📐 Partie 2 sur 5 · Algèbre

Complexes & Arithmétique

Nombres complexes · Travaux pratiques · Arithmétique (exclusivité série C)

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3 / 3 chapitres
IV

Nombres complexes : calculs dans ℂ

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📐 Terminale C · Mathématiques · Chapitre IV

Nombres complexes : calculs dans \(\mathbb{C}\)

Forme algébrique, conjugué, module, argument et notation exponentielle : tout l'outillage de calcul dans \(\mathbb{C}\), avec les formules de Moivre et d'Euler.

Forme algébrique Module et argument Moivre et Euler

IV.1 — Forme algébrique et opérations

Définition

L'ensemble \(\mathbb{C}\) des nombres complexes est l'ensemble des nombres de la forme \(z = a + ib\), où \(a, b \in \mathbb{R}\) et \(i^{2} = -1\). Cette écriture est la forme algébrique de \(z\) ; \(a = \operatorname{Re}(z)\) est la partie réelle, \(b = \operatorname{Im}(z)\) la partie imaginaire (c'est un réel).

\(z\) est réel \(\iff \operatorname{Im}(z) = 0\) ; \(z\) est imaginaire pur \(\iff \operatorname{Re}(z) = 0\).

Propriétés

Unicité de l'écriture : \(a + ib = a' + ib' \iff a = a' \text{ et } b = b'\). En particulier \(a + ib = 0 \iff a = b = 0\).

Opérations : \(\mathbb{C}\) muni de l'addition et de la multiplication (calculées comme dans \(\mathbb{R}\) en remplaçant \(i^{2}\) par \(-1\)) est un corps commutatif : tout \(z \neq 0\) admet un inverse,

\[ \frac{1}{z} = \frac{\bar{z}}{z\bar{z}} = \frac{a - ib}{a^{2}+b^{2}}. \]

Puissances de \(i\) : \(i^{1} = i\), \(i^{2} = -1\), \(i^{3} = -i\), \(i^{4} = 1\), puis le cycle recommence.

Exemple

\((2+3i)(1-i) = 2 - 2i + 3i - 3i^{2} = 2 + i + 3 = 5 + i\).

Forme algébrique de \(\dfrac{3+i}{1-2i}\) : on multiplie par le conjugué du dénominateur,

\[ \frac{3+i}{1-2i} = \frac{(3+i)(1+2i)}{(1-2i)(1+2i)} = \frac{3+6i+i+2i^{2}}{1^{2}+2^{2}} = \frac{1+7i}{5} = \frac{1}{5} + \frac{7}{5}i. \]

IV.2 — Nombre conjugué

Définition

Le conjugué de \(z = a + ib\) est \(\bar{z} = a - ib\).

Propriétés du conjugué

\[ \overline{z + z'} = \bar{z} + \bar{z'} \qquad \overline{z\,z'} = \bar{z}\,\bar{z'} \qquad \overline{\left(\frac{z}{z'}\right)} = \frac{\bar{z}}{\bar{z'}} \qquad \overline{z^{\,n}} = \left(\bar{z}\right)^{n} \qquad \overline{\bar{z}} = z \] \[ z + \bar{z} = 2\operatorname{Re}(z) \qquad z - \bar{z} = 2i\operatorname{Im}(z) \qquad z\bar{z} = a^{2} + b^{2} = |z|^{2}. \]

Caractérisations : \(z\) réel \(\iff \bar{z} = z\) ; \(z\) imaginaire pur \(\iff \bar{z} = -z\).

Géométriquement : le point d'affixe \(\bar{z}\) est le symétrique du point d'affixe \(z\) par rapport à l'axe des abscisses.

IV.3 — Représentation géométrique

Définition — Affixe

Le plan est muni d'un repère orthonormé direct \((O\,;\vec{u},\vec{v})\), appelé plan complexe. À tout complexe \(z = a + ib\) on associe le point \(M(a\,;b)\) : \(M\) est l'image de \(z\) et \(z\) est l'affixe de \(M\). De même, l'affixe du vecteur \(\vec{w}(a\,;b)\) est \(z_{\vec{w}} = a + ib\).

L'axe des abscisses est l'axe des réels, l'axe des ordonnées celui des imaginaires purs.

