Arithmétique dans ℤ et dans K[X] — ENS

Exercices corrigés des ENS sur le thème « arithmétique dans ℤ et dans K[X] », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) Division euclidienne ; Congruences
Soient {m,M,r\in\mathbb{N}}, {r\geq3}, et {k_0,\ldots,k_M\in\mathbb{Z}} tels que {\sum_{i=0}^M k_i r^i=\sum_{i=0}^m r^i.}Montrer que {\sum\limits_{i=0}^M|k_i|\geq m+1}.
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Exercice 2. (★★★★★) Nombres premiers ; Coefficients binomiaux ; Domination
Pour {n\geq1}, soient {c_n} le nombre de nombres premiers au plus égaux à {n} et {r_n=\prod\limits_{p\leq n}p}.
Question 1) Montrer que {r_n=O(4^n)}.
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Question 2) Montrer que {c_n^{c_n}=O(r_n)}.
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Question 3) En déduire {c_n=O(n/\ln n)}.
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Exercice 3. (★★★) Indicatrice d’Euler ; Décomposition en facteurs premiers ; Théorème chinois
Question 1) Redémontrer la multiplicativité de l’indicatrice d’Euler {\varphi}, donner sa formule explicite et calculer {\sum\limits_{d\mid n}\varphi(d)}.
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Question 2) Exprimer {\varphi(mn)} en fonction de {\varphi(m),\varphi(n),\varphi(m\wedge n)} et {m\wedge n}.
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Question 3) Soit {\mu(n)=0} si un carré premier divise {n}, et {\mu(n)=(-1)^{d_n}} sinon, où {d_n} est le nombre de diviseurs premiers distincts de {n}.

Montrer que {\mu} est multiplicative et calculer {\sum\limits_{d\mid n}\mu(d)/d}.

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Exercice 4. (★★★) Polynômes unitaires ; Divisibilité ; Racines de l’unité
Question 1) Montrer que {\cos(\pi/8)} est irrationnel.
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Question 2) Montrer qu’un entier algébrique rationnel est entier.
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Question 3) Déterminer les {q\in\mathbb{Q}} tels que {\cos(q\pi)\in\mathbb{Q}}.
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Exercice 5. (★★★★) Valuation première ; Suites récurrentes ; Partie entière
Soit {u_0=1}. Pour {n\geq1}, multiplier {u_{n-1}} par {2} si {n\geq2} est une puissance de {2}, le remplacer par {\lceil u_{n-1}/3\rceil} si {n\geq3} est une puissance de {3}, et le laisser inchangé sinon.

Montrer que {u_n\to+\infty}.

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Exercice 6. (★★★★) Aire et déterminant ; Bézout ; Comptage fini
Montrer que l’aire d’un polygone entier, de sommets dans {\mathbb{Z}^2}, vaut {i+k/2-1}, où {i} compte ses points entiers intérieurs et {k} ceux du bord.
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Exercice 7. (★★★) Loi uniforme ; Congruences ; Indicatrice d’Euler
Si {X,Y} sont indépendantes et uniformes sur {\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}}, déterminer {\mathbb{P}(XY=0)}.
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Exercice 8. (★★★) Décomposition en facteurs premiers ; Équivalents ; Sommes géométriques
Pour {n\ge1}, soit {E(n)} la valuation {5}-adique de {\prod\limits_{k=1}^n k^k}.

Donner un équivalent de {E(n)} quand {n\to+\infty}.

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Exercice 9. (★★★★) Bézout et Gauss ; Congruences ; Nombres premiers
Soit {p>1} premier.

Montrer que {-1} est un carré modulo {p} si et seulement si {p} est somme de deux carrés d’entiers.

