Mathematics · Livre 5 · Bachelor Year 3

Mathématiques universitaires — Licence 3

Mathématiques universitaires — Licence 3 · Bachelor Year 3

4Extensions de corps et théorie de Galois

Toute équation se résout-elle par radicaux, comme le suggèrent la formule quadratique et les formules cubiques de Cardan ? Peut-on trisecter un angle à la règle et au compas ? Les deux questions, ouvertes pendant des siècles, reçoivent — négativement — leur réponse d’une seule idée d’Évariste Galois : attacher à tout polynôme un groupe fini de symétries de ses racines, et lire la réponse sur le groupe. Ce chapitre construit le dictionnaire : extensions de corps et degré, corps de décomposition, corps finis, séparabilité, et la correspondance fondamentale de Galois. On en tire les applications classiques : les corps cyclotomiques, l’impossibilité de la trisection et de la duplication du cube, et le théorème que l’équation générale de degré n≥5n \geq 5 n’est pas résoluble par radicaux — où la simplicité de AnA_n (Théorème 1.33), démontrée dans le chapitre de théorie des groupes, ferme le compte tricentenaire ouvert par la formule du second degré et les tentatives de Cardan, Ferrari et leurs successeurs au seizième siècle.

4.1 Extensions, degré, algébricité

Définition 4.1

Une extension de corps L/KL/K est un corps LL contenant KK comme sous-corps. Alors LL est un KK-espace vectoriel ; sa dimension, le degré [L:K][L:K], peut être finie ou infinie. Si A⊆LA \subseteq L, on note K(A)K(A) le plus petit sous-corps de LL contenant KK et AA ; pour A={α1,…,αn}A = \{\alpha_1, \dots, \alpha_n\} on écrit K(α1,…,αn)K(\alpha_1, \dots, \alpha_n). Une extension est simple si L=K(α)L = K(\alpha) pour un certain α\alpha.

Théorème 4.2 (Tour des degrés)

Si K⊆M⊆LK \subseteq M \subseteq L sont des corps, alors [L:K]=[L:M] [M:K][L:K] = [L:M]\,[M:K] (avec la convention ∞⋅n=∞\infty \cdot n = \infty).

Démonstration. Si l’un des degrés est infini, le produit l’est aussi (un KK-espace de dimension finie ne peut contenir un sous-espace de dimension infinie, ni un quotient de dimension infinie). Si les deux sont finis, soit (mi)(m_i) une KK-base de MM et (ℓj)(\ell_j) une MM-base de LL : les produits miℓjm_i\ell_j forment une KK-base de LL (engendrer : tout x∈Lx \in L s’écrit ∑ajℓj\sum a_j\ell_j avec aj∈Ma_j \in M, et chaque aj=∑bijmia_j = \sum b_{ij}m_i ; indépendance : ∑i,jcijmiℓj=0\sum_{i,j} c_{ij}m_i\ell_j = 0 se regroupe en ∑j(∑icijmi)ℓj=0\sum_j\bigl(\sum_i c_{ij}m_i\bigr)\ell_j = 0, d’où chaque coefficient MM-linéaire s’annule, puis chaque cijc_{ij}). ∎

Définition 4.3

Soit L/KL/K une extension et α∈L\alpha \in L. L’élément α\alpha est algébrique sur KK s’il existe P∈K[X]∖{0}P \in K[X]\setminus\{0\} avec P(α)=0P(\alpha) = 0 ; sinon il est transcendant. L’extension L/KL/K est algébrique si tout élément de LL est algébrique sur KK. Le polynôme minimal μα,K\mu_{\alpha, K} (ou μα\mu_\alpha) d’un α\alpha algébrique est le monique générateur de l’idéal {P∈K[X]:P(α)=0}\{P \in K[X] : P(\alpha) = 0\} (principal car K[X]K[X] est un PID) ; il est irréductible.

Théorème 4.4 (Extensions simples algébriques)

Soit α\alpha algébrique sur KK de degré n=deg⁡μαn = \deg\mu_\alpha. Alors K(α)≅K[X]/(μα)K(\alpha) \cong K[X]/(\mu_\alpha) via P↦P(α)P \mapsto P(\alpha), et {1,α,…,αn−1}\{1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\} est une KK-base de K(α)K(\alpha) : [K(α):K]=n[K(\alpha):K] = n. En particulier α\alpha est algébrique ssi [K(α):K]<∞[K(\alpha):K] < \infty.

Démonstration. L’évaluation K[X]→K[α]K[X] \to K[\alpha], P↦P(α)P \mapsto P(\alpha), est un morphisme d’anneaux surjectif de noyau (μα)(\mu_\alpha) : le premier théorème d’isomorphisme donne K[α]≅K[X]/(μα)K[\alpha] \cong K[X]/(\mu_\alpha). Comme μα\mu_\alpha est irréductible, l’idéal (μα)(\mu_\alpha) est maximal et K[α]K[\alpha] est un corps : donc K[α]=K(α)K[\alpha] = K(\alpha). La base des puissances modulo un polynôme de degré nn donne la KK-base annoncée. Réciproquement si [K(α):K]=n<∞[K(\alpha):K] = n < \infty, les n+1n+1 éléments 1,α,…,αn1, \alpha, \dots, \alpha^n sont KK-liés, d’où un polynôme annulateur. ∎

Corollaire 4.5

(a) Si [L:K]<∞[L:K] < \infty, alors L/KL/K est algébrique. (b) Les éléments de LL algébriques sur KK forment un sous-corps (la clôture algébrique relative de KK dans LL). (c) Si K⊆M⊆LK \subseteq M \subseteq L avec M/KM/K et L/ML/M algébriques, alors L/KL/K est algébrique.

Démonstration. (a) Pour α∈L\alpha \in L, K(α)⊆LK(\alpha) \subseteq L a degré fini, donc α\alpha est algébrique par le Théorème 4.4. (b) Si α,β\alpha, \beta sont algébriques, K(α,β)=K(α)(β)K(\alpha, \beta) = K(\alpha)(\beta) a degré fini par la tour ([K(α):K]<∞[K(\alpha):K] < \infty et [K(α,β):K(α)]≤deg⁡μβ,K<∞[K(\alpha,\beta):K(\alpha)] \leq \deg\mu_{\beta,K} < \infty), donc tout élément de K(α,β)K(\alpha, \beta) — en particulier α±β\alpha \pm \beta, αβ\alpha\beta, α−1\alpha^{-1} — est algébrique. (c) Pour α∈L\alpha \in L, μα,M=Xn+an−1Xn−1+⋯+a0\mu_{\alpha, M} = X^n + a_{n-1}X^{n-1} + \dots + a_0 a coefficients dans MM, chacun algébrique sur KK ; le corps F=K(a0,…,an−1,α)F = K(a_0, \dots, a_{n-1}, \alpha) a degré fini sur KK (tour + adjonction de α\alpha), donc α\alpha est algébrique sur KK. ∎

Exemple 4.6

[Q(i):Q]=2[\Q(\iu):\Q] = 2 (μ=X2+1\mu = X^2 + 1) ; [Q(23):Q]=3[\Q(\sqrt[3]{2}):\Q] = 3 (X3−2X^3 - 2 irréductible par Eisenstein) ; [Q(2,3):Q]=4[\Q(\sqrt2, \sqrt3):\Q] = 4 (tour : [Q(2):Q]=2[\Q(\sqrt2):\Q] = 2, et X2−3X^2 - 3 reste irréductible sur Q(2)\Q(\sqrt2) car 33 n’y est pas un carré). Un élément transcendant : π\pi sur Q\Q (théorème de Lindemann, admis ici : sa démonstration dépasse ce cours) ; alors Q(π)≅Q(X)\Q(\pi) \cong \Q(X), de degré infini.

4.2 Corps de décomposition ; clôture algébrique

Théorème 4.7 (Corps de décomposition)

Soit P∈K[X]P \in K[X] non constant. Il existe une extension L/KL/K, unique à KK-isomorphisme près, dans laquelle PP se scinde en facteurs linéaires et qui est engendrée sur KK par les racines de PP : le corps de décomposition de PP sur KK. De plus [L:K]≤(deg⁡P)![L:K] \leq (\deg P)!.

Démonstration. Existence. Récurrence sur n=deg⁡Pn = \deg P. Factoriser P=P1⋯PrP = P_1\cdots P_r en irréductibles ; adjoindre une racine α\alpha de P1P_1 via K(α)≅K[X]/(P1)K(\alpha) \cong K[X]/(P_1) ; dans K(α)[X]K(\alpha)[X], P=(X−α)QP = (X - \alpha)Q, et le corps de décomposition de QQ sur K(α)K(\alpha) (récurrence) est un corps de décomposition de PP sur KK.

Unicité. Soient L,L′L, L' deux corps de décomposition, P=c∏(X−αi)P = c\prod(X - \alpha_i) dans LL et P=c∏(X−αi′)P = c\prod(X - \alpha_i') dans L′L'. Un KK-plongement K(α1)→L′K(\alpha_1) \to L' envoyant α1\alpha_1 sur une racine αj′\alpha_j' de PP dans L′L' (il en existe car PP a une racine dans L′L') s’étend, par récurrence sur le nombre de racines, en un KK-isomorphisme L→L′L \to L' (les deux sont engendrés par les racines, et le plongement envoie racines sur racines).

Borne de degré. À chaque étape d’adjonction d’une racine d’un facteur irréductible de degré dd, le degré croît d’un facteur d≤nd \leq n ; en nn étapes, [L:K]≤n![L:K] \leq n!. ∎

Définition 4.8

Un corps KK est algébriquement clos si tout P∈K[X]P \in K[X] non constant a une racine dans KK (équivalemment : se scinde en linéaires dans K[X]K[X]). Une clôture algébrique de KK est une extension algébrique algébriquement close de KK.

Théorème 4.9 (Steinitz)

Tout corps admet une clôture algébrique, unique à isomorphisme près.

Démonstration. Existence (construction d’Artin). Soit R=K[(Xf)f]R = K[(X_f)_f] l’anneau des polynômes en une indéterminée XfX_f par monique non constant f∈K[X]f \in K[X], et II l’idéal engendré par tous les f(Xf)f(X_f). II est propre : une relation 1=∑i=1rgi fi(Xfi)1 = \sum_{i=1}^r g_i\, f_i(X_{f_i}) n’implique qu’un nombre fini de polynômes ; dans un corps de décomposition commun EE de f1⋯frf_1\cdots f_r choisir des racines αi\alpha_i de fif_i et évaluer Xfi↦αiX_{f_i} \mapsto \alpha_i (les autres variables ↦0\mapsto 0) : 1=01 = 0, absurde. Soit m⊇I\mathfrak m \supseteq I maximal (Théorème 2.8 ; Zorn) et K1=R/mK_1 = R/\mathfrak m : une extension de corps de KK dans laquelle tout f∈K[X]f \in K[X] non constant a une racine, à savoir Xˉf\bar X_f, et qui est algébrique sur KK (engendrée par les Xˉf\bar X_f, chacun algébrique). Itérer : K⊆K1⊆K2⊆⋯K \subseteq K_1 \subseteq K_2 \subseteq \cdots, où Kn+1K_{n+1} fait à KnK_n ce que K1K_1 a fait à KK, et poser Ω=⋃nKn\Omega = \bigcup_n K_n, un corps. Tout g∈Ω[X]g \in \Omega[X] non constant a ses coefficients finiment nombreux dans un certain KnK_n ; un facteur irréductible de gg sur KnK_n a une racine dans Kn+1⊆ΩK_{n+1} \subseteq \Omega : Ω\Omega est algébriquement clos, et algébrique sur KK (chaque KnK_n l’est, par transitivité, Corollaire 4.5) : Ω\Omega est une clôture algébrique.

Unicité. Soient Ω,Ω′\Omega, \Omega' deux clôtures algébriques. Considérer l’ensemble des paires (E,τ)(E, \tau) où K⊆E⊆ΩK \subseteq E \subseteq \Omega et τ ⁣:E→Ω′\tau\colon E \to \Omega' est un KK-plongement, ordonné par extension ; il est non vide ((K,id)(K, \mathrm{id})) et inductif (réunion d’une chaîne), donc Zorn donne un maximal (E0,τ0)(E_0, \tau_0). Si E0≠ΩE_0 \neq \Omega, choisir α∈Ω∖E0\alpha \in \Omega\setminus E_0 : πα/E0\pi_{\alpha/E_0} s’envoie sur un polynôme sur τ0(E0)\tau_0(E_0) ayant une racine β\beta dans l’algébriquement clos Ω′\Omega', et τ0\tau_0 s’étend à E0(α)→Ω′E_0(\alpha) \to \Omega' (α↦β\alpha \mapsto \beta), contredisant la maximalité. Donc il existe un KK-plongement τ ⁣:Ω→Ω′\tau \colon \Omega \to \Omega' ; son image, isomorphe à Ω\Omega, est algébriquement close, et Ω′\Omega' est algébrique sur elle : pour x∈Ω′x \in \Omega', πx/τ(Ω)\pi_{x/\tau(\Omega)} se scinde sur τ(Ω)\tau(\Omega), donc x∈τ(Ω)x \in \tau(\Omega). Ainsi τ\tau est surjectif : un isomorphisme. ∎

Remarque 4.10

C\C est algébriquement clos (d’Alembert–Gauss, démontré dans le Chapitre 16). Une clôture algébrique Q‾\overline \Q de Q\Q s’identifie au sous-corps de C\C des nombres algébriques ; elle est dénombrable, de degré infini sur Q\Q. On fixe désormais, quand c’est commode, une clôture algébrique K‾\overline K de KK et l’on travaille à l’intérieur : tous les corps de décomposition et toutes les extensions algébriques considérés seront implicitement des sous-corps de K‾\overline K.

4.3 Corps finis

Théorème 4.11

Soit pp premier, n≥1n \geq 1, q=pnq = p^n.

  1. Un corps fini a pour cardinal une puissance de premier, et pour chaque qq il existe exactement un corps Fq\mathbb F_q à qq éléments à isomorphisme près : le corps de décomposition de Xq−XX^q - X sur Fp\mathbb F_p.
  2. Le Frobenius F ⁣:x↦xpF \colon x \mapsto x^p est un automorphisme de Fq\mathbb F_q, et le groupe des automorphismes de Fq\mathbb F_q est cyclique d’ordre nn, engendré par FF.
  3. Fpm\mathbb F_{p^m} se plonge dans Fpn\mathbb F_{p^n} ssi m∣nm \mid n.

Démonstration. (1) Un corps fini EE a caractéristique p>0p > 0 et est un Fp\mathbb F_p-espace vectoriel de dimension finie : ∣E∣=pn\abs E = p^n. Son groupe multiplicatif a ordre q−1q - 1, donc tout x∈Ex \in E vérifie xq=xx^q = x : EE consiste en qq racines de Xq−XX^q - X, d’où c’est un corps de décomposition de celui-ci sur Fp\mathbb F_p — déterminant EE à isomorphisme près (Théorème 4.7). Réciproquement, dans un corps de décomposition LL de Xq−XX^q - X, l’ensemble EE de ses racines est un sous-corps : (x+y)q=xq+yq(x + y)^q = x^q + y^q en itérant le rêve du débutant (a+b)p=ap+bp(a+b)^p = a^p + b^p (p∣(pk)p \mid \binom pk), et (xy)q=xqyq(xy)^q = x^qy^q, (x−1)q=(xq)−1(x^{-1})^q = (x^q)^{-1} ; il a exactement qq éléments car Xq−XX^q - X est séparable : sa dérivée est qXq−1−1=−1qX^{q-1} - 1 = -1 (car p∣qp \mid q), première avec lui, donc pas de racines multiples. Ainsi L=EL = E a qq éléments.

(2) FF est un morphisme de corps (même rêve du débutant) et injectif (noyau trivial), donc un automorphisme sur le fini Fq\mathbb F_q. Les points fixes de FkF^k sont les racines de Xpk−XX^{p^k} - X, au nombre de pkp^k : FF a ordre exactement nn dans Aut⁡(Fq)\operatorname{Aut}(\mathbb F_q). Or ∣Aut⁡(Fq)∣≤n\abs{\operatorname {Aut}(\mathbb F_q)} \leq n (un automorphisme est déterminé par l’image d’un générateur primitif de l’extension de degré nn sur Fp\mathbb F_p) : le groupe est exactement ⟨F⟩\langle F \rangle, cyclique d’ordre nn.

