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Terminale › Arithmétique › Petit théorème de Fermat

Petit théorème de Fermat : énoncé (Maths expertes)

Théorème

Petit théorème de Fermat

Soit $p$ un nombre premier et $a$ un entier relatif.

  1. $a^p \equiv a \;[p]$.
  2. Si de plus $p$ ne divise pas $a$, alors $a^{p-1} \equiv 1 \;[p]$.
Démonstration : Petit théorème de Fermat
Démonstration

Preuve

Point 1 pour $a \in \mathbb{N}$, par récurrence sur $a$.

  • Pour $a = 0$ : $0^p = 0$.
  • Supposons $a^p \equiv a \;[p]$. Par la formule du binôme : $$(a + 1)^p = a^p + \sum_{k=1}^{p-1} \binom{p}{k} a^k + 1.$$ D'après le lemme, chaque terme de la somme est divisible par $p$. Donc $(a+1)^p \equiv a^p + 1 \equiv a + 1 \;[p]$ par hypothèse de récurrence.

Point 1 pour $a \in \mathbb{Z}$. Soit $r$ le reste de la division de $a$ par $p$ : $a \equiv r \;[p]$ avec $r \in \mathbb{N}$. Alors $a^p \equiv r^p \equiv r \equiv a \;[p]$.

Point 2. D'après le point 1, $p$ divise $a^p - a = a(a^{p-1} - 1)$. Comme $p$ est premier et ne divise pas $a$, le lemme d'Euclide donne $p \mid a^{p-1} - 1$, c'est-à-dire $a^{p-1} \equiv 1 \;[p]$.

Exemple

Reste de 3^100 modulo 7

$7$ est premier et ne divise pas $3$, donc $3^6 \equiv 1 \;[7]$ (on peut vérifier : $3^6 = 729 = 7 \times 104 + 1$).

$100 = 6 \times 16 + 4$, donc $3^{100} = (3^6)^{16} \times 3^4 \equiv 3^4 = 81 \;[7]$. Or $81 = 7 \times 11 + 4$.

Le reste de $3^{100}$ dans la division par $7$ est $4$.

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Dans le cours

Arithmétique : Petit théorème de Fermat

Voir aussi en MPSI : Petit théorème de Fermat