développement 10 forme faible du théor`eme de dirichlet

D´
EVELOPPEMENT 10
FORME FAIBLE DU TH´
EOR`
EME DE DIRICHLET
Lemme. — Si f, g Q[X]sont unitaires et v´erifient fg Z[X]alors f, g Z[X]
D´emonstration. Soit a > 0 le plus petit entier tel que af Z[X], on pose af =f1; soit b > 0 le plus
petit entier tel que bg Z[X], on pose bg =g1. Supposons que ab > 1 et soit pun diviseur premier de
ab, on consid`ere alors le morphisme πP:Z[X](Z/pZ)[X]. On a f1g1=abfg Z[X] d’o`u
πP(f1)πP(g1) = πP(f1g1) = πP(ab)πP(fg) = 0
et il en r´esulte (puisque (Z/pZ)[X] est int`egre) que πP(f1) = 0 ou πP(g1) = 0, par exemple πP(f1) = 0.
On peut alors ´ecrire f1=pf2o`u f2Z[X]. Comme fest unitaire et puisque f1=af,aest le coefficient
dominant de f1, donc pdivise aet on ´ecrit a=pa0. Il vient donc pa0f=f1=pf2i.e. a0f=f2Z[X],
ce qui est impossible puisque a0< a. Donc ab = 1 i.e. a=b= 1.
Th´eor`eme. — Pour tout entier n1, il existe une infinit´e de premiers congrus `a 1modulo n.
D´emonstration. On consid`ere le k`e polynˆome cyclotomique
Φk=Y
ζU
k
(Xζ) = Y
1`k
k`=1 Xe2i`π
n,
puisque la r´eunion Un=[
d|n
U
dest disjointe, il vient
Xn1 = Y
ζUn
(Xζ) = Y
ζSd|nU
d
(Xζ) = Y
d|nY
ζU
d
(Xζ) = Y
d|n
Φd= ΦnY
d|n
dn1
Φd.
On a Φ1=X1Q[X], supposons que Φn0Q[X] pour tout n0< n. Puisque Xn1Q[X] et
Y
d|n
dn1
ΦdQ[X], on peut ´ecrire Xn1 = QY
d|n
dn1
Φd+Ravec Q, R Q[X] et deg R < deg Y
d|n
dn1
Φd. Il
vient donc
nQ)Y
d|n
dn1
Φd=R.
Puisque deg R < deg Y
d|n
dn1
Φd, il s’ensuit que ΦnQ= 0 d’o`u ΦnQ[X]. Enfin, on a ΦnZ[X]
d’apr`es le lemme, puisque ΦnY
d|n
dn1
Φd=Xn1Z[X].
28 Forme faible du th´
eor`
eme de Dirichlet
Soit pun nombre premier et aZtels que pdivise Φn(a) mais ne divise aucun Φd(a) pour tout diviseur
dde n. Comme pdivise Φn(a), pdivise aussi an1 donc l’ordre de la classe ade adans U(Z/pZ) divise
n. Si ddivise nstrictement alors
ad1 = Y
d0|d
Φd0(a)
dans Z/pZ. Mais si d0divise do`u dest un diviseur de nalors d0divise net par hypoth`ese, on a donc
Φd0(a)6= 0. Comme Z/pZest un corps, il s’ensuit que le produit des Φd0(a) est non nul i.e. ad6= 1.
Ainsi, on a an= 1 et ad6= 1 pour tout diviseur dde ndonc l’ordre de adans U(Z/pZ) est exactement
n. D’autre part, cet ordre divise l’ordre du groupe i.e. ndivise p1 et le nombre premier pest donc de
la forme kn + 1 avec kentier.
Supposons maintenant qu’il n’existe qu’un nombre fini de premiers congrus `a 1 modulo n, on les note
p1, . . . , pq. On pose N=np1··· , pq, d’apr`es ce qui pr´ec`ede, il suffit de trouver un nombre premier pet
un entier atel que pdivise ΦN(a) mais ne divise aucun Φd(a) pour tout diviseur dde N. On pose
B=Y
d|N
d<N
Φ(d),
i.e. il s’agit de trouver ppremier et aZtels que pdivise ΦN(a) mais ne divise pas B(a). Les polynˆomes
Bet ΦNsont tous deux `a coefficients dans Qet n’ont aucune racine commune dans C(o`u ils sont scind´es)
donc Bet ΦNsont premiers entre eux dans Qet, d’apr`es le th´eor`eme de B´ezout, on a U B +VΦN= 1
avec U, V Q[X]. Il existe alors un entier aZtel que U0=aU et V0=aV soient `a coefficients entiers ;
puisque ΦNn’est pas constant, on peut choisir aZtel que |ΦN(a)| ≥ 2. Soit pun diviseur premier
de ΦN(a) alors pdivise aN1 (puisque ΦNdivise XN1) i.e. aN= 1 dans Z/pZ; en particulier
aest inversible dans Z/pZce qui signifie que aet psont premiers entre eux. Ainsi, pne divise pas
a=U0(a)B(a) + V0(aN(a) et comme pdivise ΦN(a), pne divise pas B(a) et pest donc congru `a 1
modulo N. Donc pest congru `a 1 modulo net est distinct de p1, . . . , pq.
Le¸cons concern´ees
09 Congruences dans Z, anneau Z/nZ. Applications
10 Nombres premiers.Applications
15 Groupe des nombres complexes de module 1. Applications
R´ef´erences
S. Francinou et H. Gianella, Exercices d’alg`ebre 1, Masson, 1993.
S. Francinou, H. Gianella et S. Nicolas, Oraux X-ENS, alg`ebre 1, Cassini, 2001.
S´ebastien Pellerin
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