Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/GroupUnreviewed

Théorème de Midy

by FiniteField·
48
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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Français

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  1. Soit nn un entier supérieur à 11 et premier avec 10.10. Montrer que nn possède un multiple dont l’écriture en base 1010 n’a que des 9.9.
  2. On remarque que
  • 17=0,142857142857142857 avec 142+857=999\dfrac{1}{7}=0,\underbrace{142857}\underbrace{142857}\dots\underbrace{142857}\dots \text{ avec }142+857=999
  • 27=0,285714285714285714 avec 285+714=999\dfrac{2}{7}=0,\underbrace{285714}\underbrace{285714}\dots\underbrace{285714}\dots \text{ avec }285+714=999
  • 113=0,076923076923076923 avec 76+923=999.\dfrac{1}{13}=0,\underbrace{076923}\underbrace{076923}\dots\underbrace{076923}\dots\text{ avec }76+923=999.
    Expliquer.
  1. Que peut-on anticiper quant au développement décimal de 117\dfrac{1}{17} ? Généraliser.
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References

  1. Oral X filière MP 2024 (RMS 135-1 266)
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Solution by FiniteField

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  1. Puisque nn et 1010 sont premiers entre eux alors, par le théorème d’Euler,
    10φ(n)1modn.10^{\varphi(n)}\equiv 1\mod n.

Ainsi, γZ,γn=10φ(n)1\exists \gamma\in\mathbb{Z}, \gamma n=10^{\varphi(n)}-1. L’écriture en base 1010 de 10φ(n)110^{\varphi(n)}-1 est bien constituée de φ(n)\varphi(n) fois le chiffre 9.9.
2) Commençons par formuler le problème de façon précise. D’après la question précédente 106110^6-1 est divisible par 77 car φ(7)=71=6.\varphi(7)=7-1=6. On a donc, sans surprise, 106×1717=γ10^6\times\dfrac{1}{7}-\dfrac{1}{7}=\gamma qui est un entier strictement inférieur à 106.10^6. Son écriture en base 10310^3 est alors de la forme γ=a103+b\gamma=a10^3+b avec 0a,b<103.0\leq a,b<10^3. L’objectif est de montrer que a+b=999.a+b=999.
On remarque que 103mod710\equiv 3\mod 7 donc 103331mod7.10^3\equiv 3^3\equiv -1\mod 7. Ainsi, il existe 1m<1031\leq m<10^3 tel que 1037+17=m\dfrac{10^3}{7}+\dfrac{1}{7}=m En multipliant par 10310^3 on a
1067+1037=1067+(m17)=103m donc γ=10617=103mm.\dfrac{10^6}{7}+\dfrac{10^3}{7}=\dfrac{10^6}{7}+\left(m-\dfrac{1}{7}\right)=10^3m\text{ donc }\gamma=\dfrac{10^6-1}{7}=10^3m-m.On en déduit que l’écriture en base 10310^3 de γ\gamma est γ=(m1)103+103m\gamma=(m-1)10^3+10^3-m si bien que a+b=m1+103m=999.a+b=m-1+10^3-m=999.
Pour 27\dfrac{2}{7} ou, plus généralement k7\dfrac{k}{7} pour 1k61\leq k\leq 6, on aurait toujours k(103+1)7=mk\dfrac{k(10^3+1)}{7}=m_k et on aura toujours, avec les mêmes calculs, a+b=mk1+103mk.a+b=m_k-1+10^3-m_k. La condition 1k61\leq k\leq 6 étant là pour assurer le fait que 1mk<103.1\leq m_k<10^3.
Enfin pour 113\dfrac{1}{13} il suffit de remarquer que 1024mod1310^2\equiv -4\mod 13 donc 103401mod1310^3\equiv -40\equiv -1\mod 13 ce qui nous permet de faire les mêmes calculs que pour 17.\dfrac{1}{7}. Plus généralement pour tout diviseur premier de 10011001 à savoir 7,117,11 et 1313 on aura la même chose.
3) On va essayer de faire la même chose que dans la question précédente. On va commencer par déterminer l’ordre de 1010 dans (Z/17Z)×.(\mathbb{Z}/17\mathbb{Z})^\times. On remarque déjà que son ordre divise φ(17)=16\varphi(17)=16, donc c’est une puissance de 2.2. On a 102=1002mod1710^2=100\equiv -2 \mod 17 donc 108161mod1710^8\equiv 16\equiv -1\mod 17. On en déduit que 1010 est d’ordre 1616 modulo 1717 donc que l’écriture périodique de k17\dfrac{k}{17} a une période d’ordre 16.16. Puisque 108+110^8+1 est de la forme 17m17m on peut alors refaire les mêmes calculs que dans la question précédente ce qui donnera 10161=17γ10^{16}-1=17\gamma avec γ=a108+b\gamma=a10^8+b avec a+b=m1+108m=1081a+b=m-1+10^8-m=10^8-1. En effet, on a
117=0,05882352941176470588235294117647\dfrac{1}{17}=0,\underbrace{0588235294117647}\underbrace{0588235294117647}\dotsOn voit donc bien que, conformément à nos attentes l’écriture décimale à une période de 1616. De plus, on a bien 05 882 352+94 117 647=99 999 99905~882~352+94~117~647=99~999~999. Plus généralement, ce qu’on a fait permet de montrer le résultat suivant
Théorème. Soit pp un nombre premier impair tel que la classe de 1010 est d’ordre pair 2r2r dans (Z/pZ)×(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\times alors l’écriture décimale de 1p\dfrac{1}{p} est périodique de période (a1arb1br)(a_1\dots a_rb_1\dots b_r) avec
(a1ar)10+(b1br)10=999999r fois.(a_1\dots a_r)_{10}+(b_1\dots b_r)_{10}=\underbrace{999\dots 999}_{r\text{ fois}}.En effet, on aura 10r1modp10^r\equiv -1 \mod p puisque 10r10^r sera racine dans Fp[X]\mathbb{F}_p[X] du polynôme X21X^2-1 qui a pour seules racines 1-1 et 11. Cela ne peut pas être 11 car sinon l’ordre de 1010 diviserait r.r. Le reste de la preuve est exactement comme le cas de 77 dans la question 2.

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