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1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
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Soit p un nombre premier impair, s∈N∗ et q=ps tel que q≡−1mod4. On définit l’ensemble des carrés non nuls par Sq={x2∣x∈Fq∖{0}}. Soit a∈Fq∖{0}, on dit que x∈Fq est un a-miroir si (x,x−a,x+a)∈Sq3. Déterminer le nombre de a-miroirs de Fq.
Il s'agit d'une partie d'un devoir maison que je donnais à mes étudiants en M2 cryptographie dans le cadre d'un cours sur les courbes elliptiques. Vous retrouverez l'énoncé complet du DM (plus complet) ici :
https://fabiennarbonne.fr/wp-content/uploads/2025/05/dm-ce.pdf
On note m(a) le nombre de a-miroirs. On va calculer de différentes manières la somme Σ=x∈Fq∑((qx)+1)((qx+a)+1)((qx−a)+1)Où (qy) désigne le symbole de Legendre, c’est à dire (qy):=y2q−1=1 si y∈Sq,(qy)=−1 si y∈/Sq et y=0 et (q0)=0. L’hypothèse q≡−1mod4 est équivalente au fait que −1 n’est pas un carré dans Fq. En effet, 2q−1 est un entier impair donc (q−1)=(−1)2q−1=−1. Premier calcul On remarque que x est un a-miroir si et seulement si ((qx)+1)((qx+a)+1)((qx−a)+1)=8 car chaque symbole de Legendre vaudra alors 1. Au contraire, si x,x−a ou x+a est un non carré alors le produit vaudra 0. Il nous reste à déterminer le cas où l’un des trois est nul. Si x=0 alors −a et a ne peuvent être tous les deux des carrés car alors a−a=−1 serait également un carré ce qui est exclus. Pour x=a et x=−a on aura dans la somme les termes : 4δ2:=((qa)+1)((q2a)+1)+((q−a)+1)((q−2a)+1)=2(q2a2)+2=2((q2)+1)où δ2 vaut 1 si 2 est un carré dans Fq et 0 sinon. On obtient donc Σ=8m(a)+4δ2.Second calcul On développe l’expression de Σ ce qui nous donne Σ=x∈Fq∑1+x∈Fq∑(qx)+x∈Fq∑(qx+a)+x∈Fq∑(qx−a)+x∈Fq∑(qx(x+a))+x∈Fq∑(qx(x−a))+x∈Fq∑(q(x−a)(x+a))+x∈Fq∑(qx(x−a)(x+a))On note ces 8 sommes Σ1,…,Σ8 dans l’ordre de la somme. On a tout d’abord Σ1=q et on remarque que, grâce au changement de variable y=x+a ou y=x−a les sommes Σ2,Σ3 et Σ4 sont toutes les trois égales. On peut calculer simplement Σ1 de deux manières différentes.
Puisque Fq contient 2q−1 carrés non nuls et 2q−1 non carrés, Σ2=2q−1×1+2q−1×(−1)=0.
Grâce au changement de variable y=−x et le fait que (q−1)=−1 on a Σ2=−Σ2=0. Ainsi Σ2=Σ3=Σ4=0. Puisque le premier terme de la somme Σ5 est nul on peut sommer sur les inversibles de Fq et on peut très bien multiplier le terme de la somme par (qx−2)=1 ce qui donne Σ5=x=0∑(q1+ax−1)Mais l’application x↦ax−1 étant une bijection de Fq× l’application x∈Fq×⟼1+ax−1 atteint tous les éléments de Fq sauf 1. On compte donc 2q−1−1 carrés et 2q−1 non carré ce qui donne Σ5=−1. Les sommes Σ6 et Σ7 se calculent de la même manière et valent chacune −1 aussi. Enfin, on fait le changement de variable y=−x dans Σ8 ce qui donne Σ8=y∈Fq∑(q−y(−y+a)(−y−a))=y∈Fq∑(q−y(y−a)(y+a))=−Σ8.Donc Σ8=0. On peut donc conclure en identifiant ces deux calculs m(a)=8q−3−4δ2.