Arithmétique dans ℤ et dans K[X] — Polytechnique

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

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) Corps finis ; Cardinal ; Congruences
Une partie {X} d’un groupe abélien est sans somme si {x+y\notin X} pour tous {x,y\in X}.
1) Si {p=3k+2} est premier, {k\ge1}, montrer que {\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}} contient une partie sans somme de cardinal {k+1}.
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2) Pour deux parties {A,B} d’un corps fini {K}, calculer {\sum\limits_{x\in K^\star}|A\cap xB|}.
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3) Si {A} est une partie finie non vide de {\mathbb{Z}^\star}, montrer qu’elle contient une partie sans somme de cardinal strictement supérieur à {|A|/3}.
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Exercice 2. (★★★★) Exponentielle complexe ; Congruences ; Irréductibilité
Soit {d>0}. Pour {a\not\equiv\pi/2\pmod\pi}, posons {T_a=\begin{pmatrix}1&d^{-1/4}\tan a\\[4pt]-d^{1/4}\tan a&1\end{pmatrix}.}
1) Donner une relation entre {T_aT_b} et {T_{a+b}}.
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2) Si {d\ge2} est un entier sans facteur carré, {p,q} sont premiers entre eux, {p\ne0}, et {q\ge3} est impair, montrer que {d^{-1/4}\tan(\pi p/q)} est irrationnel.
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Exercice 3. (★★★★) Nombres premiers ; Congruences ; Bijections
Soit {p} premier congru à {1} modulo {4} et {S=\left\{(a,b,c)\in\mathbb{N}^\star\times\mathbb{N}^\star\times\mathbb{Z}^\star:4ab+c^2=p\right\}.}Posons {S_1=\left\{(a,b,c)\in S:a>b+c\right\}} et {S_2=\left\{(a,b,c)\in S:a\lt b+c\right\}}.
1) Montrer que {S} est fini non vide.
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2) Montrer que {S=S_1\sqcup S_2} et {|S_1|=|S_2|}.
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3) À l’aide de {g(a,b,c)=(a-b-c,b,-2b-c)} sur {S_1}, montrer que {|S_1|} est impair.
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4) À l’aide de {S_0=\left\{(a,b,c)\in S:a\ne b\right\}}, montrer que {p} est somme de deux carrés.
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5) Montrer qu’un premier impair somme de deux carrés est congru à {1} modulo {4}.
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6) Montrer qu’un entier naturel non nul dont tous les diviseurs premiers sont congrus à {1} modulo {4} est somme de deux carrés.
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Exercice 4. (★★★) Congruences ; Suites récurrentes ; Périodicité
Soient {a,c,m\in\mathbb{N}}, {m>1}, et {x_0=0}, {x_{n+1}=ax_n+\overline c} dans {\mathbb{Z}/m\mathbb{Z}}.
1) Montrer que {(x_n)} est finalement périodique.
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2) Si elle est {m}-périodique à partir d’un certain rang et {m} est une puissance d’un premier {p}, montrer que {a\equiv1\pmod p} et {\gcd(c,p)=1}.
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3) Pour {p} impair et {a\equiv1\pmod p}, montrer que {P(a)}, où {P=\sum\limits_{k=0}^{p-1}X^k}, est divisible par {p} mais pas par {p^2}.
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Exercice 5. (★★★) Nombres premiers ; Ordre d'un élément ; Congruences
Soient {p\ge3} premier, {t\ge1} et {p_1,\ldots,p_r} des premiers congrus à {1} modulo {p^t}. Posons {a=2p_1\cdots p_r}, {c=a^{p^{t-1}}} et {m=1+c+\cdots+c^{p-1}}.
1) Montrer que {c\equiv2\pmod p}.
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2) Montrer que {\gcd(m,c-1)=1}.
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3) Si {q} est un facteur premier de {m}, montrer que {q\equiv1\pmod{p^t}}.
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4) En déduire l’infinitude des premiers congrus à {1} modulo {p^t}.
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Exercice 6. (★★★) Factorisation ; Congruences ; Irréductibilité
1) Décomposer {X^5-1} en irréductibles de {\mathbb{Q}[X]}.