Propriétés

Pour des points \(A\) et \(B\) d'affixes \(z_{A}\) et \(z_{B}\) :

\[ z_{\overrightarrow{AB}} = z_{B} - z_{A} \qquad\quad z_{I} = \frac{z_{A}+z_{B}}{2} \ \ (I \text{ milieu de } [AB]). \]

Translation : pour \(a \in \mathbb{C}\) fixé, l'application \(z \mapsto z + a\) est la translation de vecteur d'affixe \(a\).

IV.4 — Module

Définition

Le module de \(z = a + ib\) est le réel positif \(|z| = \sqrt{a^{2}+b^{2}}\). Si \(M\) est l'image de \(z\), alors \(|z| = OM\).

Propriétés

\[ |z\,z'| = |z|\,|z'| \qquad |z^{n}| = |z|^{n} \qquad \left|\frac{z}{z'}\right| = \frac{|z|}{|z'|} \qquad |\bar{z}| = |-z| = |z| \qquad z\bar{z} = |z|^{2} \] \[ |z| = 0 \iff z = 0 \qquad\quad |z + z'| \le |z| + |z'| \ \ \text{(inégalité triangulaire)}. \]

Distance : pour \(A(z_{A})\) et \(B(z_{B})\) : \(AB = |z_{B} - z_{A}|\).

Méthode — Ensembles de points

Pour \(\Omega\) d'affixe \(\omega\), \(A(a)\), \(B(b)\) et \(r > 0\) :

\[ |z - \omega| = r \ :\ \text{cercle de centre } \Omega \text{ et de rayon } r \qquad\quad |z - a| = |z - b| \ :\ \text{médiatrice de } [AB]. \]

Traduire systématiquement le module en distance avant toute interprétation.

IV.5 — Argument et forme trigonométrique

Définition

Pour \(z \neq 0\) d'image \(M\), un argument de \(z\), noté \(\arg z\), est une mesure de l'angle orienté \(\left(\vec{u}\,,\overrightarrow{OM}\right)\), définie modulo \(2\pi\).

En posant \(r = |z|\) et \(\theta = \arg z\), on obtient la forme trigonométrique :

\[ z = r\left(\cos\theta + i\sin\theta\right), \qquad \text{avec } \cos\theta = \frac{a}{r},\ \ \sin\theta = \frac{b}{r}. \]

Propriétés de l'argument (\(z, z' \neq 0\), modulo \(2\pi\))

\[ \arg(z\,z') = \arg z + \arg z' \qquad \arg\frac{1}{z} = -\arg z \qquad \arg\frac{z}{z'} = \arg z - \arg z' \] \[ \arg\left(z^{n}\right) = n\arg z \qquad \arg\bar{z} = -\arg z \qquad \arg(-z) = \arg z + \pi. \]

\(z\) réel non nul \(\iff \arg z \equiv 0\ [\pi]\) ; \(z\) imaginaire pur non nul \(\iff \arg z \equiv \dfrac{\pi}{2}\ [\pi]\).

Exemple

\(z = \sqrt{3} + i\) : \(|z| = \sqrt{3+1} = 2\), puis \(\cos\theta = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\) et \(\sin\theta = \dfrac{1}{2}\), donc \(\theta = \dfrac{\pi}{6}\) :

\[ \sqrt{3} + i = 2\left(\cos\frac{\pi}{6} + i\sin\frac{\pi}{6}\right). \]

De même \(1 - i = \sqrt{2}\left(\cos\left(-\frac{\pi}{4}\right) + i\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right)\right)\).

\(OM = |z| = 2\)
\(\arg z = \dfrac{\pi}{6}\)
parties réelle et imaginaire

Remarque

Pour \(a \neq 0\), l'application \(z \mapsto az\) multiplie les modules par \(|a|\) et ajoute \(\arg a\) aux arguments : c'est la composée d'une rotation de centre \(O\) et d'une homothétie de centre \(O\). Cette interprétation sera systématisée au chapitre XI (similitudes directes).