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Exercice 10. (★★★) Théorème chinois ; Congruences ; Éléments inversibles
Question a) Si {p} est premier impair, montrer que {\mathbb{F}_p^\star} contient {(p-1)/2} carrés.
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Question b) Montrer que tout élément de {\mathbb{F}_p} est somme de deux carrés.
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Question c) Si {n} est impair, montrer que tout élément de {(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\star} est somme de deux carrés.
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Exercice 11. (★★★★) Congruences ; Décomposition en facteurs premiers ; Éléments inversibles
On pose {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k}. Pour {r=a/b\ne0} sous forme irréductible, on définit ici {v_p(r)} comme la valuation de son numérateur {a}.
Question a) Montrer que {v_p(H_{p-1})\ge1} si {p\ge3} est premier.
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Question b) Montrer que {v_p(H_{p-1})\ge2} si {p\ge5} est premier.
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Question c) Montrer que {v_p(H_{(p-1)p})\ge1} si {p\ge5} est premier.
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Exercice 12. (★★) Décomposition en facteurs premiers ; Divisibilité ; Partie entière
Pour {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k}, calculer {v_2(H_n)}, où {v_p(a/b)=v_p(a)-v_p(b)}.
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Exercice 13. (★★★★) Décomposition en facteurs premiers ; Ordre d'un élément ; Formule du binôme
Soient {p,q} deux nombres premiers distincts et {N(m)=\prod\limits_{j=1}^m(1-q^j)}.

Trouver {c>0} tel que {v_p(N(m))\le cm\log m} pour tout {m\ge1}.

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Exercice 14. (★★★★) Nombres premiers ; Cardinal ; Congruences
Une partie {B} d’un groupe abélien est sans somme si {x+y\notin B} pour tous {x,y\in B}. Soit {A\subset\mathbb{Z}} fini. On cherche {B\subset A} sans somme avec {|B|\ge|A|/3}.
Question a) Montrer qu’il existe une infinité de premiers {p\equiv2\pmod3}.
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Question b) Écrire {p=3k+2} et supposer {A\subset[-k,k]}.

Montrer que {B\subset A} est sans somme si et seulement si son image modulo {p} l’est.

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Question c) Pour {x\in\mathbb{F}_p^\star}, montrer que {B_x=\left\{a\in A:x^{-1}\bar a\in\left\{k+1,\ldots,2k+1\right\}\right\}} est sans somme.
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Question d) Conclure.
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Exercice 15. (★★★) Théorème chinois ; Bézout ; Exponentielle complexe
Pour {f\in\mathbb{Z}[X]}, poser {S_q=\sum_{\substack{0\le a\lt q\\[4pt]\gcd(a,q)=1}} \sum_{n=0}^{q-1}\exp(2\pi i af(n)/q).}Montrer que {S_{qq'}=S_qS_{q'}} si {\gcd(q,q')=1}.
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Exercice 16. (★★★★) Module ; PPCM ; Interprétation géométrique
Une partie {X\subset\mathbb{C}} est dite intégrable si toutes les distances entre ses points sont entières.

Montrer que, pour tout {n\in\mathbb{N}}, il existe une telle partie de {n} points sur un même cercle.

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Exercice 17. (★★★) Polynômes à coefficients entiers ; Congruences ; Développement de l'exponentielle
Une suite entière {(a_n)_{n\ge1}} est un pseudo-polynôme si {m-n} divise {a_m-a_n}.
Question a) Montrer que {(P(n))} convient pour {P\in\mathbb{Z}[X]}.
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Question b) Montrer que {(\lfloor n!e\rfloor)} convient.
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Question c) Trouver {P\in\mathbb{Q}[X]\setminus\mathbb{Z}[X]} entier sur {\mathbb{Z}} dont les valeurs ne conviennent pas.
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Exercice 18. (★★★★★) Bézout ; Changements de bases ; Module
Soient {a,b,m,p\in\mathbb{N}} avec {a^2+b^2-pm=-1} et {A=\begin{pmatrix}p&a+ib\\[4pt]a-ib&m\end{pmatrix}}.

Existe-t-il {B\in\mathrm{GL}_2(\mathbb{Q}(i))} tel que {A=B^\starB} ?

Même question dans {\mathrm{GL}_2(\mathbb{Z}[i])}.