(3) Fpm⊆Fpn\mathbb F_{p^m} \subseteq \mathbb F_{p^n} ssi Xpm−XX^{p^m} - X divise Xpn−XX^{p^n} - X ssi m∣nm \mid n (critère de divisibilité des polynômes Xpa−XX^{p^a} - X : écrire n=mq+rn = mq + r et comparer les cardinaux des corps fixes de FmF^m et FnF^n). ∎

Théorème 4.12 (Cyclicité de Fq×\mathbb F_q^\times)

Le groupe multiplicatif d’un corps fini est cyclique.

Démonstration. Soit G=Fq×G = \mathbb F_q^\times, d’ordre q−1q - 1. Par le théorème de structure (Corollaire 3.13), G≅Z/d1Z×⋯×Z/dsZG \cong \Z/d_1\Z \times \cdots \times \Z/d_s\Z avec d1∣⋯∣dsd_1 \mid \dots \mid d_s. L’exposant de GG est dsd_s : tout élément vérifie xds=1x^{d_s} = 1. Mais le polynôme Xds−1X^{d_s} - 1 a au plus dsd_s racines dans un corps, et GG en fournit q−1=∣G∣=d1⋯dsq - 1 = |G| = d_1\cdots d_s ; donc d1⋯ds≤dsd_1\cdots d_s \leq d_s, forçant s=1s = 1 et GG cyclique. (C’est le critère de Exercice 3.11.) ∎

Exemple 4.13

F8=F2[X]/(X3+X+1)\mathbb F_8 = \mathbb F_2[X]/(X^3 + X + 1) (le polynôme est irréductible sur F2\mathbb F_2 : pas de racine). Si ω=Xˉ\omega = \bar X, alors ω3=ω+1\omega^3 = \omega + 1, et F8×=⟨ω⟩\mathbb F_8^\times = \langle \omega \rangle d’ordre 77. Les sous-corps de Fpn\mathbb F_{p^n} sont exactement les Fpd\mathbb F_{p^d} pour d∣nd \mid n (car Fpd⊆Fpn\mathbb F_{p^d} \subseteq \mathbb F_{p^n} ssi Xpd−XX^{p^d} - X divise Xpn−XX^{p^n} - X ssi d∣nd \mid n).

Plus généralement, l’unique sous-corps de Fq\mathbb F_{q} de cardinal pdp^d (quand d∣nd \mid n et q=pnq = p^n) est le corps fixe de φd\varphi^d, où φ\varphi est le Frobenius x↦xpx \mapsto x^p ; le groupe de Galois Gal⁡(Fpn/Fp)=⟨φ⟩\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_p) = \langle \varphi \rangle est cyclique d’ordre nn, ce qui rend la correspondance de Galois particulièrement transparente dans le cas fini : un unique sous-corps par diviseur de nn.

4.4 Séparabilité et plongements

Définition 4.14

Un polynôme irréductible P∈K[X]P \in K[X] est séparable s’il n’a pas de racine multiple dans une clôture algébrique (équivalemment P′≠0P' \neq 0, ou gcd⁡(P,P′)=1\gcd(P, P') = 1). Un élément algébrique est séparable si son polynôme minimal l’est ; une extension algébrique est séparable si tout élément l’est.

Proposition 4.15

Sur un corps de caractéristique 00, tout irréductible est séparable. Sur un corps fini, aussi. Plus généralement, un corps est parfait (tout irréductible est séparable) ssi il est de caractéristique 00 ou, en caractéristique pp, si le Frobenius x↦xpx \mapsto x^p est surjectif.

Démonstration. Si PP irréductible a une racine multiple, alors gcd⁡(P,P′)=P\gcd(P, P') = P (car gcd⁡\gcd est non trivial et PP irréductible), donc P′=0P' = 0. En caractéristique 00, P′=0P' = 0 force PP constant. En caractéristique pp, P′=0P' = 0 ssi P∈K[Xp]P \in K[X^p] : P=∑aiXipP = \sum a_i X^{ip}. Si le Frobenius est surjectif, ai=bipa_i = b_i^p et P=(∑biXi)pP = (\sum b_i X^i)^p, contredisant l’irréductibilité sauf si deg⁡=0\deg = 0. Les corps finis ont un Frobenius bijectif (corps fini). Réciproquement, si a∈Ka \in K n’est pas une puissance pp-ième, Xp−aX^p - a est irréductible (ou une puissance d’un irréductible inséparable) : KK n’est pas parfait. ∎

Proposition 4.16 (Nombre de plongements)

Soit L=K(α1,…,αn)L = K(\alpha_1, \dots, \alpha_n) une extension finie séparable de KK, et K‾\overline K une clôture algébrique. Le nombre de KK-plongements L↪K‾L \hookrightarrow \overline K égale [L:K][L:K].

Démonstration. Récurrence sur nn. Pour L=K(α)L = K(\alpha) séparable de degré dd, les KK-plongements L↪K‾L \hookrightarrow \overline K correspondent bijectivement aux racines de μα\mu_\alpha dans K‾\overline K : il y en a d=[L:K]d = [L:K] (séparabilité : dd racines distinctes, chacune définit un unique plongement par α↦\alpha \mapsto cette racine). En général, L=M(αn)L = M(\alpha_n) avec M=K(α1,…,αn−1)M = K(\alpha_1, \dots, \alpha_{n-1}) ; par récurrence MM a [M:K][M:K] plongements dans K‾\overline K. Chacun de ces plongements τ ⁣:M→K‾\tau \colon M \to \overline K s’étend en [L:M][L:M] plongements de LL : appliquer le cas simple à μαn,M\mu_{\alpha_n, M} sur le corps τ(M)\tau(M), qui reste séparable (même polynôme minimal, ou conjugué). Total : [L:M][M:K]=[L:K][L:M][M:K] = [L:K] par la tour des degrés. ∎

Théorème 4.17 (Élément primitif)

Toute extension finie séparable est simple : L=K(α)L = K(\alpha) pour un certain α\alpha (un élément primitif).

Démonstration. Si KK est infini : il suffit de traiter L=K(α,β)L = K(\alpha, \beta). Soit μα,μβ\mu_\alpha, \mu_\beta les minimaux, de racines α=α1,…,αr\alpha = \alpha_1, \dots, \alpha_r et β=β1,…,βs\beta = \beta_1, \dots, \beta_s dans K‾\overline K (distinctes par séparabilité). Choisir c∈Kc \in K évitant les finiement nombreuses valeurs (αi−α1)/(β1−βj)(\alpha_i - \alpha_1)/(\beta_1 - \beta_j) pour i≥1i \geq 1, j≥2j \geq 2 ; poser γ=α+cβ\gamma = \alpha + c\beta. Alors K(γ)⊆K(α,β)K(\gamma) \subseteq K(\alpha, \beta), et β\beta est la seule racine commune de μβ(Y)\mu_\beta(Y) et μα(γ−cY)\mu_\alpha(\gamma - cY) (toute autre βj\beta_j donnerait γ−cβj=αi\gamma - c\beta_j = \alpha_i pour un ii, d’où c=(αi−α)/(β−βj)c = (\alpha_i - \alpha)/(\beta - \beta_j) interdit) : donc μβ,K(γ)\mu_{\beta, K(\gamma)} divise un polynôme de degré 11, β∈K(γ)\beta \in K(\gamma), α=γ−cβ∈K(γ)\alpha = \gamma - c\beta \in K(\gamma). Si KK est fini, LL aussi, et L×L^\times est cyclique (Théorème 4.12) : un générateur α\alpha vérifie L=K(α)L = K(\alpha). ∎

4.5 La correspondance de Galois

Définition 4.18

Une extension finie L/KL/K est galoisienne (ou normale et séparable) si elle est séparable et si tout polynôme irréductible de K[X]K[X] ayant une racine dans LL se scinde entièrement dans LL (normalité). Le groupe de Galois est

Gal⁡(L/K)={σ ⁣:L→L:σ automorphisme, σ∣K=id}.\operatorname{Gal}(L/K) = \{\sigma \colon L \to L : \sigma \text{ automorphisme, } \sigma|_K = \mathrm{id}\}.

Proposition 4.19

Pour L/KL/K finie séparable, les conditions suivantes sont équivalentes : (i) L/KL/K est galoisienne ; (ii) LL est le corps de décomposition d’un polynôme séparable sur KK ; (iii) ∣Gal⁡(L/K)∣=[L:K]|\operatorname{Gal}(L/K)| = [L:K] ; (iv) le corps fixe LG={x∈L:σ(x)=x ∀σ∈G}L^G = \{x \in L : \sigma(x) = x\ \forall \sigma \in G\} égale KK, où G=Gal⁡(L/K)G = \operatorname{Gal}(L/K).

Démonstration. (i)⇒\Rightarrow(ii) : par l’élément primitif, L=K(α)L = K(\alpha) ; μα\mu_\alpha est séparable et se scinde dans LL (normalité, une racine α∈L\alpha \in L), et LL est engendré par les racines (les conjugués de α\alpha engendrent la même extension). (ii)⇒\Rightarrow(iii) : tout KK-plongement L↪K‾L \hookrightarrow \overline K envoie racines sur racines, donc stabilise LL : c’est un élément de Gal⁡(L/K)\operatorname{Gal}(L/K). Par la Proposition 4.16 il y en a [L:K][L:K]. (iii)⇒\Rightarrow(iv) : K⊆LGK \subseteq L^G toujours ; L/LGL/L^G est galoisienne de groupe GG (tout σ∈G\sigma \in G fixe LGL^G), donc ∣G∣=[L:LG]|G| = [L:L^G] par le sens (ii)⇒\Rightarrow(iii) déjà prouvé pour le corps de décomposition — plus proprement : par Artin ci-dessous, [L:LG]=∣G∣[L:L^G] = |G| ; donc si ∣G∣=[L:K]|G| = [L:K] alors LG=KL^G = K. (iv)⇒\Rightarrow(i) : séparabilité de L/KL/K : pour α∈L\alpha \in L, le polynôme ∏σ∈G/Stab⁡(α)(X−σα)\prod_{\sigma \in G/\operatorname{Stab}(\alpha)} (X - \sigma\alpha) est dans K[X]K[X] (coefficients fixes par GG, donc dans LG=KL^G = K), annule α\alpha, et est séparable ; donc μα\mu_\alpha est séparable. Normalité : un KK-plongement de LL dans K‾\overline K envoie α\alpha sur un conjugué σα∈L\sigma\alpha \in L, donc stabilise LL. ∎

Lemme 4.20 (Artin)

Soit GG un groupe fini d’automorphismes d’un corps LL, et K=LGK = L^G. Alors L/KL/K est galoisienne de groupe GG, et [L:K]=∣G∣[L:K] = |G|.

Démonstration. Pour α∈L\alpha \in L, le polynôme P=∏σ∈G/Stab⁡(α)(X−σα)P = \prod_{\sigma \in G/\operatorname{Stab}(\alpha)}(X - \sigma\alpha) est dans K[X]K[X] (les coefficients sont GG-invariants), monique, séparable, et annule α\alpha : L/KL/K est algébrique séparable. De plus LL est normale sur KK (tout KK-plongement envoie α\alpha sur un conjugué σα∈L\sigma\alpha \in L). Ainsi L/KL/K est galoisienne. Or G⊆Gal⁡(L/K)G \subseteq \operatorname{Gal}(L/K), donc ∣G∣≤∣Gal⁡(L/K)∣=[L:K]|G| \leq |\operatorname{Gal}(L/K)| = [L:K].

Pour l’autre inégalité, on invoque l’indépendance des caractères de Dedekind : des morphismes de groupes distincts χi ⁣:L×→L×\chi_i \colon L^\times \to L^\times sont LL-linéairement indépendants comme applications L→LL \to L. En particulier les ∣G∣|G| automorphismes de GG sont KK-linéairement indépendants, donc dim⁡KL≥∣G∣\dim_K L \geq |G|. Combinant les deux inégalités : [L:K]=∣G∣[L:K] = |G| et G=Gal⁡(L/K)G = \operatorname{Gal}(L/K). ∎

Théorème 4.21 (Correspondance fondamentale de Galois)

Soit L/KL/K galoisienne finie de groupe G=Gal⁡(L/K)G = \operatorname{Gal}(L/K). Il y a une bijection

{sous-corps K⊆M⊆L}  ⟷  {sous-groupes H≤G},\{\text{sous-corps } K \subseteq M \subseteq L\} \;\longleftrightarrow\; \{\text{sous-groupes } H \leq G\},

donnée par M↦Gal⁡(L/M)M \mapsto \operatorname{Gal}(L/M) et H↦LHH \mapsto L^H, inverses l’une de l’autre. De plus :

  1. H1⊆H2  ⟺  LH1⊇LH2H_1 \subseteq H_2 \iff L^{H_1} \supseteq L^{H_2} (renversement des inclusions) ;
  2. [L:LH]=∣H∣[L:L^H] = |H| et [LH:K]=[G:H][L^H:K] = [G:H] ;
  3. HH est normal dans GG ssi LH/KL^H/K est galoisienne, et alors Gal⁡(LH/K)≅G/H\operatorname{Gal}(L^H/K) \cong G/H.

Démonstration. Pour H≤GH \leq G, le lemme d’Artin donne Gal⁡(L/LH)=H\operatorname{Gal}(L/L^H) = H et [L:LH]=∣H∣[L:L^H] = |H|. Pour un sous-corps MM, L/ML/M est galoisienne : séparable (sous-extension d’une séparable) et normale (tout MM-plongement de LL dans K‾\overline K est un KK-plongement, donc un élément de GG, qui stabilise LL). Le groupe Gal⁡(L/M)≤G\operatorname{Gal}(L/M) \leq G a pour corps fixe MM par la Proposition 4.19(iv). Les deux applications sont donc mutuellement inverses.

(1) est clair par construction. (2) : [L:LH]=∣H∣[L:L^H] = |H| et la tour des degrés donnent [LH:K]=[L:K]/[L:LH]=∣G∣/∣H∣=[G:H][L^H:K] = [L:K]/[L:L^H] = |G|/|H| = [G:H]. (3) : pour σ∈G\sigma \in G, le conjugué σ(LH)=LσHσ−1\sigma(L^H) = L^{\sigma H\sigma^{-1}}. Donc HH est normal dans GG ssi σ(LH)=LH\sigma(L^H) = L^H pour tout σ\sigma ssi tout KK-plongement de LHL^H (restriction d’un élément de GG) stabilise LHL^H ssi LH/KL^H/K est normale (la séparabilité est automatique). Alors le morphisme de restriction G→Gal⁡(LH/K)G \to \operatorname{Gal}(L^H/K) est surjectif (tout automorphisme de LH/KL^H/K s’étend à LL car L/LHL/L^H est galoisienne) de noyau Gal⁡(L/LH)=H\operatorname{Gal}(L/L^H) = H, d’où Gal⁡(LH/K)≅G/H\operatorname{Gal}(L^H/K) \cong G/H. ∎

La correspondance de Galois renverse les inclusions : aux sous-corps K ⊂eq M_i ⊂eq L répondent les sous-groupes \e\ ⊂eq H_i = Gal(L/M_i) ⊂eq G = Gal(L/K), avec [L:M_i] = |H_i| et [M_i:K] = [G:H_i].
La correspondance de Galois renverse les inclusions : aux sous-corps K⊆Mi⊆LK \subseteq M_i \subseteq L répondent les sous-groupes {e}⊆Hi=Gal⁡(L/Mi)⊆G=Gal⁡(L/K)\{e\} \subseteq H_i = \operatorname{Gal}(L/M_i) \subseteq G = \operatorname{Gal}(L/K), avec [L:Mi]=∣Hi∣[L:M_i] = |H_i| et [Mi:K]=[G:Hi][M_i:K] = [G:H_i].

4.6 Extensions cyclotomiques

Définition 4.22

Soit n≥1n \geq 1. Le nn-ième polynôme cyclotomique est

Φn(X)=∏1≤k≤ngcd⁡(k,n)=1(X−e2iπk/n)∈C[X].\Phi_n(X) = \prod_{\substack{1 \leq k \leq n\\ \gcd(k,n)=1}} \bigl(X - \eu^{2\iu\pi k/n}\bigr) \in \C[X].

