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A.6 · Congruences, divisibilité et fonctions arithmétiques

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Sujet 12

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Champ d'application et prérequis

Préparation GRE niveau universitaire. Objectifs locaux dans le périmètre ETS examiné ; il s'agit d'un enseignement original, pas d'un test officiel ni d'un prédicteur de score.

Prérequis : Algorithme d'Euclide, facteurs premiers et arithmétique modulaire.

  • Résoudre les congruences linéaires en utilisant les conditions sur le pgcd
  • Combiner des congruences de modules premiers entre eux avec le théorème chinois des restes
  • Appliquer le théorème d'Euler uniquement aux résidus inversibles
  • Utiliser la divisibilité par puissance de premier pour trouver les entiers admissibles minimaux

congruence : Égalité de résidus parce que le module divise leur différence.

totient : Le nombre de résidus premiers avec l'entier positif module.

Vocabulaire Entrainer
English Français
congruence/ˈkɒŋɡruːəns/ congruence
totient/ˈtəʊʃənt/ fonction entotiente
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Choisir et justifier une méthode

L'équation ax≡b modulo n admet une solution exactement lorsque d=pgcd(a,n) divise b. Si tel est le cas, diviser a, b et n par d pour obtenir une équation à coefficient inversible. Elle possède une solution de résidu modulo n/d et d solutions distinctes modulo n. Diviser le coefficient tout en conservant le module original conduit généralement à perdre des solutions. La décomposition en facteurs premiers offre un autre outil de divisibilité : si n^k doit être divisible par un produit de puissances de premiers p^a, chaque exposant premier dans n doit être au moins ceil(a/k). Ces exposants minimaux indépendants produisent le plus petit entier admissible positif n. Pour n⁴ divisible par 2⁷·3⁵, n doit contenir 2² et 3², donc la valeur minimale est 36. Il s'agit d'une condition sur les exposants de premiers, et non d'une congruence résolue par division modulaire.

L'algorithme étendu d'Euclidean exprime gcd(a,n) sous la forme ua+vn. Lorsque le pgcd est 1, u est l'inverse de a modulo n. Choisir un représentant dans l'intervalle requis après réduction. Pour 7 et 26, 1=15·7−4·26, donc 15 est l'inverse de 7 modulo 26 ; vérifier le produit pour détecter une erreur de signe.

Pour des modules positifs m,n premiers entre eux, le théorème chinois des restes donne exactement une solution modulo mn pour chaque paire de conditions de résidu. Substituer x=r+mk dans la seconde congruence et résoudre pour k. Si les modules ne sont pas premiers entre eux, leurs valeurs de résidu doivent coïncider modulo pgcd(m,n) ; lorsqu'elles sont cohérentes, l'unicité est modulo le plus petit commun multiple, et non le produit.

Le totient d'Euler phi(n) compte les résidus premiers avec n. Pour des diviseurs premiers distincts p, phi(n)=n multiplié par le produit de (1−1/p). Le théorème d'Euler donne a^phi(n)≡1 seulement lorsque pgcd(a,n)=1. Le cas premier correspond au petit théorème de Fermat. Réduire les exposants uniquement après avoir vérifié cette condition ; un élément non-unitaire peut devenir nul sous des puissances répétées.

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Raisonnement worked

Résolvez 6x≡9 modulo 15. Le pgcd est 3 et divise 9. Divisez les trois quantités pour obtenir 2x≡3 modulo 5 ; l'inverse de 2 est 3, donc x≡9≡4 modulo 5. Les solutions originales modulo 15 sont 4,9,14. Pour x≡2 modulo 4 et x≡3 modulo 7, écrivez x=2+4k ; alors 4k≡1 modulo 7, ce qui donne k≡2. Ainsi x≡10 modulo 28.

Tableau : x = 4, 9 et 14 modulo 15 donnent tous 6x ≡ 9
Résoudre 2x ≡ 3 (mod 5) pour obtenir x ≡ 4, puis élever à trois solutions modulo 15
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Conditions et contre-exemples

L'expression a^phi(n)1 est fausse pour tout a arbitraire. Par exemple 2 n'est pas inversible modulo 8 et 2^4 est nul modulo 8.

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Application guidée

Résoudre $8x\equiv12\pmod{20}$ complètement. Trouver un inverse de 7 modulo 20. Expliquer pourquoi le théorème d'Euler ne peut pas être utilisé pour remplacer $2^8$ par 1 modulo 20.

Solution détaillée

Le pgcd est quatre et divise 12. Diviser les trois nombres donne $2x\equiv3\pmod5$, donc $x\equiv4\pmod5$. Modulo 20, les quatre réponses sont $4,9,14,19$ ; la substitution donne un reste de 12 à chaque fois. Puisque $7\cdot3=21$, l'inverse de 7 est 3. Bien que $\phi(20)=8$, le théorème d'Euler nécessite un unité. Le pgcd de 2 et 20 est deux, et $2^8=256\equiv16$, et non 1.

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Transfert indépendant

Résoudre $x\equiv2\pmod6$, $x\equiv5\pmod9$ ou prouver l'incohérence. Indiquer le module pour l'unicité. Trouver le plus petit entier positif n tel que $2^5\cdot3^7$ divise $n^3$.

Vérification après tentative

Les résidus concordent modulo le pgcd trois. Poser $x=2+6k$ : alors $6k\equiv3\pmod9$, donc $2k\equiv1\pmod3$ et $k\equiv2\pmod3$. Ainsi $x\equiv14\pmod{18}$. Le module est le ppcm, et non 54. Pour le problème de divisibilité, écrire les exposants premiers de n. Ils doivent satisfaire $3a\ge5$, $3b\ge7$, donc $a\ge2$, $b\ge3$. Le plus petit n est $2^2\cdot3^3=108$ ; d'autres facteurs premiers ne peuvent que l'augmenter.

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