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Exercice 19. (★★★★) Matrices et applications linéaires ; Congruences ; Sous-groupes engendrés
Montrer que les matrices entières {\begin{pmatrix}a&b\\[4pt]c&d\end{pmatrix}} de déterminant {1} avec {a\equiv d\equiv1\pmod3}, {c\equiv0\pmod3}, forment le groupe engendré par {T=\begin{pmatrix}1&1\\[4pt]0&1\end{pmatrix}} et {U=\begin{pmatrix}1&0\\[4pt]3&1\end{pmatrix}}.
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Exercice 20. (★★★★) Déterminant d'une base ; Congruences ; Norme euclidienne
Soit {L=\mathbb{Z}e_1+\mathbb{Z}e_2} un réseau du plan et {\operatorname{Vol}(L)=|\det(e_1,e_2)|}.
Question a) Si un disque fermé {A} a une aire supérieure à ce volume, montrer qu’il contient deux points distincts dont la différence est dans {L}.
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Question b) En déduire un {\ell\in L\setminus\left\{0\right\}} avec {\lVert \ell\rVert\le(2+\varepsilon)\sqrt{\operatorname{Vol}(L)/\pi}}.
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Question c) Si {p\equiv1\pmod4} est premier, montrer d’abord que {\omega^2\equiv-1\pmod p} a une solution, puis que {p=a^2+b^2}.
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Exercice 21. (★★★★★) Nombres premiers ; Récurrences de dénombrement ; Racines de l'unité
Soit {I(\sigma)} le nombre d’inversions de {\sigma\in\mathfrak S_n}.
Question a) Montrer que {P_n(X)=\sum\limits_\sigma X^{I(\sigma)} =\prod\limits_{k=1}^{n-1}(1+X+\cdots+X^k)}.
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Question b) Exprimer {f(n)=\#\left\{\sigma:(n+1)\mid I(\sigma)\right\}} à l’aide de {P_n}.
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Question c) Montrer qu’il existe une infinité de premiers {p} pour lesquels {f(p-1)\lt (p-1)!/p}, et une infinité pour lesquels l’inégalité est inversée.
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Exercice 22. (★★) Décomposition en facteurs premiers ; Divisibilité ; Partie entière
On étend naturellement la valuation {2}-adique {v_2} à {\mathbb{Q}^\star}. Pour {n\ge1}, soit {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k}.

Calculer {v_2(H_n)}.

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Exercice 23. (★★★★) Identification des coefficients ; Coefficients binomiaux ; Congruences
Soient {m,n,p\in\mathbb{N}^\star}, avec {p\ge5} premier et {\gcd(m,p)=1}.
Question 1) Montrer {\binom{np}m\equiv0\pmod p}.
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Question 2) Montrer {\binom{np}{mp}=\sum\limits_{k=0}^p\binom{p(n-1)}{mp-k}\binom pk}.
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Question 3) Montrer {\binom{np}{mp}\equiv\binom nm\pmod{p^2}}.
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Question 4) Montrer {\binom{p-1}{k-1}\equiv\pm1\pmod p} pour {1\le k\le p}.
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Question 5) Montrer {\sum\limits_{k=1}^{p-1}((p-1)!/k)^2\equiv0\pmod p}.
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Question 6) En déduire {\binom{2p}p\equiv2\pmod{p^3}}.
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Exercice 24. (★★★) Racines ; Congruences ; Éléments inversibles
Soit {p} un nombre premier impair.
Question 1) Déterminer le cardinal des carrés non nuls de {\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}}.
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Question 2) Montrer {a^{(p-1)/2}\equiv1\pmod p} si et seulement si {a} est un carré non nul modulo {p}.
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Question 3) Pour {a=\prod\limits_{k=1}^{(p-1)/2}(2k)}, montrer {a\equiv(-1)^{(p-1)/4}((p-1)/2)!\pmod p} si {p\equiv1\pmod4}, et {a\equiv(-1)^{(p+1)/4}((p-1)/2)!\pmod p} si {p\equiv-1\pmod4}.
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Exercice 25. (★★★★) PGCD ; Congruences ; Factorisation
On considère {2^a+3^b=5^c}, où {(a,b,c)\in\mathbb{N}^3}.
Question 1) Résoudre dans le cas {a=b=c}.
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Question 2) Traiter le cas {b} impair.
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Question 3) Traiter le cas {c} impair.
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Question 4) Traiter le cas général.
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Exercice 26. (★★★★) Congruences ; Sous-groupes ; Sommes géométriques
Soit {p} premier impair.
Question 1) Donner le cardinal de {(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\star}.
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Question 2) Montrer que {x^2=1} a exactement deux solutions et en déduire le nombre de carrés dans {\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}}.
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Question 3) Soit {\chi(n)} égal à zéro si {p\mid n}, à un si {n} est un carré non nul modulo {p}, à {-1} sinon.

