Carré parfait

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En mathématiques, un carré parfait (ou nombre carré s'il est non nul, voire simplement carré s'il n'y a pas ambiguïté) est le carré d'un entier. Dans le système de numération décimal, le chiffre des unités d'un carré parfait ne peut être que $0$ , $1$ , $4$ , $5$ , $6$ , ou $9$ .

Définition et liste

Un carré parfait est le carré d'un entier naturel.

Un nombre carré est un nombre polygonal (donc entier strictement positif) qui peut être représenté géométriquement par un carré de $n \times n$ points. Les nombres carrés sont donc les carrés parfaits non nuls, le $n$ -ième étant $n 2 .$

Les $70$ plus petits carrés parfaits sont^{[Note 1]} :

0² = 0	5² = 25	10² = 100	15² = 225	20² = 400	25² = 625	30² = 900	35² = 1 225	40² = 1 600	45² = 2 025	50² = 2 500	55² = 3 025	60² = 3 600	65² = 4 225
1² = 1	6² = 36	11² = 121	16² = 256	21² = 441	26² = 676	31² = 961	36² = 1 296	41² = 1 681	46² = 2 116	51² = 2 601	56² = 3 136	61² = 3 721	66² = 4 356
2² = 4	7² = 49	12² = 144	17² = 289	22² = 484	27² = 729	32² = 1 024	37² = 1 369	42² = 1 764	47² = 2 209	52² = 2 704	57² = 3 249	62² = 3 844	67² = 4 489
3² = 9	8² = 64	13² = 169	18² = 324	23² = 529	28² = 784	33² = 1 089	38² = 1 444	43² = 1 849	48² = 2 304	53² = 2 809	58² = 3 364	63² = 3 969	68² = 4 624
4² = 16	9² = 81	14² = 196	19² = 361	24² = 576	29² = 841	34² = 1 156	39² = 1 521	44² = 1 936	49² = 2 401	54² = 2 916	59² = 3 481	64² = 4 096	69² = 4 761

Propriétés

On considère $a, b,$ et $c$ des entiers naturels.

1. Si $a$ et $b$ sont des carrés parfaits, alors le produit $ab$ est aussi un carré parfait.

2. $a \neq 0 ; a$ est un carré parfait si, et seulement si, tous les exposants dans sa décomposition en produit de facteurs premiers sont pairs.

3. $ab \neq 0 ;$ si $ab$ est un carré parfait et si $a$ et $b$ sont premiers entre eux, alors $a$ et $b$ sont aussi des carrés parfaits^[1].
Ne pas oublier la seconde condition. Par exemple : $12\times3 = 6 2,$ mais $12$ et $3$ ne sont pas premiers entre eux ; $12$ et $3$ ne sont pas des carrés parfaits.

4. $a \neq 0 ; a (a + 1)$ et $a (a + 2)$ ne sont pas des carrés parfaits.

5. $a \neq 0 ; a$ est un carré parfait si, et seulement si, le nombre de ses diviseurs est impair.

6. Un carré parfait ne peut se terminer que par $0, 1, 4, 5, 6,$ ou $9$ dans le système décimal.

Les mathématiciens se sont souvent intéressés à certaines curiosités concernant les nombres carrés. La plus connue, notamment pour sa référence au théorème de Pythagore, est l'égalité $32 + 4 2 = 5 2,$ le plus petit des triplets pythagoriciens. D'après le théorème de Fermat-Wiles, démontré en 1995, il n'y a que les nombres carrés qui peuvent former une identité comme celle des triplets pythagoriciens. Par exemple, il n'y a aucune solution à l'équation $a 3 + b 3 = c 3$ avec $a,$ $b,$ et $c$ entiers non nuls.

7. La représentation du $1$ -ier nombre carré, $1,$ est un point. Celle du $n$ -ième, $n 2$ , s'obtient en bordant deux côtés consécutifs du $(n - 1)$ -ième carré de points par un « L » de $2 n - 1$ points, c.-à-d. en lui adjoignant le $(n - 1)$ -ième gnomon :

1 = 1²

1 + 3 = 4 = 2²

4 + 5 = 9 = 3²

9 + 7 = 16 = 4²

1 + 3 + 5 + 7 = 4²

8. $1$ est à la fois le $1$ -ier nombre carré et le $1$ -ier nombre impair, et $2 n - 1$ est le $n$ -ième nombre impair. Donc le $n$ -ième nombre carré égale la somme des $n$ plus petits nombres impairs :

\sum _{i=1}^{n}(2i-1)=1+3+5+\dots +(2n-1)=n^{2}.

Cette propriété fournit un moyen pratique pour former une table de carrés^[2]. Elle est aussi utilisée comme méthode d'extraction de racine carrée, y compris avec un boulier.

Animation de deux vues d'un tétraèdre pour illustrer que la somme des

n

plus petits nombres impairs égale

n 2

. (Ne pas confondre avec les nombres tétraédriques, dont les représentations comportent des points aussi à l'intérieur des tétraèdres.)

La somme du 3^e et du 4^e nombres triangulaires égale le 4^e nombre carré.

9. Le $n$ -ième nombre carré est égal à la somme du $n$ -ième et du $(n - 1)$ -ième nombres triangulaires :

{\frac {n(n+1)}{2}}+{\frac {n(n-1)}{2}}=n^{2}.

