112 Puissances et congruences
399 = 3*7*19, et 37 est congru à 1 modulo 2, 6 et 18.
D'après le théorème de Fermat, pour tout entier a non multiple de 3, on a
a^2 congru à 1 modulo 3, donc a^37 = (a^2)^18 * a congru à a modulo 3, et cette dernière propriété est encore vraie pour a multiple de 3.
De même a^37 est congru à a modulo 7 et modulo 19, pour tout entier a.
Si une somme d'entiers est nulle, donc nulle modulo 3, la somme de leurs puissances 37 est donc aussi nulle modulo 3 ; de même modulo 7 et modulo
19.
Cette somme est alors divisible par 3, 7 et 19 premiers entre eux, donc par leur produit 399.
Je dirais même plus. Prenons les diviseurs de 36 : 1, 2, 3, 4, 6, 9, 12, 18, 36
ajoutons leur 1 : 2, 3, 4, 5, 7, 10, 13, 19, 37
ne retenons dans cette liste que les nombres premiers : 2, 3, 5, 7, 13, 19, 37.
Le raisonnement précédent s'applique à ces sept nombres premiers comme il
s'appliquait à 3,7 et 19. La somme des puissances 37 est donc divisible par
2*3*5*7*13*19*37 = 1 919 190.
Réciproquement, on trouve facilement deux sommes de puissances 37 dont le pgcd est 1 919 190. On ne peut donc
améliorer le résultat précédent, c'est-à-dire qu'il n'existe pas de nombre strictement supérieur à 1 919
190 qui divise toutes les sommes de puissances 37.
Voici une généralisation du problème :
On va démontrer la proposition plus générale suivante :
Si :
- p[1],p[2],..,p[m] = m entiers premiers positifs
et tous différents
- Q = entier positif
tel que Q-u soit divisible par chaque p[i]-1 (i=1,..,m)
- La somme Su des
puissances d'ordre u (entier positif), de n entiers (positifs, nuls ou négatifs), est divisible par
p[1]*..*p[m]
Alors: La somme de leurs Q-ème puissances est divisible
par p[1]*..*p[m]
La démonstration repose sur le résultat intermédiaire suivant :
(X^Q)==X^u (modulo p[i]) , pour tout i=1,..,m, et tout X entier
Le résultat est évident si X est divisible par p[i], sinon on utilise le petit théorème de Fermat :
{Q-u est divisible par p[i]-1} ===> {Q = t*(p[i]-1)+u}
===> {X^Q = X^(t*(p[i]-1)+u) =( X^u)*((X^t)^(p[i]-1))} ===> {(X^Q)==X^u (modulo
p[i])}
Notons : X[1],...,X[n] les n entiers tels que Su=X[1]^u
+...+ X[n]^u soit divisible par p[1]*...*p[m]
Sq = X[1]^Q + ... X[n]^Q
Selon le résultat intermédiaire on a : (X[k]^Q) == (X[k]^u) (modulo
p[i]) , pour tous k=1,..,n et i=1,..,m
En additionnant selon k, il résulte : Sq == Su (modulo p[i])
, pour tout i=1,...,m
Mais Su == 0 (modulo p[i]), donc Sq == 0 (modulo p[i]) , et
comme les p[i] sont premiers et tous différents, il résulte que Sq est divisible par le produit p[1]*..*p[m] (q.e.d)
Le cas particulier de l'énoncé s'obtient pour : u=1 ,m=3, p1=3, p2=7,
p3=19, Q=37
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