Montrer {\chi(ab)=\chi(a)\chi(b)}.

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Question 4) Calculer {\sum\limits_{k=0}^{p-1}\chi(k)} et majorer {|\sum\limits_{k=0}^N\chi(k)|}.
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Question 5) Avec {\xi=e^{2i\pi/p}}, montrer {\chi(n)=\frac1p\sum\limits_{k=0}^{p-1}\sum\limits_{a=0}^{p-1}\chi(a)\xi^{k(a-n)}}.
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Question 6) Pour {1\le k\lt p}, poser {S_k(N)=\sum\limits_{n=0}^N\xi^{-kn}}.

Montrer {|S_k(N)|\le1/|\sin(k\pi/p)|}, puis {|S_k(N)|\le p/(2k)} si {k\lt p/2}, et donner une borne similaire si {k>p/2}.

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Question 7) Pour {G_k=\sum\limits_{a=0}^{p-1}\chi(a)\xi^{ka}}, montrer {|G_k|=\sqrt p}.
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Exercice 27. (★★★★) Théorème de Lagrange ; Congruences ; Multiplicativité
Déterminer les matrices {A\in GL_n(\mathbb{R})} telles que, pour tout entier {k\ge2}, il existe {M\in M_n(\mathbb{Z})} avec {A=M^k}.
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Exercice 28. (★★★★★) Trace ; Congruences ; Décomposition en orbites
Soit {u_0=4}, {u_1=u_2=0}, {u_3=3} et {u_{n+4}=u_n+u_{n+1}} pour tout {n\in\mathbb{N}}.

Montrer que tout nombre premier {p} divise {u_p}.

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Exercice 29. (★★★) Algorithme d'Euclide ; PGCD ; Récurrences linéaires du second ordre
Soit {F_0=0}, {F_1=1} et {F_{n+2}=F_{n+1}+F_n} pour {n\ge0}.
Question a) Exprimer {F_n} en fonction de {n}.
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Question b) Montrer {F_{p+q}=F_pF_{q+1}+F_{p-1}F_q} pour {(p,q)\in\mathbb{N}^\star\times\mathbb{N}}.
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Question c) Calculer {F_m\wedge F_n} pour {m,n\ge0}.
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Exercice 30. (★★★★) Diviseurs ; Décomposition en facteurs premiers ; Domination
On note {d_n} le nombre de diviseurs de {n\in\mathbb{N}^\star}.

Montrer {d_n=O(n^\varepsilon)} pour tout {\varepsilon>0}.

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Exercice 31. (★★★★) Nombres premiers ; Ordre d'un élément ; Congruences
Question a) Montrer qu’il existe une infinité de nombres premiers congrus à {3} modulo {4}.
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Question b) Soient {p} premier, {n\ge2} et {k=((np)^p-1)/(np-1)}.

i) Montrer {k\equiv1\pmod p}.

ii) Montrer que tout diviseur positif {d} de {k} vérifie {d\equiv1\pmod p}.

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Question c) Montrer qu’il existe une infinité de nombres premiers congrus à {1} modulo tout nombre premier {p}.
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Exercice 32. (★★★★) Division euclidienne ; Théorème chinois ; Congruences
Soit {r\ge2} entier.
Question a) Montrer que chaque {n\in\mathbb{N}} possède une unique suite presque nulle {(a_{k,r}(n))_{k\ge0}} telle que {n=\sum\limits_{k\ge0}a_{k,r}(n)r^k} et {a_{k,r}(n)\in[[0,r-1]]}.
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Question b) Pour {k} fixé, montrer que {(a_{k,r}(n))_{n\ge1}} est périodique et trouver sa période.
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Question c) Montrer que {(a_{k,r}(n^n))_{n\ge1}} est périodique à partir d’un certain rang.
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Exercice 33. (★★★★★) Structures Algébriques ; Matrices par blocs ; Congruences
Soit {A} un anneau commutatif et {\Sigma_n(A)=\left\{c_1^2+\cdots+c_n^2:(c_1,\ldots,c_n)\in A^n\right\}} pour {n\ge1}.
Question a) Montrer que {\Sigma_2(A)} est stable par multiplication.
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Question b) Est-ce toujours le cas de {\Sigma_3(A)} ?
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Question c) Supposons que {A} soit un corps de caractéristique différente de {2} et que {n} soit une puissance de {2}.

