Anneau des entiers de Q(√5)

En mathématiques, l'anneau des entiers de Q(Modèle:Sqrt) est l'ensemble des nombres réels de la forme a + b(1+Modèle:Racine)/2, où a, b sont deux entiers relatifs, muni des opérations usuelles d'addition et de multiplication. C’est le plus petit ensemble de nombres qui contienne à la fois les entiers ordinaires et le nombre d'or φ = (1+Modèle:Sqrt)/2, et qui soit stable par addition et multiplication. On le note ici Z[φ].

En théorie algébrique des nombres, on le définit simplement comme l'anneau OModèle:Ind des entiers du corps quadratique réel Q(Modèle:Sqrt). Cet anneau est euclidien. Il possède donc des propriétés arithmétiques analogues à celles des nombres entiers usuels : il est possible d’y définir une division euclidienne, de calculer le plus grand commun diviseur et le plus petit commun multiple de deux ou plusieurs nombres, d’y démontrer le lemme de Gauss, l'identité de Bézout et une version du théorème fondamental de l'arithmétique, garantissant l'existence de la décomposition de tout nombre en un produit de facteurs premiers. Une différence importante, cependant, est qu’il n’existe dans Z que deux éléments inversibles, 1 et –1, mais qu’il en existe une infinité dans Z[φ].

Cet anneau est souvent utilisé comme un des exemples privilégiés pour illustrer concrètement la théorie plus avancée des entiers dans les corps de nombres. Son arithmétique permet aussi de justifier plusieurs propriétés mathématiques du nombre d'or, et d’étudier certaines équations diophantiennes classiques, comme xModèle:5 + yModèle:5 = zModèle:5, liée au dernier théorème de Fermat dans le cas de degré égal à 5 ou xModèle:2 – 5yModèle:2 = 1, un cas particulier de l'équation de Pell-Fermat.

Notations

Dans cet article, on utilise des lettres grecques pour désigner des éléments de Z[φ], et l'on réserve les lettres latines pour désigner les entiers relatifs ou les nombres rationnels. La lettre ε est utilisée pour décrire une unité, c'est-à-dire un élément inversible de Z[φ].

Un élément α de Z[φ], par définition, est donc un nombre (réel) qui peut s’écrire α = a + bφ, pour deux entiers relatifs a et b. Cette écriture est unique, et l'on appellera à l'occasion a et b les coordonnées de α.

Structure

Dans cette section sont expliquées les opérations (addition, multiplication…) sur les nombres α = a + bφ, et les structures fournies par ces opérations. La démarche suivie est analogue à celle utilisée dans le cas des entiers de Gauss, qui sont des nombres de la forme a + bModèle:Math, où Modèle:Math est un nombre complexe solution de l’équation xModèle:2 + 1 = 0, une équation quadratique. Ici φ est solution d’une autre équation quadratique, xModèle:2 – x – 1 = 0. Le polynôme XModèle:2 – X – 1 est appelé le polynôme minimal de φ.

Structure d'anneau

Modèle:Article détaillé De φModèle:2 = φ + 1, on déduit que :

• (par récurrence) toute puissance de φ appartient à Z[φ] — voir plus bas : § Suite de Fibonacci — donc toute fonction polynomiale de φ à coefficients entiers également ;
• le sous-ensemble Z[φ] du corps ℝ des nombres réels est donc le sous-anneau engendré par Z ∪ {φ} (ce qui rend légitime de le noter ainsi).

En tant que sous-anneau de ℝ, l'anneau Z[φ] est commutatif, intègre et totalement ordonné (donc de caractéristique nulle).

Une remarque sur Z[[[:Modèle:Sqrt]]]

On aurait pu imaginer (pour mieux imiter les entiers de Gauss, par exemple) d’étudier les nombres, apparemment plus simples, de la forme u + v Modèle:Sqrt, avec u et v des entiers. Ils forment l’ensemble noté Z[[[:Modèle:Sqrt]]], qui est aussi un sous-anneau du corps des nombres réels (le nombre Modèle:Sqrt est solution de l’équation quadratique xModèle:2 – 5 = 0 et les mêmes raisonnements s’appliquent). Ce sous-anneau est inclus dans Z[φ] : en effet,

$u+v\sqrt{5}=(u-v)+(2v)\phi .$

Cette inclusion de Z[[[:Modèle:Sqrt]]] dans Z[φ] est stricte car d'après la formule ci-dessus, les seuls éléments a + bφ de Z[φ] qui appartiennent au sous-anneau Z[[[:Modèle:Sqrt]]] sont ceux pour lesquels l'entier b est pair.

