Arithmétique (mathématiques élémentaires)

L’arithmétique élémentaire regroupe les rudiments de la connaissance des nombres telle qu'elle est présentée dans l'enseignement des mathématiques. Elle commence avec la comptine numérique, autrement dit la suite des premiers entiers à partir de 1, apprise comme une liste ou une récitation et utilisée pour dénombrer de petites quantités. Viennent ensuite les opérations d'addition et de multiplication par le biais des table d'addition et table de multiplication. Ces opérations permettent, dans le cadre de l'algèbre, de définir leurs opérations réciproques : la soustraction et la division. Ce savoir n'est pas couvert par cet article.

L'apprentissage des tables de multiplication conduit ensuite à la reconnaissance des critères de divisibilité par 2, par 3, par 5, par 9 et par 10, puis à la décomposition des entiers en facteurs premiers. L'unicité de cette décomposition permet la définition du plus grand commun diviseur (pgcd) et du plus petit commun multiple (ppcm). La division euclidienne est utilisée dans l'algorithme d'Euclide pour calculer le pgcd de deux nombres sans connaître leur décomposition en facteurs premiers.

Un premier niveau de savoir se dégage, avec quelques lemmes et théorèmes clés, comme le lemme d'Euclide, l'identité de Bézout et le théorème fondamental de l'arithmétique. Il suffit à démontrer quelques résultat comme le petit théorème de Fermat, celui de Wilson et quelques équations peuvent être résolues. Les équations en questions sont dites diophantiennes, c'est-à-dire qu'elles sont à coefficients entiers et les solutions recherchées sont entières. La méthode chakravala permet^[1] de trouver une solution à l'équation X² - 83Y² = 1 dès le VI^e siècle. Ces méthodes permettent encore à Euler, un mathématicien suisse du XVIII^e siècle, de résoudre l'équation X² + Y² = p, qui correspond au théorème des deux carrés de Fermat, ici p désigne un nombre premier. Ce sont ces méthodes, couramment considérés comme de l'arithmétique élémentaire^[2], qui sont exposées dans cet article.

Comprendre plus profondément l'arithmétique des nombres entiers impose l'usage de structures abstraites, comme celles des groupes finis, par exemple dans le cadre de l'arithmétique modulaire, ou des anneaux. On quitte alors l'arithmétique élémentaire pour entrer dans la théorie algébrique des nombres.

Division euclidienne

Théorème de la division

L'ensemble étudié dans cet article, noté Z, est celui des nombres entiers, qu'ils soient positifs ou négatifs. L'existence de nombres négatifs offre un avantage trop puissant pour que l'on puisse aisément s'en passer. Initialement, il introduit une petite complexité, comment définir la division euclidienne sur Z ? Il est nécessaire de modifier un peu le résultat déjà connu pour les entiers positifs.

Par rapport à la division euclidienne dans les nombres entiers positifs, une propriété a été perdue, l'unicité de la solution n'est maintenant plus toujours vraie. Considérons l'entier 10 que l'on souhaite diviser par 3, il peut s'écrire de deux manières : 3x3 + 1 ou encore 3x4 + (-2). Autoriser les nombres négatifs, en particulier pour le reste, impose d'admettre deux solutions au lieu d'une, ce qui s'avère n'être que peu gênant. La démonstration de ce résultat est proposée dans l'article détaillé.

Sous-ensembles stables

L'objectif de ce paragraphe est la recherche des sous-ensembles de Z qui sont à la fois non vides et stables pour l'addition et la soustraction. Cette démarche, consistant à étudier la structure de l'ensemble Z, est une des idées fondatrices de l'arithmétique au sens moderne du terme. Dans un contexte plus sophistiqué, ces sous-ensembles peuvent être vus comme des sous-groupes ou des idéaux. L'usage de ces concepts s'avère néanmoins inutile pour une étude qui se limite à l'arithmétique élémentaire.

Démonstration

La démonstration comporte trois parties.

• Tout ensemble de multiple est non vide et stable au sens de la proposition :

Une première partie de la démonstration est aisée à démontrer. Un ensemble de multiples de m est non vide car il contient m. Il est stable par addition et multiplication car si a.m et b.m sont deux multiples de m (ici a et b désignent des nombres entiers) alors a.m +b.m est égal à (a + b).m et a.m -b.m est égal à (a - b).m, la somme et la différence de deux multiples de m sont encore des multiples.