IV.6 — Notation exponentielle, formules de Moivre et d'Euler

Définition — Notation exponentielle

Pour \(\theta \in \mathbb{R}\), on note \(e^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta\). Tout complexe non nul s'écrit \(z = re^{i\theta}\) avec \(r = |z|\) et \(\theta = \arg z\).

\[ e^{i\theta}e^{i\theta'} = e^{i(\theta+\theta')} \qquad \frac{1}{e^{i\theta}} = e^{-i\theta} = \overline{e^{i\theta}} \qquad \left(e^{i\theta}\right)^{n} = e^{in\theta} \] \[ e^{i0} = 1 \qquad e^{i\pi/2} = i \qquad e^{i\pi} = -1. \]

Théorème — Formule de Moivre

\[ \forall\,\theta \in \mathbb{R},\ \forall\,n \in \mathbb{Z} : \quad \left(\cos\theta + i\sin\theta\right)^{n} = \cos(n\theta) + i\sin(n\theta). \]

Théorème — Formules d'Euler

\[ \cos\theta = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2} \qquad\qquad \sin\theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i}. \]

Exemple — Puissance par la forme exponentielle

\(1 + i = \sqrt{2}\,e^{i\pi/4}\), donc :

\[ (1+i)^{10} = \left(\sqrt{2}\right)^{10} e^{i\,10\pi/4} = 32\,e^{i\,5\pi/2} = 32\,e^{i\pi/2} = 32\,i. \]

La forme exponentielle transforme les puissances en simples multiplications d'angles.

L'essentiel pour le Bac

  • Forme algébrique unique : \(a + ib = a' + ib' \iff a = a',\ b = b'\) ; quotient : multiplier par le conjugué du dénominateur.
  • \(z\bar{z} = |z|^{2}\), \(z + \bar{z} = 2\operatorname{Re}(z)\) ; \(z\) réel \(\iff \bar{z} = z\), imaginaire pur \(\iff \bar{z} = -z\).
  • \(z_{\overrightarrow{AB}} = z_{B} - z_{A}\), \(AB = |z_{B} - z_{A}|\) ; cercle \(|z-\omega| = r\), médiatrice \(|z-a| = |z-b|\).
  • Modules : produit des modules ; arguments : somme des arguments (modulo \(2\pi\)).
  • \(z = re^{i\theta}\) ; Moivre \(\left(\cos\theta + i\sin\theta\right)^{n} = \cos n\theta + i\sin n\theta\) ; Euler \(\cos\theta = \dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\), \(\sin\theta = \dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}\).
V

Nombres complexes — Travaux pratiques

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📐 Terminale C · Mathématiques · Chapitre V

Nombres complexes — Travaux pratiques

Équations du second degré dans \(\mathbb{C}\), racines carrées d'un complexe, linéarisation, racines \(n\)-ièmes de l'unité et configurations géométriques planes à l'aide des arguments.

Équations dans \(\mathbb{C}\) Racines \(n\)-ièmes Configurations planes

V.1 — Équations du second degré à coefficients réels

Théorème

Soit \(az^{2} + bz + c = 0\) avec \(a, b, c \in \mathbb{R}\), \(a \neq 0\), et \(\Delta = b^{2} - 4ac\).

  • Si \(\Delta > 0\) : deux racines réelles distinctes \(\dfrac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}\).
  • Si \(\Delta = 0\) : une racine réelle double \(-\dfrac{b}{2a}\).
  • Si \(\Delta < 0\) : deux racines complexes conjuguées \(z_{1} = \dfrac{-b + i\sqrt{-\Delta}}{2a}\) et \(z_{2} = \bar{z}_{1} = \dfrac{-b - i\sqrt{-\Delta}}{2a}\).

Dans tous les cas : \(z_{1} + z_{2} = -\dfrac{b}{a}\) et \(z_{1}z_{2} = \dfrac{c}{a}\) ; on a \(az^{2}+bz+c = a(z-z_{1})(z-z_{2})\).

Exemple

Résoudre \(z^{2} - 2z + 5 = 0\).
\(\Delta = 4 - 20 = -16 < 0\), donc \(\sqrt{-\Delta} = 4\) et les racines sont \(z_{1} = 1 + 2i\), \(z_{2} = 1 - 2i\).
Vérification : \(z_{1}+z_{2} = 2 = -(-2)/1\) ✓ ; \(z_{1}z_{2} = (1+2i)(1-2i) = 1+4 = 5\) ✓.
Factorisation : \(z^{2}-2z+5 = (z-1-2i)(z-1+2i)\).

