Ensemble ℕ et notions d’arithmétique – Cours TCSF

Ce cours présente l’ensemble des nombres entiers naturels et les principales notions d’arithmétique étudiées au Tronc Commun Sciences.

Niveau : Tronc Commun Sciences (TCSF)
Volume horaire : 7 heures
Objectifs
  • Utiliser la parité et la décomposition en produit de facteurs premiers pour résoudre des problèmes simples portant sur les entiers naturels.
  • Reconnaître et utiliser les ensembles \( \mathbb{N} \) et \( \mathbb{N}^* \) ; maîtriser les symboles \( \in \), \( \notin \), \( \subset \), \( \not\subset \), \( \cap \), \( \cup \).
  • Déterminer et utiliser le PGCD et le PPCM de deux entiers naturels non nuls.
Prérequis
  • Opérations de base sur les entiers naturels (addition, soustraction, multiplication, division euclidienne).
  • Notions élémentaires sur les ensembles (appartenance, inclusion).
  • Tables de multiplication et notions intuitives de divisibilité.

I. Ensemble des nombres entiers naturels \( \mathbb{N} \)

Activité 1

Parmi les nombres suivants : \(0\) ; \(8\) ; \(\sqrt{25}\) ; \(\sqrt{34}\) ; \(12{,}5\) ; \(\dfrac{12}{3}\). Préciser ceux qui sont des nombres entiers naturels.

Définition 1 — Ensemble \( \mathbb{N} \) et \( \mathbb{N}^* \)
  • Les nombres entiers naturels forment un ensemble noté \( \mathbb{N} \) tel que : \[\mathbb{N}=\{0,1,2,3,4,5,\ldots\}\]
  • Les nombres entiers naturels non nuls forment un ensemble noté \( \mathbb{N}^* \) tel que : \[\mathbb{N}^*=\{1,2,3,4,5,\ldots\}\]
Exemples
  • \(3\) est un entier naturel, on dit que \(3\) appartient à \(\mathbb{N}\) et on écrit \(3\in\mathbb{N}\).
  • \(-5\) n’est pas un entier naturel, on dit que \(-5\) n’appartient pas à \(\mathbb{N}\), on écrit \(-5\notin\mathbb{N}\).
  • \(4\) est un entier naturel non nul, on écrit \(4\in\mathbb{N}^*\).
Remarque
  • L’ensemble \(\mathbb{N}\) est infini : si \(n\in\mathbb{N}\) alors son successeur \(n+1\in\mathbb{N}\).
  • Le symbole \(\in\) se lit « appartient à » et \(\notin\) se lit « n’appartient pas à ».
Exercice d’application 1

Compléter par \( \in \) ou \( \notin \) :

\[ 15\;\ldots\;\mathbb{N}\qquad;\qquad \dfrac{2\pi}{3}\;\ldots\;\mathbb{N}^*\qquad;\qquad \sqrt{12}\;\ldots\;\mathbb{N}\qquad;\qquad \dfrac{15}{3}\;\ldots\;\mathbb{N}^* \] \[ 0\;\ldots\;\mathbb{N}^* \]

II. Divisibilité dans \( \mathbb{N} \)

1. Nombres pairs — Nombres impairs

Activité 2

Parmi les nombres \(12\), \(15\), \(24\), \(37\), \(100\) : lesquels sont divisibles par \(2\) ?

Définition 2 — Nombre pair et nombre impair

Soit \(a\) un nombre entier naturel :

  • \(a\) est un nombre pair s’il existe \(k\in\mathbb{N}\) tel que \(a=2k\).
  • \(a\) est un nombre impair s’il existe \(k\in\mathbb{N}\) tel que \(a=2k+1\).
Exemples

\(144=2\times72\), donc \(144\) est pair.

\(161=2\times80+1\), donc \(161\) est impair.

Propriété — Opérations sur les nombres pairs et impairs

Soient \(a\) et \(b\) deux nombres entiers naturels :

\(a\)\(b\)\(a+b\)\(a-b\;(a>b)\)\(a\times b\)
PairPairPairPairPair
PairImpairImpairImpairPair
ImpairPairImpairImpairPair
ImpairImpairPairPairImpair
Exercice d’application 2

1. Étudier la parité de : \(1359+59321\) ; \(9782-652\) ; \(732\times753\).

2. Soit \(n\in\mathbb{N}\). Étudier la parité de : \(2n+3\) ; \(4n^2+2n+5\) ; \(1+(n+1)^2+(n+2)^2\).

Théorème — Produit de deux entiers consécutifs

Le produit de deux nombres entiers naturels consécutifs est toujours un nombre pair.

Démonstration

Soit \(n\in\mathbb{N}\). Montrons que \(n(n+1)\) est pair.

1er cas : Si \(n=2k\) est pair, alors \(n(n+1)=2k(2k+1)=2k’\), donc \(n(n+1)\) est pair.

2ème cas : Si \(n=2k+1\) est impair, alors \(n(n+1)=(2k+1)(2k+2)=2(2k+1)(k+1)=2k”\), donc \(n(n+1)\) est pair.

D’après les deux cas, \(n(n+1)\) est pair pour tout \(n\in\mathbb{N}\). \(\square\)

Exercice d’application 3

Soit \(n\in\mathbb{N}\). Étudier la parité de : \(n^2+3n+2\) et \(n^2+7n+13\).

2. Multiple et diviseur d’un nombre entier naturel

Définition

Soient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels. S’il existe un entier naturel \(k\) tel que \(a=k\times b\), alors :

  • \(a\) s’appelle le multiple de \(b\).
  • \(b\) s’appelle le diviseur de \(a\).
  • \(k\) s’appelle le quotient de \(a\) par \(b\).
Exemple

\(30=2\times15\) : \(30\) est un multiple de \(15\) ; \(15\) est un diviseur de \(30\) ; \(2\) est le quotient de \(30\) par \(15\).

