Cours 2005

Sujets d’Arithm´etique
Vadim Schechtman
Table de mati`eres
Introduction 3
§1. Corps finis 4
§2. R´eciprocit´e quadratique 11
§3. Nombres alg´ebriques 21
§4. Ramification 29
§5. Corps cyclotomiques 40
§6. Th´eor`eme de Kummer 47
§7. Descente de Fermat 52
§8. Th´eor`eme de Jacobi 58
§9. Fonctions elliptiques 70
§10. Lemniscate 79
Bibliographie 90
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Zeittafel
Pierre de FERMAT (1601 - 1665)
Leonard EULER (1707 - 1783)
Adrien Marie LEGENDRE (1752 - 1833)
Carl Friedrich GAUSS (1777 - 1855)
Niels Henrik ABEL (1802 - 1829)
Carl Gustav Jacob JACOBI (1804 - 1851)
Eduard KUMMER (1810 - 1893)
´
Evariste GALOIS (1811 - 1832)
Pafnuty Lvovich CHEBYSHEV (1821 - 1894)
Gotthold EISENSTEIN (1823 - 1852)
Bernhard RIEMANN (1826 - 1866)
David HILBERT (1862 - 1943)

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Introduction
Dans ces notes on presente quelques notions et th´eor`emes classiques de la Th´eorie
de Nombres du XIX-i`eme siecle.
Voici les r´esultats principaux: loi de r´eciprocit´e quadratique (§2). Nous en don-
nons deux d´emonstrations: une `a l’aide de sommes de Gauss, l’autre d’Eisenstein,
uitlisant les sinus.
Finitude du groupe de classes d’un corps de nombres alg´ebriques (d´emonstration
de Hurwitz); d´ecomposition unique d’un id´eal en un produit d’id´eaux premiers (§4).
Th´eor`eme de Fermat pour les exposants n= 3 et n= 4 (§7) et pour ppremier
regulier (§6.).
Th´eor`eme de Jacobi (le nombre de representations d’un nombre comme une
somme de quatre carr´es, 8.22).
Propri´et´es fondamentales des fonctions elliptiques (d’apr`es Abel et Eisenstein,
§9.)
”Teorema elegantissima” de Gauss, 8.12. Nous en donnons deux d´emonstrations:
une, qui utilise les sommes de Jacobi dans §8, et l’autre, due `a Eisenstein, au moyen
de la division de lemniscate (§10).
Toulouse, juin 2005

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§1. Corps finis
1.1. Th´eor`eme de Bezout. Deux nombres entiers a, b sont premiers l’un `a l’autre
si et seulement si il existent des nombres entiers c, d tels que ac +bd = 1.
1.2. Th´eor`eme. Soit p∈Zun nombre premier. Alors Fp:= Z/pZest un corps.
Preuve: exercice. Utiliser soit le th´eor`eme de Bezout, soit le lemme suivant.
1.3. Lemme. Un anneau commutatif fini est un corps ssi il est int`egre (c’est-´a-
dire, ne contient pas de diviseurs de z´ero).
(a) Racines primitives
1.4. Consid´erons le groupe multiplicatif F∗
p. Celui-ci est un groupe ab´elien
d’ordre p−1, d’o`u ap−1= 1 pour chaque a∈F∗
p.
En d’autres termes, pour chaque b∈Zpremier `a p, on a bp−1≡1(p) (le ”petit”
th´eor`eme de Fermat).
Exemples d’applications.
1.4.1. Exercice. (a) Montrer que si 2n−1 est premier alors nest premier.
(b) Si un premier pdivise 237 −1 alors pest de la forme 74k+ 1.
En effet, on cherche un premier ptel que 237 ≡1(p). D’abord pest impair. D’un
autre cˆot´e, 2p−1≡1(p), d’o`u 37|(p−1). Comme 2|(p−1), on a 74|(p−1), donc p
est de la forme 74k+ 1.
(c) Donner des exemples de nombres premiers de la forme 74k+ 1.
(p= 149,223)
(d) Montrer que 223 |237 −1. Donc, 237 −1 n’est pas premier.
En effet, on calcule: 28≡33 (mod 223); 216 ≡ −26 (mod 223); 232 ≡
7 (mod 223), d’o`u 237 ≡7·32 = 224 ≡1 (mod 223).
1.4.2. Exercice. Nombres premiers de Fermat. (a) Montrer que si 2m+ 1 est
premier alors m= 2n.
(b) D´esignons pn= 22n+ 1. Montrer que pnest premier pour n= 1,2,3,4.
(c) (Euler) Montrer que si un premier pdivise p5alors p= 64k+ 1.
(d) (Euler) Montrer que 641 |p5, donc p5n’est pas premier.
1.5. Consid´erons le groupe F∗
5. On a Card(F∗ 5), donc a priori ce groupe peut
ˆetre isomorphe `a Z/4Zou `a Z/2Z×Z/2Z.
Essayons le nombre 2: les restes 2amodulo 5 pour a= 1,2,3,4 sont 2,4,3,1,
donc F∗
5est cyclique, avec un g´en´erateur ¯
2 = 2 mod(5).
Cela est un ph´enom`ene g´en´eral.

