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Division euclidienne

Opération qui, à deux entiers naturels (ou relatifs) appelés dividende et diviseur, associe deux autres entiers appelés quotient et reste
Écriture de la division euclidienne de 30 par 7, le quotient est 4 et le reste 2.

En mathématiques, et plus précisément en arithmétique, la division euclidienne ou division entière est une opération qui, à deux entiers naturels appelés dividende et diviseur, associe deux autres entiers appelés quotient et reste. Initialement définie pour deux entiers naturels non nuls, elle se généralise aux entiers relatifs. Cette division est au fondement des théorèmes de l'arithmétique élémentaire et de l'arithmétique modulaire qui traite des congruences sur les entiers.

On définit aussi une division euclidienne sur d'autres ensembles comme l'anneau des polynômes.

Sommaire

En arithmétiqueModifier

Première approcheModifier

Comment distribuer 30 billes entre 7 personnes ? Distribuer 4 billes à chacun et il reste 2 billes.
30 = 7 × 4 + 2.

La division euclidienne permet de répondre à des questions du type suivant :

  • Distribution équitable : Comment distribuer équitablement 30 billes entre 7 personnes ?
On donne 1 bille à chacune des 7 personnes. On a alors distribué 7 billes. Il reste 23 billes.
On recommence en distribuant encore 1 bille à chacune des 7 personnes. Celles-ci possèdent alors chacune 2 billes et il en reste 16 dans le sac…
Finalement, chaque personne possède 4 billes et il en reste 2 dans le sac.

Définition intuitive de la division euclidienneModifier

On dit que la division de 30 par 7 a pour quotient 4 et pour reste 2 et l'on écrit :

 

On aurait pu, à chaque étape, écrire :

 .

Ces égalités sont exactes mais ne correspondent pas à une division euclidienne, celle-ci consistant à "épuiser" les billes entre les joueurs. La distribution ne sera complète que lorsque le nombre de billes restantes sera inférieur au nombre de joueurs, ici 7. Le principe même de cette division interdit que l'on puisse diviser un nombre par 0.

La division euclidienne est, avec l'addition, la soustraction, et la multiplication une des quatre opérations élémentaires sur les nombres entiers.

Origine historiqueModifier

Le nom de division euclidienne est un hommage rendu à Euclide qui en explique le principe par soustractions successives dans ses Éléments. Mais elle apparait très tôt dans l'histoire des mathématiques. Caveing en signale la présence dans les mathématiques égyptiennes où il s'agit par exemple de mesurer 30 avec l'unité 7[1]. La présence d'un reste les conduit d'ailleurs les arpenteurs égyptiens à approfondir le concept de fraction. Une démarche analogue existe dans les mathématiques babyloniennes. On retrouve cette opération décrite dans les mathématiques chinoises avec un algorithme proche du système actuel consistant à poser une division. Les Chinois ont un mot pour désigner le dividende, le diviseur et le quotient en cours de calcul[2].

Théorème de la division euclidienneModifier

Dans les entiers naturelsModifier

Le théorème de la division euclidienne dans les entiers naturels (les nombres entiers pris à partir de 0) s'énonce ainsi.

À deux entiers naturels a et b, b ≠ 0, on associe de façon unique deux entiers naturels, le quotient q et le reste r, qui vérifient :
  • a = bq + r ;
  • r < b.

L'unicité du reste se déduit de ce que le seul multiple de b strictement inférieur à b est 0, or la différence de deux restes vérifiant les deux conditions est un tel entier. L'unicité du quotient se déduit de celle du reste.

pour l'existence il suffit de prendre le plus petit entier naturel r pour lequel on trouve un q vérifiant a = bq + r. S'il ne vérifiait pas r < b, par soustraction de b on aurait une contradiction.

Extension aux entiers relatifsModifier

Le théorème de la division euclidienne s'étend aux entiers relatifs.

À deux entiers relatifs a et b, b ≠ 0, on associe de façon unique deux entiers naturels, le quotient q et le reste r, qui vérifient des conditions analogues (celle pour le reste doit être précisée) :
  • a = bq + r ;
  • 0 ≤ r < |b|.