10. La somme du $n$ -ième et du $(n - 1)$ -ième nombres carrés égale le $n$ -ième nombre carré centré.

11. La somme des $n$ plus petits nombres carrés est égale au $n$ -ième nombre pyramidal carré :

\sum _{i=1}^{n}i^{2}=1^{2}+2^{2}+3^{2}+\dots +n^{2}={n(n+1)(2n+1) \over 6}.

12. $\sum _{i=1}^{n}i^{3}$ est un carré parfait. Plus précisément :

\sum _{i=1}^{n}i^{3}=\left(\sum _{i=1}^{n}i\right)^{2}.

Démonstrations

2. Si $a \neq 0$ est un carré parfait, alors il existe un entier $m > 0$ tel que $a = m 2 .$ En notant $m={p_{1}}^{k_{1}}\dots {p_{r}}^{k_{r}}$ la décomposition de $m$ en produit de facteurs premiers, on déduit : $a={p_{1}}^{2k_{1}}\dots {p_{r}}^{2k_{r}},$ donc tous les exposants dans la décomposition de $a$ sont pairs.

Réciproquement : si tous les exposants dans la décomposition de

a

sont pairs, alors

a

est de la forme

{p_{1}}^{2k_{1}}\dots {p_{r}}^{2k_{r}}=\left({p_{1}}^{k_{1}}\dots {p_{r}}^{k_{r}}\right)^{2}.

3. Supposons que $pgcd(a, b) = 1$ et que $ab = n 2$ où $n\in \mathbb {N} .$

Notons

c = pgcd(a, n).

On a :

a=a\operatorname {pgcd} \left(a,b\right)=\operatorname {pgcd} \left(a^{2},ab\right)=\operatorname {pgcd} \left(a^{2},n^{2}\right)=c^{2}\operatorname {pgcd} \left(\left(a/c\right)^{2},\left(n/c\right)^{2}\right)=c^{2}.

De même, notons

d = pgcd(b, n).

On a :

b = d 2 .

4. Il suffit de remarquer que $a^{2}<a\left(a+1\right)<a\left(a+2\right)<\left(a+1\right)^{2}.$

5. Par la propriété 3, $a$ est un carré parfait si et seulement si les exposants $j p$ dans sa décomposition en produit de facteurs premiers sont tous pairs, ce qui équivaut à l'imparité du produit $\prod \left(j_{p}+1\right).$ Or ce produit est le nombre de diviseurs de $a.$

6. Cf. « Résidus quadratiques modulo 10 ».

12. Cf. « Somme des n premiers cubes ».

Concept associé

On dit qu'un entier $q$ est un résidu quadratique modulo un entier $m$ s'il existe un entier $n$ tel que :

q\equiv {n^{2}}{\bmod {m}}

.

Ce concept permet notamment de démontrer que certaines équations diophantiennes n'admettent pas de solution. Par exemple, avec k entier, l'équation $n^{2}=4k+2$ n'admet pas de solution dans $\mathbb {Z}$ . En effet, les résidus quadratiques modulo 4 étant 0 et 1, un carré parfait ne peut pas posséder un reste égal à 2 dans la division euclidienne par 4.

Calcul mental

On peut calculer mentalement les carrés des nombres entiers s'écrivant avec deux (voire trois) chiffres en notation décimale assez facilement^[3]. Soit un nombre x s'écrivant $10a+b$ , avec b un chiffre non nul. On obtient son carré facilement en calculant de la façon suivante :

$x^{2}=(x+b)\times a\times 10+b^{2}$ si b est compris entre 1 et 4,
$x^{2}=a(a+1)\times 100+25$ si b est égal à 5,
$x^{2}=(x-b')\times (a+1)\times 10+b'^{2}$ si b est compris entre 6 et 9, avec $b'=10-b$ .

Cela réduit la difficulté du calcul au produit d'un nombre de deux chiffres par un nombre réduit à un chiffre, et à l'élévation au carré des nombres 1 à 4. Ainsi :

$62^{2}=64\times 6\times 10+2^{2}=3840+4=3844$
$65^{2}=6\times 7\times 100+25=4200+25=4225$
$76^{2}=72\times 8\times 10+4^{2}=5760+16=5776$

Notes et références

Notes

↑ suite A000290 de l'OEIS

Références

↑ « Cours d'arithmétique », sur Animath, p. 56.
↑ Anna et Élie Cartan, Arithmétique : Classes de 4^e et de 3^e, Paris, Armand Colin, 1934, 5^e éd., p. 161, paragraphe n^o 237.
↑ Y. Pérelman, L'algèbre récréative, Éditions Mir, Moscou, 1985, 91-94 p.

Voir aussi

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Nombre carré, sur Wikimedia Commons

Articles connexes

Lien externe

Carré parfait sur recreomath.qc.ca

Arithmétique et théorie des nombres

[1] suite A000290 de l'OEIS

[2] « Cours d'arithmétique », sur Animath, p. 56.

[3] Anna et Élie Cartan, Arithmétique : Classes de 4^e et de 3^e, Paris, Armand Colin, 1934, 5^e éd., p. 161, paragraphe n^o 237.

[4] Y. Pérelman, L'algèbre récréative, Éditions Mir, Moscou, 1985, 91-94 p.

[Note 1]

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[3]