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PGCD, Bézout, Gauss et équations diophantiennes

PGCD et entiers premiers entre eux

Pour deux entiers $a,b$ non simultanément nuls, $\operatorname{PGCD}(a,b)$ est leur plus grand diviseur commun positif. Les signes ne changent pas le PGCD :

\[\operatorname{PGCD}(a,b)=\operatorname{PGCD}(|a|,|b|),\qquad\operatorname{PGCD}(a,0)=|a|\quad(a\ne0).\]

On pose ici par convention $\operatorname{PGCD}(0,0)=0$. Deux entiers sont premiers entre eux lorsque leur PGCD vaut $1$ ; ils ne sont pas nécessairement premiers individuellement.

Calculer le PGCD par Euclide

Si $a\geq0$, $b>0$ et $a=bq+r$ avec $0\leq r<b$, alors $\operatorname{PGCD}(a,b)=\operatorname{PGCD}(b,r)$. Effectuer des divisions successives, en remplaçant $(a,b)$ par $(b,r)$, jusqu'au reste nul.

Le PGCD est le dernier reste non nul, ou le premier diviseur si la première division est exacte. Pour des entiers négatifs, commencer par leurs valeurs absolues ; si le second entier est nul, utiliser la convention précédente.

\[\begin{aligned}252&=198+54,\\198&=3\times54+36,\\54&=36+18,\\36&=2\times18+0.\end{aligned}\qquad\operatorname{PGCD}(252,198)=18.\]

Bézout et inverse modulaire

Pour $a,b\in\mathbb Z$ non simultanément nuls et $d=\operatorname{PGCD}(a,b)$, il existe $u,v\in\mathbb Z$ tels que $au+bv=d$. Un tel couple de Bézout n'est pas unique.

Pour le trouver, remonter les divisions d'Euclide. Dans l'exemple précédent :

\[18=54-36=4\times54-198=4\times252-5\times198.\]

Théorème de Bézout : $a,b$ sont premiers entre eux si et seulement s'il existe des entiers $u,v$ tels que $au+bv=1$.

Pour $n\geq2$, $a$ possède un inverse modulo $n$ si et seulement si $\operatorname{PGCD}(a,n)=1$. Une identité $au+nv=1$ donne l'inverse $u$ puisque $au\equiv1\pmod n$.

Voir un exemple — Trouver l’inverse de 17 modulo 43

Un inverse de 17 modulo 43

$43=2\times17+9$, $17=9+8$ et $9=8+1$ montrent que $\operatorname{PGCD}(17,43)=1$. La remontée donne $1=2\times43-5\times17$.

$-5\equiv38\pmod{43}$ : l'inverse recherché entre $0$ et $42$ est $38$. Le contrôle $17\times38=646=15\times43+1$ confirme la congruence.

Appliquer le théorème de Gauss

Pour $a,b,c\in\mathbb Z$, si $a\mid bc$ et $\operatorname{PGCD}(a,b)=1$, alors $a\mid c$. Vérifier les deux hypothèses avant d'éliminer le facteur $b$.

La coprimalité est indispensable : $6\mid3\times4$, mais $6\nmid4$.

Si deux entiers positifs $b,c$ premiers entre eux divisent $N$, alors $bc\mid N$.

Comprendre pourquoi — Comment Bézout démontre Gauss

Comme $a$ et $b$ sont premiers entre eux, Bézout fournit des entiers $u,v$ tels que

\[au+bv=1.\]

En multipliant par $c$, on obtient

\[auc+bvc=c.\]

Or $a$ divise $auc$. Il divise aussi $bvc$, puisque $a$ divise $bc$ par hypothèse. Il divise donc leur somme, qui est $c$.

Équations à solutions entières

Pour $a,b,c\in\mathbb Z$, $a,b$ non simultanément nuls, l'équation $ax+by=c$ admet une solution entière si et seulement si $\operatorname{PGCD}(a,b)\mid c$. Une solution réelle ou rationnelle ne suffit pas.

Une identité de Bézout $au+bv=d$ fournit une solution particulière en multipliant $u,v$ par l'entier $\frac{c}{d}$, lorsque $d\mid c$.

Voir un exemple — Résoudre une équation simple

Pour $7x+11y=100$, $(8,4)$ est une solution. Comparer toute autre solution à celle-ci donne $7(x-8)=-11(y-4)$. Gauss impose $11\mid(x-8)$, donc :

\[x=8+11k,\qquad y=4-7k,\qquad k\in\mathbb Z.\]

En remplaçant dans l'équation, on vérifie que tous ces couples conviennent.

Comprendre pourquoi — Pourquoi le PGCD décide de l’existence

Soient $a,b,c\in\mathbb Z$, $a,b$ non simultanément nuls, et $d=\operatorname{PGCD}(a,b)>0$. Si $ax+by=c$ pour des entiers $x,y$, alors $d$ divise $ax$ et $by$, donc $c$.

Réciproquement, si $d\mid c$, écrire $c=kd$ avec $k\in\mathbb Z$. Bézout fournit des entiers $u,v$ tels que $au+bv=d$. Alors :

\[a(ku)+b(kv)=kd=c.\]

Le couple $(ku,kv)$ est entier et résout l'équation. La condition $d\mid c$ est donc nécessaire et suffisante.

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