Le nn-ième corps cyclotomique est Q(ζn)\Q(\zeta_n) où ζn=e2iπ/n\zeta_n = \eu^{2\iu\pi/n}.

Théorème 4.23

Φn∈Z[X]\Phi_n \in \Z[X] est irréductible sur Q\Q, de degré φ(n)\varphi(n). L’extension Q(ζn)/Q\Q(\zeta_n)/\Q est galoisienne de groupe (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times, via σk ⁣:ζn↦ζnk\sigma_k \colon \zeta_n \mapsto \zeta_n^k pour gcd⁡(k,n)=1\gcd(k,n) = 1.

Démonstration. Xn−1=∏d∣nΦd(X)X^n - 1 = \prod_{d \mid n} \Phi_d(X) (partition des racines selon l’ordre). Par récurrence de Möbius, Φn∈Z[X]\Phi_n \in \Z[X] (diviser dans Z[X]\Z[X] par les Φd\Phi_d unitaires pour d<nd < n). Irréductibilité : soit PP le facteur irréductible unitaire de Φn\Phi_n dans Z[X]\Z[X] annulant ζ=ζn\zeta = \zeta_n, et qq un premier ne divisant pas nn. On montre que ζq\zeta^q est aussi racine de PP. Sinon PP et Φn\Phi_n donneraient, modulo qq, un facteur commun avec Xn−1X^n - 1 et sa dérivée nXn−1nX^{n-1} (via (ζq(\zeta^q racine de Φn/P\Phi_n/P), d’où une racine multiple de Xn−1X^n - 1 mod qq, impossible car q∤nq \nmid n. Donc tous les ζk\zeta^k avec gcd⁡(k,n)=1\gcd(k,n)=1 (produits de tels premiers) sont racines de PP : P=ΦnP = \Phi_n.

Galois : Q(ζn)\Q(\zeta_n) est le corps de décomposition de Xn−1X^n - 1 (séparable, nXn−1nX^{n-1} premier à Xn−1X^n-1 en caractéristique 00). Le groupe de Galois s’injecte dans (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times via σ(ζn)=ζnk(σ)\sigma(\zeta_n) = \zeta_n^{k(\sigma)}, et l’ordre [Q(ζn):Q]=deg⁡Φn=φ(n)=∣(Z/nZ)×∣[\Q(\zeta_n):\Q] = \deg\Phi_n = \varphi(n) = |(\Z/n\Z)^\times| force la surjectivité. ∎

4.7 Règle et compas

Définition 4.24

Identifier le plan à C\C ; partir de {0,1}\{0, 1\}. Un point est constructible s’il s’obtient par un nombre fini d’intersections de droites passant par deux points déjà construits et de cercles centrés en un point construit de rayon une distance de deux points construits.

Théorème 4.25 (Wantzel)

z∈Cz \in \C est constructible ssi il existe une tour Q=F0⊆F1⊆⋯⊆Fr\Q = F_0 \subseteq F_1 \subseteq \dots \subseteq F_r avec [Fi+1:Fi]=2[F_{i+1} : F_i] = 2 et z∈Frz \in F_r. En particulier, un nombre constructible est algébrique de degré une puissance de 22 sur Q\Q.

Démonstration. (⇒\Rightarrow) Les coordonnées de l’intersection de deux droites passant par des points à coordonnées dans un sous-corps F⊆RF \subseteq \R résolvent un système linéaire sur FF : elles restent dans FF. Les intersections droite–cercle et cercle–cercle conduisent, après élimination de la partie linéaire (soustraire les deux équations de cercles donne une droite), à une équation quadratique sur FF : les nouvelles coordonnées vivent dans FF ou dans F(d)F(\sqrt d) pour un d∈Fd \in F, d>0d > 0. Par récurrence, tout point construit a ses coordonnées dans une tour d’extensions quadratiques de Q\Q ; et z=x+iyz = x + \iu y est dans une tour quadratique aussi (adjoindre i\iu : une étape quadratique de plus). Conséquence sur le degré : [Q(z):Q][\Q(z):\Q] divise [Fr:Q]=2r[F_r : \Q] = 2^r (loi de la tour).

(⇐\Leftarrow) Les nombres constructibles forment un corps : sommes et différences par parallélogrammes (les parallèles sont constructibles : abaisser et relever deux perpendiculaires — la perpendiculaire classique par un point utilise un cercle et deux arcs) ; produits et quotients par des configurations d’intercept de Thalès (données les longueurs a,ba, b, construire abab et a/ba/b avec des triangles semblables sur deux rayons). Et le corps est stable par racines carrées : pour a>0a > 0, le cercle de diamètre 1+a1 + a et la perpendiculaire au point de jonction se rencontrent à hauteur a\sqrt a (relation altitude–moyenne géométrique dans un triangle rectangle) ; pour un complexe w=ρeiθw = \rho\eu^{\iu\theta}, construire ρ\sqrt\rho et bissecter θ\theta (la bissection d’angle est une construction au compas). Les parties réelle et imaginaire des membres d’une tour quadratique sont donc constructibles par récurrence sur la tour : chaque étape adjoint des racines d’une quadratique, exprimables par opérations de corps et une racine carrée d’un nombre déjà construit (la formule quadratique ; en caractéristique 00). ∎

Corollaire 4.26

Les trois problèmes classiques sont insolubles à la règle et au compas :

  1. Duplication du cube : 23\sqrt[3]2 a degré 33, non puissance de 22.
  2. Trisection de l’angle : trisecter 60∘60^\circ demande cos⁡20∘\cos 20^\circ, racine de l’irréductible 8X3−6X−18X^3 - 6X - 1 : degré 33.
  3. Quadrature du cercle : π\sqrt\pi est transcendant (π\pi l’est — théorème de Lindemann, admis ici : sa preuve relève d’un cours de théorie de la transcendance).

De plus, le nn-gone régulier est constructible ssi φ(n)\varphi(n) est une puissance de 22 (Gauss–Wantzel ; le « si » utilise la méthode du problème du week-end, le « seulement si » est le Théorème 4.25 appliqué à ζn\zeta_n, de degré φ(n)\varphi(n)). Pour n=7n = 7 : φ(7)=6\varphi(7) = 6 : le heptagone régulier est impossible ; pour n=17n = 17 : φ(17)=16=24\varphi(17) = 16 = 2^4 : constructible — le problème du week-end le construit.

Démonstration. (1) X3−2X^3 - 2 est irréductible (Eisenstein). (2) De cos⁡3θ=4cos⁡3θ−3cos⁡θ\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta avec 3θ=60∘3\theta = 60^\circ : 8c3−6c=18c^3 - 6c = 1 pour c=cos⁡20∘c = \cos 20^\circ ; le cubique 8X3−6X−18X^3 - 6X - 1 n’a pas de racine rationnelle (les candidats ±1,±12,±14,±18\pm1, \pm\frac12, \pm\frac14, \pm\frac18 échouent), donc est irréductible : degré 33. Un angle de 60∘60^\circ général est constructible, donc un trisecteur construirait cc. (3) Si π\sqrt\pi était constructible, il serait algébrique, donc aussi π\pi. L’énoncé sur le nn-gone : le degré de ζn\zeta_n est φ(n)\varphi(n) (Théorème 4.23) ; la nécessité suit de Wantzel ; pour la suffisance, le groupe de Galois, abélien d’ordre 2m2^m, admet une chaîne de sous-groupes d’indice 22 (un 22-groupe fini le fait : Exercice 1.10), dont les corps fixes forment une tour quadratique aboutissant à Q(ζn)\Q(\zeta_n) (Théorème 4.21) ; conclure par le Théorème 4.25. ∎

4.8 Résolubilité par radicaux

Définition 4.27

Une extension L/KL/K est radicale s’il existe une tour K=K0⊆K1⊆⋯⊆Km=LK = K_0 \subseteq K_1 \subseteq \dots \subseteq K_m = L avec Ki+1=Ki(aini)K_{i+1} = K_i(\sqrt[n_i]{a_i}) pour certains ai∈Kia_i \in K_i, ni≥1n_i \geq 1. Un polynôme P∈K[X]P \in K[X] est résoluble par radicaux si son corps de décomposition est contenu dans une extension radicale de KK.

Lemme 4.28

Soit KK contenant une racine primitive nn-ième de l’unité ζ\zeta, i.e. ζ\zeta d’ordre nn dans K×K^\times, et a∈K×a \in K^\times. Alors K(an)/KK(\sqrt[n]a)/K est galoisienne de groupe cyclique. Réciproquement — non utilisée ci-dessous — toute extension cyclique de degré nn est de cette forme. De plus K(ζn)/KK(\zeta_n)/K est galoisienne de groupe abélien, pour tout KK de caractéristique 00.

Démonstration. Xn−aX^n - a est séparable (gcd⁡\gcd avec nXn−1nX^{n-1} : a≠0a \neq 0) et se scinde dans K(α)K(\alpha), αn=a\alpha^n = a : ses racines sont les ζkα∈K(α)\zeta^k\alpha \in K(\alpha). Donc K(α)/KK(\alpha)/K est galoisienne ; l’application σ↦σ(α)/α∈μn=⟨ζ⟩\sigma \mapsto \sigma(\alpha)/\alpha \in \mu_n = \langle \zeta\rangle est un morphisme injectif (στ(α)=σ(τ(α)/α⋅α)=(σ(α)/α) (τ(α)/α) α\sigma\tau(\alpha) = \sigma(\tau(\alpha)/\alpha \cdot \alpha) = (\sigma(\alpha)/\alpha)\,(\tau(\alpha)/\alpha)\,\alpha), donc GG s’injecte dans un groupe cyclique : il est cyclique. L’extension cyclotomique K(ζn)/KK(\zeta_n)/K est le corps de décomposition de Xn−1X^n - 1, séparable en caractéristique 00 ; un automorphisme envoie ζn\zeta_n sur ζnk\zeta_n^k avec gcd⁡(k,n)=1\gcd(k, n) = 1, et la composition des morphismes kk est multiplicative : le groupe s’injecte dans (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times, abélien. ∎

Théorème 4.29 (Résolubilité par radicaux)

Soit KK de caractéristique 00 et P∈K[X]P \in K[X]. Si PP est résoluble par radicaux, alors le groupe de Galois de PP (groupe de Galois de son corps de décomposition sur KK) est un groupe résoluble.

Démonstration. Soit LL le corps de décomposition de PP, contenu dans une extension radicale K=F0⊆⋯⊆Fr=RK = F_0 \subseteq \dots \subseteq F_r = R avec Fi+1=Fi(αi)F_{i+1} = F_i(\alpha_i), αini∈Fi\alpha_i^{n_i} \in F_i. Poser N=lcm⁡(n1,…,nr)N = \operatorname{lcm}(n_1, \dots, n_r) et adjoindre d’abord ζN\zeta_N : K′=K(ζN)K' = K(\zeta_N) est galoisienne sur KK de groupe abélien (lemme), donc résoluble. Remplacer chaque étape par Fi′=Fi(ζN)F_i' = F_i(\zeta_N) : on a une tour K′=F0′⊆⋯⊆Fr′=R′K' = F_0' \subseteq \dots \subseteq F_r' = R' où chaque étape Fi+1′/Fi′F_{i+1}'/F_i' est cyclique par le lemme (les racines de l’unité sont déjà dans Fi′F_i'). Passer à une clôture galoisienne NN de R′/KR'/K contenant LL : le groupe Gal⁡(N/K)\operatorname{Gal}(N/K) admet une filtration dont les quotients successifs sont abéliens (d’abord le quotient cyclotomique, puis les quotients cycliques des étapes radicales, éventuellement après avoir normalisé chaque étape par les conjugués) : G=Gal⁡(N/K)G = \operatorname{Gal}(N/K) est résoluble (Proposition 1.29). Or Gal⁡(L/K)\operatorname{Gal}(L/K) est un quotient de GG (restriction, surjective car L/KL/K est normale), donc résoluble. ∎

Corollaire 4.30

L’équation générale de degré n≥5n \geq 5 n’est pas résoluble par radicaux. Plus précisément, il existe des polynômes de degré 55 sur Q\Q (p.ex. X5−4X+2X^5 - 4X + 2) dont le groupe de Galois est S5S_5, non résoluble.

Le groupe de Galois de l’équation générale est SnS_n (les racines sont indéterminées, le corps de base est le corps des fractions des polynômes symétriques) ; SnS_n n’est pas résoluble pour n≥5n \geq 5 (Corollaire 1.34). Pour un exemple concret sur Q\Q : P=X5−4X+2P = X^5 - 4X + 2 est irréductible (Eisenstein en 22) ; il a exactement trois racines réelles (étude de P′P', comme dans Exercice 4.11) ; la conjugaison complexe induit une transposition dans le groupe de Galois G≤S5G \leq S_5, et l’irréductibilité donne un 55-cycle : G=S5G = S_5. Ainsi le Théorème 4.29 interdit la résolubilité par radicaux — le même S5S_5 dont la simplicité de A5A_5 (volume des groupes) a frappé sa cible.

Remarque 4.31

La réciproque du Théorème 4.29 est vraie en caractéristique 00 (admis ici) : si le groupe de Galois est résoluble, le polynôme est résoluble par radicaux. La démonstration construit une tour en inversant le Lemme 4.28 : une suite de composition à quotients cycliques se réalise par des adjonctions de radicaux (après avoir adjoint les racines de l’unité nécessaires). C’est le sens « groupe résoluble ⇒\Rightarrow équation résoluble » qui justifie le vocabulaire de Exemple 1.30, et qui fait de la simplicité de A5A_5 l’obstruction définitive pour le degré cinq.

4.9 Exercices

Exercice 4.1 ★

Montrer [Q(2,3):Q]=4[\Q(\sqrt2, \sqrt3):\Q] = 4, que Q(2+3)=Q(2,3)\Q(\sqrt2 + \sqrt3) = \Q(\sqrt2, \sqrt3), et calculer le polynôme minimal de 2+3\sqrt2 + \sqrt3 sur Q\Q.

Solution

Solution de Exercice 4.1.

3∉Q(2)\sqrt3 \notin \Q(\sqrt2) : de 3=a+b2\sqrt3 = a + b\sqrt2 (a,b∈Qa, b \in \Q), le carré donne 3=a2+2b2+2ab23 = a^2 + 2b^2 + 2ab\sqrt2, donc ab=0ab = 0 et a2+2b2=3a^2 + 2b^2 = 3. Si b=0b = 0 alors a2=3a^2 = 3 impossible dans Q\Q ; si a=0a = 0 alors 2b2=32b^2 = 3 impossible. Donc X2−3X^2 - 3 reste irréductible sur Q(2)\Q(\sqrt2), [Q(2,3):Q(2)]=2[\Q(\sqrt2, \sqrt3):\Q(\sqrt2)] = 2 et [Q(2,3):Q]=4[\Q(\sqrt2, \sqrt3):\Q] = 4 par la tour.

Soit γ=2+3\gamma = \sqrt2 + \sqrt3. Alors (γ−2)2=3(\gamma - \sqrt2)^2 = 3 donne γ2−2γ2+2=3\gamma^2 - 2\gamma\sqrt2 + 2 = 3, puis γ2−1=2γ2\gamma^2 - 1 = 2\gamma\sqrt2, (γ2−1)2=8γ2(\gamma^2 - 1)^2 = 8\gamma^2, d’où γ4−10γ2+1=0\gamma^4 - 10\gamma^2 + 1 = 0. Le polynôme X4−10X2+1X^4 - 10X^2 + 1 est irréductible sur Q\Q : pas de racine rationnelle (±1\pm1 échouent) ; une factorisation (X2+aX+b)(X2−aX+c)(X^2 + aX + b)(X^2 - aX + c) force b+c−a2=−10b + c - a^2 = -10, a(c−b)=0a(c-b) = 0, bc=1bc = 1. Si a=0a = 0 alors b+c=−10b + c = -10, bc=1bc = 1, discriminant 100−4=96100 - 4 = 96 non carré dans Q\Q. Donc [Q(γ):Q]=4=[Q(2,3):Q][\Q(\gamma):\Q] = 4 = [\Q(\sqrt2,\sqrt3):\Q], d’où égalité des corps.

