Accéder au contenu principal

Arithmétique dans ℕ — Cours Tronc Commun Scientifique (TCS)

CHAPITRE 1 · TCS
Ensemble des entiers naturels \(\mathbb N\) et notions d’arithmétique

Multiples • Diviseurs • Parité • Nombres premiers • PGCD • PPCM

Compétence visée. Mobiliser la parité et la décomposition en produit de facteurs premiers pour résoudre des problèmes simples portant sur les entiers naturels.
Prérequis
  • nombres entiers naturels ;
  • calcul numérique élémentaire ;
  • multiplication et division euclidienne ;
  • premières notions de multiple, diviseur, pair et impair.
Objectifs du chapitre
  • utiliser la divisibilité ;
  • distinguer pair et impair ;
  • reconnaître un nombre premier ;
  • décomposer en facteurs premiers ;
  • calculer un PGCD et un PPCM.
À retenir
Dans ce chapitre, on cherchera surtout à raisonner simplement sur les entiers naturels. Les démonstrations resteront courtes et adaptées au niveau du Tronc commun scientifique.
I. L’ensemble des entiers naturels \(\mathbb N\)
ACTIVITÉ 1 — Reconnaître les entiers naturels

Parmi les nombres suivants, relever ceux qui sont des entiers naturels :

\[ -3\,;\quad 0\,;\quad \frac52\,;\quad 7\,;\quad 12,4\,;\quad25. \]

Que remarque-t-on pour le nombre \(0\) ?

1.1. Définition
DÉFINITION

L’ensemble des entiers naturels est noté \(\mathbb N\) :

\[ \boxed{\mathbb N=\{0;1;2;3;\ldots\}}. \]

L’ensemble des entiers naturels non nuls est noté \(\mathbb N^\ast\) :

\[ \boxed{\mathbb N^\ast=\{1;2;3;\ldots\}}. \]
1.2. Notations utiles
REMARQUE
  • \(x\in A\) signifie que \(x\) appartient à \(A\) ; \(x\notin A\) signifie que \(x\) n’appartient pas à \(A\).
  • \(A\subset B\) signifie que tout élément de \(A\) appartient à \(B\) ; \(A\not\subset B\) signifie que \(A\) n’est pas inclus dans \(B\).
  • \(A\cap B\) désigne l’ensemble des éléments communs à \(A\) et \(B\).
  • \(A\cup B\) désigne l’ensemble des éléments appartenant à \(A\) ou à \(B\).

Par exemple : \[ 5\in\mathbb N,\qquad 0\notin\mathbb N^\ast,\qquad \mathbb N^\ast\subset\mathbb N. \]

APPLICATION 1
Compléter par \(\in\), \(\notin\), \(\subset\) ou \(\not\subset\) : \[ 9\ldots\mathbb N, \qquad 0\ldots\mathbb N^\ast, \qquad \mathbb N^\ast\ldots\mathbb N. \]
Voir la solution de l’application 1
\[ \boxed{ 9\in\mathbb N,\qquad 0\notin\mathbb N^\ast,\qquad \mathbb N^\ast\subset\mathbb N. } \]
II. Multiples et diviseurs d’un entier naturel
ACTIVITÉ 2 — Faire apparaître multiple et diviseur

Un rectangle a une aire de \(60\,\mathrm{cm}^2\) et ses deux dimensions sont des entiers naturels non nuls.

  1. Donner plusieurs couples possibles de dimensions.
  2. Compléter : \[ 60=1\times60 =2\times\ldots =3\times\ldots =\ldots \]
  3. Quel rôle jouent \(2,3,4,5,6,10,12\) et \(15\) par rapport à \(60\) ?
2.1. Définition
DÉFINITION

Soient \(a,b\in\mathbb N\) avec \(b\neq0\). On dit que \(b\) divise \(a\) s’il existe \(k\in\mathbb N\) tel que

\[ a=bk. \]

On écrit alors \[ b/a. \] On dit aussi que \(a\) est un multiple de \(b\).

PROPRIÉTÉS
  • \(1\) divise tout entier naturel ;
  • tout entier naturel non nul divise \(0\) ;
  • \(0\) est un multiple de tout entier naturel non nul ;
  • si \(a/b\) et \(b/c\), alors \(a/c\).
APPLICATION 2
Déterminer :
  1. les diviseurs positifs de \(36\) ;
  2. les multiples de \(8\) inférieurs à \(50\).
Voir la solution de l’application 2

Les diviseurs positifs de \(36\) sont :

\[ \boxed{ D(36)=\{1;2;3;4;6;9;12;18;36\}. } \]

Les multiples de \(8\) inférieurs à \(50\) sont :

\[ \boxed{ 0;8;16;24;32;40;48. } \]
2.2. Critères de divisibilité
ACTIVITÉ 3 — Observer les chiffres
Étudier la divisibilité des nombres \[ 1350,\qquad2412,\qquad7365,\qquad9126 \] par \(2\), \(3\), \(5\) et \(9\).