La réciproque fait appel à la division euclidienne. On suppose maintenant que M est un sous-ensemble non vide et stable. Un premier cas se dessine si M est l'ensemble {0}, il est bien stable au sens de la proposition ci-dessus et correspond bien à un ensemble de multiples, celui de l'entier 0. Si M n'est pas réduit à l'ensemble {0}, il contient un élément a ainsi que son inverse -a. Autrement dit il contient un élément strictement positif. Soit m le plus petit élément strictement positif de M. On souhaite montrer que tout élément b de M est un multiple de m et que tout multiple de m est élément de M.

• Tout multiple de m est élément de M :

On remarque d'abord que 0 = 0.m est élément de M, en effet, m - m est élément de M car M est stable par soustraction. Soit a.m un multiple de m, si a est strictement positif, a.m peut être vu comme la somme de m : m + m + ... + m répétée a fois, la stabilité de l'addition montre que a.m est bien élément de m. Si a est strictement négatif, -a.m est élément de M et la stabilité de la soustraction montre que 0 - (-a.m) égal à a.m est encore élément de M, ce qui termine cette démonstration.

• Tout élément de M est un multiple de m :

C'est ici qu'intervient la division euclidienne. Soit b un élément de M, considérons la division euclidienne de b par m :

A la fois r et -r sont éléments de M et l'un des deux entiers est positif. Il est non seulement positif mais aussi strictement plus petit que m, ce qui ,par définition de m, montre que r est égal à 0. autrement dit, b est bien un multiple de m car égal à q.m.

Les deux dernières propositions montrent bien que M est l'ensemble des multiples de m, ce qui permet de conclure.

 

Théorème fondamental de l'arithmétique

Théorème de Bachet-Bézout

Une identité permet de venir à bout de toute équation diophantienne du premier degré. Une forme faible de l'identité est la suivante :

Identité de Bachet-Bézout — Deux nombres entiers a et b sont premiers entre eux si, et seulement si, il existe deux entier m et n tel que :

Cette forme de l'identité de Bachet-Bézout est plus faible que celle de l'article détaillé et cela à deux titres. Tout d'abord, elle ne traite que du cas où a et b sont premiers entre eux, ensuite l'article détaillé donne une méthode effective pour trouver les valeurs de m et n, ce qui n'est pas le propos de ce paragraphe.

Pour démontrer cette identité, on peut remarquer que l'ensemble M des nombres de la forme a.m + b.n, si m et n décrivent tous les entiers, est non vide et stable pour l'addition et la multiplication. La proposition précédente montre l'existence d'un entier m tel que M soit l'ensemble des multiples de m. Si a et b sont premiers entre eux, l'entier m, qui divise a et b, car ce sont des éléments de M, est nécessairement égal à 1 ou -1. Les multiples de m forment l'ensemble Z tout entier, qui contient 1, ce qui montre l'existence d'une solution à l'identité.

Si a et b comporte un diviseur commun c, différent de 1 et de -1, l'expression a.m + b.n est aussi un multiple de c et ne peut être égale à 1, qui lui ne l'est pas.

Lemme d'Euclide

Une application importante de l'identité du dernier paragraphe est le lemme d'Euclide :

Ce lemme fait apparaitre des nombres essentiels en arithmétique, les nombres premiers. Ce sont des nombres strictement positifs qui n'ont comme diviseurs positifs qu'eux-mêmes et un. Le mathématicien Paul Erdös disaient d'eux : « Un nombre premier est un nombre qui ne se casse pas quand on le laisse tomber par terre. »^[3]. Ce lemme est une étape pour démontrer le théorème fondamental de l'arithmétique.

Sa démonstration fait appel à l'identité précédente et est démontrée dans l'article détaillé.