Remarque

Les racines d'un trinôme à coefficients réels sont soit toutes réelles, soit complexes conjuguées par paires. En particulier, si \(z_{0}\) est racine, \(\bar{z}_{0}\) l'est aussi.

V.2 — Équations se ramenant au second degré

Méthode — Racine évidente pour un polynôme de degré 3

Chercher une racine entière (petits entiers, diviseurs du terme constant). Si \(P(z_{0}) = 0\), factoriser \(P(z) = (z - z_{0}) Q(z)\) par division euclidienne ou identification, puis résoudre \(Q(z) = 0\) (trinôme du second degré).

Exemple — Équation de degré 3

Résoudre \(P(z) = z^{3} - 3z^{2} + 7z - 5 = 0\).
\(P(1) = 1 - 3 + 7 - 5 = 0\) : \(z = 1\) est racine.
Division : \(z^{3} - 3z^{2} + 7z - 5 = (z-1)(z^{2}-2z+5)\).
\(z^{2}-2z+5 = 0\) a pour racines \(1 \pm 2i\) (voir §1).
Ensemble solution : \(\mathbb{S} = \{1,\ 1+2i,\ 1-2i\}\).

Méthode — Racines carrées d'un complexe

Chercher \(z = x + iy\) (\(x, y \in \mathbb{R}\)) tel que \(z^{2} = a + ib\). Le système à résoudre est :

\[ \begin{cases} x^{2} - y^{2} = a \\ 2xy = b \end{cases} \qquad \text{combiné avec} \qquad x^{2} + y^{2} = |z^{2}| = \sqrt{a^{2}+b^{2}}. \]

On en déduit \(x^{2} = \dfrac{\sqrt{a^{2}+b^{2}}+a}{2}\) et \(y^{2} = \dfrac{\sqrt{a^{2}+b^{2}}-a}{2}\), puis le signe de \(y\) est imposé par \(2xy = b\). Les deux racines carrées sont opposées.

Exemple — Racines carrées de \(3 + 4i\)

\(|3+4i| = \sqrt{9+16} = 5\).
\(x^{2} = \dfrac{5+3}{2} = 4\) donc \(x = \pm 2\).
\(y^{2} = \dfrac{5-3}{2} = 1\) donc \(y = \pm 1\).
\(2xy = 4 > 0\) : \(x\) et \(y\) de même signe, d'où \((x,y) = (2,1)\) ou \((-2,-1)\).
Les racines carrées de \(3+4i\) sont \(\mathbf{\pm(2+i)}\).

V.3 — Linéarisation et produits en sommes

Méthode — Linéarisation (puissances → sommes)

Pour exprimer \(\cos^{n}\theta\) ou \(\sin^{n}\theta\) en somme de cosinus/sinus d'angles multiples, on utilise les formules d'Euler : \(\cos\theta = \dfrac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\) et \(\sin\theta = \dfrac{e^{i\theta}-e^{-i\theta}}{2i}\), puis on développe par le binôme de Newton.

Exemple — Linéarisation de \(\cos^{3}\theta\)

\[ \cos^{3}\theta = \left(\frac{e^{i\theta}+e^{-i\theta}}{2}\right)^{3} = \frac{e^{3i\theta} + 3e^{i\theta} + 3e^{-i\theta} + e^{-3i\theta}}{8} = \frac{\cos 3\theta + 3\cos\theta}{4}. \]

De même \(\sin^{2}\theta = \dfrac{1 - \cos 2\theta}{2}\).

Méthode — Produits en sommes (sens inverse : Moivre)

Pour développer \(\cos(n\theta)\) ou \(\sin(n\theta)\) en puissances de \(\cos\theta\) et \(\sin\theta\), on développe \(\left(\cos\theta + i\sin\theta\right)^{n}\) par le binôme, puis on identifie parties réelle et imaginaire.

