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Mersenne, Fermat et le démenti d'Euler

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 7 — Arithmétique dans l'ensemble des entiers relatifs · D. Nombres premiers et valuations

Énoncé

a) Soient et des entiers. Montrer que si est premier, alors et est premier. La réciproque est-elle vraie ? (On pourra examiner .)

b) Montrer que si est premier (avec ), alors est une puissance de .

c) Fermat conjectura que tous les nombres sont premiers. En remarquant que , montrer que , puis , puis . Conclure que divise (Euler, 1732), sans jamais calculer .

Corrigé

Ce qu'on a le droit d'utiliser. Deux identités du chapitre sur les sommes : pour tout entier , ; et pour impair, , qui s'obtient de la première en remplaçant par . La stratégie : une identité qui factorise est un énoncé de divisibilité, et un nombre premier n'a pas de diviseur strict.

a) Les nombres de Mersenne. Supposons premier. L'identité montre que divise . Or : la première inégalité car , la seconde car puisque . Un diviseur d'un nombre premier strictement compris entre et ce nombre n'existe pas, sauf s'il vaut : donc , .

Montrons que est premier, par contraposée. Si avec , alors, avec , , et car et est strictement croissante. Le nombre aurait un diviseur strict non trivial : il ne serait pas premier. Donc est premier.

La réciproque est fausse. est premier, mais . La condition « premier » est nécessaire, pas suffisante — et l'on ne sait pas aujourd'hui s'il existe une infinité de premiers de Mersenne .

b) Les nombres de Fermat. Par contraposée encore. Supposons que ne soit pas une puissance de : sa décomposition en facteurs premiers contient un premier impair, et l'on peut écrire avec impair, . Posons ; avec impair, la seconde identité donne Le facteur vérifie (car puisque ) : c'est un diviseur strict non trivial de , qui n'est donc pas premier. Si est premier, est une puissance de .

Le point délicat. Dans les deux questions, la factorisation ne prouve rien tant qu'on n'a pas vérifié que le facteur trouvé est strictement compris entre et le nombre : tout entier « se factorise » en . Les deux inégalités ne sont pas décoratives.

c) Le démenti d'Euler. Les nombres , , , , sont premiers, et Fermat conjectura que tous les le sont. Suivons Euler, modulo .

Première congruence. signifie exactement , donc .

Élévation à la puissance quatrième. Les congruences sont compatibles avec les produits, donc avec les puissances : , soit

Seconde congruence. signifie , donc . Remplaçons par dans la congruence précédente (compatibilité avec le produit) :

Conclusion. : divise . Comme , n'est pas premier. On n'a jamais eu à écrire , ni à effectuer la division ; le quotient vaut , et l'on peut vérifier que . La condition du b) est nécessaire et non suffisante : c'est l'un des grands démentis de l'histoire des mathématiques, et l'on ne connaît aucun nombre de Fermat premier au-delà de .

Ce que l'exercice installe. Une identité algébrique est un énoncé de divisibilité : chaque factorisation de dit qui divise qui, et le chapitre sur les polynômes systématisera ces factorisations. Et le calcul d'Euler montre la puissance des congruences : on établit une divisibilité sur un nombre de dix chiffres sans jamais l'écrire, en travaillant sur des restes.

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