Exercice 4.2 ★

Soit α=23\alpha = \sqrt[3]2. Montrer que Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q n’est pas normale (exhiber un plongement Q(α)→C\Q(\alpha) \to \C dont l’image n’est pas Q(α)\Q(\alpha)), déterminer le corps de décomposition LL de X3−2X^3 - 2 et [L:Q][L:\Q], et vérifier Aut⁡Q(Q(α))={id}\operatorname{Aut}_\Q(\Q(\alpha)) = \{\mathrm{id}\} : pour les extensions non galoisiennes, le groupe d’automorphismes peut être bien plus petit que le degré.

Solution

Solution de Exercice 4.2.

Les racines de X3−2X^3 - 2 sont α=23\alpha = \sqrt[3]{2}, αj\alpha j, αj2\alpha j^2 avec j=e2iπ/3j = e^{2i\pi/3}. L’évaluation envoyant α\alpha sur αj\alpha j définit un Q\Q-plongement Q(α)→C\Q(\alpha) \to \C d’image Q(αj)\Q(\alpha j), qui n’est pas Q(α)\Q(\alpha) (l’un est réel, l’autre non) : Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q n’est pas normale. Le corps de décomposition est L=Q(α,j)L = \Q(\alpha, j). [Q(α):Q]=3[\Q(\alpha):\Q] = 3 et [L:Q(α)]=2[L:\Q(\alpha)] = 2 (jj racine de X2+X+1X^2 + X + 1, irréductible sur R⊇Q(α)\R \supseteq \Q(\alpha)) : [L:Q]=6[L:\Q] = 6. Tout automorphisme de Q(α)\Q(\alpha) envoie α\alpha sur une racine dans Q(α)\Q(\alpha), donc seulement α\alpha : Aut⁡Q(Q(α))={id}\operatorname{Aut}_\Q(\Q(\alpha)) = \{\mathrm{id}\}, d’ordre 1≪31 \ll 3.

Exercice 4.3 ★

Construire F9\mathbb F_9 comme F3[X]/(X2+1)\mathbb F_3[X]/(X^2+1) et trouver un générateur de F9×\mathbb F_9^\times. Lister les polynômes moniques irréductibles de degrés 1,2,31, 2, 3 sur F2\mathbb F_2, et vérifier X8−X=X(X+1)(X3+X+1)(X3+X2+1)X^8 - X = X(X+1)(X^3+X+1)(X^3+X^2+1) sur F2\mathbb F_2.

Solution

Solution de Exercice 4.3.

X2+1X^2 + 1 n’a pas de racine dans F3\mathbb F_3 (0↦10\mapsto1, 1↦21\mapsto2, 2↦22\mapsto2) : irréductible. F9=F3[i]\mathbb F_9 = \mathbb F_3[i] avec i2=−1i^2 = -1. L’élément 1+i1+i : (1+i)2=2i(1+i)^2 = 2i, (1+i)4=(2i)2=−4=2(1+i)^4 = (2i)^2 = -4 = 2, (1+i)8=4=1(1+i)^8 = 4 = 1, et aucun ordre plus petit ne donne 11 parmi les diviseurs de 88 sauf 88 : générateur de F9×\mathbb F_9^\times.

Sur F2\mathbb F_2 : moniques irréductibles de degré 11 : XX, X+1X+1. Degré 22 : X2+X+1X^2+X+1 seul (X2+1=(X+1)2X^2+1=(X+1)^2, X2+X=X(X+1)X^2+X=X(X+1)). Degré 33 : X3+X+1X^3+X+1 et X3+X2+1X^3+X^2+1 (sans racine, donc irréductibles). L’identité X8−X=X(X+1)(X3+X+1)(X3+X2+1)X^8 - X = X(X+1)(X^3+X+1)(X^3+X^2+1) suit du Théorème 4.11 (produit des minimaux des éléments de F8\mathbb F_8) et de l’unicité de la factorisation.

Exercice 4.4 ★★

(a) Trouver toutes les racines primitives modulo 77 et modulo 1111 (i.e. générateurs de F7×\mathbb F_7^\times, F11×\mathbb F_{11}^\times). (b) Montrer que pour pp impair, x∈Fp×x \in \mathbb F_p^\times est un carré ssi x(p−1)/2=1x^{(p-1)/2} = 1 (critère d’Euler), et retrouver le critère pour −1-1 du Problème 2.1.

Solution

Solution de Exercice 4.4.

(a) F7×\mathbb F_7^\times d’ordre 66. Un générateur a ordre 66 : 31=33^1=3, 32=23^2=2, 33=−13^3=-1, 36=13^6=1, ordre 66. De même 55 : 51=55^1=5, 52=45^2=4, 53=−15^3=-1. Pas 22 (23=12^3=1 mod 77). F11×\mathbb F_{11}^\times d’ordre 1010 : 25=32≡−12^5 = 32 \equiv -1, 210=12^{10}=1, ordre 1010. Aussi 6,7,86, 7, 8 (vérifier les ordres).

(b) Le morphisme x↦x2x \mapsto x^2 de Fp×\mathbb F_p^\times a noyau {±1}\{\pm1\} (ordre 22) et image d’indice 22, le sous-groupe des carrés. Or x(p−1)/2=±1x^{(p-1)/2} = \pm1 pour tout x≠0x \neq 0 (car (x(p−1)/2)2=xp−1=1(x^{(p-1)/2})^2 = x^{p-1} = 1), et cette valeur vaut 11 exactement sur le sous-groupe d’indice 22 des carrés (noyau de x↦x(p−1)/2x \mapsto x^{(p-1)/2}). Pour −1-1 : (−1)(p−1)/2=1(-1)^{(p-1)/2} = 1 ssi (p−1)/2(p-1)/2 est pair ssi p≡1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4, comme dans le Problème 2.1.

Exercice 4.5 ★★

Montrer que Fpm∩Fpn=Fpgcd⁡(m,n)\mathbb F_{p^m} \cap \mathbb F_{p^n} = \mathbb F_{p^{\gcd(m,n)}} et FpmFpn=Fplcm⁡(m,n)\mathbb F_{p^m}\mathbb F_{p^n} = \mathbb F_{p^{\operatorname{lcm}(m,n)}} dans une clôture algébrique fixée Fˉp\bar{\mathbb F}_p, et décrire Gal⁡(Fpn/Fpm)\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_{p^m}) pour m∣nm \mid n.

Solution

Solution de Exercice 4.5.

Dans une clôture algébrique fixée, Fpm={x:xpm=x}\mathbb F_{p^m} = \{x : x^{p^m} = x\} et de même pour nn. L’intersection est {x:xpm=x=xpn}\{x : x^{p^m} = x = x^{p^n}\}. Or xpa=xx^{p^a} = x et xpb=xx^{p^b} = x ssi xpgcd⁡(a,b)=xx^{p^{\gcd(a,b)}} = x (les ordres du Frobenius) : d’où Fpgcd⁡(m,n)\mathbb F_{p^{\gcd(m,n)}}. Le compositum FpmFpn\mathbb F_{p^m}\mathbb F_{p^n} est le plus petit corps contenant les deux, donc Fpk\mathbb F_{p^k} avec m∣km \mid k, n∣kn \mid k, minimal : k=lcm⁡(m,n)k = \operatorname{lcm}(m,n).

Pour m∣nm \mid n, Gal⁡(Fpn/Fp)=⟨φ⟩\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_p) = \langle\varphi\rangle d’ordre nn avec φ(x)=xp\varphi(x) = x^p. Le sous-groupe Gal⁡(Fpn/Fpm)\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_{p^m}) est ⟨φm⟩\langle\varphi^m\rangle, d’ordre n/mn/m.

Exercice 4.6 ★★

Soit Id(q)I_d(q) le nombre de polynômes moniques irréductibles de degré dd sur Fq\mathbb F_q. Démontrer

Xqn−X  =  ∏d∣n ∏P irred. monique, deg⁡P=dP,d’ouˋqn=∑d∣nd Id(q).X^{q^n} - X \;=\; \prod_{d \mid n}\ \prod_{P \text{ irred. monique, } \deg P = d} P , \qquad\text{d'où}\qquad q^n = \sum_{d \mid n} d\, I_d(q).

En déduire I1,I2,I3,I4I_1, I_2, I_3, I_4 explicitement, et Id(q)≥1I_d(q) \geq 1 pour tout dd (donc les extensions Fqd/Fq\mathbb F_{q^d}/\mathbb F_q existent comme quotients Fq[X]/(P)\mathbb F_q[X]/(P) pour tout dd).

Solution

Solution de Exercice 4.6.

Dans F‾q\overline{\mathbb F}_q, Xqn−X=∏a∈Fqn(X−a)X^{q^n} - X = \prod_{a \in \mathbb F_{q^n}}(X-a). Le polynôme minimal PP d’un a∈Fqna \in \mathbb F_{q^n} a degré d∣nd \mid n (Théorème 4.11), et PP divise Xqn−XX^{q^n} - X. Réciproquement tout monique irréductible PP de degré d∣nd \mid n a une racine dans Fqd⊆Fqn\mathbb F_{q^d} \subseteq \mathbb F_{q^n}, donc divise Xqn−XX^{q^n}-X. Les irréductibles distincts sont premiers entre eux et le produit est séparable : la factorisation annoncée. Comparer les degrés : qn=∑d∣nd Id(q)q^n = \sum_{d\mid n} d\,I_d(q).

Conséquences : I1=qI_1 = q ; q2=I1+2I2q^2 = I_1 + 2I_2 donne I2=q2−q2I_2 = \frac{q^2-q}{2} ; q3=I1+3I3q^3 = I_1 + 3I_3 donne I3=q3−q3I_3 = \frac{q^3-q}{3} ; q4=I1+2I2+4I4q^4 = I_1 + 2I_2 + 4I_4 donne I4=q4−q24I_4 = \frac{q^4-q^2}{4}. Existence : nIn=qn−∑d∣n, d<ndId≥qn−∑d≤n/2qd>0nI_n = q^n - \sum_{d\mid n,\, d<n} dI_d \geq q^n - \sum_{d\leq n/2} q^d > 0 pour n≥1n \geq 1.

Exercice 4.7 ★★

Déterminer Gal⁡(Q(2,3)/Q)\operatorname{Gal}(\Q(\sqrt2,\sqrt3)/\Q) et le treillis complet des corps intermédiaires. Même question pour le corps de décomposition de (X2−2)(X2−3)(X2−6)(X^2-2)(X^2-3)(X^2-6) — que remarque-t-on ?

Solution

Solution de Exercice 4.7.

L=Q(2,3)L = \Q(\sqrt2, \sqrt3) est le corps de décomposition de (X2−2)(X2−3)(X^2-2)(X^2-3), séparable : galoisien de degré 44 (Exercice 4.1). Un automorphisme envoie 2↦±2\sqrt2 \mapsto \pm\sqrt2 et 3↦±3\sqrt3 \mapsto \pm\sqrt3 : au plus 44 choix, et ∣G∣=4|G| = 4 les réalise tous : G≅(Z/2Z)2G \cong (\Z/2\Z)^2, avec éléments id\mathrm{id}, σ\sigma (2↦−2\sqrt2 \mapsto -\sqrt2), τ\tau (3↦−3\sqrt3 \mapsto -\sqrt3), στ\sigma\tau. Sous-groupes d’ordre 22 : ⟨σ⟩\langle\sigma\rangle, ⟨τ⟩\langle\tau\rangle, ⟨στ⟩\langle\sigma\tau\rangle, de corps fixes Q(3)\Q(\sqrt3), Q(2)\Q(\sqrt2), Q(6)\Q(\sqrt6) (noter que στ\sigma\tau fixe 6=23\sqrt6 = \sqrt2\sqrt3). Le treillis : Q\Q en bas, les trois quadratiques au milieu, LL en haut — et rien d’autre (Théorème 4.21). Pour (X2−2)(X2−3)(X2−6)(X^2-2)(X^2-3)(X^2-6) : le corps de décomposition est le même LL (6=23\sqrt6 = \sqrt2\sqrt3), donc la réponse est identique : la correspondance de Galois est un invariant de l’extension, non du polynôme choisi pour la présenter.

Exercice 4.8 ★★

(Le cubique, résolu par son groupe) Soit P=X3+pX+q∈Q[X]P = X^3 + pX + q \in \Q[X] irréductible de racines x1,x2,x3x_1, x_2, x_3 et de corps de décomposition LL. Soit δ=(x1−x2)(x1−x3)(x2−x3)\delta = (x_1 - x_2)(x_1 - x_3)(x_2 - x_3) et Δ=δ2=−4p3−27q2\Delta = \delta^2 = -4p^3 - 27q^2 (admettre cette identité classique ou la vérifier en développant les fonctions symétriques). (a) Montrer Gal⁡(L/Q)≅A3\operatorname{Gal}(L/\Q) \cong A_3 ou S3S_3, selon que Δ\Delta est ou n’est pas un carré dans Q\Q. (b) Avec j=ζ3j = \zeta_3, définir les résolvantes de Lagrange u=x1+jx2+j2x3u = x_1 + jx_2 + j^2x_3 et v=x1+j2x2+jx3v = x_1 + j^2x_2 + jx_3. Montrer u3+v3=−27qu^3 + v^3 = -27q et uv=−3puv = -3p, et résoudre pour u3,v3u^3, v^3 : les formules de Cardan sortent. Où a-t-on utilisé la résolubilité de S3S_3 ?

Solution

Solution de Exercice 4.8.

(a) GG agit fidèlement et transitivement (irréductibilité) sur les trois racines : G↪S3G \hookrightarrow S_3 avec 3∣∣G∣3 \mid |G| : G≅A3G \cong A_3 ou S3S_3. Tout σ∈G\sigma \in G permute les xix_i, et σ(δ)=ε(σ) δ\sigma(\delta) = \varepsilon(\sigma)\,\delta (δ\delta est alterné en les racines). Si Δ\Delta est un carré dans Q\Q : δ∈Q×\delta \in \Q^\times (noter δ≠0\delta \neq 0 : séparable), donc ε(σ)=1\varepsilon(\sigma) = 1 pour tout σ\sigma : G⊆A3G \subseteq A_3, d’où =A3= A_3. Sinon : δ∉Q\delta \notin \Q, donc un certain σ\sigma a ε(σ)=−1\varepsilon(\sigma) = -1 : G=S3G = S_3. (Dans les deux cas Q(δ)=LG∩A3\Q(\delta) = L^{G \cap A_3}.)

(b) Avec x1+x2+x3=0x_1 + x_2 + x_3 = 0 : u+v=2x1−(x2+x3)=3x1u + v = 2x_1 - (x_2 + x_3) = 3x_1. Aussi uv=∑ixi2+(j+j2)∑i<kxixk=(∑xi)2−3∑i<kxixk=−3puv = \sum_i x_i^2 + (j+j^2)\sum_{i<k}x_ix_k = (\sum x_i)^2 - 3\sum_{i<k}x_ix_k = -3p, en utilisant j+j2=−1j + j^2 = -1 et ∑i<kxixk=p\sum_{i<k}x_ix_k = p. Alors u3+v3=(u+v)3−3uv(u+v)=27x13+9p⋅3x1=27(x13+px1)=−27qu^3 + v^3 = (u+v)^3 - 3uv(u+v) = 27x_1^3 + 9p\cdot 3x_1 = 27(x_1^3 + px_1) = -27q. Donc u3,v3u^3, v^3 sont les racines de Y2+27qY−27p3=0Y^2 + 27qY - 27p^3 = 0 (produit (uv)3=−27p3(uv)^3 = -27p^3) : u3=−27q+729q2+108p32u^3 = \frac{-27q + \sqrt{729q^2 + 108p^3}}{2}, et x1=u+v3x_1 = \frac{u+v}{3} avec v=−3p/uv = -3p/u : Cardan. La résolubilité de S3S_3 est le squelette : la tour Q⊆Q(δ)⊆Q(δ,j,u)\Q \subseteq \Q(\delta) \subseteq \Q(\delta, j, u) adjoint d’abord une racine carrée (δ\delta, corps fixe de A3A_3 : l’étape S3→S3/A3S_3 \to S_3/A_3), puis une racine cubique (uu, car u3∈Q(δ,j)u^3 \in \Q(\delta, j) : l’étape A3→{e}A_3 \to \{e\}) — la suite dérivée S3⊃A3⊃{e}S_3 \supset A_3 \supset \{e\} faite chair.

