 1) = 2^6 - 1 = 63\).

Le réflexe : pour un PGCD d'expressions, chercher la combinaison qui fait baisser le degré ou l'exposant, comme dans une division euclidienne.

Comment le reconnaître

  • L'énoncé contient « \(a\) divise \(b\) », une fraction à rendre irréductible, ou un PGCD d'expressions en \(n\).
  • On cherche les \(n\) tels qu'une expression en divise une autre.
  • On manipule la liste des diviseurs d'un entier.
  • Un produit de facteurs premiers entre eux vaut une puissance, ou est divisible par un nombre donné.
  • Une divisibilité donne une borne : le diviseur est plus petit que le multiple.

Techniques classiques

Situation Technique
PGCD de deux expressions en \(n\) Combinaison qui élimine \(n\), ou algorithme d'Euclide sur les expressions
\(f(n)\) divisible par \(g(n)\) (polynômes) Retrancher un multiple de \(g(n)\) pour faire baisser le degré, jusqu'à une constante
\(a \mid b\) avec \(b \neq 0\) En déduire \(\lvert a \rvert \leq \lvert b \rvert\)
Ajouter le diviseur au dividende \(a \mid b\) si et seulement si \(a \mid b + ka\) : choisir \(k\) pour factoriser
Diviseurs d'un entier \(n\) Les apparier : \(d \leftrightarrow \frac{n}{d}\)
Termes ayant un facteur commun Diviser par le PGCD pour se ramener à des nombres premiers entre eux
\(ab\) est un carré et \(\operatorname{pgcd}(a, b) = 1\) (\(a, b > 0\)) \(a\) et \(b\) sont des carrés
\(a^m - 1\) et \(a^n - 1\) Leur PGCD vaut \(a^{\operatorname{pgcd}(m, n)} - 1\)

Exercices d'échauffement

  1. Montrer que la fraction \(\frac{21n + 4}{14n + 3}\) est irréductible pour tout entier \(n\).
  2. Trouver tous les entiers \(n \geq 1\) tels que \(n + 1\) divise \(n^2 + 1\).
  3. Montrer que \(\operatorname{pgcd}(n! + 1, (n + 1)! + 1) = 1\) pour tout \(n \geq 1\).
  4. Trouver tous les couples d'entiers \((x, y)\) tels que \(7x + 5y = 1\).
  5. Soient \(a, b > 0\) premiers entre eux tels que \(ab\) soit un carré parfait. Montrer que \(a\) et \(b\) sont des carrés parfaits.

Divisibilité dans la shortlist

  • 2016 N3 : des identités comme \((2n + 7)P(n) - (2n - 1)P(n + 2) = 14\) bornent \(\operatorname{pgcd}(P(n), P(n + k))\).
  • 2016 N4 : on ajoute le diviseur au dividende, puis on simplifie par une puissance de \(n\).
  • 2019 N2 : \(a^2\) divise \(b^3 + c^3\), donc \(b^3 + c^3 \geq a^2\), ce qui borne les variables.
  • 2025 N2 : \(\operatorname{pgcd}(i, j)\) et \(\operatorname{pgcd}(i + 1, j)\) sont premiers entre eux et divisent \(j\), donc leur produit divise \(j\).
  • 2021 N4 : \(\operatorname{pgcd}(a - b, b) = \operatorname{pgcd}(a + b, b) = 1\).

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 5 (M. Aassila), p. 5 et 6 (divisibilité, division euclidienne, numération), p. 29 et 30 (PGCD, PPCM, algorithme d'Euclide), p. 31 à 34 (nombres premiers entre eux, Bézout p. 32, Gauss p. 33, PGCD et PPCM p. 34), p. 36 (PGCD de \(a^m - b^m\) et \(a^n - b^n\)), p. 37 (l'équation \(ax + by = c\)), puis exemples et exercices jusqu'à p. 56.

Problèmes de la shortlist

72 problèmes · difficulté moyenne : ★★★★★ (2,8) · dont 10 choisis pour l'OIM
Répartition par difficulté : 1 ★ : 15 · 2 ★ : 15 · 3 ★ : 19 · 4 ★ : 16 · 5 ★ : 7

Problème Difficulté Concepts
2025 N2 ★☆☆☆☆ -
2024 N1 ★☆☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Principe extrémal
2023 N1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Récurrence et constructions récursives · Valuations p-adiques et lemme LTE
2022 N1 ★☆☆☆☆ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
2021 C1 ★☆☆☆☆ Principe des tiroirs
2021 N1 ★☆☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
2021 A2 ★☆☆☆☆ Partie entière et majorations
2019 N2 ★☆☆☆☆ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
2016 C2 ★☆☆☆☆ Principe extrémal · Fonctions arithmétiques : nombre de diviseurs, indicatrice d'Euler, somme des diviseurs
2015 A2 ★☆☆☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
2015 N2 ★☆☆☆☆ -
2013 N1 ★☆☆☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
2012 N1 ★☆☆☆☆ -
2011 A1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
2010 N1 ★☆☆☆☆ Sommes, télescopage et transformation d'Abel
2025 N4 ★★☆☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
2023 N4 ★★☆☆☆ Suites et récurrences
2021 N3 ★★☆☆☆ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
2021 N4 ★★☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2020 N3 · OIM P5 ★★☆☆☆ Principe extrémal · Valuations p-adiques et lemme LTE
2019 N4 ★★☆☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité · Principe des tiroirs
2016 N3 · OIM P4 ★★☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Théorème des restes chinois
2016 N4 ★★☆☆☆ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
2015 C3 ★★☆☆☆ -
2015 N3 ★★☆☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2015 N4 ★★☆☆☆ Invariants et monovariants · Suites et récurrences
2013 N3 ★★☆☆☆ Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme · Principe extrémal
2012 N3 ★★☆☆☆ Bijections et dénombrement
2009 N1 · OIM P1 ★★☆☆☆ Théorème des restes chinois · Graphes : degrés, chemins, arbres
2008 N1 ★★☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2025 N5 ★★★☆☆ Invariants et monovariants · Valuations p-adiques et lemme LTE
2024 N4 · OIM P2 ★★★☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Valuations p-adiques et lemme LTE
2024 N5 ★★★☆☆ Partie entière et majorations · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Valuations p-adiques et lemme LTE
2023 N5 ★★★☆☆ Suites et récurrences · Principe extrémal
2022 C6 ★★★☆☆ Récurrence et constructions récursives · Invariants et monovariants
2020 N4 ★★★☆☆ Ordre d'un élément et racines primitives · Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme
2020 C5 ★★★☆☆ Principe extrémal
2018 N4 · OIM P5 ★★★☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE
2017 N5 ★★★☆☆ Ordre d'un élément et racines primitives · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
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2011 N3 ★★★☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2011 N5 · OIM P5 ★★★☆☆ Principe extrémal
2010 N2 ★★★☆☆ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement · Ordre d'un élément et racines primitives
2009 N3 ★★★☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE
2008 N2 ★★★☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2008 C3 ★★★☆☆ Principe des tiroirs · Principe extrémal
2008 N3 ★★★☆☆ Récurrence et constructions récursives
2007 C5 ★★★☆☆ Coloriages et pavages
2006 N4 · OIM P5 ★★★☆☆ Polynômes à coefficients entiers
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