Le groupe F×est cyclique
Th´
eor`
eme (rappel)
Soit Aun anneau int`
egre et soit G⊂A×un sous-groupe fini du groupe A×.
Alors Gest cyclique, c’est-`
a-dire qu’il existe g∈Gtel que G=hgi.
Corollaire (rappel)
Pour tout corps fini Fle groupe multiplicatif F×est cyclique.
Tout g´
en´
erateur du groupe F×est appel´
eracine primitive de F.
Exemple (rappel)
Comme Z/
7est un corps, le groupe Z/×
7est cyclique d’ordre 6. (Le th´
eor`
eme
ne garantit que l’existence d’un g´
en´
erateur, sans en expliciter aucun.)
Par tˆ
atonnement on trouve ord(¯
2) = 3 puis ord(¯
3) = 6, donc Z/×
7=h¯
3i.
Remarque (rappel)
Pour tout corps Fqde cardinal q, le groupe F×
qest cyclique d’ordre n=q−1.
Toute racine primitive ξde Fqd´
efinit alors un isomorphisme de groupes
expξ: (Z/
n,+) ∼
−→ (F×
q,·),k7→ ξk, et son inverse logξ: (F×
q,·)∼
−→ (Z/
n,+).
C’est une situation typique de la cryptographie (Diffie–Hellman, Elgamal).
§1.1 5/32
Sous-corps premier et cardinal d’un corps fini
Proposition
Soit Fun corps fini. Le morphisme canonique ϕ:Z→F,k7→ k·1Fa pour
image un sous-anneau K:= im ϕ. Celui-ci est int `
egre car F⊃Kest int`
egre.
Le noyau ker ϕest un id ´
eal de Z, donc de la forme (p)pour un p∈N.
Comme Fest fini, ϕne peut ˆ
etre injectif, donc p > 0. Par passage au
quotient on obtient un isomorphisme ¯ϕ:Z/p ∼
−→ K. Mais Z/p est int`
egre
si et seulement si pest premier. Ainsi K∼
=Z/p est mˆ
eme un corps.
On appelle Kle sous-corps premier, et pla caract´
eristique du corps F.
Via ¯ϕon identifie Fp=Z/p `
aK, et on ´
ecrit simplement Fp⊂F.
Proposition (rappel)
Soit Kun sous-corps d’un anneau F. Alors l’addition + : F×F→Fet la
multiplication ·:K×F→Ffont de Fun K-espace vectoriel.
Corollaire
Si Fest un corps fini, alors son cardinal est pdo`
upest premier et d≥1.
Ici p= car(F)est le cardinal du sous-corps premier K, et d= dimK(F).
Toute base (u1,...,ud)de Fd´
efinit un isomorphisme Kd∼
−→ Fd’espaces
vectoriels sur Kpar (k1,...,kd)7→ k1u1+· · · +kdud, d’o `
u|F|=|Kd|=pd.
§1.1 6/32
Premier exemple : un corps de cardinal 4
Le polynˆ
ome X2+X+ 1 de degr ´
e2est irr´
eductible sur F2, car sans racine.
(Nous avons vu que c’est le seul polynˆ
ome irr´
eductible de degr´
e2sur F2.)
Le quotient F4:= F2[X]/(X2+X+ 1) est donc un corps de cardinal 4.
Comme F2-base on peut choisir (1, x)o`
ux=¯
Xest l’image de Xdans F4.
Les tables d’addition et de multiplication sont (en abr´
egeant 1 + xpar y) :
+ 0 1 x y
0 0 1 x y
1 1 0 y x
x x y 0 1
y y x 1 0
·0 1 x y
0 0 0 0 0
101x y
x0x y 1
y0y1x
On voit que x2=x+ 1, et ainsi la multiplication peut ˆ
etre reformul´
ee comme
(α+βx)(α0+β0x) = (αα0+ββ0) + (αβ0+βα0+ββ0)x.
Ceci permet d’impl ´
ementer F4comme F2
2avec les op´
erations ci-dessus.
Par contre, il n’est pas ´
evident de partir d’une telle formule «tomb ´
ee du ciel »
pour ´
etablir qu’il s’agit d’un corps. On pr´
ef´
erera la construction Fp[X]/(P).
Exercice
De mani`
ere analogue, expliciter des corps de cardinal 8,9,25,27.
§1.1 7/32
Le polynˆ
ome minimal d’un ´
el´
ement alg´
ebrique
Exercice
Soit Kun corps et I(K[X]un id ´
eal. Si P∈Iest irr´
eductible, alors I= (P).
Solution. Nous savons que I= (Q)pour un Q∈K[X].
Ainsi P∈(Q)veut dire que Q|P, d’o`
uQ∼1ou Q∼P.
Le premier cas I= (1) ´
etant exclu, nous concluons que I= (P).,
Exercice
Soit Kun corps et soit aun ´
el´
ement d’un anneau Acontenant K.
1On a dimK(K[a]) <∞si et seulement s’il existe P∈K[X]∗tel que
P(a) = 0. Dans ce cas on dit que l’´
el´
ement aest alg´
ebrique sur K.
On peut alors choisir Pde degr´
e minimal et unitaire, appel´
epolyn ˆ
ome
minimal de a. Si Aest int`
egre, le polynˆ
ome minimal est irr´
eductible.
2Si aest annul´
e par un polynˆ
ome irr´
eductible P∈K[X]∗,P(a) = 0,
alors le morphisme d’anneaux φ:K[X]→Ad´
efini par φ(X) = a
induit un isomorphisme de corps ¯
φ:K[X]/(P)∼
−→ K[a].
Solution. Les ´
el´
ements 1, a, a2,...,andans Asont lin ´
eairement li´
es sur K,
c’est-`
a-dire c01 + c1a+c2a2+· · · +cnan= 0, si et seulement si le polyn ˆ
ome
P(X) = c0+c1X+c2X2+· · · +cnXns’annule en a. Les cons ´
equences
´
enonc´
ees d´
ecoulent de l’arithm ´
etique des polynˆ
omes sur K(`
a d´
etailler). ,
§1.1 8/32