Théorème fondamental de l'arithmétique

Si l'on considère un entier quelconque, on peut l'écrire sous la forme ε.a, où ε désigne soit 1 où -1 et a un nombre entier positif. Si a n'est pas premier, il se décompose en un produit c.b de nombres entiers positifs, opération que l'on peut recommencer. On finit par trouver une décomposition en facteurs premiers :

Ce théorème est le résultat clé de l'arithmétique élémentaire, démontré dans l'article détaillé. Sous une forme plus ou moins générale, il est à la base de nombreux résultats qui se démontrent à l'aide de l'arithmétique élémentaire. En conséquence, la connaissance des nombres premiers s'avère essentielle. Cette connaissance est parfois difficile, leur répartition, par exemple, est en 2008, encore l'objet d'une des plus célèbres conjecture des mathématiques (voir l'article hypothèse de Riemann qui dépasse de loin le cadre de l'arithmétique élémentaire). On dispose néanmoins aisément d'un premier résultat :

Pour s'en rendre compte, il suffit de considérer un ensemble fini F de nombres premiers et de montrer que cet ensemble ne les contient pas tous. Soit m la somme de 1 et du produit de tous les nombres de F. L'entier m n'est divisible par aucun élément de F, soit il est premier, soit il est divisible par un nombre premier qui n'est pas dans la liste. En conséquence F ne contient pas tous les nombres premiers. Dire qu'aucun ensemble fini contient tous les nombres premiers, c'est dire que le nombre de nombres premiers est infini (cf Théorème d'Euclide sur les nombres premiers).

Conséquences directes

Théorème de Wilson

Un exemple de résultat d'arithmétique qui peut se démontrer à l'aide des théorèmes énoncés dans cet article est maintenant appelé théorème de Wilson. Il a été démontré par le mathématicien arabe du X^e siècle Alhazen^[4]. Il s'énonce ainsi :

Théorème de Wilson — Un entier strictement positif p est un nombre premier si et seulement s'il divise (p - 1)! + 1, c'est-à-dire si, et seulement si :

Une démonstration élémentaire est présentée dans l'article détaillé.

Petit théorème de Fermat

Pierre de Fermat est un mathématicien français du XVII^e siècle que s'est passionné pour l'arithmétique^[5]. Le bagage mathématique disponible à son époque était, en arithmétique, plutôt plus faible que celui présenté ici, car l'usage des nombres négatifs était encore problématique. Il a établit un résultat :

L'article détaillé présente une démonstration uniquement à l'aide des outils étudiés dans le cadre de cet article. Par delà l'élégance du résultat, il sert aussi de théorème pour démontrer d'autres résultats d'arithmétiques. Il est utilisé, par exemple pour une démonstration élémentaire du théorème des deux carrés de Fermat. Ce résultat stipule que si p est un nombre premier ayant pour reste 1 s'il est divisé par 4, alors l'équation X² + Y² = p admet toujours une solution.

Test de Primalité

Le petit théorème de Fermat est à la base de nombreux tests de primalité^[6]. Pour en comprendre le principe appliquons sa forme naïve au cinquième nombre de Fermat, noté F₅ et égal à 2³² + 1, ou encore à 4 294 967 297. Fermat a toujours cru que ce nombre était premier, il écrit « ... je n'ai pu encore démontrer nécessairement la vérité de cette proposition »^[7]. C'est la seule conjecture fausse que Fermat a émise.

La méthode simple et brutale, consiste à calculer le reste de la division de a^(F₅ - 1) - 1 par F₅. Si le reste n'est nul, le nombre n'est pas premier. Avec deux astuces, les calculs sont beaucoup plus simples qu'il n'y paraît, choisissons a égal à 3. Son carré donne a², égal à 9. le carré de ce nombre donne 3²², égal à 81, son carré est égal à 3²³ 6 561. Comme F₅ - 1 est égal à 2³², il suffit de 32 étapes pour conclure, ce qui est maintenant rapide avec les méthodes de calculs modernes.

La deuxième difficulté à résoudre est le caractère élevé des puissances successives, on finirait par devoir utiliser des très grands nombres qui imposent une écriture lourde des valeurs intermédiaires, ainsi 3²⁵ est égal à 1 853 020 188 851 841, alors que ce n'est que la cinquième valeur intermédiaire et qu'il faut en calculer 32. Il est néanmoins possible d'écrire ce nombre habilement, à l'aide d'une division euclidienne :

Ce qui importe, c'est le reste de la division euclidienne de 3^(F₅ - 1) - 1 et non pas la valeur de Q₅. Ainsi, à l'étape d'après :

Il suffit que calculer le carré de R₅ et d'opérer une division euclidienne de ce carré par F₅ et on obtient :

Le calcul de Q₆, et en règle générale de Q_n où n est un entier qui va jusqu'à 32, est inutile. Et la suite des R_n ne dépasse jamais F₅, ce qui empêche une explosion de chiffres significatifs à calculer. En 32 étapes, on trouve que le reste de la division euclidienne de 3^(F₅ - 1) - 1 par F₅ est égal à 3 029 026 159 et non pas 0, le nombre F₅ n'est pas premier. Euler utilise une méthode plus habile, elle exhibe effectivement les diviseurs^[8], sa méthode est exposée dans l'article Nombre de Fermat.