2) Plus généralement, faire de même pour {X^p-1} lorsque {p} est premier.

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Exercice 7. (★★★) Congruences ; Inversibilité
Soit {n} pair et {M\in\mathcal M_n(\mathbb{R})} à diagonale nulle, dont tous les autres coefficients valent {1} ou {-1}.

Montrer que {M} est inversible.

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Exercice 8. (★★★) Congruences ; Récurrence ; Invariants
Une urne contient des boules bleues, rouges et noires. À chaque étape, on retire deux boules de couleurs différentes et on ajoute une boule de la troisième couleur.
1) Si le procédé finit avec une seule boule, montrer que sa couleur est déterminée par l’état initial.

2) À quelle condition peut-on finir avec une seule boule ?

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Exercice 9. (★★★★) Espérance, variance et covariance ; Irréductibilité ; Congruences
Sur un ensemble fini non vide {A} muni de la loi uniforme, soient {(A_q)_{q\in Q}} et {X_q=\mathbf1_{A_q}}. Supposons {\mathbb E(X_q)=\delta_q+\varepsilon_q} et {\mathbb E(X_qX_{q'})=\varepsilon_{q,q'}} pour {q\ne q'}. Posons {X=\sum\limits_qX_q}, {\Delta=\sum\limits_q\delta_q}, {\varepsilon=\sum\limits_q\varepsilon_q}, et {\varepsilon_{q,q}=\varepsilon_q}.
1) Montrer que {\mathbb E((X-\Delta)^2)=\sum_q\delta_q(1-\delta_q) +\sum_{q,q'}\varepsilon_{q,q'}-\sum_{q\ne q'}\delta_q\delta_{q'}-2\Delta\varepsilon.}
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2) Si {\delta_q\in[0,1]}, montrer, lorsque {\Delta>0}, que {\frac{|A\setminus\bigcup_qA_q|}{|A|} \le\frac1\Delta+\frac2\Delta\sum_q|\varepsilon_q| +\frac1{\Delta^2}\sum_{q,q'}|\varepsilon_{q,q'}|.}
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3) Si {P\in\mathbb{Z}[X]} est unitaire et sa réduction modulo un premier {p} est irréductible, montrer que {P} est irréductible dans {\mathbb{Z}[X]}.
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4) Pour {Q\in\mathbb{F}_p[X]} unitaire de degré {n}, soit {r_k} le nombre de polynômes entiers unitaires de degré {n}, à coefficients de module au plus {k}, se réduisant en {Q}.

Montrer que {r_k=(2k)^n/p^n+O(k^{n-1})}.

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Exercice 10. (★★★) Coefficients binomiaux ; Écriture binaire ; Divisibilité
Soient {e_r>\cdots>e_1\ge0} des entiers, {n=\sum\limits_{j=1}^r2^{e_j}} et {X=\left\{s\in\mathbb{N}:2^s\mid n!\right\}}.
a) Montrer que {\max X=n-r}.
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b) Montrer que le nombre de {k} tels que {\binom nk} soit impair est {2^r}.
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Exercice 11. (★★★★) Descente ; Équations diophantiennes ; Récurrence
a) Montrer que {a^2-2b^2=1} admet une infinité de solutions {(a,b)\in\mathbb{N}^2} et déterminer toutes les solutions.
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b) Que dire de {a^2-2b^2=-1} ?
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Exercice 12. (★★★) Formule du binôme ; Congruences ; Numération en base p
Soit {p} premier.

Trouver les {n\in\mathbb{N}} tels que {(X+Y)^n\equiv X^n+Y^n\pmod p}.

