Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Module des sommes de Gauss

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On pose z=∑k=0n−1exp⁡(2iπk2n)z=\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1} \exp\left(2i\pi \frac{k^2}{n}\right). On va calculer son module au carré via la formule zz‾=∣z∣2.z\overline{z}=\left|z\right|^2. On a
∣z∣2=(∑k=0n−1exp⁡(2iπk2n))(∑ℓ=0n−1exp⁡(2iπℓ2n))=∑0⩽k,ℓ⩽n−1e2iπn(k2−ℓ2)=∑0⩽k,ℓ⩽n−1e2iπn(k−ℓ)(k+ℓ)\left|z\right|^2 =\left(\sum_{k=0}^{n-1} \exp\left(2i\pi \frac{k^2}{n}\right)\right) \left(\sum_{\ell=0}^{n-1} \exp\left(2i\pi \frac{\ell^2}{n}\right)\right) =\sum_{0\leqslant k,\ell\leqslant n-1}e^{\frac{2i\pi}{n}(k^2-\ell^2)} =\sum_{0\leqslant k,\ell\leqslant n-1}e^{\frac{2i\pi}{n}(k-\ell)(k+\ell)}On va sommer par paquets diagonaux modulaires. C’est-à-dire qu’on va sommer sur m=k+ℓmod  n.m=k+\ell\mod n. Cette fois-ci, pour un mm donné chaque paquet aura nn termes. En effet, kk varie de 00 à n−1n-1 et ℓ=m−kmod  n\ell=m-k\mod n a un unique représentant dans {0,…,n−1}.\left\{0,\dots,n-1\right\}. C’est bien pratique car justement la quantité exp⁡(2iπn(k2−ℓ2))\exp\left(\dfrac{2i\pi}{n}(k^2-\ell^2)\right) ne dépend que du reste modulo nn de kk et de ℓ.\ell. On peut donc poursuivre notre calcul.
∣z∣2=∑0⩽k,ℓ⩽n−1e2iπn(k−ℓ)(k+ℓ)=∑m=0n−1∑k=0n−1e2iπn(2k−m)m=∑m=0n−1e2iπnm2∑k=0n−1(e4iπnm)k\left|z\right|^2 =\sum_{0\leqslant k,\ell\leqslant n-1}e^{\frac{2i\pi}{n}(k-\ell)(k+\ell)} =\sum_{m=0}^{n-1}\sum_{k=0}^{n-1}e^{\frac{2i\pi}{n}(2k-m)m} =\sum_{m=0}^{n-1}e^{\frac{2i\pi}{n}m^2}\sum_{k=0}^{n-1}\left(e^{\frac{4i\pi}{n}m}\right)^kOn se retrouve donc à calculer une somme géométrique mais attention, la formule ∑k=0n−1qk=1−qn1−q\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}q^k=\dfrac{1-q^{n}}{1-q} n’est utilisable que lorsque q≠1.q\neq 1. On a
q=exp⁡(4iπnm)=1⇔∃j∈Z,4πnm=2πj⇔∃j∈Z,m=nj2.q=\exp\left(\dfrac{4i\pi}{n}m\right)=1 \Leftrightarrow\exists j\in\mathbb{Z},\dfrac{4\pi}{n}m=2\pi j \Leftrightarrow \exists j\in\mathbb{Z},m= \dfrac{nj}{2}.Puisque 0⩽m⩽n−10\leqslant m\leqslant n-1 on a nécessairement 0⩽j<20\leqslant j<2 ce qui correspond à m=0m=0 ou m=n2m=\dfrac{n}{2}. Ce dernier cas n’intervient que lorsque nn est pair. Quoiqu’il arrive lorsque q=1q=1 on a ∑k=0n−1qk=n\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}q^k=n, sinon ∑k=0n−1qk=1−qn1−q=1−exp⁡(4iπn)n1−q=0.\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}q^k=\dfrac{1-q^n}{1-q}=\dfrac{1-\exp\left({\dfrac{4i\pi}{n}}\right)^n}{1-q}=0. On distingue alors les deux cas :
Si nn impair. Dans ce cas seul le terme correspondant à m=0m=0 est non nul. On a alors ∣z∣2=exp⁡(2iπn02)×n=n\left|z\right|^2=\exp\left(\dfrac{2i\pi}{n}0^2\right)\times n=n donc ∣z∣=n.\left|z\right|=\sqrt{n}.
Si nn pair. Dans ce cas la somme comportera les termes m=0m=0 et m=n2m=\dfrac{n}{2} ce qui donne
∣z∣2=exp⁡(2iπn02)×n+exp⁡(2iπn(n2)2)×n=n(1+(eiπ2)n)=n(1+i)n.\left|z\right|^2 =\exp\left(\dfrac{2i\pi}{n}0^2\right)\times n +\exp\left(\dfrac{2i\pi}{n}\left(\dfrac{n}{2}\right)^2\right)\times n =n(1+(e^{i\frac{\pi}{2}})^n)=n(1+i)^n.Remarquons qu’il s’agit bien d’un réel positif car nn est pair. On peut même distinguer les cas où n≡2mod  4n\equiv 2\mod 4 auquel cas in=−1i^n=-1 et si n≡0mod  4n\equiv 0\mod 4 où in=1i^n=1.
On peut alors résumer
∣∑k=0n−1exp⁡(2iπk2n)∣={n si n impair0 si n≡2mod  42n si n≡0mod  4.\left|\sum_{k=0}^{n-1} \exp\left(2i\pi \frac{k^2}{n}\right)\right| =\begin{cases} \sqrt{n}&\text{ si }n\text{ impair}\\ 0&\text{ si }n\equiv 2\mod 4\\ \sqrt{2n}&\text{ si }n\equiv 0\mod 4. \end{cases}

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  1. · FiniteField

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