Théorème de Bachet-Bézout

En mathématiques, et plus précisément en arithmétique élémentaire, le théorème de Bachet-Bézout ou identité de Bézout est un résultat d'arithmétique élémentaire, qui prouve l'existence de solutions à l'équation diophantienne linéaire :

ax + by = pgcd(a, b)

Pour les articles homonymes, voir Bachet.

Cet article parle de l'identité de Bézout et du théorème de Bézout en arithmétique. Pour le théorème de Bézout en géométrie algébrique voir Théorème de Bézout.

d'inconnues x et y entiers relatifs, où a et b sont des coefficients entiers relatifs et où pgcd(a, b) est le plus grand commun diviseur de a et b.

Le théorème de Bézout affirme que les entiers a et b sont premiers entre eux si et seulement si l'équation ax + by = 1 admet des solutions.

Historique

Dans l'équivalence du « théorème de Bézout », le sens réciproque — le « si » — va de soi (voir infra)[1].

La première démonstration actuellement connue du sens direct — le « seulement si » — est due à Claude-Gaspard Bachet de Méziriac[2],[3]. Elle figure dans la seconde édition de son ouvrage Problèmes plaisans et délectables qui se font par les nombres[4], parue en 1624.

Au 18e siècle, le mathématicien Étienne Bézout a généralisé ce résultat, notamment aux polynômes.

Bourbaki, dans les Éléments d’histoire des mathématiques, énonce le résultat sur un anneau principal quelconque et lui donne le nom de « théorème de Bézout »[5].

Dans l'ensemble des entiers relatifs

Deux théorèmes

Claude-Gaspard Bachet de Méziriac (1581-1638).

Théorème de Bachet-Bézout (ou Identité de Bézout[6]) — Soient a et b deux entiers relatifs. Si d est le PGCD de a et b, alors il existe deux entiers relatifs x et y tels que ax + by = d.

 Théorème de Bézout[6] — Deux entiers relatifs a et b sont premiers entre eux (si et) seulement s'il existe deux entiers relatifs x et y tels que ax + by = 1.

Infinité de solutions

Les deux théorèmes assurent l'existence d'un couple d'entiers tels que ax + by = pgcd(a, b). Les démonstrations ci-dessous fournissent une seule solution, mais il en existe en général une infinité d'autres.

Par exemple, le plus grand diviseur commun de 12 et 42 est 6, et l'on peut écrire (–3)×12 + 1×42 = 6 mais aussi 4×12 + (–1)×42 = 6.

À partir d'un couple solution (x0, y0), il est facile de prouver que l'on a aussi : où k peut varier dans ℤ.

Lien entre les deux théorèmes

Le second théorème — sans le sens réciproque qui, comme déjà dit, est immédiat (voir infra) — est le cas particulier d = 1 du premier.

Inversement, le premier se déduit du second en remarquant que a = da' et b = db' avec a' et b' entiers premiers entre eux, et que a'x + b'y = 1 entraîne alors ax + by = d. Ce lien permet aussi de démontrer que x et y sont premiers entre eux dans les deux équations. On peut donc se contenter de démontrer l'un ou l'autre.

Démonstration du premier théorème

L'algorithme d'Euclide étendu, en fournissant un couple d'entiers solution de l'équation ax + by = pgcd(a, b), prouve le premier théorème. On peut aussi, en raisonnant sur le plus petit entier strictement positif de la forme ax + by, en donner une démonstration[7] plus proche de celle qui sera utilisée dans les anneaux principaux.

Démonstration directe du second théorème

Une preuve moins constructive du second théorème[8],[9] consiste à considérer le groupe des inversibles modulo a, c'est-à-dire le groupe des unités de l'anneau ℤ/aℤ. En effet, en supposant que b est premier avec a, montrer qu'il existe deux entiers x et y tels que by = 1 – ax revient à montrer que b est inversible modulo a.

On considère pour cela l'application « produit par b », de ℤ/aℤ dans lui-même. Cette application est injective car si by = bz alors b(y – z) est divisible par a donc y – z aussi (d'après le lemme de Gauss), si bien que y = z. Comme ℤ/aℤ est un ensemble fini, on déduit de cette injectivité que l'application est surjective. L'antécédent de 1 fournit alors un inverse pour b modulo a.

Résultat réciproque

Soient a et b deux entiers relatifs.

  • Soit d un entier naturel divisant a et b. S'il existe deux entiers x et y tels que ax + by = d, alors d est le PGCD de a et b.
  • S'il existe deux entiers x et y tels que ax + by = 1, alors a et b sont premiers entre eux.
Démonstration
  • Si d = ax + by alors tout diviseur de a et b divise d. Si de plus d est un diviseur positif commun à a et b, c'est donc le plus grand.
  • Comme précédemment, le second énoncé est le cas particulier d = 1 du premier.
Remarque
Dans le premier de ces deux énoncés, l'hypothèse que d divise a et b est indispensable. S'il existe deux entiers x et y tels que d = ax + by, on peut seulement dire que d est un multiple du PGCD. Par exemple, il existe deux entiers x et y tels que 2x + 3y = 5 (il suffit de prendre x = 1 et y = 1) alors que 5 n'est pas le PGCD de 2 et 3.

