TE. Arithmétique : Petit théorème de Fermat

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Petit théorème de Fermat

p désigne un nombre premier et a un nombre entier naturel non divisible par p.

Alors a^{p-1}-1 est divisible par p , c’est-à-dire que a^{p-1}\equiv1[p].

Exemple n°1

On considère l’équation (E) 5x\equiv 28[31]

1.Justifier que 5^{30}\equiv 1[31]

31 est premier et 5 n’est pas divisible par 31.

On applique le petit théorème de Fermat.

On remplace p par 31 et a par 5 dans a^{p-1}\equiv1[p].

5^{31-1}\equiv 1[31]

5^{30}\equiv 1[31]

2. En déduire une solution particulière x_0 de l’équation (E) telle que 0\leq x_0\leq 30.

On remarquera que 5^{3}\equiv 1[31].

D’après la question 1, 5^{30}\equiv 1[31]

28\times 5^{30}\equiv 28\times1[31]

28\times 5 \times 5^{29}\equiv 28[31]

5\times 28 \times 5^{29}\equiv 28[31]

Donc 28\times 5^{29} est une solution de (E).

Cette solution n’est pas comprise entre 0 et 30.

Comme 5^{3}\equiv 1[31]

(5^{3})^9\equiv 1^9[31]

5^{27}\equiv 1[31]

5^{27}\times 5^{2} \equiv 1\times 5^{2}[31]

5^{29} \equiv 5^{2}[31]

28\times 5^{29} \equiv 28\times 5^{2}[31]

28\times 5^{29} \equiv 28\times 25[31]

28\times 5^{29} \equiv 700[31]

Comme 700=31\times 22+18

700 \equiv 18[31]

Donc 28\times 5^{29} \equiv 18[31]

Ainsi x_0=18.

3. Résoudre alors l’équation (E). 

On cherche pour quelles valeurs de x , la congruence

5x\equiv 28[31] est vérifiée.

5\times 18\equiv 28[31] car on a prouvé précédemment que 18 est solution de (E).

On soustrait les deux congruences.

5x-5\times 18\equiv 28-28[31]

5(x-18)\equiv 0[31]

Comme 5 et 31 sont premiers entre eux

x-18\equiv 0[31]

Donc x-18 est divisible par 31

Donc x-18=31k avec k\in \mathbf{Z}

Les solutions de (E) sont :x=31k+18 avec k\in \mathbf{Z}

Exercice n°1

On considère l’équation (E) 6x\equiv 32[37]

1.Justifier que 6^{36}\equiv 1[37]

2. En déduire une solution particulière x_0 de l’équation (E) telle que 0\leq x_0\leq 36.

On remarquera que 6^{4}\equiv 1[37].

3. Résoudre alors l’équation (E).

Exercice n°2

Montrer que pour tout entier naturel n , le nombre 3^{6n}-1 est divisible par 7.

Conséquence

p désigne un nombre premier et a un nombre entier naturel.

Alors a^{p}-a est divisible par p , c’est-à-dire que a^{p}\equiv {a}[p].

Exemple n°2

Montrer que pour tout entier naturel n , le nombre n^{13}-n est divisible par 26.

1.On montre d’abord que le nombre n^{13}-n est divisible par 13 en utilisant la conséquence du petit théorème de Fermat.

13 est premier.

On remplace p par 13 et a par n dans a^{p}-a est divisible par p.

n^{13}-n est divisible par 13

2.On montre ensuite que le nombre n^{13}-n est divisible par 2.

Soit n est pair,  alors n\equiv 0[2] et donc n^{13}\equiv 0[2].

Soit n est impair, alors n\equiv 1[2] et donc n^{13}\equiv 1[2].

Comme n\equiv 1[2] et n^{13}\equiv 1[2], alors n^{13}\equiv n[2] et donc n^{13}-n\equiv 0[2] ce qui signifie que n^{13}-n est divisible par 2.

3.On conclut.

2 et 13 divisent n^{13}-n et 2 et 13 sont premiers entre eux donc, d’après le théorème de Gauss, 26 ( 2\times 13 ) divise n^{13}-n.

Exercice n°3

Montrer que pour tout entier naturel n , le nombre n^5-n est divisible par 5.

Exercice n°4

Montrer que pour tout entier naturel n , le nombre n^7-n est divisible par 21.

Exercice n°5

Montrer que pour tout entier naturel n , le nombre n^{11}-n est divisible par 33.

Exercice n°6

p est un nombre premier différent de 3.

Montrer que pour tout entier naturel n , le nombre 3^{n+p}-3^{n+1} est divisible par p.