Généralisations

Anneau euclidien

Les questions d'arithmétiques sur les entiers s'avèrent rapidement complexes, Gauss, un mathématicien du XIX^e siècle, indiquait : « Leurs charmes particuliers vient de la simplicité des énoncés jointe à la difficulté des preuves. »^[9]. D'autres idées sont nécessaires pour aller plus loin. Une méthode consiste à construire de nouveaux ensembles. Cette méthode est illustrée dans l'article Théorème des deux carrés de Fermat. Pour résoudre l'équation X² + Y² dans Z, on ne cherche cette fois plus les solutions dans Z, mais dans l'ensemble des nombres de la forme a + i.b, où a et b sont des entiers et i l'unité imaginaire. Un élément de cet ensemble porte le nom d'entier de Gauss.

Un des charmes de cet ensemble est qu'il existe encore une division euclidienne. Les démonstrations des résultats énoncés dans cet article s'appliquent presque sans modification au nouvel ensemble. Les nombres premiers, cette fois sont un peu différents, 2 n'est pas premiers car (1 + i)(1 - i) est égal à 2, en revanche, 1 + i l'est. La résolution de l'équation y est beaucoup plus facile. Cette démarche permet, par exemple, de construire une arithmétique du nombre d'or, et de démontrer la loi d'apparition des nombres premiers dans la suite de Fibonacci.

Cette logique permet aussi de construire une arithmétique des polynômes, à l'origine de résolutions d'équations algébriques complexes, comme l'équation cyclotomique.

Arithmétique modulaire

Une autre idée essentielle consiste encore à créer de nouveaux ensembles de nombres, mais cette fois en s'y prenant différemment. Les nombres sont les restes d'une division euclidienne par un entier, souvent choisi premier. Les éléments de ce nouvel ensemble portent le nom de congruence sur les entiers. L'usage de cet ensemble est en filigrane dans le test de primalité recherché. Il permet de démontrer simplement la généralisation d'Euler du petit théorème de Fermat, et par la même occasion introduit la fonction indicatrice d'Euler, qui joue un rôle important en arithmétique.

Un exemple de résultat arithmétique obtenu avec ce type de méthode est la loi de réciprocité quadratique qui permet de résoudre des équations diophantiennes comme X² + p.Y + n = 0, où p est un nombre premier et n un entier.

Voir aussi

Notes

Liens externes

• Cours et activités en arithmétique pour les classes terminales - 3e édition IREM de Marseille
• G. Villemin Initiation à la théorie des nombres Nombres : curiosités - théorie - usage

Références

• I.R.E.M. Lille Les nombres - Problèmes anciens et actuels Ellispe 2000 (ISBN 2729801227)
• M. Guinot Arithmétique pour amateurs. Vol. 1. Pythagore, Euclide et toute la clique Aléas Lyon, 1992 (ISBN 2908016214)
  Cette série de cinq volumes s'adresse aux amateurs éclairés (c'est-à-dire ayant fait une ou deux années d'études mathématiques après le baccalauréat). On y trouve les bases de l'arithmétique ainsi que l'étude des triplets pythagoricien.
• M. Guinot Arithmétique pour amateurs. Vol. 2. Les resveries de Fermat Aléas Lyon, 1993 (ISBN 2908016273)
  La troisième partie concerne les sommes de deux carrés.
• M. Guinot Arithmétique pour amateurs. Vol. 3. Ce diable d'homme d'Euler Aléas Lyon, 1994 (ISBN 2908016397)
  Ce livre traite du théorème des deux carrés avec les outils de Lagrange et de Jacobi ainsi que de l'équation diophantienne en général.
• Pierre Samuel, Théorie algébrique des nombres [détail des éditions]

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