Arithmétique dans IN · Cours Tronc Commun

Ce cours d’arithmétique dans IN pour le Tronc Commun couvre la divisibilité, les nombres premiers, le PGCD, le PPCM et les démonstrations, avec exercices corrigés. Retrouvez les autres leçons dans la catégorie Tronc Commun.

Cours d’arithmétique dans IN Tronc Commun

DéfinitionÀ connaître par cœur.
PropriétéÀ retenir et à citer.
ExempleRésolu étape par étape.
AstucePour mieux comprendre.
AttentionErreur fréquente.

1L’ensemble \(\mathbb{N}\)

Définition L’ensemble des entiers naturels est noté \(\mathbb{N}\). Il regroupe tous les nombres entiers positifs ou nuls.
\[ \mathbb{N} = \{0 ; 1 ; 2 ; 3 ; \dots \} \]

L’ensemble des entiers naturels non nuls est noté \(\mathbb{N}^*\) : \(\mathbb{N}^* = \{1 ; 2 ; 3 ; \dots\} = \mathbb{N} \setminus \{0\}\).

Exemples
  • \(7 \in \mathbb{N}\) (7 appartient à \(\mathbb{N}\))
  • \(-3 \notin \mathbb{N}\) (-3 n’appartient pas à \(\mathbb{N}\))
  • \(\frac{8}{2} = 4 \in \mathbb{N}\)

2Diviseurs et Multiples

Définition Soient \(a \in \mathbb{N}\) et \(b \in \mathbb{N}^*\). On dit que \(a\) est un multiple de \(b\) (ou que \(b\) est un diviseur de \(a\)) s’il existe un entier naturel \(k\) tel que :
\[ a = k \times b \]
Critères de divisibilité Un nombre entier est divisible par :
  • 2 si son chiffre des unités est 0, 2, 4, 6 ou 8.
  • 3 si la somme de ses chiffres est divisible par 3.
  • 4 si le nombre formé par ses deux derniers chiffres est divisible par 4.
  • 5 si son chiffre des unités est 0 ou 5.
  • 9 si la somme de ses chiffres est divisible par 9.
Exemple · Trouver un chiffre manquant Déterminer le chiffre \(x\) pour que le nombre \(532x\) soit divisible par 9.
  1. La somme des chiffres est \(5 + 3 + 2 + x = 10 + x\).
  2. Pour que le nombre soit divisible par 9, \(10 + x\) doit être un multiple de 9.
  3. Comme \(0 \le x \le 9\), la seule possibilité est \(10 + x = 18\), donc \(x = 8\).

3Nombres Pairs et Impairs

Définitions
  • Un nombre \(n\) est pair s’il existe un entier \(k\) tel que \(n = 2k\).
  • Un nombre \(n\) est impair s’il existe un entier \(k\) tel que \(n = 2k + 1\).
Règles sur la parité
Nombres\(a + b\)\(a – b\)\(a \times b\)
Pair + PairPairPairPair
Pair + ImpairImpairImpairPair
Impair + ImpairPairPairImpair
Astuce · Démonstration classique Le produit de deux entiers consécutifs \(n(n+1)\) est toujours un nombre pair. En effet, l’un des deux est forcément pair.
Exemple · Montrer que \(a^2\) est impair si \(a\) est impair
  1. \(a\) est impair, donc \(a = 2k + 1\) avec \(k \in \mathbb{N}\).
  2. \(a^2 = (2k + 1)^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1\).
  3. On pose \(k’ = 2k^2 + 2k\), alors \(a^2 = 2k’ + 1\).
  4. Donc \(a^2\) est bien un nombre impair.

4Nombres Premiers

Définition Un nombre entier naturel est dit premier s’il admet exactement deux diviseurs : 1 et lui-même.
À retenir
  • 1 n’est pas premier (il n’a qu’un seul diviseur).
  • 2 est le seul nombre premier pair.
  • Nombres premiers inférieurs à 100 : 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97.
Théorème de décomposition Tout entier naturel non premier se décompose en produit de facteurs premiers. Cette décomposition est unique (à l’ordre près).
Exemple · Décomposition
\[ 60 = 2 \times 30 = 2 \times 2 \times 15 = 2^2 \times 3 \times 5 \]
\[ 360 = 2^3 \times 3^2 \times 5 \]

5PGCD et PPCM

5.1 Le PGCD (Plus Grand Commun Diviseur)

Définition Le PGCD de deux entiers non nuls \(a\) et \(b\) est le plus grand diviseur commun à ces deux nombres. On le note \(\text{PGCD}(a ; b)\).
Méthode de calcul On décompose \(a\) et \(b\) en facteurs premiers. Le PGCD est le produit des facteurs communs munis du plus petit exposant.
Exemple Calculer \(\text{PGCD}(56 ; 42)\).
\(56 = 2^3 \times 7\) et \(42 = 2 \times 3 \times 7\).
Facteurs communs : 2 et 7 (avec les plus petits exposants : \(2^1\) et \(7^1\)).
Donc \(\text{PGCD}(56 ; 42) = 2 \times 7 = 14\).

