d) Montrer que l’application σ:K→Kdéfinie par σ(a+b√d) = a−b√dest un automorphisme de corps
tels que σ(x) = xsi et seulement si x∈Q. Montrer que si x∈A, alors σ(x)∈Aet que xet σ(x)vérifient
la même relation intégrale sur Z.
e) Montrer que T(x) = x+σ(x)(trace de x) et N(x) = xσ(x)(norme de x) sont dans Q.
En déduire que si x∈A, alors T(x)et N(x)sont dans Zpuis expliciter une relation intégrale de xsur Z
à l’aide de la trace et de la norme de x.
f) Déduire de ce qui précède que l’élément x=a+b√dde Kest dans Asi et seulement si 2a∈Zet
a2−db2∈Z.
g) On suppose maintenant les conditions 2a∈Zet a2−db2∈Zvérifiée. Montrer qu’alors 2b∈Z. On peut
donc poser a=u
2et b=v
2avec uet vdans Z. Les conditions précédentes se résument en u2−db2∈4Z.
h) Montrer que vet uont la même parité et que s’ils sont impairs, alors d≡1 (mod 4).
i) Conclure que si d≡1 (mod 4), alors A=Z[1+√d
2]et A=Z[√d]sinon.
Solution. a) Il est clair que somme et produit d’éléments de Ksont encore dans K. Par ailleurs, l’inverse
de l’élément a+b√dnon nul est a−b√d
a2−db2qui existe toujours car le dénominateur ne peut s’annuler. En
effet, si best nul alors aaussi ce qui contredit le fait que a+b√dest non nul. Si best non nul, on aurait
d=a2
b2serait un carré ce qui est impossible.
b) On sait que si xet ysont dans A, alors x+y,x−yet xy sont encore dans K(car c’est un corps) et sont
encore des entiers algébriques (cf. le cours). Ils sont donc encore dans A.
c) Comme les éléments de Zsont des entiers algébriques et que l’ensembles des entiers algébriques est un
anneau, il suffit de montrer que √dest un entier algébrique ce qui est clair puisqu’il est racine du polynôme
X2−d.
d) Il faut montrer que σpréserve l’addition et la multiplication. Prenons x=a+b√det y=a0+b0√d.
On a alors x+y= (a+a0)+(b+b0)√det xy = (aa0+dbb0)+(ab0+a0b)√d. On calcule σ(x+y) =
(a+a0)−(b+b0)√d=σ(x) + σ(y)et σ(xy)=(aa0+dbb0)−(ab0+a0b)√d=σ(x)σ(y).
Supposons maintenant que σ(x) = xc’est-à-dire que l’on a a+b√d=a−b√det donc 2b√d= 0 ce qui
impose b= 0 et x∈Q. Réciproquement il est clair que si x∈Q, alors σ(x) = x.
Supposons que xsoit dans A. Il est donc racine d’un polynôme unitaire à coefficients entiers P=Xn+
a1Xn−1+···+an(pour tout i, on a ai∈Z) c’est-à-dire qu’on a xn+a1xn−1+···+an= 0. On applique
σà cette égalité et on obtient σ(x)n+σ(a1)σ(x)n−1+···+σ(an)=0mais comme les aisont dans Z⊂Q,
on a σ(ai) = aidonc σ(x)n+a1σ(x)n−1+··· +an= 0 et xet σ(x)vérifient la même relation.
e) Si x=a+b√dalors T(x)=2a∈Qet N(x) = a2−db2∈Q. Si xest dans A, alors σ(x)l’est aussi (cf.
question précédente) et T(x)et N(x)sont aussi dans Acar c’est un anneau. Mais alors T(x)et N(x)sont
dans Qet entiers sur Z. D’après l’exercice ??, ils doivent être dans Z. Par ailleurs, il est bien clair que
l’on a la relation
(X−x)(X−σ(x)) = X2−T(x)X+N(x)
qui est un polynôme à coefficients entiers dont les racines sont exactement xet σ(x).
f) On vient de voir que si xest dans A, alors T(x)et N(x)sont dans Zc’est-à-dire 2a∈Zet a2−db2∈Z.
Réciproquement si T(x)et N(x)sont dans Z, le polynôme ci-dessus donne une relation intégrale pour x
et x∈A.
g) On a a2−db2∈Zdonc en multipliant par 4, on a (2a)2−d(2b)2∈Zce qui impose puisque 2a∈Zque
d(2b)2∈Z. Supposons que 2bn’est pas entier, il s’écrit r
savec ret spremiers entre eux et s > 0. Soit p
un facteur premier de s, alors on a d(2b)2=N∈Zdonc dr2=s2et en paticulier p2divise dcar ret s
sont premiers entre eux. C’est impossible car dest sans facteur carré. On a donc 2b∈Z.
On peut donc poser a=u
2et b=v
2avec uet vdans Z. Les conditions précédentes se résument en
u2−db2∈4Z.
h) Supposons que uest pair, alors u2≡0 (mod 4) donc dv2≡0 (mod 4) et comme dn’a pas de facteur
carré, on a d≡ ±1 (mod 4) ou d≡2 (mod 4). Ceci impose que v2≡2 (mod 4) donc 2 divise v2et donc
vest pair.
Supposons maintenant uimpair, on a alors nécessairement u2≡1 (mod 4) donc dv2≡1 (mod 4) et vne
peut être pair (sinon v2≡0 (mod 4)). Mais alors si vest impairs, on a v2≡1 (mod 4) ce qui impose dans
ce cas d≡1 (mod 4).
i) Réciproquement si uet vsont pair ou s’ils sont tous les deux impairs et que d≡1 (mod 4), on a toujours
u2−dv2∈4Z. Ainsi l’élément
x=a+b√d=u
2+v
2√d
4