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Exercice 13. (★★★) Identification des coefficients ; Polynômes et fractions rationnelles ; Congruences
Pour {P,Q\in\mathbb{Z}[X,Y]}, {P\equiv Q\pmod p} signifie que tous les coefficients de {P-Q} sont divisibles par le premier {p}.
a) Donner {P\in\mathbb{Z}[T]} tel que {P(XY)\equiv P(X)P(Y)}, {P\not\equiv T} et {P\not\equiv0}.
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b) Donner un tel {P} qui vérifie aussi {P(X+Y)\equiv P(X)+P(Y)}.
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c) Déterminer tous les polynômes satisfaisant les deux identités.
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Exercice 14. (★★★★) Polynômes et fractions rationnelles ; Bézout ; Divisibilité
a) Pour des entiers {N_1,\ldots,N_r} deux à deux premiers entre eux et des entiers {f_i}, montrer qu’il existe {F} tel que {F\equiv f_i\pmod{N_i}} pour tout {i}.

b) Montrer l’analogue dans {\mathbb{C}[X]} pour des polynômes {N_i} deux à deux premiers entre eux.

c) Pour {f,g\in\mathbb{C}[X]} premiers entre eux et {n\ge1}, montrer qu’il existe {h} tel que {g\mid h^n-f}.

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Exercice 15. (★★★★) Formule du binôme ; Congruences ; Puissances de matrices
Soient {R\in\mathcal M_n(\mathbb{Z})} non nulle et {M=I_n+3R}.

Montrer que {M^k\ne I_n} pour tout {k\ge1}.

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Exercice 16. (★★) Développements limités ; Partie entière ; Parité
Soient {a,b,c} des entiers strictement positifs.

Montrer qu’il existe {n\ge1} tel que {\sqrt{n^4+an^2+bn+c}\notin\mathbb{N}}.

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Exercice 17. (★★★) Nombres premiers ; Coefficients binomiaux ; Domination
Pour {x\ge1}, poser {\Theta(x)=\sum\limits_{p\le x,\ p\text{ premier}}\ln p}.

Montrer que {\Theta(x)=O(x)}.

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Exercice 18. (★★★) Numération décimale ; Ordre d'un élément ; Congruences
1) Soit {n>1} premier avec {10}.

Montrer qu’il possède un multiple dont l’écriture décimale ne contient que des {9}.

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2) On observe les périodes {142857} de {1/7}, {285714} de {2/7}, et {076923} de {1/13}, avec {142+857=999}, {285+714=999}, {076+923=999}. Expliquer.
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Exercice 19. (★★★) Décomposition en facteurs premiers ; Divisibilité ; Parité
Pour {r\in\mathbb{Q}^\star}, écrit {r=2^ka/b} avec {a,b} impairs, on pose {v_2(r)=k}. On admet les propriétés {v_2(xy)=v_2(x)+v_2(y)} et, si {x+y\ne0}, {v_2(x+y)\ge\min(v_2(x),v_2(y))}, avec égalité si les deux valuations diffèrent. Posons {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k}.
1) Montrer que {H_n\notin\mathbb{Z}} pour {n>1}.
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2) Montrer que {v_2(H_n-H_m)\lt 0} si {1\le m\le n-2}.
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3) Démontrer les propriétés admises.
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4) La deuxième question s’adapte-t-elle à la valuation {3}-adique ?
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Exercice 20. (★★) Nombres premiers ; Théorème chinois ; Congruences
Quels sont les {m\in\mathbb{N}^\star} tels qu’il existe {m} entiers positifs consécutifs tous divisibles par des cubes d’entiers supérieurs à {1} ?
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Exercice 21. (★★) Division euclidienne ; Parité ; Descente
Montrer que tout {n\in\mathbb{Z}} s’écrit {\sum\limits_{k=0}^N\varepsilon_k(-2)^k}, avec {N\ge0} et {\varepsilon_k\in\left\{0,1\right\}}.
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Exercice 22. (★★★★) Congruences ; Sous-groupes ; Double comptage
Soit {p} premier, {p\equiv3\pmod4}, et {L} l’ensemble des carrés non nuls de {\mathbb{F}_p}.
1) Montrer que {|L|=(p-1)/2}.
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2) Montrer que {x\in L} implique {-x\notin L}.
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3) Pour {x\ne0}, calculer le nombre de {(\ell_1,\ell_2)\in L^2} tels que {x=\ell_1-\ell_2}.
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Exercice 23. (★★★) Raisonnement et ensembles ; Congruences ; Double comptage
Soit {p} premier impair.
1) Dénombrer les {(x,y)\in\mathbb{F}_p^2} tels que {x^2+y^2=1}.