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1.6. Th´eor`eme (Euler) Soient Fun corps, A⊂F∗un sous-groupe fini. Alors A
est cyclique.
1.6.1. Lemme. Soient Aun groupe ab´elien, x, y ∈Ades ´el´ements d’ordres a, b,
tels que (a, b) = 1. Alors xy a l’ordre ab.
En effet, si B(resp. C) est un sous-groupe engendr´e par x(resp. y) alors l’ordre
de B∩Cdivise l’ordres de Bet de C, donc B∩C={1}. Si (xy)c= 1 alors
xc, yc∈B∩Cdonc xc=yc= 1, donc a|cet b|c. Il en suit que (ab)|c, d’o`u
l’assertion.
1.6.2. Lemme. Soient Aun groupe ab´elien, x, y ∈Ades ´el´ements d’ordres a, b.
Alors il existe un z∈Ad’ordre c:= ppcm(a, b).
En effet, on peut trouver des d´ecompositions a=a′a′′,b=b′b′′ avec (a′, b′) = 1
et c=a′b′(v´erifier!). Alors xa′′ (resp. yb′′ est de l’ordre a′(resp. b′), donc par le
lemme pr´ec´edent z=xa′′ yb′′ est de l’ordre c.
1.6.3. Corollaire. Soit Aun ab´elien groupe fini, dle maximal des ordres
d’´el´ements de A. Alors l’ordre de chaque ´el´ement de Adivise d, donc xd= 1
pour chaque x∈C.
Revenons `a notre th´eor`eme. Soit dle maximal des ordres d’´el´ements de A.
D’apr`es le corollaire pr´ec´edent, xd= 1 pour chaque x∈A. D’autre part, l’´equation
td−1 = 0 ne peut pas avoir plus que dracines dans F, d’o`u d= Card(A), donc A
est cyclique.
(b)
1.7. Th´eor`eme (Fermat) Soit Fun corps de caract´eristique p > 0.
Alors (x+y)p=xp+yppour tous x, y ∈F.
En effet,
(x+y)p=
p
X
i=0 i
pxiyp−i
Mais
i
p≡0(p)
pour 1 ≤i≤p(v´erifier!), d’o`u l’assertion.
Il en suit que l’application σ:F−→ F,σ(x) = xpest un morphisme de corps,
necessairement injectif; de mˆeme pour ses it´er´es σf,σf(x) = xpf, f ≥1.
Le sous-corps fix´e F0={x∈F|σ(x) = x} ⊂ Fcontient Fppar le petit Fermat.
Puisque l’´equation tp−t= 0 ne peut avoir plus que pracines dans F, il en suit que
F0=Fp.
1.8. Soit Fun corps fini. Sa caract´eristique est necessairement un nombre
premier p; on a Fp⊂F. Si le degr´e [F:Fp] est ´egale `a f, alors Fest un espace
vectoriel sur Fpde dimension f, donc Card(F) = pf.