Lemme d'Euclide

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Le résultat connu sous le nom de lemme d'Euclide correspond à la Proposition 30 du Livre VII des Éléments d'Euclide. Il énonce que

Théorème — Si un nombre premier $p$ divise le produit de deux nombres entiers $b$ et $c$ , alors $p$ divise $b$ ou $c$ .

Une généralisation est connue sous le nom de lemme de Gauss:

Théorème — Si un nombre entier $a$ divise le produit de deux autres nombres entiers $b$ et $c$ , et que $a$ et $b$ sont premiers entre eux, alors $a$ divise $c$ .

Ceci peut être noté de façon formelle :

$\forall (a, b, c)\in\mathbb{Z}^3, ( a|bc \land \operatorname{PGCD}(a,b)=1 ) \Rightarrow a|c$

Dans le traité de Gauss, les Disquisitiones arithmeticae, l'énoncé du lemme d'Euclide constitue la proposition 14 (section 2) et est utilisée pour prouver la théorème de factorisation en nombres premiers. Le lemme de Gauss en découle (article 19).

Les noms de ces deux propositions sont parfois confondus. On notera d'ailleurs que le lemme de Gauss apparaît déjà dans les Nouveaux Eléments de mathématiques de Jean Prestet au 17^e siècle^[1].

[modifier] Démonstration

Soit $(a,b,c)\in\mathbb{Z}^3$ , avec $\operatorname{PGCD}(a,b)=1$ et $a | b c$

Comme a est premier avec b, d'après l'identité de Bezout, il existe donc deux entiers u et v tels que :

u a + v b = 1

Multiplions membre à membre par c :

u a c + v b c = c

Comme $a | b c$ , il existe k tel que bc = ka, d'où :

u a c + v k a = c

(u c + v k) a = c

Cette relation montre que $a | c$ .

[modifier] Conséquences

[modifier] Première conséquence

[modifier] Enoncé

Soient a et b deux entiers naturels non nuls et p un nombre premier. Si p divise le produit ab, alors p divise a ou p divise b. (Cet énoncé est en fait la forme originelle du Lemme d'Euclide.)

$\forall (a,b)\in\mathbb{Z}^2, \forall p\in\mathbb{P}, p|ab \Rightarrow ( p|a \lor p|b )$

[modifier] Démonstration

- Si p divise a, alors la propriété est établie.
- Si p ne divise pas a, alors p et a sont premiers entre eux, puisque les seuls diviseurs positifs de p sont 1 et p. Ainsi, p est premier avec a, or p divise ab, donc d'après le théorème de Gauss, p divise b.

[modifier] Deuxième conséquence

[modifier] Enoncé

Soient a, b et c des entiers naturels non nuls. Si b et c sont premiers entre eux et divisent a, alors bc divise a.

$\forall (a,b,c)\in\mathbb{Z}^3, ( b|a \land c|a \land \operatorname{PGCD}(b,c)=1 ) \Rightarrow bc|a$

[modifier] Démonstration

- b divise a donc il existe un entier naturel k tel que a = kb.
- c divise a donc il existe un entier naturel l tel que a = lc.
c divise lc donc c divise kb, or c est premier avec b, donc d'après le théorème de Gauss, c divise k. Il existe donc un entier naturel m tel que :
k = mc.
a = kb = mbc, d'où bc divise a.

[modifier] Généralisation

Soient $a\in\mathbb Z$ , $n \in \mathbb{N}^*$ et $(b_i)_{i\in[1,n]}\in{\mathbb{Z}^*}^n$ vérifiant $\forall (i,j)\in[1,n]^2, i\ne j \Rightarrow\operatorname{PGCD}(b_i,b_j)=1$ .

On a alors : $\left( \prod_{i=1}^n b_i \right)|a \Longleftrightarrow \forall i\in[1,n], b_i | a$

[modifier] Troisième conséquence

[modifier] Enoncé

Pour un rationnel r, il existe un unique couple d'entiers p et q premiers entre eux, q strictement positif, tels que r vaut p divisé par q.

$\forall r\in\mathbb{Q}, \exists !(p,q)\in\mathbb{Z}\times\mathbb{N}^*, \left( \left(\operatorname{PGCD}(p,q)=1\right) \land \left(r={p \over q}\right)\right)$

[modifier] Démonstration

Soit $r \in \mathbb{Q}$

Existence

$r \in\mathbb{Q} \Rightarrow \exists (p,q)\in\mathbb{Z}\times\mathbb{N}^*, r = \frac{p}{q}$

On note $d = \operatorname{PGCD}(p,q)$ .

$d | p \Rightarrow \exists p_0 \in \mathbb{Z}, p = d p_0$ .

De même, $d | q \Rightarrow \exists q_0 \in \mathbb{N}^*, q = d q_0$ .

Montrons que $\operatorname{PGCD}(p_0,q_0)=1$ .

Par l'identité de Bézout, $\exists (a,b)\in\mathbb{Z}^2, a p + b q = d$ .

On a donc $a d p 0 + b d q 0 = d$ .

D'où $a p 0 + b q 0 = 1$ .

L'identité de Bézout montre que $\operatorname{PGCD}(p_0,q_0)=1$ .

On a $\frac{p}{q} = \frac{d p_0}{d q_0}$ .

D'où $\frac{p}{q} = \frac{p_0}{q_0}$ .

Le couple $(p 0, q 0)$ convient donc bien.

Unicité

Soit $(p_1,p_2,q_1,q_2)\in{\mathbb{Z}}^2\times{\mathbb{N}^*}^2$ vérifiant :

$r = \frac{p_1}{q_1} = \frac{p_2}{q_2}$
$\operatorname{PGCD}(p_1,q_1) = \operatorname{PGCD}(p_2,q_2) = 1$

On a donc $p 1 q 2 = p 2 q 1$ .

$q 2 | p 1 q 2$ , donc $q 2 | p 2 q 1$ .

Or $\operatorname{PGCD}(p_2,q_2)=1$ . Le théorème de Gauss montre que $q 2 | q 1$ .

De même, $q 1 | p 1 q 2$ . Or $\operatorname{PGCD}(p_1,q_1)=1$ . Donc, par le théorème de Gauss, $q 1 | q 2$ .

D'où $q 1 = q 2$ , car $(q_1,q_2)\in\mathbb{N}^2$ .

Puis $p 1 = p 2$ .

La forme irréductible d'un rationnel est donc unique.

[modifier] Réciproque du lemme de Gauss

Si $a, b$ sont deux entiers tels que, pour tout entier $c$ , $a$ divise $b c$ implique que $a$ divise $c$ alors $a$ et $b$ sont premiers entre eux.

En effet, soit $d$ un diviseur commun à $a$ et $b$ : on peut écrire $a = a' d$ et $b = b' d$ . Par hypothèse, comme $a$ divise $b a'$ , on a que $a$ divise $a'$ donc $d = 1$ , CQFD.

[modifier] Références

↑ Modèle:EuclideVitrac, vol. 2, p. 338-339.

[modifier] Voir aussi

[modifier] A lire avant

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Sommaire

[modifier] Démonstration

[modifier] Conséquences

[modifier] Première conséquence

[modifier] Enoncé

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