Exercice 4.9 ★★

Dans Q(ζ5)\Q(\zeta_5) : montrer que l’unique sous-corps quadratique est Q(5)\Q(\sqrt5), via les sommes de Gauss η0=ζ5+ζ54\eta_0 = \zeta_5 + \zeta_5^4, η1=ζ52+ζ53\eta_1 = \zeta_5^2 + \zeta_5^3 : calculer η0+η1\eta_0 + \eta_1 et η0η1\eta_0\eta_1, et en déduire cos⁡2π5=5−14\cos\frac{2\pi}5 = \frac{\sqrt5 - 1}4. Conclure que le pentagone régulier est constructible.

Solution

Solution de Exercice 4.9.

η0+η1=ζ5+ζ52+ζ53+ζ54=−1\eta_0 + \eta_1 = \zeta_5 + \zeta_5^2 + \zeta_5^3 + \zeta_5^4 = -1 (somme de toutes les racines 55-ièmes de l’unité est 00). η0η1=(ζ+ζ4)(ζ2+ζ3)=ζ3+ζ4+ζ6+ζ7=ζ3+ζ4+ζ+ζ2=−1\eta_0\eta_1 = (\zeta + \zeta^4)(\zeta^2 + \zeta^3) = \zeta^3 + \zeta^4 + \zeta^6 + \zeta^7 = \zeta^3 + \zeta^4 + \zeta + \zeta^2 = -1 (indices mod 55). Donc η0,η1\eta_0, \eta_1 sont les racines de Y2+Y−1Y^2 + Y - 1 : −1±52\frac{-1 \pm \sqrt5}{2}. Comme η0=2cos⁡2π5>0\eta_0 = 2\cos\frac{2\pi}5 > 0 : η0=5−12\eta_0 = \frac{\sqrt5 - 1}{2}, d’où cos⁡2π5=5−14\cos\frac{2\pi}5 = \frac{\sqrt5 - 1}{4}, et η1=−1−52\eta_1 = \frac{-1-\sqrt5}{2}. Le groupe Gal⁡(Q(ζ5)/Q)≅(Z/5Z)×\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_5)/\Q) \cong (\Z/5\Z)^\times est cyclique d’ordre 44 : il a un unique sous-groupe d’ordre 22 ({±1}\{\pm1\}, i.e. ζ↦ζ±1\zeta \mapsto \zeta^{\pm1}), donc Q(ζ5)\Q(\zeta_5) a un unique sous-corps quadratique (Théorème 4.21), qui contient η0∉Q\eta_0 \notin \Q : c’est Q(η0)=Q(5)\Q(\eta_0) = \Q(\sqrt5). Constructibilité : cos⁡2π5\cos\frac{2\pi}5 vit dans la tour quadratique Q⊆Q(5)\Q \subseteq \Q(\sqrt5), et ζ5\zeta_5 une étape quadratique au-dessus : le Théorème 4.25 construit le pentagone.

Exercice 4.10 ★★★

Soit K=Fp(S,T)K = \mathbb F_p(S, T) (fractions rationnelles en deux indéterminées) et L=K(S1/p,T1/p)L = K(S^{1/p}, T^{1/p}). (a) Montrer [L:K]=p2[L:K] = p^2 et que αp∈K\alpha^p \in K pour tout α∈L\alpha \in L. (b) En déduire que L/KL/K n’est pas simple : aucun élément primitif n’existe — l’inséparabilité est fatale au Théorème 4.17.

Solution

Solution de Exercice 4.10.

(a) Écrire s=S1/ps = S^{1/p}, t=T1/pt = T^{1/p}. Xp−SX^p - S est irréductible sur K=Fp(S,T)K = \mathbb F_p(S,T) (Eisenstein en l’élément premier SS de l’UFD Fp(T)[S]\mathbb F_p(T)[S], ou degré en SS). Après adjonction de ss, Yp−TY^p - T reste irréductible sur K(s)K(s) (Eisenstein en TT) : [L:K]=p2[L:K] = p^2. Tout α∈L\alpha \in L s’écrit ∑i,j=0p−1aijsitj\sum_{i,j=0}^{p-1} a_{ij} s^i t^j avec aij∈Ka_{ij} \in K ; le Frobenius x↦xpx \mapsto x^p (morphisme en caractéristique pp) donne αp=∑aijpSiTj∈K\alpha^p = \sum a_{ij}^p S^i T^j \in K.

(b) Si L=K(γ)L = K(\gamma), alors deg⁡μγ=p2\deg\mu_\gamma = p^2. Mais γp∈K\gamma^p \in K force μγ\mu_\gamma à diviser Xp−γp=(X−γ)pX^p - \gamma^p = (X-\gamma)^p, donc deg⁡μγ≤p<p2\deg \mu_\gamma \leq p < p^2 : contradiction. Aucun élément primitif : l’inséparabilité est fatale au Théorème 4.17.

Exercice 4.11 ★★★

Soit P=X5−4X+2P = X^5 - 4X + 2 et GG son groupe de Galois sur Q\Q, agissant sur les 55 racines. (a) Montrer que PP est irréductible, et en déduire 5∣∣G∣5 \mid \abs G ; conclure que GG contient un 55-cycle (Cauchy, Théorème 1.13). (b) Montrer, en étudiant les variations de x↦x5−4x+2x \mapsto x^5 - 4x + 2, que PP a exactement 33 racines réelles ; en déduire que la conjugaison complexe se restreint en une transposition dans GG. (c) Montrer qu’un sous-groupe de S5S_5 contenant une transposition et un 55-cycle est S5S_5 (conjuguer la transposition par des puissances du cycle). Conclure G≅S5G \cong S_5 et, avec le Théorème 4.29, que PP n’est pas résoluble par radicaux.

Solution

Solution de Exercice 4.11.

(a) Eisenstein en 22 (2∣4,22 \mid 4, 2 ; 4∤24 \nmid 2) : PP irréductible. Si α\alpha est une racine, [Q(α):Q]=5[\Q(\alpha):\Q] = 5 divise [L:Q]=∣G∣[L:\Q] = \abs G (LL le corps de décomposition) : Cauchy (Théorème 1.13) donne un élément d’ordre 55 dans G≤S5G \leq S_5 ; dans S5S_5, seuls les 55-cycles ont ordre 55 (les ordres sont les ppcm des longueurs de cycles).

(b) P′(x)=5x4−4P'(x) = 5x^4 - 4 s’annule en ±(4/5)1/4≈±0,946\pm(4/5)^{1/4} \approx \pm 0{,}946 : un maximum local puis un minimum local. Valeurs : P(−2)=−22<0P(-2) = -22 < 0, P(0)=2>0P(0) = 2 > 0, P(1)=−1<0P(1) = -1 < 0, P(2)=26>0P(2) = 26 > 0 : trois changements de signe, et au plus trois racines réelles (deux points critiques) : exactement 33 racines réelles, donc une paire de racines complexes conjuguées. Prendre le corps de décomposition LL dans C\C : la conjugaison complexe envoie LL sur lui-même (elle permute les racines, qui engendrent LL) et fixe Q\Q, donc définit un élément de GG ; elle fixe les trois racines réelles et échange les deux autres : une transposition.

(c) Soit τ=(a b)\tau = (a\,b) et σ\sigma un 55-cycle dans GG. Une certaine puissance σk\sigma^k envoie aa sur bb (k≠0 mod 5k \ne 0 \bmod 5), et σk\sigma^k est encore un 55-cycle : en renommant, supposer σ=(1 2 3 4 5)\sigma = (1\,2\,3\,4\,5) et τ=(1 2)\tau = (1\,2). En conjuguant, σmτσ−m=(σm(1) σm(2))\sigma^m\tau\sigma^{-m} = (\sigma^m(1)\ \sigma^m(2)) : les transpositions adjacentes (1 2),(2 3),(3 4),(4 5),(5 1)(1\,2), (2\,3), (3\,4), (4\,5), (5\,1) sont toutes dans GG ; les transpositions adjacentes engendrent S5S_5 (toute transposition (i j)(i\,j) est produit de transpositions adjacentes, et les transpositions engendrent). Donc G=S5G = S_5, non résoluble (Corollaire 1.34), et le Théorème 4.29 conclut : X5−4X+2X^5 - 4X + 2 n’est pas résoluble par radicaux.

Exercice 4.12 ★★★

(Le quartique diédral) Soit α=24\alpha = \sqrt[4]2 et L=Q(α,i)L = \Q(\alpha, \iu), le corps de décomposition de X4−2X^4 - 2 sur Q\Q. (a) Montrer [L:Q]=8[L : \Q] = 8 et que G=Gal⁡(L/Q)G = \operatorname{Gal}(L/\Q) est engendré par σ ⁣:α↦iα, i↦i\sigma\colon \alpha \mapsto \iu\alpha,\ \iu \mapsto \iu et la conjugaison complexe τ\tau, avec σ4=τ2=e\sigma^4 = \tau^2 = e et τστ=σ−1\tau\sigma\tau = \sigma^{-1} : G≅D4G \cong D_4. (b) Lister le treillis des sous-groupes de D4D_4 (dix sous-groupes) et apparier chacun à son corps fixe ; vérifier en particulier que Q(2)\Q(\sqrt2), Q(i)\Q(\iu), Q(i2)\Q(\iu\sqrt2) sont les trois sous-corps quadratiques, et localiser Q(α)\Q(\alpha), Q(iα)\Q(\iu\alpha), Q(2,i)\Q(\sqrt2, \iu). (c) Quels corps intermédiaires sont galoisiens sur Q\Q ? Apparier la réponse aux sous-groupes normaux de D4D_4, et expliquer pourquoi Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q échoue tandis que Q(2)/Q\Q(\sqrt2)/\Q réussit.

Solution

Solution de Exercice 4.12.

(a) X4−2X^4 - 2 est irréductible (Eisenstein en 22) : [Q(α):Q]=4[\Q(\alpha):\Q] = 4 ; i∉Q(α)⊆R\iu \notin \Q(\alpha) \subseteq \R, donc [L:Q(α)]=2[L : \Q(\alpha)] = 2 et [L:Q]=8[L:\Q] = 8. L’extension est galoisienne (corps de décomposition d’un polynôme séparable : les racines sont ikα\iu^k\alpha), donc ∣G∣=8\abs G = 8. Un automorphisme envoie α\alpha sur l’une des quatre racines et i\iu sur ±i\pm\iu : au plus 88 applications, toutes réalisées. Les σ\sigma et τ\tau indiqués (σ\sigma d’ordre 44 : σ2(α)=−α\sigma^2(\alpha) = -\alpha, σ4=e\sigma^4 = e ; τ\tau d’ordre 22) vérifient

τστ(α)=τσ(α)=τ(iα)=−iα=σ−1(α),τστ(i)=i⋅(−1)(−1)=i,\tau\sigma\tau(\alpha) = \tau\sigma(\alpha) = \tau(\iu\alpha) = -\iu\alpha = \sigma^{-1}(\alpha), \qquad \tau\sigma\tau(\iu) = \iu\cdot(-1)(-1) = \iu ,

plus soigneusement : τστ(i)=τσ(−i)=τ(−i)=i=σ−1(i)\tau\sigma\tau(\iu) = \tau\sigma(-\iu) = \tau(-\iu) = \iu = \sigma^{-1}(\iu). Donc τστ=σ−1\tau\sigma\tau = \sigma^{-1} : la présentation de D4D_4.

(b) Les dix sous-groupes de D4=⟨σ,τ⟩D_4 = \langle\sigma, \tau\rangle : {e}\{e\} ; cinq d’ordre 22 : ⟨σ2⟩\langle\sigma^2\rangle, ⟨τ⟩\langle\tau\rangle, ⟨σ2τ⟩\langle\sigma^2\tau\rangle, ⟨στ⟩\langle\sigma\tau\rangle, ⟨σ3τ⟩\langle\sigma^3\tau\rangle ; trois d’ordre 44 : ⟨σ⟩\langle\sigma\rangle, {e,σ2,τ,σ2τ}\{e, \sigma^2, \tau, \sigma^2\tau\}, {e,σ2,στ,σ3τ}\{e, \sigma^2, \sigma\tau, \sigma^3\tau\} ; et D4D_4. Corps fixes (degré == indice) : {e}↔L\{e\} \leftrightarrow L ; sous-groupes d’ordre 22 ↔\leftrightarrow les cinq corps quartiques

⟨τ⟩↔Q(α),⟨σ2τ⟩↔Q(iα),⟨σ2⟩↔Q(2,i),⟨στ⟩↔Q((1+i)α),⟨σ3τ⟩↔Q((1−i)α).\langle\tau\rangle \leftrightarrow \Q(\alpha),\quad \langle\sigma^2\tau\rangle \leftrightarrow \Q(\iu\alpha), \quad \langle\sigma^2\rangle \leftrightarrow \Q(\sqrt2, \iu),\quad \langle\sigma\tau\rangle \leftrightarrow \Q\bigl((1+\iu)\alpha\bigr),\quad \langle\sigma^3\tau\rangle \leftrightarrow \Q\bigl((1-\iu)\alpha\bigr) .

Vérifications : τ\tau fixe le réel α\alpha ; σ2τ\sigma^2\tau envoie α↦−α\alpha \mapsto -\alpha et i↦−i\iu \mapsto -\iu, fixant iα\iu\alpha ; et comme στ(α)=iα\sigma\tau(\alpha) = \iu\alpha, στ(i)=−i\sigma\tau(\iu) = -\iu :

στ((1+i)α)=(1−i) iα=(1+i)α,σ3τ((1−i)α)=(1+i)(−i)α=(1−i)α:\sigma\tau\bigl((1+\iu)\alpha\bigr) = (1 - \iu)\,\iu\alpha = (1 + \iu)\alpha, \qquad \sigma^3\tau\bigl((1-\iu)\alpha\bigr) = (1 + \iu)(-\iu)\alpha = (1 - \iu)\alpha :

chaque réflexion fixe son générateur, et le corps fixe, de degré 4=4 = indice, est exactement le corps qu’il engendre (le générateur est racine de X4+8X^4 + 8, irréductible). Sous-groupes d’ordre 44 ↔\leftrightarrow les trois corps quadratiques : ⟨σ⟩↔Q(i)\langle\sigma\rangle \leftrightarrow \Q(\iu) (σ\sigma fixe i\iu) ; {e,σ2,τ,σ2τ}↔Q(2)\{e, \sigma^2, \tau, \sigma^2\tau\} \leftrightarrow \Q(\sqrt2) (les quatre fixent α2\alpha^2 à des signes près : τ(2)=2\tau(\sqrt2) = \sqrt2, σ2(α2)=(−α)2\sigma^2(\alpha^2) = (-\alpha)^2) ; {e,σ2,στ,σ3τ}↔Q(i2)\{e, \sigma^2, \sigma\tau, \sigma^3\tau\} \leftrightarrow \Q(\iu\sqrt2) (στ(iα2)=(−i)(iα)2=iα2\sigma\tau(\iu\alpha^2) = (-\iu)(\iu\alpha)^2 = \iu\alpha^2).

(c) Galoisien sur Q\Q ↔\leftrightarrow sous-groupes normaux de D4D_4 : {e}\{e\}, ⟨σ2⟩\langle\sigma^2\rangle (le centre), les trois sous-groupes d’ordre 44, et D4D_4 — donc les corps intermédiaires galoisiens sont LL, Q(2,i)\Q(\sqrt2, \iu), les trois corps quadratiques, et Q\Q. Les cinq corps quartiques fixés par des réflexions non normales ne sont pas galoisiens : Q(α)\Q(\alpha) contient une racine de X4−2X^4 - 2 mais pas iα\iu\alpha (il est réel) — la conjugaison par σ\sigma envoie ⟨τ⟩\langle\tau\rangle sur ⟨σ2τ⟩\langle\sigma^2\tau\rangle, exactement comme elle envoie Q(α)\Q(\alpha) sur Q(iα)\Q(\iu\alpha) : la non-normalité du sous-groupe est l’existence d’un corps conjugué.

4.10 Problème : Gauss et le 17-gone régulier

Problème 4.1

Problème du week-end — constructibilité du 17-gone

Le 30 mars 1796, Gauss, âgé de dix-neuf ans, montra que le 1717-gone régulier est constructible — le premier progrès sur la question depuis l’Antiquité. On reconstruit son calcul avec les outils de ce chapitre. Poser ζ=e2iπ/17\zeta = \eu^{2\iu\pi/17}, L=Q(ζ)L = \Q(\zeta), G=Gal⁡(L/Q)G = \operatorname{Gal}(L/\Q).

