Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/General algebraUnreviewedEdited since review

Réconciliation de Legendre et de Jacobi

by FiniteField·
51
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit pp un nombre premier impair et s∈N∗.s\in\mathbb{N}^{*}. Soit KK un corps fini de cardinal psp^{s} (il admet alors Fp\mathbb{F}_{p} comme corps premier). Soit x∈Fp.x\in \mathbb{F}_{{p}}. Montrer que
x est un carreˊ dans K  ⟺  x est un carreˊ dans Fp ou s est pair.x\text{ est un carré dans }K\iff x \text{ est un carré dans }\mathbb{F}_{p}\text{ ou }s\text{ est pair}.

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Solution by FiniteField

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Si x=0x=0 c’est clair. Sinon, on pose q=psq=p^{s} et (xq)=xq−12\left(\dfrac{x}{q}\right)=x^{\frac{q-1}{2}} qui vaut 11 si xx est un carré non nul dans KK et −1-1 sinon et (xp)=xp−12\left(\dfrac{x}{p}\right)=x^{\frac{p-1}{2}} qui vaut 11 si xx est un carré non nul dans Fp\mathbb{F}_{p} et −1-1 sinon. On a la factorisation q−1=(p−1)(ps−1+⋯+1)q-1=(p-1)(p^{s-1}+\cdots+1) si bien que
xq−12=(xp−12)ps−1+⋯+1.x^{\frac{q-1}{2}}=\left(x^{\frac{p-1}{2}}\right)^{p^{s-1}+\cdots+1}.L’entier pp étant impair ps−1+⋯+1p^{s-1}+\cdots+1 est la somme de ss entiers impair et possède donc la même parité que s.s. On en déduit que
⇒\boxed{\Rightarrow} Si xx est un carré dans KK mais pas dans Fp\mathbb{F}_{p} alors 1=xq−12=(−1)ps−1+⋯+11=x^{\frac{q-1}{2}}=(-1)^{p^{s-1}+\cdots+1} donc ss est pair.
⇐\boxed{\Leftarrow}

  • Si xx est un carré dans Fp\mathbb{F}_{p} alors ∃y∈Fp\exists y\in\mathbb{F}_{p} tel que x=y2x=y^{2} (relation vraie dans KK) donc xx est un carré dans KK.
  • Si ss est pair alors xq−12=(±1)ps−1+⋯+1=1x^{\frac{q-1}{2}}=(\pm 1)^{p^{s-1}+\cdots+1}=1 donc xx est un carré dans K.K.

Remarquons une autre preuve très jolie dans le cas où xx n’est pas un carré dans Fp\mathbb{F}_{p} et que ss est pair. Dans ce cas, on pose le corps de rupture L=Fp[X]/<X2−x>L=\mathbb{F}_{p}[X]/\left<X^{2}-x\right> de x∈Fpx\in\mathbb{F}_{p} qui est une extension de degré 22 de Fp\mathbb{F}_{p} (car X2−xX^{2}-x est irréductible dans Fp[X]\mathbb{F}_{p}[X] par hypothèse). On considère alors K′K' une extension de LL de degré s2\dfrac{s}{2}. Le corps K′K' est un corps fini de cardinal (p2)s2=ps(p^{2})^{\frac{s}{2}}=p^{s}. Mais, par unicité des corps finis, (à isomorphisme près) K′≃K.K'\simeq K. On en déduit que xx étant un carré dans K′K' c’est aussi un carré dans K.K.

Explication du titre du problème
Le fait que ps−1+⋯+1p^{s-1}+\cdots+1 ait la même parité que ss entraîne la relation
(xps)=(xp)s.\left(\dfrac{x}{p^{s}}\right)=\left(\dfrac{x}{p}\right)^{s}.On peut interprêter ce résultat comme le fait que le symbole de Jacobi (ou de Kronecker) et le symbole de Legendre (généralisé) coïncident lorsque cela a un sens de les comparer. Ces deux symboles étant notés de la même manière cela n’engendre pas de conflit de notation (ouf) !

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