This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.
1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
Un carré est congru à 0 ou 1 modulo 4, donc a2+b2∈{0,1,2}(mod4). Un premier impair somme de deux carrés vérifie donc p≡1[4].
Condition suffisante : −1 est un carré modulo p Supposons p≡1[4]. Le théorème de Wilson donne (p−1)!≡−1(modp). En regroupant k et p−k≡−k pour 1⩽k⩽2p−1 : −1≡(p−1)!≡k=1∏(p−1)/2(−k2)=(−1)2p−1((2p−1)!)2≡m2(modp),avec m=(2p−1)!, puisque 2p−1 est pair.
Posons k=⌊p⌋, de sorte que k<p<k+1, l’entier p n’étant pas un carré. Les (k+1)2>p nombres x−my pour 0⩽x,y⩽k ne peuvent être deux à deux distincts modulo p : il existe (x,y)=(x′,y′) avec x−my≡x′−my′. En posant a=x−x′ et b=y−y′, non tous deux nuls, on a ∣a∣,∣b∣⩽k<peta≡mb(modp).Alors a2≡m2b2≡−b2, donc p∣a2+b2, avec 0<a2+b2<2p. D’où p=a2+b2.■
Remarque : Le résultat admet une preuve en une phrase, due à Don Zagier : l’involution (x,y,z)⟼⎩⎨⎧(x+2z,z,y−x−z)(2y−x,y,x−y+z)(x−2y,x−y+z,y) si x<y−z si y−z<x<2y, si x>2y. sur les solutions de x2+4yz=p a un unique point fixe, donc le cardinal est impair, et l’involution (x,y,z)↦(x,z,y) a alors un point fixe, qui fournit p=x2+(2y)2.