PGCD de deux expressions et fraction irréductible (Olympiade 1959)
DifficileSoient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels tels que \(a \geq b\), et soit \(d\) un diviseur commun de \(a\) et \(b\).
1) Montrer que \(d\) divise \(a - b\). Montrer aussi que, pour tout entier naturel \(k\), \(d\) divise \(ka\).
2) Soit \(n\) un entier naturel non nul.
a) Montrer que \(\mathrm{PGCD}(n\,;n + 1) = 1\).
b) Montrer que \(\mathrm{PGCD}(2n + 1\,;3n + 1) = 1\).
3) Soit \(n\) un entier naturel. On pose \(a = 21n + 4\) et \(b = 14n + 3\).
a) Calculer \(3b - 2a\).
b) En déduire \(\mathrm{PGCD}(a\,;b)\).
c) Que peut-on dire de la fraction \(\dfrac{21n + 4}{14n + 3}\) ?
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1) \(d\) divise \(a - b\) et \(ka\)
\(d\) divise \(a\) et \(b\) : il existe deux entiers naturels \(a'\) et \(b'\) tels que \(a = d\,a'\) et \(b = d\,b'\). Comme \(a \geq b\), on a \(a' \geq b'\) et :
\[a - b = d\,a' - d\,b' = d(a' - b')\]Donc \(d\) divise \(a - b\). De même, \(ka = d \times (k a')\), donc \(d\) divise \(ka\).
2) a) \(\mathrm{PGCD}(n\,;n + 1) = 1\)
Soit \(d\) un diviseur commun de \(n\) et \(n + 1\). D’après 1), \(d\) divise la différence :
\[(n + 1) - n = 1\]Donc \(d = 1\). Le seul diviseur commun de \(n\) et \(n + 1\) est \(1\), donc \(\mathrm{PGCD}(n\,;n + 1) = 1\).
b) \(\mathrm{PGCD}(2n + 1\,;3n + 1) = 1\)
Soit \(d\) un diviseur commun de \(2n + 1\) et \(3n + 1\). D’après 1) :
- \(d\) divise \(3(2n + 1) = 6n + 3\) ;
- \(d\) divise \(2(3n + 1) = 6n + 2\).
Donc \(d\) divise la différence :
\[(6n + 3) - (6n + 2) = 1\]D’où \(d = 1\), et \(\mathrm{PGCD}(2n + 1\,;3n + 1) = 1\).
Méthode : on multiplie chaque nombre par un coefficient bien choisi pour faire disparaître \(n\) dans la différence.
3) a) Calcul de \(3b - 2a\)
\[\begin{aligned} &3b - 2a \\ &= 3(14n + 3) - 2(21n + 4) \\ &= 42n + 9 - 42n - 8 \\ &= 1 \end{aligned}\]b) \(\mathrm{PGCD}(a\,;b)\)
Soit \(d\) un diviseur commun de \(a\) et \(b\). Alors \(d\) divise \(3b\) et \(2a\), donc \(d\) divise \(3b - 2a = 1\). D’où \(d = 1\) et :
\[\mathrm{PGCD}(a\,;b) = 1\]c) La fraction est irréductible
Le numérateur et le dénominateur n’ont aucun diviseur commun autre que \(1\) : on ne peut donc pas simplifier la fraction. Pour tout entier naturel \(n\), la fraction \(\dfrac{21n + 4}{14n + 3}\) est irréductible.
Exemple : pour \(n = 10\), la fraction \(\dfrac{214}{143}\) est irréductible.
Remarque : cette question est le premier problème posé aux Olympiades internationales de mathématiques, en 1959.