Chercher ce que l’on peut lire directement à partir des chiffres.

PROPRIÉTÉ
Un entier naturel est divisible :
  • par \(2\) si son chiffre des unités est \(0,2,4,6\) ou \(8\) ;
  • par \(3\) si la somme de ses chiffres est divisible par \(3\) ;
  • par \(5\) si son chiffre des unités est \(0\) ou \(5\) ;
  • par \(9\) si la somme de ses chiffres est divisible par \(9\).
APPLICATION 3
Étudier la divisibilité de \(23445\) par \(2\), \(3\), \(5\) et \(9\).
Voir la solution de l’application 3

La somme des chiffres vaut

\[ 2+3+4+4+5=18. \]

Comme \(18\) est divisible par \(3\) et par \(9\), le nombre \(23445\) est divisible par \(3\) et par \(9\).

Son chiffre des unités étant \(5\), il est également divisible par \(5\).

Il n’est pas divisible par \(2\).

\(23445\) est divisible par \(3\), \(5\) et \(9\), mais n’est pas divisible par \(2\).
2.3. Nombres pairs et nombres impairs
ACTIVITÉ 4 — Classer selon la parité

Classer les entiers

\[ 18,\quad27,\quad40,\quad63,\quad100,\quad111 \] en deux groupes.

Écrire chaque nombre de la première famille sous la forme \(2k\) et chaque nombre de la seconde sous la forme \(2k+1\).

DÉFINITION

Un entier naturel \(n\) est pair s’il existe \(k\in\mathbb N\) tel que

\[ \boxed{n=2k}. \]

Il est impair s’il existe \(k\in\mathbb N\) tel que

\[ \boxed{n=2k+1}. \]
PROPRIÉTÉS DE PARITÉ
  • pair + pair = pair ;
  • impair + impair = pair ;
  • pair + impair = impair ;
  • un produit qui possède un facteur pair est pair ;
  • le produit de deux nombres impairs est impair.
APPLICATION 4
Soit \(n\in\mathbb N\). Étudier la parité de \[ A=6n+4 \qquad\text{et}\qquad B=4n+7. \]
Voir la solution de l’application 4

On a :

\[ A=6n+4=2(3n+2). \]

Comme \(3n+2\in\mathbb N\), \(A\) est pair.

De plus :

\[ B=4n+7=2(2n+3)+1. \]

Donc \(B\) est impair.

\(A\) est pair et \(B\) est impair.
III. Nombres premiers et décomposition en facteurs premiers
ACTIVITÉ 5 — Découvrir les nombres premiers

Déterminer les diviseurs positifs des nombres

\[ 2,\quad3,\quad4,\quad5,\quad7,\quad9,\quad11,\quad15. \]

Quels nombres n’ont que deux diviseurs positifs ?

3.1. Nombre premier
DÉFINITION
Un entier naturel \(p\) est dit premier s’il possède exactement deux diviseurs positifs : \[ \boxed{1\text{ et }p}. \]
REMARQUE

Le nombre \(1\) n’est pas premier.

Les premiers nombres premiers sont :

\[ 2,\;3,\;5,\;7,\;11,\;13,\;17,\;19,\;23,\;29,\ldots \]
MÉTHODE — Reconnaître un nombre premier

Pour un entier \(n>1\), il suffit de vérifier qu’aucun nombre premier

\[ p\leq\sqrt n \] ne divise \(n\).
Si aucun nombre premier \(p\leq\sqrt n\) ne divise \(n\), alors \(n\) est premier.
APPLICATION 5
Parmi \[ 37,\qquad51,\qquad73,\qquad91, \] déterminer les nombres premiers.
Voir la solution de l’application 5
\[ 51=3\times17 \] et \[ 91=7\times13. \]

Ainsi, \(51\) et \(91\) ne sont pas premiers.

Les nombres \(37\) et \(73\) sont premiers.
3.2. Décomposition en produit de facteurs premiers
ACTIVITÉ 6 — Décomposer progressivement
Décomposer \(84\) et \(150\) en divisant successivement par des nombres premiers.

Comparer les décompositions obtenues.

PROPRIÉTÉ
Tout entier naturel supérieur à \(1\) est :
  • soit premier ;
  • soit décomposable en produit de facteurs premiers.
MÉTHODE
On divise successivement le nombre par le plus petit nombre premier possible, jusqu’à obtenir \(1\).
APPLICATION 6
Décomposer \(180\) et \(252\) en produit de facteurs premiers.
Voir la solution de l’application 6
\[ \boxed{180=2^2\times3^2\times5} \] et \[ \boxed{252=2^2\times3^2\times7}. \]
IV. PGCD et PPCM
4.1. Plus grand commun diviseur
ACTIVITÉ 7 — Chercher un diviseur commun

On veut répartir \(84\) cahiers et \(126\) stylos en lots identiques, en utilisant tout le matériel.