Partie I — Le groupe et sa filtration.

  1. Justifier : [L:Q]=16[L:\Q] = 16, G≅(Z/17Z)×G \cong (\Z/17\Z)^\times, cyclique d’ordre 1616. Vérifier que 33 engendre (Z/17Z)×(\Z/17\Z)^\times (calculer les puissances de 33 modulo 1717 : 3,9,10,13,5,15,11,16,…3, 9, 10, 13, 5, 15, 11, 16, \dots).
  2. Soit σ∈G\sigma \in G avec σ(ζ)=ζ3\sigma(\zeta) = \zeta^3, et Hk=⟨σ2k⟩H_k = \langle \sigma^{2^k}\rangle pour k=0,…,4k = 0, \dots, 4. Montrer que G=H0⊃H1⊃H2⊃H3⊃H4={e}G = H_0 \supset H_1 \supset H_2 \supset H_3 \supset H_4 = \{e\} avec chaque indice [Hk:Hk+1]=2[H_k : H_{k+1}] = 2, et que les corps fixes Q=L0⊂L1⊂L2⊂L3⊂L4=L\Q = L_0 \subset L_1 \subset L_2 \subset L_3 \subset L_4 = L forment une tour d’extensions quadratiques.
  3. Conclure a priori, en utilisant le Théorème 4.25, que ζ\zeta — donc le 1717-gone — est constructible. Le reste du problème rend la tour explicite.

Partie II — Les périodes de longueur 88. Définir les périodes de Gauss

η0=∑k pairζ3k mod 17=ζ1+ζ9+ζ13+ζ15+ζ16+ζ8+ζ4+ζ2,η1=∑k impairζ3k mod 17.\eta_0 = \sum_{k \text{ pair}} \zeta^{3^k \bmod 17} = \zeta^{1} + \zeta^{9} + \zeta^{13} + \zeta^{15} + \zeta^{16} + \zeta^{8} + \zeta^{4} + \zeta^{2}, \qquad \eta_1 = \sum_{k \text{ impair}} \zeta^{3^k \bmod 17}.
  1. Montrer que η0,η1\eta_0, \eta_1 sont fixés par H1H_1 et échangés par σ\sigma ; en déduire η0,η1∈L1\eta_0, \eta_1 \in L_1 et qu’ils sont les deux racines d’une quadratique sur Q\Q.
  2. Calculer η0+η1=−1\eta_0 + \eta_1 = -1. Montrer η0η1=−4\eta_0\eta_1 = -4 (chaque produit ζaζb\zeta^a\zeta^b est un certain ζc\zeta^c, c≠0c \neq 0 ; compter combien de fois chaque cc apparaît, ou argumenter que le produit est un entier rationnel fixé par GG, égal à la somme sur les 6464 produits, et utiliser que chaque résidu non nul apparaît également souvent).
  3. En déduire η0=−1+172\eta_0 = \frac{-1 + \sqrt{17}}2, η1=−1−172\eta_1 = \frac{-1-\sqrt{17}}2 (identifier lequel est lequel numériquement : η0≈1,56\eta_0 \approx 1{,}56), et L1=Q(17)L_1 = \Q(\sqrt{17}).

Partie III — Périodes de longueur 44 et 22. Définir

β0=ζ+ζ13+ζ16+ζ4,β1=ζ3+ζ5+ζ14+ζ12,β2=ζ9+ζ15+ζ8+ζ2,β3=ζ10+ζ11+ζ7+ζ6.\beta_0 = \zeta + \zeta^{13} + \zeta^{16} + \zeta^{4},\quad \beta_1 = \zeta^3 + \zeta^5 + \zeta^{14} + \zeta^{12},\quad \beta_2 = \zeta^9 + \zeta^{15} + \zeta^{8} + \zeta^{2},\quad \beta_3 = \zeta^{10} + \zeta^{11} + \zeta^{7} + \zeta^{6}.
  1. Montrer β0+β2=η0\beta_0 + \beta_2 = \eta_0, β1+β3=η1\beta_1 + \beta_3 = \eta_1, et que β0,β2\beta_0, \beta_2 sont fixés par H2H_2, échangés par σ2\sigma^2.
  2. Calculer β0β2=−1\beta_0\beta_2 = -1 et β1β3=−1\beta_1\beta_3 = -1 (développer : les seize exposants obtenus couvrent 1,…,161, \dots, 16 exactement une fois).
  3. En déduire β0=η0+η02+42\beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2 (vérifier le signe numériquement : β0≈2,05\beta_0 \approx 2{,}05) et la formule analogue pour β1\beta_1 ; d’où L2=Q(β0)L_2 = \Q(\beta_0), quadratique sur L1L_1.
  4. Soit γ0=ζ+ζ16=2cos⁡2π17\gamma_0 = \zeta + \zeta^{16} = 2\cos\frac{2\pi}{17} et γ1=ζ13+ζ4\gamma_1 = \zeta^{13} + \zeta^4. Montrer γ0+γ1=β0\gamma_0 + \gamma_1 = \beta_0 et γ0γ1=β1\gamma_0\gamma_1 = \beta_1, de sorte que γ0=β0+β02−4β12\gamma_0 = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}2.
  5. Assembler la chaîne de formules exprimant cos⁡2π17\cos\frac{2\pi}{17} par des racines carrées emboîtées, et donner un contrôle décimal (cos⁡2π17≈0,93247\cos\frac{2\pi}{17} \approx 0{,}93247).

Partie IV — Épilogue.

  1. Où exactement l’argument a-t-il utilisé que 1717 est un premier de Fermat (17=222+117 = 2^{2^2} + 1) ? Montrer que pour un premier pp, le pp-gone régulier est constructible ssi p=22t+1p = 2^{2^t} + 1 pour un certain tt (si p−1=2mp - 1 = 2^m, montrer que mm doit lui-même être une puissance de 22).
  2. En déduire la liste complète des nn-gones réguliers constructibles pour n≤20n \leq 20, en utilisant le critère de Gauss–Wantzel du Corollaire 4.26.

Partie V — Sommes de Gauss et réciprocité quadratique. Les périodes de la partie II cachent un trésor. Pour un premier impair pp, le symbole de Legendre (ap)\bigl(\frac ap\bigr) vaut +1+1 si aa est un carré non nul mod pp, −1-1 sinon, 00 si p∣ap \mid a ; Exercice 4.4(b) (critère d’Euler) donne (ap)≡a(p−1)/2(modp)\bigl(\frac ap\bigr) \equiv a^{(p-1)/2} \pmod p, d’où la multiplicitivité. Écrire ζ=e2iπ/p\zeta = \eu^{2\iu\pi/p}, p∗=(−1)(p−1)/2pp^* = (-1)^{(p-1)/2}p, et définir la somme de Gauss

g  =  ∑a=1p−1(ap)ζa.g \;=\; \sum_{a=1}^{p-1}\Bigl(\frac ap\Bigr)\zeta^a .
  1. Montrer ∑a=1p−1(ap)=0\sum_{a=1}^{p-1}\bigl(\frac ap\bigr) = 0 (autant de carrés que de non-carrés), et démontrer la forme alternative g=∑a=0p−1ζa2g = \sum_{a=0}^{p-1}\zeta^{a^2} (chaque carré non nul est atteint deux fois, et ∑aζa=0\sum_{a}\zeta^a = 0). Pour p=17p = 17 : relier gg aux périodes de la partie II — montrer g=η0−η1g = \eta_0 - \eta_1 (les carrés mod 1717 sont exactement les puissances paires du générateur 33).
  2. Démontrer g2=p∗g^2 = p^* : développer

    g2=∑a,b≠0(abp)ζa+b=∑c ∑a≠0(a(c−a)p)ζcg^2 = \sum_{a,b\neq0}\Bigl(\frac{ab}p\Bigr) \zeta^{a+b} = \sum_{c}\ \sum_{a \neq 0}\Bigl(\frac{a(c - a)}p\Bigr)\zeta^{c}

    (poser b=c−ab = c - a), substituer c−a=atc - a = at pour évaluer la somme intérieure comme (−1p)(p−1)\bigl(\frac{-1}p\bigr)(p - 1) pour c=0c = 0 et −(−1p)-\bigl(\frac{-1}p\bigr) sinon, et conclure avec la question 14. Vérifier numériquement : pour p=17p = 17, (η0−η1)2=17(\eta_0 - \eta_1)^2 = 17 (partie II).

  3. En déduire p∗∈Q(ζp)\sqrt{p^*} \in \Q(\zeta_p), et conclure que l’unique sous-corps quadratique de Q(ζp)\Q(\zeta_p) est Q(p∗)\Q(\sqrt{p^*}) — unique car Gal⁡(Q(ζp)/Q)\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_p)/\Q) est cyclique (Théorème 4.23) et un groupe cyclique a exactement un sous-groupe d’indice 22. (Tout corps quadratique se plonge dans un certain corps cyclotomique — c’est le premier cas du théorème de Kronecker–Weber, dont la forme générale est bien plus lointaine.)
  4. Soit maintenant q≠pq \neq p un autre premier impair. En travaillant dans l’anneau Z[ζ]\Z[\zeta] modulo qq, démontrer

    gq≡(qp) g(modqZ[ζ])g^q \equiv \Bigl(\frac qp\Bigr)\,g \pmod{q\Z[\zeta]}

    (rêve du collégien : (x+y)q≡xq+yq(x + y)^q \equiv x^q + y^q mod qq dans tout anneau commutatif ; alors gq≡∑a(ap)qζaqg^q \equiv \sum_a\bigl(\frac ap\bigr)^q\zeta^{aq}, réindexer b=aqb = aq et extraire (q−1p)=(qp)\bigl(\frac{q^{-1}}p\bigr) = \bigl(\frac qp\bigr)).

  5. D’autre part, gq=g (g2)(q−1)/2=g (p∗)(q−1)/2g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,(p^*)^{(q-1)/2} ; en utilisant le critère d’Euler mod qq, en déduire gq≡(p∗q)g(modqZ[ζ])g^q \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr)g \pmod{q\Z[\zeta]}, puis — en multipliant les deux expressions de gqg^q par gg et en utilisant g2=p∗g^2 = p^*, inversible mod qq — conclure

    (qp)=(p∗q).\Bigl(\frac qp\Bigr) = \Bigl(\frac{p^*}q\Bigr) .

    (Pourquoi une congruence entre les entiers ±p∗\pm p^* modulo qZ[ζ]q\Z[\zeta] implique-t-elle leur égalité ? Intersecter avec Z\Z.)

  6. Déplier (p∗q)=(−1q)(p−1)/2(pq)\bigl(\frac{p^*}q\bigr) = \bigl(\frac{-1}q\bigr)^{(p-1)/2}\bigl(\frac pq\bigr) et (−1q)=(−1)(q−1)/2\bigl(\frac{-1}q\bigr) = (-1)^{(q-1)/2} pour obtenir la loi de réciprocité quadratique :

    (pq)(qp)=(−1)p−12⋅q−12.\Bigl(\frac pq\Bigr)\Bigl(\frac qp\Bigr) = (-1)^{\frac{p-1}2\cdot\frac{q-1}2} .

    La vérifier sur (p,q)=(17,3)(p, q) = (17, 3) en listant les carrés mod 1717 et mod 33, et l’utiliser pour décider en trois lignes si x2≡219(mod383)x^2 \equiv 219 \pmod{383} est résoluble (383383 est premier, 219=3⋅73219 = 3\cdot73).

Partie VI — Compter les polynômes irréductibles : le théorème des nombres premiers de Fq[X]\mathbb F_q[X]. Fixer une puissance de premier qq et soit Nq(n)N_q(n) le nombre de polynômes moniques irréductibles de degré nn sur Fq\mathbb F_q ; rappeler de Exercice 4.6 la factorisation de Xqn−XX^{q^n} - X et l’identité qn=∑d∣nd Nq(d)q^n = \sum_{d\mid n}d\,N_q(d), que l’on inverse, réinterprète et exploite maintenant.

  1. (Mots) Appeler un mot w∈Fqnw \in \mathbb F_q^n primitif s’il n’est pas une puissance un/d=u⋯uu^{n/d} = u\cdots u d’un mot uu strictement plus court, et soit A(d)A(d) le nombre de mots primitifs de longueur dd. Montrer que tout mot de longueur nn est de façon unique une puissance d’un mot primitif d’une certaine longueur d∣nd \mid n, de sorte que qn=∑d∣nA(d)q^n = \sum_{d \mid n}A(d) ; en comparant avec Exercice 4.6, conclure A(d)=d Nq(d)A(d) = d\,N_q(d) pour tout dd, et expliquer cette coïncidence par une bijection explicite : un élément α∈Fqd\alpha \in \mathbb F_{q^d} de degré dd a pour orbite de Frobenius (α,αq,…,αqd−1)(\alpha, \alpha^q, \dots, \alpha^{q^{d-1}}) exactement dd éléments distincts, et les éléments de degré dd correspondent dd-à-11 aux irréductibles de degré dd.
  2. Démontrer la formule d’inversion de Möbius : si f(n)=∑d∣ng(d)f(n) = \sum_{d\mid n}g(d) pour tout nn, alors g(n)=∑d∣nμ(d) f(n/d)g(n) = \sum_{d\mid n}\mu(d)\,f(n/d), où μ\mu est la fonction de Möbius (μ(m)=(−1)#facteurs premiers\mu(m) = (-1)^{\#\text{facteurs premiers}} si mm est sans carré, 00 sinon) (lemme clé : ∑d∣mμ(d)=0\sum_{d \mid m}\mu(d) = 0 pour m>1m > 1 — apparier les diviseurs avec et sans un premier fixé). En déduire

    Nq(n)=1n∑d∣nμ(d) qn/d.N_q(n) = \frac1n\sum_{d \mid n}\mu(d)\,q^{n/d} .
  3. Montrer Nq(n)≥1n(qn−2qn/2)>0N_q(n) \geq \frac1n\bigl(q^n - 2q^{n/2}\bigr) > 0 pour tout n≥1n \geq 1 : une nouvelle démonstration que Fqn\mathbb F_{q^n} existe pour tout nn. Interpréter le terme dominant : un polynôme monique aléatoire de degré nn est irréductible avec probabilité ∼1n\sim \frac1n — l’analogue parfait du théorème des nombres premiers, avec log⁡x\log x échangé contre nn ; vérifier numériquement pour q=2q = 2, n≤4n \leq 4 (Exercice 4.6 liste les comptes).
  4. Démontrer le compagnon multiplicatif de la question 21 :

    ∏π monique irred.deg⁡π=nπ  =  ∏d∣n(Xqd−X)μ(n/d)\prod_{\substack{\pi \text{ monique irred.}\\ \deg\pi = n}}\pi \;=\; \prod_{d \mid n} \bigl(X^{q^d} - X\bigr)^{\mu(n/d)}

    (inversion de Möbius dans le groupe abélien des fractions rationnelles non nulles) ; le vérifier à la main pour q=2q = 2, n=2n = 2 : (X4−X)/(X2−X)=X2+X+1(X^4 - X)/(X^2 - X) = X^2 + X + 1.

Partie VII — Deux codas.

  1. (Le second supplément) La méthode de la partie V calcule aussi (2q)\bigl(\frac2q\bigr). Soit ω=e2iπ/8\omega = \eu^{2\iu\pi/8} et g=ω+ω−1g = \omega + \omega^{-1}. Montrer g2=2g^2 = 2 (ω2=i\omega^2 = \iu) ; puis, pour un premier impair qq, démontrer dans Z[ω]\Z[\omega] modulo qq que

    gq≡ωq+ω−q(modqZ[ω]),g^q \equiv \omega^q + \omega^{-q} \pmod{q\Z[\omega]},

    et que le membre de droite égale gg si q≡±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8 et −g-g si q≡±3(mod8)q \equiv \pm3 \pmod 8. En comparant avec gq=g (g2)(q−1)/2≡(2q)gg^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac2q\bigr)g comme dans la question 18, conclure

    (2q)=(−1)(q2−1)/8,\Bigl(\frac2q\Bigr) = (-1)^{(q^2-1)/8},

    en vérifiant que (q2−1)/8(q^2 - 1)/8 est pair exactement quand q≡±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8. Vérifier : 22 est un carré mod 77 et mod 1717 (323^2 et 626^2), pas mod 33 ni mod 55.

