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Équations diophantiennes : factorisation et encadrement

Domaine : Théorie des nombres · Niveau : débutant · Prérequis : Divisibilité, PGCD

L'idée

Une équation diophantienne est une équation dont on cherche les solutions entières. Les entiers ont deux propriétés que les réels n'ont pas : un entier n'a qu'un nombre fini de diviseurs, et il n'y a aucun entier strictement entre \(n\) et \(n + 1\). Les deux grandes méthodes en découlent.

  1. Factoriser. On réécrit l'équation sous la forme « produit = constante » (ou « produit = puissance d'un premier »). Chaque facteur est alors un diviseur de la constante : il ne reste qu'un nombre fini de cas à examiner.
  2. Encadrer. On montre par des inégalités que les variables sont bornées, ou qu'une expression est coincée strictement entre deux carrés consécutifs (donc n'est pas un carré). Il reste alors un nombre fini de cas.

On les complète souvent par les congruences, qui éliminent des cas ou prouvent qu'il n'y a pas de solution.

Factorisations à connaître

Équation Forme factorisée
\(xy + ax + by = c\) \((x + b)(y + a) = c + ab\)
\(\frac{1}{x} + \frac{1}{y} = \frac{1}{n}\) \((x - n)(y - n) = n^2\)
\(x^2 - y^2 = c\) \((x - y)(x + y) = c\), avec deux facteurs de même parité
\(x^3 \pm y^3\) \((x \pm y)(x^2 \mp xy + y^2)\)
\(a^4 + 4b^4\) \(a^4 + 4b^4 = (a^2 + 2b^2 - 2ab)(a^2 + 2b^2 + 2ab)\) (Sophie Germain)
Produit égal à \(p^k\) Chaque facteur est une puissance de \(p\) (au signe près)

Exemple résolu

Problème

Trouver tous les triplets d'entiers strictement positifs \((x, y, z)\) tels que \(\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{y} + \dfrac{1}{z} = 1\).

Étape 1 : ordonner et encadrer. L'équation est symétrique : on peut supposer \(x \leq y \leq z\), puis permuter à la fin. Alors \(\frac{1}{x}\) est le plus grand des trois termes, donc

\[1 = \frac{1}{x} + \frac{1}{y} + \frac{1}{z} \leq \frac{3}{x}, \quad \text{soit} \quad x \leq 3.\]

Et \(x = 1\) est impossible (la somme dépasserait \(1\)). Donc \(x = 2\) ou \(x = 3\).

Étape 2 : le cas \(x = 3\). Il reste \(\frac{1}{y} + \frac{1}{z} = \frac{2}{3}\) avec \(3 \leq y \leq z\). Le même encadrement donne \(\frac{2}{3} \leq \frac{2}{y}\), donc \(y \leq 3\), d'où \(y = 3\) et \(z = 3\).

Étape 3 : le cas \(x = 2\), par factorisation. Il reste \(\frac{1}{y} + \frac{1}{z} = \frac{1}{2}\), soit \(yz = 2y + 2z\), c'est-à-dire

\[(y - 2)(z - 2) = 4.\]

Comme \(2 \leq y \leq z\), les deux facteurs sont positifs avec \(y - 2 \leq z - 2\) : \((y - 2, z - 2) = (1, 4)\) ou \((2, 2)\), d'où \((y, z) = (3, 6)\) ou \((4, 4)\).

Conclusion. À l'ordre près, les solutions sont \((3, 3, 3)\), \((2, 4, 4)\) et \((2, 3, 6)\), et leurs permutations.

Les deux méthodes se complètent : l'encadrement a réduit à un nombre fini de cas, et la factorisation a résolu le cas restant d'un coup.

Comment le reconnaître

  • On demande de « résoudre en entiers » ou de trouver tous les entiers, tous les premiers, vérifiant une équation.
  • On demande quand une expression est un carré, un cube, une puissance d'un premier.
  • L'équation est symétrique en plusieurs variables.
  • Les degrés des deux membres sont différents : pour de grandes valeurs, un membre l'emporte, ce qui borne les solutions.