2) Pour {z\in\mathbb{F}_p^\star}, dénombrer les solutions de {x^2+y^2=z}.

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Exercice 24. (★★★★) Congruences ; PGCD ; Factorisation
Soit {p} premier impair tel que {q=2p+1} soit premier. Supposons que {x^p+y^p+z^p=0}, où {x,y,z\in\mathbb{Z}} sont premiers entre eux deux à deux et aucun n’est divisible par {p}.
1) Montrer que {q} divise l’un des trois entiers.
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2) Montrer qu’il existe {a,b,c\in\mathbb{Z}} tels que {y+z=a^p}, {x+y=b^p}, {x+z=c^p}.
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3) Conclure à une contradiction.
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Exercice 25. (★★★★) Nombres premiers ; Involutions ; Parité
Soit {p} premier, {p\equiv1\pmod4}, et {S=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{N}^3:p=x^2+4yz\right\}}. Définissons {f(x,y,z)=\begin{cases} (x+2z,z,-x+y-z),&x\lt y-z,\\[4pt] (2y-x,y,x-y+z),&y-z\lt x\lt 2y,\\[4pt] (x-2y,x-y+z,y),&x>2y. \end{cases}}Montrer que {f} est une involution de {S}.

En déduire que {p=u^2+v^2} pour deux entiers naturels {u,v}.

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Exercice 26. (★★★★) Congruences ; Principe des tiroirs ; Numération
Soit {d\in\mathbb{Z}\setminus\left\{0\right\}}. On considère {x^2-dy^2=1}, avec {(x,y)\in\mathbb{Z}^2}.
1) Traiter les cas {d\lt 0} et {d=k^2}.
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2) Pour {d>0} non carré et une solution non triviale {(x_0,y_0)\in\mathbb{N}^2}, poser {z=x_0+\sqrt d\,y_0}.

Montrer que {z^{n+1}=x_n+\sqrt d\,y_n} pour un unique couple d’entiers naturels {(x_n,y_n)}.

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3) En déduire qu’une solution non triviale en donne une infinité.
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4) Pour {x\in\mathbb{R}} et {n\ge1}, montrer qu’il existe {(p,q)\in\mathbb{Z}^2} tel que {|p-qx|\lt 1/n}.
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5) Montrer qu’il existe une infinité de {(p,q)\in\mathbb{Z}\times \mathbb{N}^\star} tels que {|p-qx|\lt 1/q}.
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6) Montrer que, pour un certain {K}, il existe une infinité de couples {(p,q)} tels que {|p^2-dq^2|\lt K}.
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7) Conclure à l’existence de solutions non triviales.
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Exercice 27. (★★★★) Congruences ; Sommes géométriques ; Domination
Pour {p} premier impair, soit {\chi} le caractère quadratique sur {\mathbb{F}_p}, prolongé par {\chi(0)=0}, et {g_p(t)=\sum\limits_{x\in\mathbb{F}_p}\chi(tx)e^{2\pi ix/p}}.
1) Pour {0\lt a\lt b\lt p}, montrer que {g_p(1)\sum_{n=a}^{b-1}\chi(n) =\sum_{x\in\mathbb{F}_p}\chi(x)\sum_{t=a}^{b-1}e^{2\pi itx/p}.}On admet {|g_p(1)|=\sqrt p}.
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2) Montrer qu’une constante absolue {M} vérifie, pour {0\le a\lt b\lt p}, {\#\left\{k\in\left\{a,\ldots,b-1\right\}:k\text{ est un carré modulo }p\right\} =\frac{b-a}{2}+u_{p,a,b},\qquad |u_{p,a,b}|\le M\sqrt p\log p.}
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Exercice 28. (★★★) Ordre d'un élément ; Structures Algébriques ; Racines de l'unité
Un groupe {G} est un {p}-groupe si l’ordre de chacun de ses éléments est une puissance du premier {p}. Il est {k}-divisible si tout élément possède une racine {k}-ième.
1) Montrer qu’un {p}-groupe non trivial et {p}-divisible est infini.
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2) Donner un exemple.
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3) Montrer qu’il est alors {k}-divisible pour tout {k\ge1}.
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Exercice 29. (★★) Rationalité ; Module ; Interprétation géométrique
1) Pour {z} sur le cercle unité, {z\ne i}, soit {f(z)} l’intersection de l’axe réel avec la droite passant par {z} et {i}.

