Or, on calcule
(xw +yz)(xw −yz) = x2w2−y2z2= (N−ny2)w2−y2(q−nw2) = N w2−qy2,
donc qdivise xw +yz ou xw −yz.
Quitte `a changer le signe de w, on peut supposer que qdivise xw −yz. Il existe donc b∈Ztel
que yz −xw =bq. Montrons qu’alors zdivise x+nbw. Puisque zet wsont premiers entre eux,
il suffit de montrer que zdivise (x+nbw)w=yz −bq +nbw2=yz −bz2, ce qui est clair. Il
existe donc a∈Ztel que x+nbw =az.
On d´eduit alors des calculs pr´ec´edents que azw =yz −bz2, donc y=aw +bz. Finalement, on a
construit a, b ∈Ztels que x=za −nwb et y=wa +zb, ce qui est bien la formule souhait´ee (1).
Remarquons au passage que si x, y sont premiers entre eux, alors aet bsont premiers entre eux.
d) i) Posons a0:= a+rp et b0:= b+sp, avec r, s ∈Z. On constate que l’on a toujours p|a02+nb02.
Par cons´equent, on peut supposer que |a|,|b|<p
2, mais aet bpeuvent alors avoir un facteur
commun. Quitte `a diviser alors aet bpar PGCD(a, b) (ce PGCD n’est pas divisible par p),
on obtient que p|a2+nb2,|a|,|b|<p
2et PGCD(a, b) = 1.
Enfin, on a a2+nb2<p
22+ 3 p
22≤p2, ce qui conclut cette question.
ii) On raisonne par l’absurde : supposons la propri´et´e fausse en g´en´eral. Il existe alors un
nombre premier pminimal tel que pdivise un entier Nqui s’´ecrit a2+nb2, mais plui-mˆeme
ne s’´ecrit pas sous la forme x2+ny2. Grˆace `a la question pr´ec´edente, on peut supposer que
a2+nb2=N, avec N=pk,k∈N,|a|,|b|<p
2et N < p2. Soit l6=pun facteur premier de
N. N´ecessairement, l < p, et l|a2+nb2, donc par minimalit´e de p, il existe z, w ∈Zpremiers
entre eux tels que l=z2+nw2. Grˆace `a la question c), il existe c, d ∈Zpremiers entre eux
tels que N
l=c2+nd2. On recommence ainsi pour tous les facteurs premiers de Ndistincts
de p, et on obtient finalement que le quotient de Npar N
pest de la forme souhait´ee. Par
cons´equent, la question c) assure que ps’´ecrit sous la forme x2+ny2, avec x, y ∈Zpremiers
entre eux, ce qui est contradictoire.
D’o`u la conclusion.
e) i) Les questions a) et d) assurent que pest une somme de deux carr´es si et seulement si
−1
p= 1 si et seulement si p≡1 [4].
ii) Les questions a) et d) assurent que pest de cette forme si et seulement si −2
p= 1 si
et seulement si 2
p=−1
psi et seulement si (loi de r´eciprocit´e quadratique) (−1) p−1
2=
(−1)p2−1
8si et seulement si p≡1 [8] ou p≡3 [8]. Finalement, ps’´ecrit sous la forme x2+2y2
si et seulement si p≡1,3 [8].
iii) Les questions a) et d) assurent que pest de cette forme si et seulement si p= 3 ou −3
p= 1
si et seulement si p= 3 ou 3
p=−1
psi et seulement si (en utilisant l’exercice 2) p= 3
ou p≡1 [12] ou p≡7 [12]. Finalement, ps’´ecrit sous la forme x2+ 3y2si et seulement si
p= 3 ou p≡1,7 [12] si et seulement si p= 3 ou p≡1 [3].
Exercice 7 : Une autre preuve de la loi de r´eciprocit´e quadratique.
Soient p, q deux nombres premiers impairs distincts. On d´efinit le groupe Gpar G:= (Z/pZ)∗×
(Z/qZ)∗. On note Ule sous-groupe de Gform´e des deux ´el´ements (1,1) et (−1,−1). Enfin, on d´efinit
Hcomme le quotient H:= G/U. On pose alors π:= Qx∈Hx∈H.
a) Montrer qu’un syst`eme de repr´esentants de Hdans Gest donn´e par les ´el´ements (i, j)∈G, avec
i= 1,2, . . . , p −1etj= 1,2, . . . , q−1
2.
b) En d´eduire que
π=(p−1)!q−1
2,(q−1)!p−1
2(−1)p−1
2
q−1
2mod U .
5