Exemple — Expression de \(\cos 3\theta\)

\[ (\cos\theta + i\sin\theta)^{3} = \cos^{3}\theta + 3i\cos^{2}\theta\sin\theta - 3\cos\theta\sin^{2}\theta - i\sin^{3}\theta. \]

Partie réelle : \(\cos 3\theta = \cos^{3}\theta - 3\cos\theta\sin^{2}\theta = \cos^{3}\theta - 3\cos\theta(1-\cos^{2}\theta) = 4\cos^{3}\theta - 3\cos\theta\).

Formules produit ↔ somme (rappels)

\[ \cos a \cos b = \tfrac{1}{2}[\cos(a-b) + \cos(a+b)] \qquad \sin a \sin b = \tfrac{1}{2}[\cos(a-b) - \cos(a+b)] \] \[ \sin a \cos b = \tfrac{1}{2}[\sin(a-b) + \sin(a+b)]. \]

V.4 — Racines \(n\)-ièmes de l'unité

Théorème

L'équation \(z^{n} = 1\) (\(n \in \mathbb{N}^{*}\)) admet exactement \(n\) solutions complexes, appelées racines \(n\)-ièmes de l'unité :

\[ z_{k} = e^{\,2ik\pi/n} = \cos\frac{2k\pi}{n} + i\sin\frac{2k\pi}{n}, \qquad k = 0, 1, \ldots, n-1. \]

Leurs images forment les sommets d'un polygone régulier à \(n\) côtés inscrit dans le cercle unité, avec \(z_{0} = 1\).

Propriété — Somme nulle

\[ \sum_{k=0}^{n-1} z_{k} = 0 \qquad (n \ge 2). \]

Cas \(n = 3\) : les racines cubiques de l'unité sont \(1\), \(j = -\tfrac{1}{2} + i\tfrac{\sqrt{3}}{2}\) et \(j^{2} = -\tfrac{1}{2} - i\tfrac{\sqrt{3}}{2}\), avec \(1 + j + j^{2} = 0\) et \(j^{3} = 1\).

Illustration — Racines cinquièmes de l'unité

racines \(z_{k}\)
polygone régulier
cercle unité

Remarque — Racines \(n\)-ièmes d'un complexe quelconque

Pour résoudre \(z^{n} = re^{i\alpha}\) (\(r > 0\)), les \(n\) solutions sont \(z_{k} = r^{1/n} e^{\,i(\alpha + 2k\pi)/n}\), \(k = 0, \ldots, n-1\) : elles forment un polygone régulier à \(n\) côtés centré en \(O\), de rayon \(r^{1/n}\).

V.5 — Configurations planes et arguments

Théorème — Interprétation du quotient

Pour trois points distincts \(A(z_{A})\), \(B(z_{B})\), \(C(z_{C})\) du plan complexe, le nombre \(\dfrac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}}\) possède :

  • comme module : le rapport \(\dfrac{AC}{AB}\) ;
  • comme argument : une mesure de l'angle orienté \(\left(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC}\right)\).

Critères géométriques

\[ A, B, C \text{ alignés} \iff \arg\frac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}} \equiv 0\ [\pi] \iff \frac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}} \in \mathbb{R}. \] \[ (AB) \perp (AC) \iff \arg\frac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}} \equiv \frac{\pi}{2}\ [\pi] \iff \frac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}} \in i\mathbb{R}. \] \[ \triangle ABC \text{ isocèle en } A \iff \left|\frac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}}\right| = 1. \] \[ \triangle ABC \text{ équilatéral direct} \iff \frac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}} = e^{i\pi/3} \text{ ou } e^{-i\pi/3}. \]

Exemple — Nature d'un triangle

\(A(1)\), \(B(2+i)\), \(C(i)\).
\(\dfrac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}} = \dfrac{i-1}{1+i} = \dfrac{(i-1)(1-i)}{(1+i)(1-i)} = \dfrac{i-i^{2}-1+i}{2} = \dfrac{2i}{2} = i\).
Module \(= 1\) et argument \(= \dfrac{\pi}{2}\) : le triangle \(ABC\) est rectangle et isocèle en \(A\), et l'angle \(\left(\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC}\right) = \dfrac{\pi}{2}\) (sens direct).

Méthode — Demi-droite et cercle

L'ensemble des images des complexes \(z\) vérifiant \(\arg(z - a) = \theta\) est la demi-droite d'origine \(A(a)\) (exclu), de direction \(\theta\).