Pour {c_1,\ldots,c_n\in A}, {s=\sum\limits c_k^2}, construire {M\in M_n(A)} de première ligne {(c_1,\ldots,c_n)} telle que {MM^T=M^TM=sI_n}.

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Question d) En déduire que {\Sigma_{2^n}(A)} est stable par multiplication.
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Exercice 34. (★★★★★) Degré ; Divisibilité ; Décomposition en facteurs premiers
Soient {f,g\in\mathbb{Q}[X]} tels que {f(\mathbb{Q})=g(\mathbb{Q})}.

Montrer que {\deg f=\deg g}.

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Exercice 35. (★★★★★) Bézout ; Congruences ; Bases de polynômes
Soit {I=\left\{P\in\mathbb{C}[X]:P(n)\in\mathbb{Z}\text{ pour tout }n\in\mathbb{Z}\right\}}, {H_0=1} et {H_n=X(X-1)\cdots(X-n+1)/n!} pour {n\ge1}. On pose {\Delta P=P(X+1)-P(X)} et {D_n(P)=\Delta^nP(0)}.
Question a) Montrer que {(H_n)_{n\ge0}} est une base de {\mathbb{C}[X]}.
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Question b) Montrer {H_n\in I}.
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Question c) Montrer {\Delta H_n=H_{n-1}} pour {n\ge1}.
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Question d) Montrer {I\subset\mathbb{Q}[X]}.
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Question e) Montrer {I=\left\{\sum\limits_{i=0}^na_iH_i:n\in\mathbb{N},\ (a_0,\ldots,a_n)\in\mathbb{Z}^{n+1}\right\}}.
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Question f) Si {P_1,P_2\in I} et {P_1(n),P_2(n)} sont premiers entre eux pour tout entier {n}, montrer qu’il existe {U_1,U_2\in I} avec {U_1P_1+U_2P_2=1}.
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Exercice 36. (★★★★) PGCD ; Descente infinie ; Congruences
Montrer qu’il n’existe aucun triangle rectangle dont les longueurs des côtés appartiennent à {\mathbb{N}^\star} et dont l’aire est un carré parfait non nul.
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PSI


Exercice 1. (★★) entiers premiers entre eux ; racines de l’unité ; Indépendance d’événements
Soit {n\ge2}, de décomposition {n=p_1^{s_1}\cdots p_r^{s_r}}. On munit {\Omega=\left\{1,\ldots,n\right\}} de la loi uniforme. Pour tout diviseur {d} de {n}, on note {A_d=\left\{kd:1\le k\le n/d\right\}}.
a)

i) Si {d,d'} sont premiers entre eux, montrer que {A_d\cap A_{d'}=A_{dd'}} et en déduire leur indépendance.

ii) Poser {B=\left\{k\in\Omega:\gcd(k,n)=1\right\}}.

Exprimer {B} en fonction des {A_{p_i}}, puis calculer {P(B)} et {|B|}, cette dernière valeur étant notée {\varphi(n)}.

iii) Pour {m,n} premiers entre eux, montrer {\varphi(mn)=\varphi(m)\varphi(n)}.

b) On note {U=\bigcup_{n\in\mathbb{N}}U_n}, où {U_n} est l’ensemble des racines {n}-ièmes de l’unité, et {n_z=\inf\left\{n\in\mathbb{N}:z\in U_n\right\}} pour {z\in U}.

i) Montrer que tout complexe de module {1} est limite d’une suite d’éléments de {U}.

ii) Pour {m} entier naturel, poser {P_m=\left\{z\in U:n_z=m\right\}}.

Montrer que {|P_m|=\varphi(m)} et que {P_m\cap P_n=\varnothing} si {m\ne n}.

iii) Montrer que {U=\bigcup_{m\in\mathbb{N}}P_m}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.