Par exemple la division de -17 par 5 donne :

-17 = -4×5 + 3

soit un quotient de -4 et un reste de 3. Comme le reste de la division de 17 par 5 est 2, on a aussi :

-17 = -3×5 - 2

ce qui donnerait un reste négatif de -2, et ne rentre donc pas dans le cadre de la définition précédente.

En restreignant ce théorème aux entiers positifs ou nuls, on obtient bien le théorème précédent pour les entiers naturels. Il s'en déduit en distinguant suivant les signes de a et b, ou se démontre directement de façon analogue[3].

UtilisationModifier

La division euclidienne est un outil de base de l'arithmétique. Elle permet de déterminer le PGCD de deux nombres en utilisant l'algorithme d'Euclide. Elle est également utilisée pour écrire un entier en base b.

Elle est à l'origine d'une branche de l'arithmétique, l'arithmétique modulaire, dans laquelle on s'intéresse non pas au quotient de la division de a par n mais à son reste. On dit que deux nombre a et a' sont congrus modulo n si et seulement s'ils ont même reste dans la division par n. Cette propriété se transmet à la somme et au produit :

si a et a' ont même reste modulo n et s'il en est de même de b et b', alors ab a même reste que a'b' modulo n et a + b a même reste que a' + b' modulo n.

Cette transmissibilité permet le développement d'une arithmétique sur les restes et la création d'un ensemble nouveau, l'anneau ℤ/nℤ.

Mise en œuvre informatique de la division euclidienneModifier

Les divisions entières peuvent réserver parfois des surprises lorsqu'on utilise les fonctions intégrées dans les langages de programmation ou les logiciels de calcul.

Ainsi, dans le tableur Excel, la fonction « MOD » a pour objet de retourner le reste d'une division euclidienne. Dans une cellule de feuille de calcul, la formule « =MOD(-201;23) » a pour résultat le reste 6 de la division de –201 par 23, conformément à la définition, mais en langage de macro VBA Excel, l'instruction « R = -201 MOD 23 » donne le résultat erroné –17. D'autre part, il faut vérifier que l'instruction qui fournit le quotient est elle-même correcte et cohérente avec le reste, ce qui n'est pas toujours assuré. Il y a lieu d'être très vigilant à cet égard.

Division euclidienne dans d'autres ensemblesModifier

Division euclidienne dans l'ensemble des polynômesModifier

Article détaillé : Division polynomiale.

Si les polynômes ont pour coefficients des éléments d'un corps commutatif K, on peut définir une division euclidienne sur les polynômes appelée division selon les puissances décroissantes.

À deux polynômes A et B à coefficients dans un corps K, avec B non nul, la division euclidienne associe un quotient Q et un reste R, tous deux polynômes, vérifiant :

  •   ;
  •  

L'unicité d'un couple (Q, R) vérifiant ces propriétés est garantie par les lois d'anneau, en revanche il est nécessaire que K soit un corps pour que l'existence le soit aussi. Sinon la division est encore parfois possible, si par exemple le coefficient du monôme dominant de B est égal à 1, ou plus généralement si ce coefficient est inversible.

Division euclidienne dans un anneauModifier

Article détaillé : Anneau euclidien.

La construction d'une division euclidienne dans un anneau intègre A nécessite l'existence d'une application ν de A\{0} dans ℕ appelée stathme euclidien et vérifiant, pour tous éléments a et b non nuls

  • si b divise a alors ν(b) ≤ ν(a) ;
  • si b ne divise pas a alors il existe q et r dans A vérifiant les deux propriétés
    • a = bq + r
    • ν(r) < ν(b).

S'il existe un stathme euclidien sur l'anneau A, l'anneau est appelé anneau euclidien. Ainsi dans l'anneau des entiers relatifs, le stathme choisi était la valeur absolue et dans celui des polynômes, le stathme était le degré du polynôme.

La définition d'un stathme euclidien diffère d'un auteur à l'autre. Les rapports logiques entre les différentes définitions sont abordés dans l'article détaillé.

Algorithmes de calculModifier

On s'intéresse au calcul de division euclidienne de deux entiers, connaissant au préalable les opérations d'addition, de soustraction, de multiplication, et de comparaison, entre des nombres entiers. Il est facile de ramener le problème à deux entiers positifs, et on se restreint à ce cas.

