Sandrine CARUSO
Polynômes irréductibles de Fq.
Référence : Francinou-Gianella, Exercices pour l’agrégation, algèbre 1
Proposition. Soit Fqun corps fini de cardinal q. Pour tout nN, il existe un polynôme
irréductible sur Fqde degré n. Le nombre de tel polynômes est équivalent à qn
nlorsque
n→ ∞.
On note A(n, q)l’ensemble des polynômes irréductibles de degré nsur Fq, et I(n, q) =
Card A(n, q).
Soit dun diviseur de net Pun polynôme irréductible de degré d. Montrons que P
divise XqnX. Soit K=Fq[X]/(P)un corps de rupture de P, et notons xla classe
de Xdans K. Comme [K:P] = deg P=d,Kest isomorphe à Fqdet donc xqd=x.
Par récurrence, on déduit du fait que ddivise nque xqn=x. Donc Pdivise XqnX.
Inversement, montrons que si Pest un diviseur irréductible de XqnX, alors le
degré dde Pdivise n. Le polynôme XqnXest scindé sur Fqn, notons xune racine
de Pdans Fqn, et K=Fq(x). Le corps Kest un corps intermédiaire entre Fqet Fqn, et
[Fqn:Fq] = [Fqn:K][K:Fq]. Comme [Fqn:Fq] = net [K:Fq] = d, on en déduit
que ddivise n.
Ainsi,
XqnX=Y
d|nY
PA(d,q)
P
et en prenant le degré de ce polynôme, on obtient
qn=X
d|n
dI(d, q).
La formule d’inversion de Möbius donne alors
nI(n, q) = X
d|n
µn
dqd.
Notons
rn=X
d|n
d<n
µn
dqd
de sorte que nI(n, q) = qn+rn. On a la majoration
|rn|6
bn
2c
X
d=1
qd=qqbn
2c1
q1.
D’une part, |rn|< qn, donc I(n, q)>0, d’autre part, |rn|=O(qbn
2c) = o(qn)donc
I(n, q)qn
n.
1
Lemme (Fonction de Möbius).Rappelons que la fonction de Möbius µ=N
{0,1,1}est définie par µ(n) = 0 si na un facteur carré, et µ(p1· · · pr) = (1)r
si p1, . . . , prsont des nombres premiers distincts1. Elle vérifie les propriétés suivantes :
(i) µest multiplicative, ie si PGCD(n, m) = 1 alors µ(nm) = µ(n)µ(m),
(ii) pour tout n > 1,Pd|nµ(d) = 0,
(iii) Formule d’inversion de Möbius : si g(n) = Pd|nf(d), alors
f(n) = X
d|n
µ(d)gn
d=X
d|n
µn
dg(d).
Démonstration. (i) Soient n, m Ntels que PGCD(n, m) = 1. Si nou ma un facteur
carré, alors nm aussi et µ(nm) = µ(n)µ(m) = 0. Sinon, on décompose net men
facteurs carrés : n=p1· · · pret m=q1· · · qs. Comme net msont premiers entre eux,
les piet qisont tous distincts, et nm est donc également sans facteurs carrés. On a alors
µ(nm) = (1)r+set µ(n)µ(m) = (1)r(1)s= (1)r+s.
(ii) On décompose nen facteurs premiers : n=pα1
1· · · pαr
r. Alors
X
d|n
µ(d) =
r
X
k=0 X
i1<···<ik
µ(pi1· · · pik) =
r
X
k=0 X
i1<···<ik
(1)k
=
r
X
k=0 r
k(1)k= (1 1)r= 0
car r > 0. Notons que pour n= 1, cette somme est égale à µ(1) = 1.
(iii) On a
X
d|n
µ(d)gn
d=X
d|n
µ(d)X
d0|n
d
f(d0)
=X
dd0|n
µ(d)f(d0) = X
d0|n
f(d0)X
d|n
d0
µ(d) = f(n).
L’autre égalité s’obtient par changement de variable dn
ddans la somme.
1Éventuellement, r= 0 si n= 1.
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