Remarque
  • \(0\) est un multiple de tous les entiers naturels.
  • \(1\) est un diviseur de tous les entiers naturels.
Exercice d’application 4

1. Déterminer les diviseurs de \(36\) et de \(82\).

2. Déterminer les multiples de \(3\) inférieurs ou égaux à \(50\).

3. Critères de divisibilité par 2, 3, 4, 5 et 9

Propriété — Critères de divisibilité

Soit \(n\) un entier naturel. On dit que \(n\) est divisible par :

  • 2 si son chiffre des unités est \(0\), \(2\), \(4\), \(6\) ou \(8\).
  • 5 si son chiffre des unités est \(0\) ou \(5\).
  • 3 ou 9 si la somme de ses chiffres est un multiple de \(3\) ou \(9\).
  • 4 si les deux derniers chiffres forment un multiple de \(4\).
Exemples
  • \(4725\) : divisible par \(5\) (unités \(=5\)) et par \(3\) et \(9\) car \(4+7+2+5=18\), multiple de \(9\).
  • \(1628\) : divisible par \(2\) (unités \(=8\)) et par \(4\) car \(28=4\times7\).
Exercice d’application 5

Étudier la divisibilité de \(3\,611\,790\) par \(2\), \(3\), \(4\), \(5\) et \(9\).

III. Nombres premiers

Activité 3

Déterminer les diviseurs de \(2\), \(3\), \(5\) et \(17\). Que remarquez-vous ?

Définition 4 — Nombre premier

Un entier naturel supérieur ou égal à \(2\) est dit premier s’il possède exactement deux diviseurs : \(1\) et lui-même.

Remarque
  • \(1\) n’est pas un nombre premier (un seul diviseur).
  • \(2\) est le seul nombre pair premier.
  • Pour tester la primalité de \(n\) : chercher les nombres premiers \(p\) tels que \(p\leq\sqrt{n}\). Si \(n\) est divisible par l’un d’eux, alors \(n\) n’est pas premier. Sinon, \(n\) est premier.
Exemple

\(37\) est-il premier ? On a \(\sqrt{37}\approx6{,}08\). Les premiers \(\leq\sqrt{37}\) sont \(2\), \(3\) et \(5\).

\(37\) n’est divisible ni par \(2\), ni par \(3\), ni par \(5\), donc \(37\) est premier.

Exercice d’application 6

Étudier la primalité des nombres : \(101\) ; \(137\) ; \(1563\).

IV. Décomposition en produit de facteurs premiers

Théorème — Décomposition en facteurs premiers

Tout entier naturel \(\geq2\) admet une décomposition unique en produit de facteurs premiers (à l’ordre des facteurs près).

Exemple

\(30=2\times3\times5\) est la décomposition de \(30\) en produit de facteurs premiers.

Exercice d’application 7

Décomposer en produit de facteurs premiers : \(48\) ; \(612\) ; \(1530\) ; \(3240\).

V. PGCD et PPCM

1. PGCD (Plus Grand Commun Diviseur)

Définition 5 — PGCD

Soient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels non nuls. Le plus grand commun diviseur de \(a\) et \(b\), noté \(\mathrm{PGCD}(a,b)\) ou \(a\wedge b\), est le plus grand entier divisant à la fois \(a\) et \(b\).

Remarque : Comme \(1\) divise tout entier, on a toujours \(\mathrm{PGCD}(a,b)\geq1\).

Théorème — Calcul du PGCD par décomposition

Soient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels non nuls. \(\mathrm{PGCD}(a,b)\) est le produit des facteurs premiers communs à \(a\) et \(b\), chacun affecté de la plus petite puissance.

Exemple

\(132=2^2\times3\times11\) et \(120=2^3\times3\times5\), donc \(\mathrm{PGCD}(132,120)=2^2\times3=12\).

Exercice d’application 8

Déterminer les diviseurs de \(36\) et \(84\), puis déduire \(\mathrm{PGCD}(36,84)\).

Exercice d’application 9

Déterminer \(\mathrm{PGCD}(180,174)\) et \(\mathrm{PGCD}(156,495)\).

Définition 6 — Nombres premiers entre eux

Deux entiers naturels \(a\) et \(b\) sont dits premiers entre eux si et seulement si \(\mathrm{PGCD}(a,b)=1\).

Exercice d’application 10

Montrer que \(37\) et \(8\) sont premiers entre eux.

2. PPCM (Plus Petit Commun Multiple)

Définition 7 — PPCM

Soient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels non nuls. Le plus petit commun multiple non nul de \(a\) et \(b\), noté \(\mathrm{PPCM}(a,b)\) ou \(a\vee b\), est le plus petit entier non nul divisible à la fois par \(a\) et \(b\).

Théorème — Calcul du PPCM par décomposition

Soient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels non nuls. \(\mathrm{PPCM}(a,b)\) est le produit de tous les facteurs premiers (communs et non communs) de \(a\) et \(b\), chacun affecté de la plus grande puissance.

Exemple

\(45=3^2\times5\) et \(120=2^3\times3\times5\), donc \(\mathrm{PPCM}(45,120)=2^3\times3^2\times5=360\).

Exercice d’application 11

1. Déterminer \(\mathrm{PPCM}(12,15)\).

2. Décomposer \(45\) et \(120\) en produit de facteurs premiers, puis déduire \(\mathrm{PPCM}(45,120)\).

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