L'ensemble des points \(M(z)\) tels que \(\arg\dfrac{z-b}{z-a} = \dfrac{\pi}{2}\) (\(\text{modulo}\ \pi\)) est le cercle de diamètre \([AB]\) (sans \(A\) et \(B\)).

L'essentiel pour le Bac

  • Trinôme réel, \(\Delta < 0\) : racines \(\dfrac{-b \pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}\), conjuguées l'une de l'autre.
  • Racines carrées de \(a+ib\) : système \(x^{2}-y^{2}=a\), \(2xy=b\), \(x^{2}+y^{2}=\sqrt{a^{2}+b^{2}}\).
  • Linéarisation : Euler + binôme de Newton ; sens inverse : Moivre + identification parties réelle/imaginaire.
  • Racines \(n\)-ièmes de l'unité : \(z_{k} = e^{2ik\pi/n}\), polygone régulier, somme nulle pour \(n \ge 2\) ; racines cubiques \(1, j, j^{2}\) avec \(1+j+j^{2}=0\).
  • Quotient \(\dfrac{z_{C}-z_{A}}{z_{B}-z_{A}}\) : module = rapport de longueurs, argument = angle orienté ; alignement \(\iff\) réel, perpendicularité \(\iff\) imaginaire pur, isocèle \(\iff\) module 1.
VI

Arithmétique dans ℤ

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📐 Terminale C · Mathématiques · Chapitre VI

Arithmétique dans \(\mathbb{Z}\)

Division euclidienne, congruences, PGCD et algorithme d'Euclide, identité de Bézout, théorème de Gauss et nombres premiers : les outils fondamentaux de l'arithmétique élémentaire.

Congruences PGCD / Bézout Nombres premiers

VI.1 — Divisibilité et division euclidienne

Définition

Soit \(a, b \in \mathbb{Z}\). On dit que \(b\) divise \(a\) (ou que \(a\) est un multiple de \(b\)), noté \(b \mid a\), si \(\exists\, k \in \mathbb{Z},\ a = kb\).

Propriétés

Si \(b \mid a\) et \(b \mid a'\), alors pour tous \(u, v \in \mathbb{Z}\) : \(b \mid (ua + va')\) (combinaison linéaire). En particulier la divisibilité se conserve par addition et soustraction.

\(1\) divise tout entier ; tout entier divise \(0\) ; si \(b \mid a\) et \(a \neq 0\), alors \(|b| \le |a|\).

L'ensemble des multiples de \(b\) dans \(\mathbb{Z}\) se note \(b\mathbb{Z}\).

Théorème — Division euclidienne

Pour tous \(a \in \mathbb{Z}\) et \(b \in \mathbb{Z}^{*}\), il existe un unique couple \((q, r) \in \mathbb{Z} \times \mathbb{N}\) tel que :

\[ a = bq + r \quad \text{avec} \quad 0 \le r < |b|. \]

\(q\) est le quotient, \(r\) le reste.

Exemple

Division de \(-37\) par \(5\) : \(-37 = 5 \times (-8) + 3\), car \(5 \times (-8) = -40\) et \(-40 + 3 = -37\), avec \(0 \le 3 < 5\). ✓

Piège

Le reste \(r\) est toujours positif ou nul, quelle que soit le signe de \(a\). Ne jamais écrire \(-37 = 5 \times (-7) + (-2)\) : \(-2 < 0\) viole la condition \(r \ge 0\).

VI.2 — Congruences

Définition

Soit \(n \in \mathbb{N}^{*}\). On dit que \(a\) et \(b\) sont congrus modulo \(n\), noté \(a \equiv b\ [n]\), si \(n \mid (a - b)\), c'est-à-dire si \(a\) et \(b\) ont le même reste dans la division euclidienne par \(n\).

Compatibilité avec les opérations

Si \(a \equiv a'\ [n]\) et \(b \equiv b'\ [n]\), alors :

\[ a + b \equiv a' + b'\ [n] \qquad a \times b \equiv a' \times b'\ [n] \qquad a^{k} \equiv a'^{k}\ [n] \quad (k \in \mathbb{N}). \]

Piège — Pas de division

On ne peut pas diviser une congruence par un entier quelconque. Exemple : \(2 \times 3 \equiv 2 \times 0\ [6]\) (car \(6 \equiv 0\ [6]\)), mais \(3 \not\equiv 0\ [6]\). La simplification par \(2\) est ici fausse. On peut diviser par \(k\) à condition que \(\text{pgcd}(k, n) = 1\).