Montrer que {f(z)\in\mathbb{Q}} si et seulement si {z\in\mathbb{Q}(i)}.

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2) Montrer qu’il existe une infinité de triplets entiers non proportionnels {(a,b,c)} tels que {a^2+b^2=c^2}.
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Exercice 30. (★★★) Divisibilité ; PGCD ; Interpolation
Soient {n\in\mathbb{N}}, {P\in\mathbb{Z}[X]} de degré au plus {n}, et {\Delta=\gcd(P(0),\ldots,P(n))}.

Montrer que {\Delta} divise {P(k)} pour tout {k\in\mathbb{Z}}.

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Exercice 31. (★★★★) Matrices orthogonales ; Congruences ; Calcul dans Z/pZ
Pour {n\ge1}, soit {H_n=\left\{M\in M_n(\left\{-1,1\right\}):M^{\mathsf T}M=nI_n\right\}}.
1) Déterminer {H_1,H_2,H_3}.
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2) Si {n\ge4} et {H_n\ne\varnothing}, montrer que {4\mid n}.
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3) À partir de {A\in H_n}, construire une matrice de {H_{2n}}.
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4) Pour {p} premier congru à {3} modulo {4}, montrer {H_{p+1}\ne\varnothing}.
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Exercice 32. (★★★★) Décomposition en facteurs premiers ; Congruences ; Densité
1) Si {a,b\ge1} sont premiers entre eux, montrer que tout entier assez grand s’écrit {au+bv}, avec {u,v\in\mathbb{N}}.
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2) Soit {(s_n)} strictement croissante dans {\mathbb{N}\setminus\left\{0,1\right\}}, et supposons {S=\left\{s_n:n\ge1\right\}} stable par produit.

Montrer que {s_{n+1}/s_n\to1} si et seulement si deux éléments de {S} ont des logarithmes de quotient irrationnel.

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Exercice 33. (★★★★) Produit de Cauchy ; Calcul modulo un nombre premier ; Séries entières
Une série formelle à coefficients entiers est primitive si aucun entier {d>1} ne divise tous ses coefficients.
1) Montrer que le produit de Cauchy de deux séries primitives est primitif.
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2) Soit {F(z)=\sum\limits_{n\ge0}c_nz^n}, {c_n\in\mathbb{Z}}, égale près de {0} à {P(z)/Q(z)} avec {P,Q\in\mathbb{C}[X]} premiers entre eux et {Q(0)=1}.

Montrer que {P,Q\in\mathbb{Q}[X]}.

