Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Théorème des deux carrés de Fermat

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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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