  2. (La fonction zêta de Fq[X]\mathbb F_q[X]) Démontrer l’identité de séries formelles en tt :

    ∏n≥1(1−tn)−Nq(n)=11−qt\prod_{n \geq 1}\bigl(1 - t^n\bigr)^{-N_q(n)} = \frac1{1 - qt}

    (factorisation unique en irréductibles moniques : développer chaque facteur en série géométrique et compter les moniques de degré nn). Retrouver l’identité qm=∑d∣md Nq(d)q^m = \sum_{d \mid m}d\,N_q(d) de Exercice 4.6 en prenant les logarithmes. Vérifier le coefficient de t2t^2 à la main pour q=2q = 2, et utiliser la formule de la question 21 pour calculer N2(6)=9N_2(6) = 9, en vérifiant 26=1⋅2+2⋅1+3⋅2+6⋅92^6 = 1\cdot2 + 2\cdot1 + 3\cdot2 + 6\cdot9.

Solution

Solution de Problème 4.1.

1. Φ17\Phi_{17} est irréductible (Théorème 4.23, ou Exemple 2.26 pour un indice premier) : [L:Q]=φ(17)=16[L:\Q] = \varphi(17) = 16 et G≅(Z/17Z)×G \cong (\Z/17\Z)^\times, cyclique d’ordre 1616 (Théorème 4.12). Puissances de 33 mod 1717 :

3, 9, 10, 13, 5, 15, 11, 16, 14, 8, 7, 4, 12, 2, 6, 13,\ 9,\ 10,\ 13,\ 5,\ 15,\ 11,\ 16,\ 14,\ 8,\ 7,\ 4,\ 12,\ 2,\ 6,\ 1

— seize valeurs distinctes : 33 engendre.

2. G=⟨σ⟩G = \langle\sigma\rangle cyclique d’ordre 1616 ; Hk=⟨σ2k⟩H_k = \langle\sigma^{2^k}\rangle a ordre 24−k2^{4-k}, et [Hk:Hk+1]=2[H_k : H_{k+1}] = 2. Par le théorème fondamental (Théorème 4.21), Lk=LHkL_k = L^{H_k} vérifient [Lk:Q]=[G:Hk]=2k[L_k : \Q] = [G : H_k] = 2^k : chaque [Lk+1:Lk]=2[L_{k+1}:L_k] = 2.

3. ζ∈L=L4\zeta \in L = L_4 se trouve au sommet d’une tour d’extensions quadratiques de Q\Q : par le Théorème 4.25, ζ\zeta est constructible ; le 1717-gone a pour sommets ζk\zeta^k.

4. σ2\sigma^2 multiplie les exposants par 99 ; les exposants de η0\eta_0 sont les puissances paires de 33,

{32k mod 17}={1,9,13,15,16,8,4,2},\{3^{2k} \bmod 17\} = \{1, 9, 13, 15, 16, 8, 4, 2\},

un ensemble stable sous multiplication par 9=329 = 3^2 ; donc η0\eta_0 (et de même η1\eta_1) est fixé par H1=⟨σ2⟩H_1 = \langle\sigma^2\rangle : η0,η1∈L1\eta_0, \eta_1 \in L_1, un corps quadratique. σ\sigma envoie les puissances paires sur les impaires : il échange η0,η1\eta_0, \eta_1. Donc η0+η1\eta_0 + \eta_1 et η0η1\eta_0\eta_1 sont fixés par tout GG : rationnels ; η0,η1\eta_0, \eta_1 sont les racines d’une quadratique rationnelle.

5. η0+η1=∑c=116ζc=−1\eta_0 + \eta_1 = \sum_{c=1}^{16}\zeta^c = -1. Le produit se développe en 6464 termes ζa+b\zeta^{a + b}, aa dans l’ensemble pair, bb dans l’impair. Aucun terme n’est ζ0\zeta^0 : b=−ab = -a est impossible, car −1=16=38-1 = 16 = 3^8 est une puissance paire, donc −a-a reste dans l’ensemble pair. Ainsi η0η1=∑c≠0ncζc\eta_0\eta_1 = \sum_{c \neq 0} n_c\zeta^c avec ∑nc=64\sum n_c = 64 ; appliquer σ\sigma fixe η0η1\eta_0\eta_1 (il échange les facteurs) et permute les ζc\zeta^c transitivement sur tous les c≠0c \neq 0, donc tous les ncn_c sont égaux : nc=4n_c = 4 et η0η1=4∑c≠0ζc=−4\eta_0\eta_1 = 4\sum_{c\neq0}\zeta^c = -4.

6. η0,1\eta_{0,1} résolvent Y2+Y−4=0Y^2 + Y - 4 = 0 : −1±172\frac{-1 \pm \sqrt{17}}2. Numériquement, en groupant les exposants conjugués, η0=2(cos⁡2π17+cos⁡4π17+cos⁡8π17+cos⁡16π17)≈1,56>0\eta_0 = 2\bigl(\cos\tfrac{2\pi}{17} + \cos\tfrac{4\pi}{17} + \cos\tfrac{8\pi}{17} + \cos\tfrac{16\pi}{17}\bigr) \approx 1{,}56 > 0 : η0=−1+172\eta_0 = \frac{-1+\sqrt{17}}2, η1=−1−172\eta_1 = \frac{-1-\sqrt{17}}2, et L1=Q(η0)=Q(17)L_1 = \Q(\eta_0) = \Q(\sqrt{17}).

7. Les ensembles d’exposants : β0\beta_0 : {1,13,16,4}\{1, 13, 16, 4\} = puissances 34k3^{4k} ; β2\beta_2 : {9,15,8,2}=9×\{9, 15, 8, 2\} = 9 \times cet ensemble. Réunion : l’ensemble pair : β0+β2=η0\beta_0 + \beta_2 = \eta_0 ; de même β1+β3=η1\beta_1 + \beta_3 = \eta_1. La multiplication par 13=3413 = 3^4 stabilise chaque ensemble d’exposants de βi\beta_i : fixé par H2=⟨σ4⟩H_2 = \langle\sigma^4\rangle ; et σ2\sigma^2 (×9\times 9) envoie {1,13,16,4}\{1,13,16,4\} sur {9,15,8,2}\{9, 15, 8, 2\} : échange β0,β2\beta_0, \beta_2.

8. En développant β0β2\beta_0\beta_2, les seize sommes d’exposants

{1,13,16,4}+{9,15,8,2}={10,16,9,3, 5,11,4,15, 8,14,7,1, 13,2,12,6}\{1,13,16,4\} + \{9,15,8,2\} = \{10,16,9,3,\ 5,11,4,15,\ 8,14,7,1,\ 13,2,12,6\}

couvrent 1,…,161, \dots, 16 exactement une fois : β0β2=∑c≠0ζc=−1\beta_0\beta_2 = \sum_{c\ne0}\zeta^c = -1. En appliquant σ\sigma (qui envoie β0↦β1\beta_0 \mapsto \beta_1, β2↦β3\beta_2 \mapsto \beta_3 : exposants ×3\times 3) : β1β3=σ(β0β2)=−1\beta_1\beta_3 = \sigma(\beta_0\beta_2) = -1.

9. β0,β2\beta_0, \beta_2 résolvent Y2−η0Y−1=0Y^2 - \eta_0 Y - 1 = 0, donc β0=η0+η02+42\beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2 (numériquement β0=2cos⁡2π17+2cos⁡8π17≈2,05>0\beta_0 = 2\cos\frac{2\pi}{17} + 2\cos\frac{8\pi}{17} \approx 2{,}05 > 0, le signe ++). De même β1=η1+η12+42≈0,344\beta_1 = \frac{\eta_1 + \sqrt{\eta_1^2 + 4}}2 \approx 0{,}344 (le contrôle numérique fixe encore le signe). L2=L1(β0)L_2 = L_1(\beta_0), quadratique sur L1L_1.

10. γ0+γ1=ζ+ζ16+ζ13+ζ4=β0\gamma_0 + \gamma_1 = \zeta + \zeta^{16} + \zeta^{13} + \zeta^4 = \beta_0. Et

γ0γ1=(ζ+ζ16)(ζ13+ζ4)=ζ14+ζ5+ζ12+ζ3=β1.\gamma_0\gamma_1 = (\zeta + \zeta^{16})(\zeta^{13} + \zeta^4) = \zeta^{14} + \zeta^{5} + \zeta^{12} + \zeta^{3} = \beta_1 .

Donc γ0,γ1\gamma_0, \gamma_1 résolvent Y2−β0Y+β1=0Y^2 - \beta_0Y + \beta_1 = 0 ; numériquement γ0=2cos⁡2π17≈1,865>γ1≈0,185\gamma_0 = 2\cos\frac{2\pi}{17} \approx 1{,}865 > \gamma_1 \approx 0{,}185 : γ0=β0+β02−4β12\gamma_0 = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}2.

11. En chaînant :

η0=−1+172,β0=η0+η02+42,β1=η1+η12+42,cos⁡2π17=β0+β02−4β14.\eta_0 = \frac{-1 + \sqrt{17}}2, \quad \beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2, \quad \beta_1 = \frac{\eta_1 + \sqrt{\eta_1^2 + 4}}2, \quad \cos\frac{2\pi}{17} = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}4 .

Numériquement : 17≈4,1231\sqrt{17} \approx 4{,}1231, η0≈1,5616\eta_0 \approx 1{,}5616, η1≈−2,5616\eta_1 \approx -2{,}5616, β0≈2,0494\beta_0 \approx 2{,}0494, β1≈0,3441\beta_1 \approx 0{,}3441, β02−4β1≈2,8234\beta_0^2 - 4\beta_1 \approx 2{,}8234, et cos⁡2π17≈2,0494+1,68034≈0,93242\cos\frac{2\pi}{17} \approx \frac{2{,}0494 + 1{,}6803}4 \approx 0{,}93242 — contre cos⁡2π17=0,93247…\cos\frac{2\pi}{17} = 0{,}93247\dots : le petit écart est de l’arrondi dans les affichages intermédiaires ; en portant plus de chiffres on retrouve 0,9324720{,}932472.

12. La construction demandait [L:Q]=p−1[L:\Q] = p - 1 puissance de 22, pour qu’une chaîne complète de sous-groupes d’indice 22 existe. Si p=2m+1p = 2^m + 1 est premier et m=abm = ab avec aa impair >1> 1 : x+1∣xa+1x + 1 \mid x^a + 1 en x=2bx = 2^b montre que 2b+12^b + 1 divise proprement pp — impossible. Donc mm est une puissance de 22 : p=22t+1p = 2^{2^t} + 1, un premier de Fermat (3,5,17,257,655373, 5, 17, 257, 65537, …). Réciproquement pour un tel pp, φ(p)=22t\varphi(p) = 2^{2^t} et l’argument des questions 1–3 (ou Corollaire 4.26) s’applique : le pp-gone régulier est constructible ssi pp est un premier de Fermat.

13. φ(n)\varphi(n) est une puissance de 22 exactement quand n=2ap1⋯prn = 2^a p_1\cdots p_r avec des premiers de Fermat distincts pip_i (multiplicativité de φ\varphi ; une puissance de premier impair pkp^k, k≥2k \geq 2, contribue le facteur p∤2mp \nmid 2^m). Pour n≤20n \leq 20, les nn-gones réguliers constructibles sont

n=3,4,5,6,8,10,12,15,16,17,20n = 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 20

avec valeurs respectives

φ(n)=2, 2, 4, 2, 4, 4, 4, 8, 8, 16, 8.\varphi(n) = 2,\ 2,\ 4,\ 2,\ 4,\ 4,\ 4,\ 8,\ 8,\ 16,\ 8 .

Les impossibles sont n=7,9,11,13,14,18,19n = 7, 9, 11, 13, 14, 18, 19, où φ(n)=6,6,10,12,6,6,18\varphi(n) = 6, 6, 10, 12, 6, 6, 18 a un facteur premier impair.

14. Les carrés forment l’image du morphisme d’élévation au carré sur le cyclique (Z/pZ)×(\Z/p\Z)^\times, d’indice 22 : p−12\frac{p-1}2 carrés, p−12\frac{p-1}2 non-carrés, donc les symboles somment à 00. Alors

∑a=0p−1ζa2=1+2∑b carreˊ≠0ζb=1+∑b≠0(1+(bp))ζb=∑bζb+g=g,\sum_{a=0}^{p-1}\zeta^{a^2} = 1 + 2\sum_{b \text{ carré} \neq 0}\zeta^b = 1 + \sum_{b\neq0}\Bigl(1 + \Bigl(\frac bp\Bigr)\Bigr) \zeta^b = \sum_{b}\zeta^b + g = g,

en utilisant 1+(bp)=#{a:a2=b}1 + \bigl(\frac bp\bigr) = \#\{a : a^2 = b\} et ∑b=0p−1ζb=0\sum_{b=0}^{p-1}\zeta^b = 0. Pour p=17p = 17 : les carrés mod 1717 sont les puissances paires du générateur 33, i.e. les exposants apparaissant dans η0\eta_0 (Partie II), donc g=∑k pairζ3k−∑k impairζ3k=η0−η1g = \sum_{\text{$k$ pair}}\zeta^{3^k} - \sum_{\text{$k$ impair}} \zeta^{3^k} = \eta_0 - \eta_1.

15. Avec b=c−ab = c - a (a,ba, b parcourent les résidus non nuls, c=a+bc = a + b tous les résidus) :

g2=∑cζc∑a≠0, a≠c(a(c−a)p).g^2 = \sum_c\zeta^c\sum_{a\neq0,\,a\neq c} \Bigl(\frac{a(c-a)}p\Bigr) .

Pour c=0c = 0 : (−a2p)=(−1p)\bigl(\frac{-a^2}p\bigr) = \bigl(\frac{-1}p\bigr), sommé sur p−1p - 1 valeurs. Pour c≠0c \neq 0 : substituer c−a=atc - a = at, i.e. t=c/a−1t = c/a - 1 ; quand aa parcourt les résidus non nuls, tt parcourt bijectivement les résidus ≠−1\neq -1 (inverser : a=c/(1+t)a = c/(1 + t)). Le terme devient (a2tp)=(tp)\bigl(\frac{a^2t}p\bigr) = \bigl(\frac tp\bigr), et

∑t≠−1(tp)=−(−1p)\sum_{t \neq -1}\Bigl(\frac tp\Bigr) = -\Bigl(\frac{-1}p\Bigr)

(la somme totale s’annule par la question 14). D’où

g2=(−1p)[(p−1)−∑c≠0ζc]=(−1p) p=p∗,g^2 = \Bigl(\frac{-1}p\Bigr)\Bigl[(p-1) - \sum_{c\neq0}\zeta^c\Bigr] = \Bigl(\frac{-1}p\Bigr)\,p = p^* ,

en utilisant ∑c≠0ζc=−1\sum_{c\neq0}\zeta^c = -1 et le critère d’Euler (−1p)=(−1)(p−1)/2\bigl(\frac{-1}p\bigr) = (-1)^{(p-1)/2}. Pour p=17p = 17 : (η0−η1)2=(η0+η1)2−4η0η1=1+16=17(\eta_0 - \eta_1)^2 = (\eta_0 + \eta_1)^2 - 4\eta_0\eta_1 = 1 + 16 = 17, en accord avec la Partie II.

16. g2=p∗g^2 = p^* exhibe p∗=±g∈Q(ζp)\sqrt{p^*} = \pm g \in \Q(\zeta_p), donc Q(p∗)\Q(\sqrt{p^*}) est un sous-corps quadratique. Unicité : les sous-corps de degré 22 correspondent, par la correspondance de Galois, aux sous-groupes d’indice 22 du cyclique Gal⁡(Q(ζp)/Q)≅(Z/pZ)×\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_p)/\Q) \cong (\Z/p\Z)^\times, et un groupe cyclique d’ordre pair a exactement un tel sous-groupe (les carrés). Tout corps quadratique est Q(d)\Q(\sqrt{d}) avec dd sans facteur carré, et en combinant les corps Q(p∗)\Q(\sqrt{p^*}), Q(i)⊆Q(ζ4)\Q(\iu) \subseteq \Q(\zeta_4) et Q(2)⊆Q(ζ8)\Q(\sqrt2) \subseteq \Q(\zeta_8) dans un Q(ζN)\Q(\zeta_N) commun on capture tout d\sqrt d : le cas quadratique de Kronecker–Weber.