Les algorithmes décrits ci-dessous calculent le quotient de la division euclidienne ; il est bien clair que le reste s'en déduit. Attention, le contraire ne serait pas vrai.

La première méthode, naturelle mais naïve, demande beaucoup trop de calculs pour des grands nombres. On présente ensuite deux méthodes courantes, de complexité semblable : la première convient pour des calculs en base 2, et donc pour une programmation informatique ; la deuxième méthode, essentiellement équivalente, est une adaptation pour la base de numération habituelle, la base décimale, et convient donc pour des calculs à la main. C'est l'algorithme enseigné à l'école.

Méthode naïveModifier

C'est la méthode décrite par Euclide. Elle procède par soustractions successives. Pour effectuer la division euclidienne de a par b, on soustrait b à a, et on recommence tant que cela est possible.

On construit ainsi une suite arithmétique strictement décroissante (ai ) de raison –b :

  ;
 .

Il existe donc un plus petit entier   tel que  , c'est-à-dire vérifiant

 ,

ce qui s'écrit encore

 .

Le quotient de la division cherchée est donc  , et le reste  .

Le nombre de pas de cet algorithme est donc  , c'est-à-dire la partie entière de   ; chaque étape requiert une soustraction et une comparaison. La complexité de calcul croît linéairement avec a, c'est-à-dire exponentiellement avec la taille de a — si l'on convient de mesurer la taille d'un entier par le nombre de chiffres que requiert son développement binaire (ou décimal si on préfère, cela ne modifie les choses que d'une constante), cette taille est de l'ordre du logarithme de l'entier.

Méthode binaireModifier

Ce principe est à l'origine de la technique de la division dans l'Égypte antique[4]. Il s'appuie sur une construction à l'envers d'une multiplication égyptienne et consiste à remplir un tableau donnant les puissances de 2 et leur produit par b. On s'arrête juste avant de dépasser a dans la seconde colonne. On essaie ensuite de constituer le plus grand multiple de b inférieur à a en sommant certaines cases de la seconde colonne. En sommant les cases correspondantes de la première colonne on obtient le quotient de la division.

Ainsi pour diviser 93 par 7 on remplit le tableau suivant :

1 7
2 14
4 28
8 56

Pour construire le plus grand multiple de 7 inférieur à 93, il faut prendre

  • 56 ;
  • 28 ce qui donne pour somme 56 + 28 = 84 ;
  • pas 14 car 84 +14 dépasse 93 ;
  • 7 ce qui donne pour somme 84 + 7 = 91 ;

le quotient est donc 8 + 4 + 1 = 13 et le reste est 2.

L'algorithme de dichotomie suivant utilise le même principe mais économise la place mémoire car il est inutile de conserver tous les puissances de 2 et leur produit par b.

Au lieu de parcourir comme dans la méthode naïve, tous les entiers depuis 0 en attendant de tomber sur le bon quotient, on va commencer par trouver rapidement un entier dont on sera sûr qu'il est plus grand que le quotient cherché ; dans la liste finie de quotients possibles restants, on fera une recherche dichotomique.

Le premier calcul se fait simplement en considérant la suite géométrique  . Tant que  , on incrémente n de 1 à chaque étape. Soit   le plus petit entier tel que

 .

Le nombre d'étapes pour trouver cet entier est de l'ordre de  . Chacune de ces étapes ne demande qu'une multiplication par deux (encore plus facile qu'une addition, pour une écriture binaire), et une comparaison.

Pour le deuxième calcul, on construit deux suites   et   ; l'une stockera des minorants du quotient cherché, l'autre des majorants stricts. On pose donc

 

et

 ,

puis par récurrence :

si  , alors on peut affiner le minorant, et on pose donc   et   ;
en revanche, si  , on peut affiner le majorant, et on pose  , et  .

On montre facilement par récurrence qu'à chaque étape n de ce deuxième calcul,   et   sont deux entiers, tous deux multiples de   et dont la différence vaut  . Cette remarque permet notamment de montrer que les suites sont bien définies jusqu'à  , et que   et   ne diffèrent que de   ; puisqu'ils sont respectivement un minorant large et un majorant strict du quotient,   est le quotient cherché.