Techniques classiques

Situation Technique
Termes \(xy\), \(x\), \(y\) Compléter le produit : \((x + b)(y + a)\)
Produit égal à une puissance d'un premier Chaque facteur est une puissance de ce premier ; comparer les deux facteurs
Équation symétrique Ordonner les variables et borner la plus petite
Montrer que \(E\) n'est pas un carré L'encadrer strictement entre \(n^2\) et \((n + 1)^2\)
Équation du second degré en une variable Le discriminant doit être un carré parfait
Aucune solution attendue Raisonner modulo un petit entier
\(x^2 - dy^2 = 1\) Équation de Pell : une infinité de solutions, engendrées par la plus petite
Une solution en fabrique une plus petite Descente infinie, saut de Viète

Exercices d'échauffement

  1. Trouver les entiers strictement positifs \(x, y\) tels que \(xy = x + y + 3\).
  2. Montrer que \(n^2 + n + 1\) n'est jamais un carré parfait pour \(n \geq 1\).
  3. Trouver tous les entiers \(n \geq 0\) tels que \(n^2 + 19n + 48\) soit un carré parfait. Indication : comparer à \((n + 9)^2\) et \((n + 10)^2\).
  4. L'équation \(x^2 - y^2 = 2026\) a-t-elle des solutions entières ?
  5. Trouver tous les nombres premiers \(p\) tels que \(2p + 1\) soit un cube.

Équations diophantiennes dans la shortlist

  • 2023 N2 : \(p^a = (b + a^2)(b - a^2)\), donc les deux facteurs sont des puissances de \(p\).
  • 2021 N1 : l'encadrement \(0 < (a + 1)^2 < 2(a^2 + b + 3)\) force l'égalité \((a + 1)^2 = a^2 + b + 3\).
  • 2016 A5 : un carré serait strictement entre deux carrés consécutifs.
  • 2019 N2 : avec \(a \geq b \geq c\), on a \(3a^3 \geq (abc)^2 > a^3\).
  • 2025 N8 : \((n - 1)(n + 1) = 2^a q^b\) force \(n = 2^{a-1} \pm 1\).

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 5 (M. Aassila), p. 99 à 110 (méthodes de base et utilisation de la factorisation), p. 345 et 346 (méthode de décomposition), p. 347 à 349 (utilisation des inégalités), p. 350 (représentation paramétrique), p. 352 à 357 (utilisation des congruences), p. 366 (équations sans solutions entières), p. 370 à 384 (équations linéaires et quadratiques, équation de Pell).

Problèmes de la shortlist

29 problèmes · difficulté moyenne : ★★★★★ (2,6) · dont 5 choisis pour l'OIM
Répartition par difficulté : 1 ★ : 6 · 2 ★ : 8 · 3 ★ : 9 · 4 ★ : 3 · 5 ★ : 3

Problème Difficulté Concepts
2023 N2 ★☆☆☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2022 N1 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2021 N1 ★☆☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2019 N2 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2014 N2 ★☆☆☆☆ -
2011 A1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2022 N4 · OIM P5 ★★☆☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2021 N3 ★★☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2016 N4 ★★☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2012 N2 ★★☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Valuations p-adiques et lemme LTE
2012 N4 ★★☆☆☆ -
2008 A2 · OIM P2 ★★☆☆☆ Polynômes : racines, relations de Viète, factorisation
2007 N1 ★★☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2006 N1 · OIM P4 ★★☆☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE
2018 N5 ★★★☆☆ -
2016 A5 ★★★☆☆ Partie entière et majorations
2016 N5 ★★★☆☆ Descente infinie et Vieta jumping · Principe extrémal
2015 N5 · OIM P2 ★★★☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2014 N5 ★★★☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2013 N4 ★★★☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2010 N2 ★★★☆☆ Ordre d'un élément et racines primitives · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2009 N4 ★★★☆☆ Descente infinie et Vieta jumping · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2007 C3 ★★★☆☆ Double comptage
2023 N7 ★★★★☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2019 N6 ★★★★☆ Partie entière et majorations · AM-GM et moyennes · Cauchy-Schwarz et lemme de Titu
2006 N6 ★★★★☆ Convexité, inégalité de Jensen, lissage · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2025 N8 ★★★★★ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Résidus quadratiques · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2019 N8 ★★★★★ Principe extrémal · Partie entière et majorations · Descente infinie et Vieta jumping
2014 A6 ★★★★★ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité · Suites et récurrences