Applications

Le théorème de Bachet-Bézout intervient dans de nombreux domaines de la théorie des nombres. Il intervient dans

Généralisation

Théorème —  Étant donnés des entiers relatifs a1, …, an non tous nuls et d leur PGCD, il existe des entiers relatifs x1, …, xn tels que d = x1a1 + … + xnan.

Les entiers a1, …, an sont premiers entre eux (dans leur ensemble) si et seulement s'il existe des entiers relatifs x1, …, xn tels que 1 = x1a1 + … + xnan.

En d'autres termes, quand les ak ne sont pas tous nuls, le PGCD de a1, …, an est le plus petit entier strictement positif qui peut s'écrire comme combinaison linéaire à coefficients entiers de a1, …, an.

Dans l'ensemble des polynômes

L'identité de Bézout se généralise à l'ensemble des polynômes à une indéterminée sur un corps commutatif K.

Théorème —  Étant donnés P1, …, Pn des polynômes de K[X] et Δ un PGCD de P1, …, Pn, il existe A1, …, An, polynômes de K[X], tels que Δ = A1P1 + … + AnPn.

Les polynômes P1, …, Pn sont premiers entre eux (dans leur ensemble) si et seulement s'il existe A1, …, An, polynômes de K[X], tels que 1 = A1P1 + … + AnPn.

Extension aux anneaux principaux quelconques

L'identité de Bézout peut s'écrire non seulement dans l'anneau des nombres entiers relatifs, mais aussi dans tout autre anneau principal. (Notons que dans ce cas « plus grand » diviseur commun s'entend seulement au sens de la relation de préordre fournie par la divisibilité dans l'anneau ; l'unicité du PGCD n'est conservée qu'à un facteur inversible près de l'anneau.) C'est-à-dire, si A est un anneau principal, et a et b sont des éléments de A, alors il existe un plus grand diviseur commun d de a et b et des éléments x et y dans A tels que d = ax + by.

Cette propriété résulte du fait que l'idéal aA + bA engendré par a et b est principal. En effet, tout générateur d de aA + bA est un diviseur commun à a et b (puisque a et b appartiennent à aA + bA), et c'est « le » plus grand au sens de la divisibilité, c'est-à-dire que tout diviseur commun c divise d (puisque c divise tout élément de aA + bA).

Extension à d'autres anneaux

L'identité de Bachet-Bézout a donné lieu à une classe d'anneaux : un anneau A est dit de Bézout si tout idéal de type fini de A est principal (mais l'anneau peut éventuellement contenir des idéaux qui ne sont pas de type fini). Autrement dit, A est de Bézout si deux éléments quelconques a, b de A possèdent toujours un PGCD, et si celui-ci peut toujours s'écrire sous la forme xa + yb (pour certains éléments x, y de A).

Références
  1. Seul le sens direct est mentionné, sous le nom de théorème de Bachet, par Gérald Tenenbaum et Michel Mendès France, Les nombres premiers, entre l'ordre et le chaos, Dunod, , 2e éd. (1re éd. 1997) (lire en ligne), p. 13.
  2. Pierre Colmez, Éléments d'analyse et d'algèbre (et de théorie des nombres), éditions de l'École polytechnique, (lire en ligne), p. 7.
  3. Stella Baruk, Si 7 = 0 : Quelles mathématiques pour l'école ?, Odile Jacob, (lire en ligne), p. 426.
  4. Prop. 18 des Problèmes plaisans et délectables, p. 18 : Deux nombres premiers entre eux étant donnés, trouver le moindre multiple de chacun d'iceux, surpassant de l'unité un multiple de l'autre. Pour cela, Bachet applique l'algorithme d'Euclide, décrit dans la prop. 1 du Livre VII des Éléments d'Euclide. Cette proposition affirme que, si le résultat de l'algorithme conduit au nombre 1, alors les nombres sont premiers entre eux, mais c'est la réciproque de cette proposition que Bachet utilise, en énonçant (p. 20), sans plus de précisions, que cette réciproque a été « démontrée par Campanus, et par Clavius aussi ».
  5. Liliane Alfonsi, Étienne Bézout (1730-1783), mathématicien des Lumières, Paris, L’Harmattan, (ISBN 978-2-296-56553-1), p. 358-359. L. Alfonsi indique aussi quelques manuels du début du XXe siècle où le nom de Bézout est utilisé.
  6. Collectif, Maths, Terminale S, Bréal, coll. « Séquence bac », (lire en ligne), p. 447.
  7. Présentée par exemple au chapitre « Théorèmes de Bézout et Gauss » de la leçon d'arithmétique sur Wikiversité.
  8. (en) Peter J. Eccles, An Introduction to Mathematical Reasoning : Numbers, Sets and Functions, CUP, , 350 p. (ISBN 978-0-521-59718-0, lire en ligne), p. 259.
  9. G. H. Hardy et E. M. Wright (trad. de l'anglais par F. Sauvageot), Introduction à la théorie des nombres [« An Introduction to the Theory of Numbers »], Vuibert-Springer, (ISBN 978-2-7117-7168-4), p. 63-64, th. 56.

Articles connexes
  • Arithmétique et théorie des nombres
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