Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Arithmetic

Théorème des deux carrés de Fermat

by 2doupi·
40
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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. 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 pp un nombre premier impair. Montrer que pp est une somme de deux carrés si et seulement si p1[4]p\equiv 1 [4].

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Un carré est congru à 00 ou 11 modulo 44, donc a2+b2{0,1,2}(mod4)a^{2}+b^{2}\in\{0,1,2\}\pmod 4. Un premier impair somme de deux carrés vérifie donc p1 [4]p\equiv 1\ [4].

Condition suffisante : 1-1 est un carré modulo pp
Supposons p1 [4]p\equiv 1\ [4]. Le théorème de Wilson donne (p1)!1(modp)(p-1)!\equiv -1\pmod p. En regroupant kk et pkkp-k\equiv -k pour 1kp121\leqslant k\leqslant\frac{p-1}{2} :
1(p1)!k=1(p1)/2(k2)=(1)p12((p12)!)2m2(modp),-1\equiv(p-1)!\equiv\prod_{k=1}^{(p-1)/2}\bigl(-k^{2}\bigr)=(-1)^{\frac{p-1}{2}}\Bigl(\bigl(\tfrac{p-1}{2}\bigr)!\Bigr)^{2}\equiv m^{2}\pmod p,avec m=(p12)!m=\bigl(\frac{p-1}{2}\bigr)!, puisque p12\frac{p-1}{2} est pair.

Posons k=pk=\lfloor\sqrt p\rfloor, de sorte que k<p<k+1k<\sqrt p<k+1, l’entier pp n’étant pas un carré. Les (k+1)2>p(k+1)^{2}>p nombres xmyx-my pour 0x,yk0\leqslant x,y\leqslant k ne peuvent être deux à deux distincts modulo pp : il existe (x,y)(x,y)(x,y)\neq(x',y') avec xmyxmyx-my\equiv x'-my'. En posant a=xxa=x-x' et b=yyb=y-y', non tous deux nuls, on a
a,bk<petamb(modp).|a|,|b|\leqslant k<\sqrt p\qquad\text{et}\qquad a\equiv mb\pmod p .Alors a2m2b2b2a^{2}\equiv m^{2}b^{2}\equiv -b^{2}, donc pa2+b2p\mid a^{2}+b^{2}, avec 0<a2+b2<2p0<a^{2}+b^{2}<2p. D’où
p=a2+b2.p=a^{2}+b^{2}. \qquad\blacksquare

Remarque : Le résultat admet une preuve en une phrase, due à Don Zagier : l’involution (x,y,z){(x+2z,z,yxz) si x<yz(2yx,y,xy+z) si yz<x<2y,(x2y,xy+z,y) si x>2y.(x, y, z) \longmapsto \begin{cases}(x+2 z, z, y-x-z) & \text { si } x<y-z \\ (2 y-x, y, x-y+z) & \text { si } y-z<x<2 y, \\ (x-2 y, x-y+z, y) & \text { si } x>2 y .\end{cases} sur les solutions de x2+4yz=px^{2}+4yz=p a un unique point fixe, donc le cardinal est impair, et l’involution (x,y,z)(x,z,y)(x,y,z)\mapsto(x,z,y) a alors un point fixe, qui fournit p=x2+(2y)2p=x^{2}+(2y)^{2}.

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