5.2 Le PPCM (Plus Petit Commun Multiple)

Définition Le PPCM de deux entiers non nuls \(a\) et \(b\) est le plus petit multiple commun non nul de ces deux nombres. On le note \(\text{PPCM}(a ; b)\).
Méthode de calcul On décompose \(a\) et \(b\) en facteurs premiers. Le PPCM est le produit de tous les facteurs (communs ou non) munis du plus grand exposant.
Exemple Calculer \(\text{PPCM}(68 ; 170)\).
\(68 = 2^2 \times 17\) et \(170 = 2 \times 5 \times 17\).
Tous les facteurs avec le plus grand exposant : \(2^2\), \(5^1\) et \(17^1\).
Donc \(\text{PPCM}(68 ; 170) = 2^2 \times 5 \times 17 = 340\).
Astuce · Lien entre PGCD et PPCM Pour tous entiers non nuls \(a\) et \(b\), on a la formule :
\[ \text{PGCD}(a ; b) \times \text{PPCM}(a ; b) = a \times b \]

6Exercices corrigés

Cherche d’abord seul(e), puis ouvre la solution pour vérifier.

★ Exercice 1 · Multiples

Déterminer les multiples de 9 compris entre 23 et 59.

Voir la solution

Les multiples de 9 s’écrivent \(9k\). On cherche \(k \in \mathbb{N}\) tel que \(23 \le 9k \le 59\).

Soit \(\frac{23}{9} \le k \le \frac{59}{9}\), donc \(2,55 \le k \le 6,55\).

Les valeurs possibles de \(k\) sont : \(3, 4, 5, 6\).

Les multiples sont donc : \(27, 36, 45, 54\).

★★ Exercice 2 · Parité

Montrer que si \(a\) est pair et \(b\) est impair, alors \(a + b\) est impair.

Voir la solution

\(a\) est pair, donc il existe \(k \in \mathbb{N}\) tel que \(a = 2k\).

\(b\) est impair, donc il existe \(k’ \in \mathbb{N}\) tel que \(b = 2k’ + 1\).

On a : \(a + b = 2k + (2k’ + 1) = 2(k + k’) + 1\).

On pose \(K = k + k’\), on obtient \(a + b = 2K + 1\).

Donc \(a + b\) est un nombre impair.

★★ Exercice 3 · Nombres Premiers

Le nombre 239 est-il premier ?

Voir la solution

On cherche s’il existe un nombre premier \(p\) tel que \(p^2 \le 239\).

\(15^2 = 225\) et \(16^2 = 256\), donc on teste les nombres premiers jusqu’à 13 : 2, 3, 5, 7, 11, 13.

Aucun de ces nombres ne divise 239.

Donc 239 est un nombre premier.

★★ Exercice 4 · PGCD et PPCM

Calculer le PGCD et le PPCM de 24 et 60.

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On décompose : \(24 = 2^3 \times 3\) et \(60 = 2^2 \times 3 \times 5\).

PGCD : Facteurs communs avec le plus petit exposant : \(2^2 \times 3 = 12\).

PPCM : Tous les facteurs avec le plus grand exposant : \(2^3 \times 3 \times 5 = 120\).

Vérification : \(12 \times 120 = 1440\) et \(24 \times 60 = 1440\).

★★★ Exercice 5 · Problème de PPCM

Deux voitures partent en même temps. La voiture A fait un tour en 36 minutes, la voiture B en 30 minutes. Au bout de combien de temps se croiseront-elles à nouveau sur la ligne de départ ?

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Le temps cherché est un multiple commun de 36 et 30. On cherche donc le PPCM(36 ; 30).

\(36 = 2^2 \times 3^2\) et \(30 = 2 \times 3 \times 5\).

\(\text{PPCM}(36 ; 30) = 2^2 \times 3^2 \times 5 = 4 \times 9 \times 5 = 180\).

Elles se croiseront à nouveau au bout de 180 minutes, soit 3 heures.

★Fiche résumé à retenir

  • Ensemble : \(\mathbb{N} = \{0, 1, 2, \dots\}\) et \(\mathbb{N}^* = \mathbb{N} \setminus \{0\}\).
  • Parité : Pair = \(2k\), Impair = \(2k+1\).
  • Décomposition : Tout entier se décompose de manière unique en produit de facteurs premiers.
  • PGCD : Facteurs communs, plus petit exposant.
  • PPCM : Tous les facteurs, plus grand exposant.
  • Formule : \(\text{PGCD}(a ; b) \times \text{PPCM}(a ; b) = a \times b\).
C’est en forgeant que l’on devient forgeron !
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