Méthode — Reste d'une grande puissance

Calculer le reste de \(7^{100}\) dans la division par \(5\).
\(7 \equiv 2\ [5]\), donc \(7^{100} \equiv 2^{100}\ [5]\).
Cycle des restes de \(2^{k}\) modulo \(5\) : \(2^{1}=2\), \(2^{2}=4\), \(2^{3}=3\), \(2^{4}=1\), puis le cycle recommence (période \(4\)).
\(100 = 4 \times 25\), donc \(2^{100} = (2^{4})^{25} \equiv 1^{25} = 1\ [5]\).
Réponse : le reste est \(\mathbf{1}\).

Critère de divisibilité par 9

Tout entier \(N = \overline{a_{k}\ldots a_{1}a_{0}}\) vérifie \(N \equiv a_{k} + \cdots + a_{1} + a_{0}\ [9]\), car \(10 \equiv 1\ [9]\) donc \(10^{j} \equiv 1\ [9]\) pour tout \(j \ge 0\). Ainsi \(N\) est divisible par \(9\) si et seulement si la somme de ses chiffres l'est.

VI.3 — PGCD, PPCM et algorithme d'Euclide

Définition

Pour \(a, b \in \mathbb{Z}\) non tous nuls, le plus grand commun diviseur \(\text{pgcd}(a, b)\) est le plus grand entier naturel divisant à la fois \(a\) et \(b\). Le plus petit commun multiple \(\text{ppcm}(a, b)\) est le plus petit entier naturel non nul divisible à la fois par \(a\) et par \(b\).

Théorème — Algorithme d'Euclide

Si \(a = bq + r\) (division euclidienne), alors \(\text{pgcd}(a, b) = \text{pgcd}(b, r)\). On répète jusqu'à obtenir un reste nul : le dernier reste non nul est le PGCD.

Exemple — \(\text{pgcd}(252, 198)\)

\[ \begin{aligned} 252 &= 198 \times 1 + 54 \\ 198 &= 54 \times 3 + 36 \\ 54 &= 36 \times 1 + 18 \\ 36 &= 18 \times 2 + 0 \end{aligned} \]

Dernier reste non nul : \(\text{pgcd}(252, 198) = \mathbf{18}\).

Propriétés

\[ \text{pgcd}(a,b) \times \text{ppcm}(a,b) = |ab| \qquad \text{ppcm}(252,198) = \frac{252 \times 198}{18} = 2772. \]

\(\text{pgcd}(ka, kb) = k\,\text{pgcd}(a, b)\) pour \(k > 0\). Si \(d = \text{pgcd}(a,b)\), les entiers \(a/d\) et \(b/d\) sont premiers entre eux.

VI.4 — Identité de Bézout et théorème de Gauss

Théorème — Identité de Bézout

Pour tous \(a, b \in \mathbb{Z}\), il existe \(u, v \in \mathbb{Z}\) tels que \(au + bv = \text{pgcd}(a, b)\). En particulier :

\[ \text{pgcd}(a, b) = 1 \iff \exists\, u, v \in \mathbb{Z},\ au + bv = 1. \]

Méthode — Remontée de l'algorithme d'Euclide

Trouver \(u, v\) tels que \(23u + 17v = 1\) (\(\text{pgcd}(23,17)=1\)).

\[ \begin{aligned} 23 &= 17 \times 1 + 6 \\ 17 &= 6 \times 2 + 5 \\ 6 &= 5 \times 1 + 1 \\ 5 &= 1 \times 5 + 0 \end{aligned} \]

Remontée :

\[ 1 = 6 - 5 \times 1 = 6 - (17 - 6 \times 2) = 3 \times 6 - 17 = 3(23 - 17) - 17 = 3 \times 23 - 4 \times 17. \]

Donc \(23 \times 3 + 17 \times (-4) = 1\) : \(u = 3\), \(v = -4\).

