Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Number theoryUnreviewed

Somme de deux carrés

by Zoidberg·
60
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit nNn\in\mathbb{N}^{*}, on cherche une condition nécessaire et suffisante pour savoir si x,yZ\exist x,y\in \mathbb{Z} tel que n=x2+y2n=x^{2}+y^{2}.

  1. Soient x,yZx,y\in \mathbb{Z}, tel que x2+y20x^{2}+y^{2}\neq0 et soit p2p\neq 2 premier tel que vp(x2+y2)v_{p}(x^{2}+y^{2}) soit impaire. Justifier que 1-1 est un carré modulo pp. En déduire que p1[4]p\equiv 1[4].
  2. Soient nn et mm des entiers strictement positifs qui admettent une écriture comme somme de deux carrés. Montrer que nmnm peut être écrit comme somme de deux carrés.
  3. Soit pp premier et soit a≢0[p]a\not\equiv 0[p], montrer qu’il existe un couple x,yZx,y\in\mathbb{Z} avec 0<x,y<p0<|x|,|y|<\sqrt{p} tel que xay[p]x\equiv ay[p].
  4. En déduire que si p1[4]p\equiv 1 [4] alors pp peut être écrit comme somme de deux carrés.
  5. En déduire une condition nécessaire et suffisante pour que nn puisse être écrit comme somme de deux carrés.
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Solutions

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Solution by Zoidberg

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  1. On a px2+y2p|x^{2}+y^{2}, donc x2y2[p]x^{2}\equiv -y^{2}[p]. Si pyp|y alors p2y2p^{2}|y^{2}, et on peut étudier la somme (xp)2+(yp)2(\frac{x}{p})^{2}+(\frac{y}{p})^{2} modulo pp, comme vp(x2+y2)v_{p}(x^{2}+y^{2}) est impaire on a vp((xp)2+(yp)2)=vp(x2+y2)2v_{p}((\frac{x}{p})^{2}+(\frac{y}{p})^{2})=v_{p}(x^{2}+y^{2})-2 impair et donc non nul.
    On peut donc supposer que xx et yy ne sont pas divisibles par pp. Donc 1(xy1)2-1\equiv (xy^{-1})^{2}, donc 1-1 est un carré modulo p. Sachant que p2p\neq2, par le symbole de Legendre 1-1 est un carré modulo p si et seulement si p1[4]p\equiv 1[4].
  2. Si x,y,x,yZ\exist x,y,x',y'\in\mathbb{Z} tels que n=x2+y2n=x^{2}+y^{2} et m=(x)2+(y)2m=(x')^{2}+(y')^{2}, alors n=x+iy2n=||x+iy||^{2} et m=x+iy2m=||x'+iy'||^{2} donc nm=(x+iy)(x+iy)2=(xxyy)2+(xy+yx)2nm=||(x+iy)(x'+iy')||^{2}=(xx'-yy')^{2}+(xy'+yx')^{2} avec xxyyxx'-yy' et xy+yxxy'+yx' entiers.
  3. Il y a (E(p)+1)2(E(\sqrt{p})+1)^{2} couples (x,y)Z2(x,y)\in\mathbb{Z}^{2} avec 0<x,yE(p)+10<x,y\leq E(\sqrt{p})+1, où EE est la fonction partie entière. Comme (E(p)+1)2>p(E(\sqrt{p})+1)^{2}>p, par le lemme des tiroirs, il existe (x,y)(x,y)(x,y)\neq(x',y') tel que xayxay[p]x-ay\equiv x'-ay'[p]. Donc (xx)a(yy)=0(x-x')-a(y-y')=0. Comme a≢0[p]a\not\equiv 0[p] on a (x,y)(x,y)x≢x[p](x,y)\neq(x',y')\Rightarrow x\not\equiv x'[p] et y≢y[p]y\not\equiv y' [p]. Comme 0<x,yE(p)+10<x,y\leq E(\sqrt{p})+1 on obtient que 0<xx,yy<p0<|x-x'|,|y-y'|<\sqrt{p}.
  4. Si p1[4]p\equiv 1 [4] alors 1-1 est un carré modulo pp donc aZ\exist a\in\mathbb{Z} tel que a21[p]a^{2}\equiv -1[p] et donc par la question 3, 0<x,y<p\exist 0<|x|,|y|<\sqrt{p} tels que xay[p]x2y2px2+y2x\equiv ay[p]\Rightarrow x^{2}\equiv-y^{2}\Rightarrow p|x^{2}+y^{2}. De plus 0<x,y<p0<|x|,|y|<\sqrt{p} donc 0<x2+y2<2p0<x^{2}+y^{2}<2p donc x2+y2=px^{2}+y^{2}=p.
  5. Soit nNn\in\mathbb{N}^{*}, on peut écrire n=N2Mn=N^{2}M, avec N,MNN,M\in\mathbb{N} et tel que p\forall p premier tel que pM,p2∤Mp|M,p^{2}\not|M.
    Par la question 1, si pp premier impair divise MM alors p1[4]p\equiv 1[4].
    Inversement M2=M2+02M^{2}=M^{2}+0^{2} peut être écrit comme une somme de carrés, 2=12+122=1^{2}+1^{2} aussi et si pp premier impair est congru à 1 modulo 4 alors il peut être écrit comme la somme de deux carrés. Donc si tout les diviseurs premiers impairs de M sont congru à 1 modulo 4, par la question 2 n peut être écrit comme la somme de deux carrés.
    On en déduit que nNn\in \mathbb{N}^{*} peut être écrit comme la somme de deux carrés si et seulement si tout ses diviseurs premiers impairs de valuation p-adic impaire sont congrus à 1 modulo 4.
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