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•En utilisant le point pr´ec´edent et le fait que n≥3, on trouve que
p−1
X
i=1 p
imi
n−1pn(i−1)−1=mi
n−1+p
2m2
n−1pn−1+
p−1
X
i=1 p
imi
n−1pn(i−1)−1
≡mi
n−1(mod p).
Ceci montre que mn≡mi
n−16≡ 0 (mod p), puisque mn−1est premier `a p
par hypoth`ese. En d’autres termes, mnest premier `a pcomme souhait´e.
Ainsi, on a (1+p)pn−1≡1 (mod pn). Par cons´equent, l’ordre de [1+p]pn∈
(Z/pnZ)∗divise pn−1. D’autre part, si kest un entier tel que (1 + p)pk≡1
(mod pn), alors 1 + mkpk+1 ≡1 (mod pn), d’o`u mkpk+1 ≡0 (mod pn).
En d’autres termes, pn|mkpk+1. Comme (p, mk) = 1, cela implique que
pn|pk+1, donc k≥n−1..
On en d´eduit que l’ordre de [1 + p]pn∈(Z/pnZ)∗est ´egal `a n−1.
(2) D´efinissons f:Z/pnZ−→ Z/pZpar f([x]pn) = [x]p. Il s’agit d’un homo-
morphisme de groupes bien d´efini, puisque si x≡y(mod pn), alors x≡y
(mod p). Par le cours, cet homomorphisme induit par restriction un ho-
momorphisme surjectif (Z/pnZ)∗−→ (Z/pZ)∗, que nous noterons aussi f.
Son noyau contient [1 + p]pn, donc ´egalement le sous-groupe d’ordre pn−1
(par le premier point) engendr´e par cet ´el´ement. Par le premier th´eor`eme
d’isomorphisme,
|ker f|=|(Z/pnZ)∗||
|(Z/pZ)∗|=ϕ(pn)
ϕ(p)=pn−1
o`u la derni`ere ´egalit´e provient de l’exercice 3 de la s´erie 17. Par cons´equent,
ker f=h[1 + p]pnipuisqu’une inclusion d’ensembles finis de mˆeme cardi-
nalit´e est une ´egalit´e.
(3) Suivant l’´enonc´e, nous admettons que (Z/pZ)∗est cyclique. Par cons´equent,
ce groupe poss`ede un ´el´ement xd’ordre |(Z/pZ)∗|=ϕ(p) = p−1. Comme
fest surjective, soit y∈(Z/pnZ)∗tel que f(y) = x. Par l’exercice 1 de la
s´erie 4, p−1 divise l’ordre de y. Soit run entier tel que ord(y) = r(p−1).
L’´el´ement yra alors ordre p−1.
(4) Par d´efinition, l’ordre de (Z/pnZ)∗est ´egal `a ϕ(pn). Afin d’obtenir l’iso-
morphisme souhait´e, il suffit par le cours de montrer que (Z/pnZ)∗est cy-
clique. Pour cela, il suffit, `a nouveau par le cours, de montrer que (Z/pnZ)∗
poss`ede un ´el´ement d’ordre ´egal `a sa cardinalit´e ϕ(pn).