Théorème de Gauss

Si \(a \mid bc\) et \(\text{pgcd}(a, b) = 1\), alors \(a \mid c\).

Corollaire : si \(a \mid n\), \(b \mid n\) et \(\text{pgcd}(a, b) = 1\), alors \(ab \mid n\).

Exemple — Équation diophantienne

Résoudre dans \(\mathbb{Z}^{2}\) : \(5x - 3y = 1\).
\(\text{pgcd}(5, 3) = 1\) : des solutions existent. Particulière : \(5 \times 2 - 3 \times 3 = 1\), donc \((x_{0}, y_{0}) = (2, 3)\).
Si \((x, y)\) est solution, \(5(x-2) = 3(y-3)\), donc \(3 \mid 5(x-2)\) ; par Gauss \(3 \mid (x-2)\), d'où \(x = 2 + 3k\). Alors \(y = 3 + 5k\).
Ensemble solution : \(\mathbb{S} = \{(2+3k,\ 3+5k),\ k \in \mathbb{Z}\}\).

Cadre du programme

Bézout et Gauss sont abordés sur des exemples numériques uniquement ; leurs démonstrations générales ne sont pas exigibles.

VI.5 — Nombres premiers

Définition

Un entier \(p \ge 2\) est premier s'il admet exactement deux diviseurs positifs : \(1\) et \(p\) lui-même.

Critère de primalité

Pour tester si \(n\) est premier, il suffit de vérifier qu'aucun entier \(p \le \sqrt{n}\) ne divise \(n\) (il suffit de tester les entiers premiers \(\le \sqrt{n}\)).

Exemple : \(\sqrt{197} \approx 14{,}03\). Il faut tester les premiers \(2, 3, 5, 7, 11, 13\) : aucun ne divise \(197\), donc \(\mathbf{197}\) est premier.

Théorème — Infinité des nombres premiers

L'ensemble des nombres premiers est infini. Esquisse : si \(p_{1}, \ldots, p_{k}\) étaient tous les premiers, l'entier \(N = p_{1} \cdots p_{k} + 1\) n'est divisible par aucun d'eux, ce qui contredit le fait que tout entier \(\ge 2\) admet un diviseur premier.

Théorème fondamental de l'arithmétique

Tout entier \(n \ge 2\) s'écrit de façon unique (à l'ordre des facteurs près) comme produit de nombres premiers :

\[ n = p_{1}^{\alpha_{1}} p_{2}^{\alpha_{2}} \cdots p_{r}^{\alpha_{r}} \qquad (p_{1} < p_{2} < \cdots < p_{r} \text{ premiers},\ \alpha_{i} \ge 1). \]

Applications

Décomposition : \(360 = 2^{3} \times 3^{2} \times 5\).
Nombre de diviseurs : \((3+1)(2+1)(1+1) = \mathbf{24}\) diviseurs positifs.
Pour deux décompositions \(a = \prod p_{i}^{\alpha_{i}}\) et \(b = \prod p_{i}^{\beta_{i}}\) :

\[ \text{pgcd}(a,b) = \prod p_{i}^{\min(\alpha_{i},\beta_{i})} \qquad \text{ppcm}(a,b) = \prod p_{i}^{\max(\alpha_{i},\beta_{i})}. \]

L'essentiel pour le Bac

  • Division euclidienne : \(a = bq + r\), \(0 \le r < |b|\) ; le reste est toujours positif ou nul.
  • Congruences : compatibles avec \(+\) et \(\times\) (pas avec la division en général) ; pour les grandes puissances, chercher la période du cycle des restes.
  • Algorithme d'Euclide : \(\text{pgcd}(a,b) = \text{pgcd}(b, r)\) ; remontée pour Bézout ; \(\text{pgcd} \times \text{ppcm} = |ab|\).
  • \(\text{pgcd}(a,b) = 1 \iff \exists\, u,v,\ au+bv=1\) (Bézout) ; \(a \mid bc\) et \(\text{pgcd}(a,b)=1 \Rightarrow a \mid c\) (Gauss).
  • Primalité : tester les diviseurs premiers jusqu'à \(\sqrt{n}\) ; décomposition unique en produit de premiers ; \(\tau(n) = \prod (\alpha_{i}+1)\) diviseurs.

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