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Exercice 34. (★★★★) Racines du second degré ; Descente infinie ; Divisibilité
On étudie {x^2+y^2=N(1+xy)} dans {\mathbb{Z}^2}, pour {N\in\mathbb{N}}.
a) Traiter {x=y}, {N=0}, {N=1}.
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b) Si {N\ge2} et {x\ne y}, montrer qu’on peut se ramener à {x>y\ge0}.

Trouver {z\in\mathbb{Z}} tel que {(y,z)} soit solution et {y>z}.

En déduire que {N} est un carré parfait.

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c) Adapter la méthode à {x^2+y^2=-N(1+xy)} et trouver tous les couples solutions.
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Exercice 35. (★★★★) Nombres premiers ; Congruences ; Divisibilité
Soient {a\ge2} entier et {P=X^2+X+a}. On suppose {P(n)} premier pour {0\le n\le a-1}.

Pour {1\le k\le a-2} :

a) montrer que {k+1} carré implique {P(a+k)} composé ;
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b) démontrer la réciproque. Indication : montrer que le plus petit diviseur premier {p} de {P(a+k)} est au moins {a}, puis que {P(a+k-p)=p}.
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Exercice 36. (★★★★★) Congruences ; Décomposition en facteurs premiers ; Densité
a) Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} de classe {C^1}, {1}-périodique.

Supposons qu’il existe {a\notin\mathbb{Q}} et {y\in\mathbb{R}} tels que {\sum_{k=0}^nf(x+ka)\le\sum_{k=0}^nf(y+ka)\quad(x\in\mathbb{R},n\in\mathbb{N}).}Montrer que {f} est constante.

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b) Pour {p} premier et {n\ge1}, déterminer la valuation {p}-adique de {n!}.
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c) Pour {m,k\ge1}, montrer que {\prod\limits_{j=1}^m\binom{2jk}{jk}/\prod\limits_{j=1}^m\binom{2j}{j}} est entier.
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Exercice 37. (★★★★) Séries entières ; Congruences ; Surjections
Pour deux séries {\sum\limits_{n\ge0}a_nz^n/n!}, {\sum\limits_{n\ge0}b_nz^n/n!} à coefficients exponentiels entiers, la congruence modulo {m} signifie {a_n\equiv b_n\pmod m} pour tout {n\ge0}.
a) Pour {p} premier, montrer {(e^z-1)^{p-1}\equiv-\sum\limits_{n\ge0}z^{n(p-1)}/(n(p-1))!\pmod p}.
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b) Pour {m\ge4} composé, montrer {m\mid(m-1)!} et {(e^z-1)^{m-1}\equiv0\pmod m}.
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Exercice 38. (★★★) Trace ; Congruences ; Décomposition en orbites
Pour {p} premier et {A,B\in M_n(\mathbb{Z})}, montrer {\operatorname{tr}((A+B)^p)\equiv\operatorname{tr}(A^p)+\operatorname{tr}(B^p)\pmod p.}
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Exercice 39. (★★★★★) Comparaison d'aires ; Racines de l'unité ; Congruences
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {u_n=|\left\{(p,q)\in\mathbb{N}^2:p^2+q^2=n\right\}|}.
a) Déterminer {\lim_{n\to\infty}n^{-1}\sum\limits_{k=0}^nu_k}.
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b) Étudier la convergence de {(u_n)}.
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c) Montrer qu’elle n’est pas bornée.
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Exercice 40. (★★★★) Décomposition en facteurs premiers ; Sommes finies ; Formule de Stirling
** Soit {\mathcal P} l’ensemble des premiers. Posons {\Psi(x)=\sum\limits_{p\in\mathcal P,\ r\ge1,\ p^r\le x}\ln p} et {T(x)=\sum\limits_{1\le n\le x}\Psi(x/n)}.
a) Montrer {T(x)=\sum\limits_{1\le n\le x}\ln n=x\ln x-x+O(\ln x)}.
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b) Montrer {T(x)-2T(x/2)=\sum\limits_{n\le x}(-1)^{n-1}\Psi(x/n)=x\ln2+O(\ln x)}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.