Le nombre maximal d'étapes pour ce calcul est de l'ordre de   — une des dichotomies a pu donner le bon quotient avant la  -ième étape, c'est le cas d'égalité de la comparaison, auquel cas on peut arrêter l'algorithme avant —, qui chacune n'exige qu'une addition, une division par deux (facile en écriture binaire, ce n'est évidemment pas une division euclidienne cachée), une multiplication (qui peut être évitée, en gérant plus de variables), et une comparaison.

En concaténant les résultats des deux calculs, on voit que cet algorithme a une complexité qui croît logarithmiquement avec  , et donc linéairement avec la taille de a. L'amélioration est donc très nette.

Méthode décimaleModifier

C'est la méthode utilisée dans les civilisations ayant adopté le système décimal. Elle est à l'origine de la technique enseignée dans les écoles primaires pour poser une division. Elle est présente en Chine très tôt[5]. Elle consiste à effectuer la division en commençant par les poids forts.

La méthode chinoise présente l'algorithme dans un tableau à trois lignes

  • dans la première ligne se constituera progressivement le quotient
  • dans la seconde ligne sera écrit le dividende qui évolue au cours du calcul
  • la troisième ligne est consacrée à placer le diviseur.

On commence par placer le diviseur le plus à gauche possible et on effectue la division en ne s'occupant pas de ce qui est à droite, le quotient se place dans la première ligne, le reste de cette première division vient remplacer les chiffres correspondants du dividende et on recommence l'opération

Ainsi pour diviser 3 564 par 17, on remplit le tableau de la manière suivante :

Quotient
3 5 6 4 Dividende
1 7 Diviseur

et on effectue la division de 35 par 17, quotient 2 reste 1

    2 Quotient
1 6 4 Dividende
Diviseur

On déplace le diviseur sur la droite jusqu'à ce qu'une nouvelle division soit possible.

   2 Quotient
1 6 4 Dividende
1 7 Diviseur

On effectue la division de 164 par 17, quotient 9 reste 11.

   2 9 Quotient
1 1 Dividende
Diviseur

On obtient donc : 3 564 divisé par 17 a pour quotient 209 et pour reste 11.

La formulation générale de cet algorithme est la suivante : soit deux entiers naturels a et b non nul. On cherche à effectuer la division de a par b.

On commence par trouver la plus petite puissance de 10 telle que   ; d'après le théorème de division euclidienne, il existe alors un unique entier   tel que :

 .

On pose alors

 

et on effectue la division de a1 par b. L'inégalité précédente montre que la première puissance de 10 telle que   excèdera a1 sera strictement plus petite que   ; on la note  .

On construit ainsi une suite d'entiers naturels   strictement décroissante ; elle vaut donc 0 à un certain rang. On construit la suite d'entiers   associée de la même façon qu'on a construit  . Le quotient cherché sera

 

en effet l'inégalité qui donne   pour la première occurrence de   sera :

 ,

ce qui est bien la définition du quotient.

On remarque que cette méthode se divise comme la précédente en deux étapes : d'abord une recherche d'une puissance assez grande, ce qui demande à nouveau un nombre de calcul logarithmique en a, c'est-à-dire linéaire en la taille de a ; ensuite un calcul de tous les coefficients   associés aux différentes puissances de 10 inférieures à la puissance assez grande obtenue. Pour chaque calcul de  , l'algorithme demande en fait un calcul de division euclidienne intermédiaire ; mais le quotient est à chercher seulement parmi les entiers de 0 à 9 ; il se fait donc rapidement en utilisant des tables.

Notes et référencesModifier

  1. Maurice Caveing, Essai sur le savoir mathématique dans la Mésopotamie et l'Égypte anciennes, , 263.
  2. Karine Chemla et Guo Shuchun, Les neuf chapitres : Le classique mathématique de la Chine ancienne et ses commentaires [détail de l’édition], p. 16-20.
  3. Pour une démonstration, voir par exemple le paragraphe « Division euclidienne » de la leçon d'arithmétique sur la Wikiversité.
  4. Caveing 1994, p. 258-263, aperçu sur Google Livres.
  5. Karine Chemla suppose qu'elle est antérieure à l'écriture des Neuf chapitres soit 2 siècles avant Jésus-Christ, Chemla et Shuchun 2005, p. 16.

Articles connexesModifier