17. Dans tout anneau commutatif, (x+y)q=xq+yq+q(⋯ )(x + y)^q = x^q + y^q + q(\cdots) : les coefficients binomiaux (qk)\binom qk, 0<k<q0 < k < q, sont divisibles par le premier qq. En itérant sur les p−1p - 1 termes de gg :

gq≡∑a(ap)qζaq=∑a(ap)ζaq(modqZ[ζ]),g^q \equiv \sum_{a}\Bigl(\frac ap\Bigr)^{q}\zeta^{aq} = \sum_a\Bigl(\frac ap\Bigr)\zeta^{aq} \pmod{q\Z[\zeta]},

(qq impair : le symbole est inchangé). Réindexer b=aqb = aq : a=q−1ba = q^{-1}b et (q−1bp)=(qp)(bp)\bigl(\frac{q^{-1}b}p\bigr) = \bigl(\frac{q}p\bigr)\bigl(\frac bp\bigr) (multiplicativité ; (q−1p)=(qp)\bigl(\frac{q^{-1}}p\bigr) = \bigl(\frac qp\bigr) car le symbole d’un inverse égale le symbole) : gq≡(qp)gg^q \equiv \bigl(\frac qp\bigr)g.

18. gq=g (g2)(q−1)/2=g (p∗)(q−1)/2g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,(p^*)^{(q-1)/2} exactement (question 15), et le critère d’Euler dans Z\Z donne (p∗)(q−1)/2≡(p∗q)(modq)(p^*)^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr) \pmod q, d’où mod qZ[ζ]q\Z[\zeta] : gq≡(p∗q)gg^q \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr)g. En comparant avec la question 17 et en multipliant par gg :

(qp)p∗≡(p∗q)p∗(modqZ[ζ]).\Bigl(\frac qp\Bigr)p^* \equiv \Bigl(\frac{p^*}q\Bigr)p^* \pmod{q\Z[\zeta]} .

Les deux membres sont des entiers rationnels ; leur différence, 00 ou ±2p∗\pm2p^*, vit dans qZ[ζ]∩Z=qZq\Z[\zeta] \cap \Z = q\Z (un entier m∈qZ[ζ]m \in q\Z[\zeta] a m/q∈Q∩Z[ζ]=Zm/q \in \Q \cap \Z[\zeta] = \Z, ce dernier parce que 1,ζ,…,ζp−21, \zeta, \dots, \zeta^{p-2} est une Q\Q-base dont les coordonnées rationnelles lisent l’intégralité). Comme q∤2p∗q \nmid 2p^* (qq impair, q≠pq \neq p), la différence est 00 : (qp)=(p∗q)\bigl(\frac qp\bigr) = \bigl(\frac{p^*}q\bigr).

19. Par multiplicativité, (p∗q)=(−1q)(p−1)/2(pq)=(−1)q−12⋅p−12(pq)\bigl(\frac{p^*}q\bigr) = \bigl(\frac{-1}q\bigr)^{(p-1)/2}\bigl(\frac pq\bigr) = (-1)^{\frac{q-1}2\cdot\frac{p-1}2}\bigl(\frac pq\bigr), donc la question 18 lit (qp)(pq)=(−1)p−12q−12\bigl(\frac qp\bigr)\bigl(\frac pq\bigr) = (-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2} : la réciprocité. Contrôle (17,3)(17, 3) : l’exposant 162⋅22=8\frac{16}2\cdot\frac22 = 8 est pair, donc les deux symboles doivent coïncider ; les carrés mod 33 sont {1}\{1\} et 17≡217 \equiv 2 : (173)=−1\bigl(\frac{17}3\bigr) = -1 ; les carrés mod 1717 sont {1,4,9,16,8,2,15,13}\{1, 4, 9, 16, 8, 2, 15, 13\} et 33 en est absent : (317)=−1\bigl(\frac3{17}\bigr) = -1. Produit +1+1, comme prédit. Pour x2≡219(mod383)x^2 \equiv 219 \pmod{383} : (219383)=(3383)(73383)\bigl(\frac{219}{383} \bigr) = \bigl(\frac3{383}\bigr)\bigl(\frac{73}{383}\bigr). Premier : 383≡3(mod4)383 \equiv 3 \pmod4 et 3≡33 \equiv 3 : la réciprocité donne (3383)=−(3833)=−(23)=−(−1)=+1\bigl(\frac3{383}\bigr) = -\bigl(\frac{383}3\bigr) = -\bigl(\frac23\bigr) = -(-1) = +1. Second : 73≡1(mod4)73 \equiv 1 \pmod 4 : (73383)=(38373)=(1873)=(273)\bigl(\frac{73}{383}\bigr) = \bigl(\frac{383}{73}\bigr) = \bigl(\frac{18}{73}\bigr) = \bigl(\frac2{73}\bigr) (18=2⋅3218 = 2\cdot3^2), et 73≡1(mod8)73 \equiv 1 \pmod 8 fait de 22 un carré mod 7373 (loi supplémentaire, prouvable par g=ζ8+ζ8−1=2g = \zeta_8 + \zeta_8^{-1} = \sqrt2 dans Q(ζ8)\Q(\zeta_8) par la même méthode) : +1+1. Total +1+1 : la congruence est résoluble.

20. Existence et unicité de la racine primitive : si ww a pour ensemble de périodes {d:w=un/d, ∣u∣=d}\{d : w = u^{n/d},\ \abs u = d\}, le minimal tel d0d_0 divise toute autre période dd (si ww est à la fois une dd-puissance et une d′d'-puissance, il est une gcd⁡(d,d′)\gcd(d, d')-puissance : comparer les lettres aux indices coïncidant modulo le pgcd, via Bézout), et le bloc de longueur d0d_0 est primitif. En triant les qnq^n mots par la longueur de leur racine primitive : qn=∑d∣nA(d)q^n = \sum_{d \mid n}A(d). Comme AA et d Nq(d)d\,N_q(d) satisfont la même récurrence avec les mêmes valeurs pour n=1n = 1 (chacun se détermine inductivement à partir de qn=∑d∣n(⋅)q^n = \sum_{d\mid n}(\cdot)), ils sont égaux : A(d)=d Nq(d)A(d) = d\,N_q(d). Bijection : un élément α\alpha de degré dd donne le mot wαw_\alpha des coefficients de… mieux, directement : les éléments de degré dd dans Fq‾\overline{\mathbb F_q} sont les racines des Nq(d)N_q(d) irréductibles de degré dd, chacun contribuant ses dd racines distinctes (séparabilité) : d Nq(d)d\,N_q(d) éléments de degré dd, matchant le dénombrement qn=∑d∣n#{eˊleˊments de degreˊ d dans Fqn}q^n = \sum_{d\mid n}\#\{\text{éléments de degré } d \text{ dans } \mathbb F_{q^n}\} — le même crible, une fois sur les mots, une fois sur les éléments de corps.

21. Lemme : ∑d∣mμ(d)=1m=1\sum_{d \mid m}\mu(d) = \mathbf 1_{m=1}. Pour m>1m > 1 fixer un premier p∣mp \mid m : les diviseurs sans carré de mm s’apparient en {d,pd}\{d, pd\} avec p∤dp \nmid d, et μ(pd)=−μ(d)\mu(pd) = -\mu(d) : la somme s’annule. Alors, pour f(n)=∑e∣ng(e)f(n) = \sum_{e\mid n}g(e) :

∑d∣nμ(d) f(nd)=∑d∣nμ(d) ⁣ ⁣∑e∣n/d ⁣ ⁣g(e)=∑e∣ng(e) ⁣ ⁣∑d∣n/e ⁣ ⁣μ(d)=g(n).\sum_{d \mid n}\mu(d)\,f\bigl(\tfrac nd\bigr) = \sum_{d \mid n}\mu(d)\!\!\sum_{e \mid n/d}\!\!g(e) = \sum_{e \mid n}g(e)\!\!\sum_{d \mid n/e}\!\!\mu(d) = g(n) .

Avec f(n)=qnf(n) = q^n et g(n)=nNq(n)g(n) = nN_q(n) (Exercice 4.6) : Nq(n)=1n∑d∣nμ(d) qn/dN_q(n) = \frac1n\sum_{d\mid n}\mu(d)\,q^{n/d}.

22. Le terme d=1d = 1 est qnq^n ; tout autre terme a ∣μ(d)qn/d∣≤qn/2\abs{\mu(d)q^{n/d}} \leq q^{n/2}, et grossièrement ∑d∣n,d>1qn/d≤∑j≤n/2qj<2qn/2\sum_{d \mid n, d > 1}q^{n/d} \leq \sum_{j \leq n/2}q^j < 2q^{n/2} (géométrique, q≥2q \geq 2). Donc nNq(n)>qn−2qn/2≥0nN_q(n) > q^n - 2q^{n/2} \geq 0 pour n≥1n \geq 1 : des irréductibles de tout degré existent, et Fq[X]/(π)=Fqn\mathbb F_q[X]/(\pi) = \mathbb F_{q^n} est (re)construit — existence avec un recensement. La proportion d’irréductibles parmi les qnq^n moniques de degré nn est 1n(1+O(q−n/2))\frac1n(1 + O(q^{-n/2})) : le théorème des nombres premiers de Fq[X]\mathbb F_q[X], avec nn jouant le rôle de log⁡x\log x. Pour q=2q = 2 les comptages 2,1,2,32, 1, 2, 3 de Exercice 4.6 matchent la formule : p.ex. N2(4)=14(24−22)=3N_2(4) = \frac14(2^4 - 2^2) = 3.

23. Dans le groupe abélien multiplicatif des fractions rationnelles non nulles sur Fq\mathbb F_q, poser F(n)=Xqn−XF(n) = X^{q^n} - X et G(n)=∏deg⁡π=nπG(n) = \prod_{\deg\pi = n}\pi ; Exercice 4.6 dit F(n)=∏d∣nG(d)F(n) = \prod_{d\mid n}G(d). L’argument de Möbius de la question 21, écrit multiplicativement (les exposants s’ajoutent exactement comme les sommes), donne G(n)=∏d∣nF(d)μ(n/d)G(n) = \prod_{d \mid n}F(d)^{\mu(n/d)}. Pour q=2q = 2, n=2n = 2 : G(2)=X4−XX2−X=X(X3−1)X(X−1)=X2+X+1G(2) = \frac{X^4 - X}{X^2 - X} = \frac{X(X^3 - 1)}{X(X - 1)} = X^2 + X + 1, l’unique irréductible quadratique sur F2\mathbb F_2, comme il se doit.

24. ω2=i\omega^2 = \iu et ω−2=−i\omega^{-2} = -\iu, donc g2=ω2+2+ω−2=2g^2 = \omega^2 + 2 + \omega^{-2} = 2. Rêve du débutant dans l’anneau commutatif Z[ω]/qZ[ω]\Z[\omega]/q\Z[\omega] : gq=(ω+ω−1)q≡ωq+ω−qg^q = (\omega + \omega^{-1})^q \equiv \omega^q + \omega^{-q}. La valeur de ωq+ω−q\omega^q + \omega^{-q} ne dépend que de q mod 8q \bmod 8 : pour q≡±1q \equiv \pm1, ωq+ω−q=ω±1+ω∓1=g\omega^q + \omega^{-q} = \omega^{\pm1} + \omega^{\mp1} = g ; pour q≡±3q \equiv \pm3, en utilisant ω4=−1\omega^4 = -1, ω3=−ω−1\omega^{3} = -\omega^{-1} et ω−3=−ω\omega^{-3} = -\omega, donc ωq+ω−q=−g\omega^q + \omega^{-q} = -g. D’autre part gq=g (g2)(q−1)/2=g 2(q−1)/2≡(2q)g(modqZ[ω])g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,2^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac2q\bigr) g \pmod{q\Z[\omega]} par le critère d’Euler mod qq. En comparant et multipliant par gg : 2(2q)≡±2(modqZ[ω])2\bigl(\frac2q\bigr) \equiv \pm2 \pmod{q\Z[\omega]} ; si les signes différaient, qq diviserait 44 dans Z[ω]\Z[\omega], donc dans Z\Z (qZ[ω]∩Z=qZq\Z[\omega] \cap \Z = q\Z : coordonnées sur la base 1,ω,ω2,ω31, \omega, \omega^2, \omega^3), impossible pour qq impair. Donc (2q)=+1\bigl(\frac2q\bigr) = +1 ssi q≡±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8. Contrôle de parité : q=8k±1q = 8k \pm 1 donne (q2−1)/8=2k(4k±1)(q^2 - 1)/8 = 2k(4k \pm 1), pair ; q=8k±3q = 8k \pm 3 donne (q2−1)/8=8k2±6k+1(q^2 - 1)/8 = 8k^2 \pm 6k + 1, impair : la formule (−1)(q2−1)/8(-1)^{(q^2-1)/8} encode le scindage. Numériquement : 32=9≡2(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7 (7≡−17 \equiv -1), 62=36≡2(mod17)6^2 = 36 \equiv 2 \pmod{17} (17≡117 \equiv 1) ; les carrés mod 33 sont {0,1}\{0, 1\} et mod 55 sont {0,1,4}\{0, 1, 4\}, aucun ne contenant 22 (3≡33 \equiv 3, 5≡−3(mod8)5 \equiv -3 \pmod 8).

25. Tout monique f∈Fq[X]f \in \mathbb F_q[X] se factorise uniquement en ∏ππeπ\prod_\pi\pi^{e_\pi} sur les irréductibles moniques : en triant par degré,

∑f moniquetdeg⁡f=∏π ∑e≥0tedeg⁡π=∏π(1−tdeg⁡π)−1=∏n≥1(1−tn)−Nq(n),\sum_{f \text{ monique}}t^{\deg f} = \prod_\pi\ \sum_{e \geq 0}t^{e\deg\pi} = \prod_\pi\bigl(1 - t^{\deg\pi}\bigr)^{-1} = \prod_{n \geq 1}\bigl(1 - t^n\bigr)^{-N_q(n)},

tous les produits tt-adiquement légitimes (seuls les degrés ≤m\leq m touchent le coefficient de tmt^m, et il y a finement d’irréductibles de chaque degré). Le premier membre est ∑mqmtm=(1−qt)−1\sum_m q^mt^m = (1 - qt)^{-1} : l’identité. Logarithmes : −log⁡(1−qt)=∑mqmmtm-\log(1 - qt) = \sum_m\frac{q^m}mt^m, tandis que ∑nNq(n)(−log⁡(1−tn))=∑nNq(n)∑ktnkk\sum_nN_q(n)\bigl(-\log(1 - t^n)\bigr) = \sum_nN_q(n)\sum_k\frac{t^{nk}}k ; le coefficient de tmt^m donne qmm=∑dk=mNq(d)k=1m∑d∣md Nq(d)\frac{q^m}m = \sum_{dk = m} \frac{N_q(d)}k = \frac1m\sum_{d \mid m}d\,N_q(d), i.e. qm=∑d∣md Nq(d)q^m = \sum_{d\mid m}d\,N_q(d). Contrôle à la main, q=2q = 2, coefficient de t2t^2 : N2(1)=2N_2(1) = 2, N2(2)=1N_2(2) = 1, et (1−t)−2(1−t2)−1=(1+2t+3t2+… )(1+t2+… )(1 - t)^{-2}(1 - t^2)^{-1} = (1 + 2t + 3t^2 + \dots)(1 + t^2 + \dots) a pour coefficient de t2t^2 3+1=4=223 + 1 = 4 = 2^2. Enfin, la formule de la question 21 avec les diviseurs 1,2,3,61, 2, 3, 6 :

N2(6)=16(26−23−22+2)=546=9,N_2(6) = \tfrac16\bigl(2^6 - 2^3 - 2^2 + 2\bigr) = \tfrac{54}6 = 9,

et en effet 1⋅2+2⋅1+3⋅2+6⋅9=2+2+6+54=64=261\cdot2 + 2\cdot1 + 3\cdot2 + 6\cdot9 = 2 + 2 + 6 + 54 = 64 = 2^6.

Termes définis dans ce chapitre

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