  1. Donner quelques nombres possibles de lots.
  2. Quel est le nombre maximal de lots ?
DÉFINITION
Soient \(a,b\in\mathbb N^\ast\).

Le plus grand commun diviseur de \(a\) et \(b\) est le plus grand entier naturel qui divise à la fois \(a\) et \(b\).

On le note : \[ \boxed{PGCD(a;b)}. \]
REMARQUE
Deux entiers naturels non nuls \(a\) et \(b\) sont premiers entre eux lorsque \[ \boxed{PGCD(a;b)=1}. \]
4.2. Plus petit commun multiple
ACTIVITÉ 8 — Chercher un multiple commun

Deux signaux lumineux clignotent périodiquement : le premier toutes les \(6\) secondes, le second toutes les \(8\) secondes.

Ils s’allument ensemble à l’instant initial.

  1. À quels instants le premier se rallume-t-il ?
  2. À quels instants le second se rallume-t-il ?
  3. Après combien de secondes se rallument-ils ensemble pour la première fois ?
DÉFINITION
Soient \(a,b\in\mathbb N^\ast\).

Le plus petit commun multiple de \(a\) et \(b\) est le plus petit multiple commun non nul de \(a\) et \(b\).

On le note : \[ \boxed{PPCM(a;b)}. \]
4.3. Calcul du PGCD et du PPCM par décomposition
PROPRIÉTÉ
À partir des décompositions en facteurs premiers :
  • pour le PGCD, on conserve les facteurs premiers communs avec leur plus petit exposant ;
  • pour le PPCM, on conserve tous les facteurs premiers nécessaires avec leur plus grand exposant.
APPLICATION 7
Calculer \[ PGCD(180;252) \] et \[ PPCM(180;252). \]
Voir la solution de l’application 7
Comme \[ 180=2^2\times3^2\times5 \] et \[ 252=2^2\times3^2\times7, \] on obtient \[ PGCD(180;252) =2^2\times3^2 =36. \] et \[ PPCM(180;252) =2^2\times3^2\times5\times7 =1260. \]
\(PGCD(180;252)=36\) et \(PPCM(180;252)=1260\).
PROPRIÉTÉ
Pour tous \(a,b\in\mathbb N^\ast\), \[ \boxed{ PGCD(a;b)\times PPCM(a;b)=a\times b. } \]
APPLICATION 8
Sachant que \[ PGCD(48;180)=12, \] déterminer \(PPCM(48;180)\).
Voir la solution de l’application 8
On utilise \[ PGCD(a;b)\times PPCM(a;b)=a\times b. \] Ainsi : \[ PPCM(48;180) = \frac{48\times180}{12}. \] Donc : \[ \boxed{PPCM(48;180)=720}. \]
4.4. Complément — Calcul du PGCD par divisions euclidiennes successives
ACTIVITÉ 9 — Faire diminuer les nombres
On cherche \[ PGCD(156;66). \] Effectuer successivement des divisions euclidiennes jusqu’à obtenir un reste nul.
MÉTHODE
Soient \(a,b\in\mathbb N^\ast\) avec \(a\geq b\).

Si la division euclidienne de \(a\) par \(b\) s’écrit

\[ a=bq+r, \qquad 0\leq r<b, \] où \(q\) est le quotient et \(r\) le reste, alors \[ \boxed{PGCD(a;b)=PGCD(b;r)}. \]

On recommence jusqu’au premier reste nul. Le dernier reste non nul est le PGCD.

APPLICATION 9
Calculer \[ PGCD(156;66) \] par divisions euclidiennes successives.
Voir la solution de l’application 9
\[ 156=66\times2+24, \] \[ 66=24\times2+18, \] \[ 24=18\times1+6, \] \[ 18=6\times3. \] Le dernier reste non nul est \(6\).
\[ \boxed{PGCD(156;66)=6}. \]
V. Synthèse du chapitre
À RETENIR
  • \(n\) est pair si et seulement si \[ n=2k \] pour un certain \(k\in\mathbb N\).
  • \(n\) est impair si et seulement si \[ n=2k+1 \] pour un certain \(k\in\mathbb N\).
  • \(b/a\) signifie qu’il existe \(k\in\mathbb N\) tel que \[ a=bk. \]
  • Un nombre premier possède exactement deux diviseurs positifs : \(1\) et lui-même.
  • Tout entier naturel supérieur à \(1\) est premier ou se décompose en produit de facteurs premiers.
  • Le PGCD utilise les facteurs premiers communs avec leurs plus petits exposants.
  • Le PPCM utilise tous les facteurs premiers nécessaires avec leurs plus grands exposants.
Fin du cours — Les applications supplémentaires et les problèmes sont proposés dans la série d’exercices PMM.

Commentaires