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Contrôle de maths spé : idéaux, congruences et indicatrice d’Euler

    Contrôle de maths spé : idéaux, congruences et indicatrice d'Euler

    Ce contrôle de maths spé porte sur le thème suivant : idéaux, congruences et indicatrice d’Euler.

    Ce devoir surveillé de deux heures relit l’arithmétique de Z et de K[X] avec le langage des idéaux. La question de cours décrit les idéaux de K[X], puis interprète le PGCD comme générateur de aZ + bZ.

    Les exercices techniques vous font calculer un inverse modulo 60 par l’algorithme d’Euclide, résoudre un système de congruences grâce au théorème chinois et réduire 7 puissance 2026 modulo 100 à l’aide de l’indicatrice d’Euler. Le problème final établit que Z/pZ est un corps, démontre le théorème de Wilson, puis étudie une petite algèbre de matrices. Soignez les justifications de chaque congruence.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : maths spé (MP)
    • Chapitre : Anneaux, idéaux, Z/nZ et algèbres
    • Durée conseillée : 2 heures
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 3 points ; exercice 5 : 5 points)
    • Compétences évaluées :
      • Raisonner : décrire les idéaux de Z et de K[X] et relier le PGCD à un idéal
      • Calculer : obtenir un inverse modulaire par l’algorithme d’Euclide étendu
      • Chercher : résoudre un système de congruences par le théorème chinois
      • Calculer : utiliser l’indicatrice d’Euler pour réduire une puissance modulo n
      • Modéliser : reconnaître une sous-algèbre et le noyau d’un morphisme d’algèbres

    Exercice 1 : Question de cours (4 points)

    Calculatrice interdite.

    Dans cet exercice, \(\mathbb{K}\) désigne \(\mathbb{R}\) ou \(\mathbb{C}\).

    1. Démontrez que tout idéal \(I\) de \(\mathbb{K}[X]\) non réduit à \(\{0\}\) s’écrit \(I = P\,\mathbb{K}[X]\) pour un unique polynôme unitaire \(P\). (2 points)
    2. Soit \(a\) et \(b\) deux entiers non tous deux nuls. Montrez que \(a\mathbb{Z} + b\mathbb{Z}\) est un idéal de \(\mathbb{Z}\), puis que \(a\mathbb{Z} + b\mathbb{Z} = d\mathbb{Z}\) où \(d = a \wedge b\). Déduisez-en la relation de Bézout. On admet que les idéaux de \(\mathbb{Z}\) sont les \(n\mathbb{Z}\), \(n \in \mathbb{N}\). (2 points)

    Exercice 2 : Inversibles de Z/60Z (4 points)

    On note \(\overline{k}\) la classe de l’entier \(k\) dans \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\).

    1. Démontrez que \(\overline{k}\) est inversible dans l’anneau \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) si et seulement si \(k \wedge n = 1\). (1 point)
    2. Justifiez que \(\overline{17}\) est inversible dans \(\mathbb{Z}/60\mathbb{Z}\), puis déterminez son inverse à l’aide de l’algorithme d’Euclide. (1,5 point)
    3. Résolvez dans \(\mathbb{Z}\) la congruence \(17x \equiv 5 \pmod{60}\). (0,5 point)
    4. Combien l’anneau \(\mathbb{Z}/60\mathbb{Z}\) possède-t-il d’éléments inversibles ? Est-ce un corps ? (1 point)

    Exercice 3 : Théorème chinois (4 points)

    1. Soit \(m\) et \(n\) deux entiers supérieurs ou égaux à 2 et premiers entre eux. Énoncez le théorème chinois sous la forme d’un isomorphisme d’anneaux, puis démontrez que l’application proposée est injective. (1 point)
    2. Déterminez tous les entiers \(x\) tels que \(x \equiv 2 \pmod 5\), \(x \equiv 3 \pmod 7\) et \(x \equiv 1 \pmod 9\). (2 points)
    3. Déduisez du théorème chinois que \(\varphi(mn) = \varphi(m)\varphi(n)\) lorsque \(m \wedge n = 1\), où \(\varphi\) désigne l’indicatrice d’Euler. (1 point)

    Exercice 4 : Théorème d’Euler (3 points)

    1. Calculez \(\varphi(100)\). (0,5 point)
    2. Énoncez le théorème d’Euler, puis déterminez les deux derniers chiffres de l’écriture décimale de \(7^{2026}\). (1,5 point)
    3. Déterminez l’ordre de \(\overline{7}\) dans le groupe \(((\mathbb{Z}/100\mathbb{Z})^{\times }, \times )\). Retrouvez ainsi rapidement le résultat de b). (1 point)

    Exercice 5 : Le corps Z/pZ et une algèbre de matrices (5 points)

    Partie A. Soit \(n \geq\, 2\) et \(p\) un nombre premier.

    1. Démontrez que \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) est un corps si et seulement si \(n\) est premier. (1 point)
    2. Démontrez le petit théorème de Fermat : pour tout entier \(a\) non divisible par \(p\), \(a^{p-1} \equiv 1 \pmod p\). (0,5 point)
    3. Montrez que, dans \(\mathbb{F}_p\), l’équation \(x^2 = \overline{1}\) a pour seules solutions \(\overline{1}\) et \(-\overline{1}\). (0,5 point)
    4. On suppose \(p \geq\, 3\). En regroupant chaque élément de \(\mathbb{F}_p^{*}\) avec son inverse, démontrez le théorème de Wilson : \((p-1)! \equiv -1 \pmod p\). (1,5 point)

    Partie B. On pose \(N = \begin{pmatrix} 0 1 \\ 0 0 \end{pmatrix}\) et \(\mathcal{A} = \{aI_2 + bN : (a, b) \in \mathbb{K}^2\}\).

    1. Montrez que \(\mathcal{A}\) est une sous-algèbre commutative de \(\mathcal{M}_2(\mathbb{K})\), de dimension 2. (1 point)
    2. On considère le morphisme d’algèbres \(\Phi : \mathbb{K}[X] \to \mathcal{M}_2(\mathbb{K})\), \(P \mapsto P(N)\). Déterminez son image et montrez que son noyau est l’idéal \(X^2\,\mathbb{K}[X]\). (0,5 point)

    Corrigé du contrôle de maths spé : idéaux, congruences et indicatrice d'Euler

    Réviser avant le contrôle : idéaux, congruences et indicatrice d’Euler

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Anneaux, idéaux et Z/nZ » en maths spé puis entraînez-vous avec les exercices corrigés anneaux, idéaux et z/nz.

    Retrouvez tous les contrôles de maths spé classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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