En fait, si les propriétés algébriques des deux ensembles sont analogues (ce sont des anneaux pour les mêmes opérations), Z[[[:Modèle:Sqrt]]] est trop petit, comme on le verra, pour y faire confortablement de l’arithmétique. Comprendre quels étaient les bons ensembles de nombres à prendre en compte est une des difficultés rencontrées par les mathématiciens du Modèle:S.

Suite de Fibonacci

Modèle:Article détaillé La [[suite de Fibonacci|« suite » (FModèle:Ind) (indexée par ℤ) des entiers de Fibonacci]], définie par

$F_0=0,F_1=1\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{\forall }n\in \mathbb{Z}{F}_{n+2}=F_{n+1}+F_n,$

vérifie :

$\mathrm{\forall }n\in \mathbb{Z}{\phi }^n=F_{n-1}+F_n\phi .$

Le corps Q(Modèle:Sqrt)

L'ensemble des réels de la forme a + bφ avec a et b rationnels ou, ce qui revient au même, de la forme u + v Modèle:Sqrt avec u et v rationnels, est — de même que Z[φ] et Z[[[:Modèle:Sqrt]]] étaient des sous-anneaux — une Q-sous-algèbre de ℝ. Puisque Modèle:Sqrt est irrationnel, l'écriture d'un élément de cet ensemble sous la forme u + v Modèle:Sqrt avec u et v rationnels est unique, ou encore : ce nombre n'est nul que si u = v = 0. Autrement dit : (1, Modèle:Sqrt) est une base de ce Q-sous-espace vectoriel, et de même pour (1, φ). (Ceci généralise — donc justifie — l'unicité précédemment admise dans le cas de coordonnées entières.)

Cet ensemble est de plus stable par inverses car si u et v sont rationnels et non tous deux nuls alors uModèle:2 – 5vModèle:2 est un rationnel non nul et 1/(u + v Modèle:Sqrt) = (u – v Modèle:Sqrt)/(uModèle:2 – 5vModèle:2). Par conséquent, c'est non seulement un sous-anneau mais un sous-corps de ℝ. On le note Q(Modèle:Sqrt).

Comme Q(Modèle:Sqrt) est le plus petit sous-corps de ℝ contenant Q et Modèle:Sqrt (ou Q et φ), il s'identifie au corps des fractions de Z[[[:Modèle:Sqrt]]] et de Z[φ]. On peut se demander comment, inversement, récupérer ces anneaux directement à partir de Q(Modèle:Sqrt). C’est la notion d'entier algébrique qui le permet — au moins pour Z[φ], qui va donc apparaître comme plus naturellement attaché à Q(Modèle:Sqrt).

Comme Q(Modèle:Sqrt) est un corps quadratique, tous ses éléments sont algébriques de degré 1 ou 2 : si α = u + v Modèle:Sqrt alors (α – u)Modèle:2 – 5vModèle:2 = 0. L'élément α est entier si et seulement si les rationnels 2u et Modèle:Nobr sont des entiers (relatifs). On en déduit (voir « Entier quadratique ») : Modèle:Théorème

L'anneau Z[φ] est donc intégralement clos, si bien que Z[[[:Modèle:Sqrt]]], qui a même corps des fractions mais est strictement plus petit, ne l'est pas. Par conséquent, Z[[[:Modèle:Sqrt]]] n'est pas un anneau à PGCD (et a fortiori pas factoriel), contrairement à Z[φ] qui — voir plus bas — est même euclidien. En fait, Z[[[:Modèle:Sqrt]]] ne vérifie même pas le lemme d'Euclide, c'est-à-dire qu'il possède des éléments irréductibles non premiers. Par exemple, 2 est irréductible dans Z[[[:Modèle:Sqrt]]] (et même dans Z[φ] : cf. § « Détermination des éléments irréductibles de Z[φ] » plus bas). Cependant, dans Z[[[:Modèle:Sqrt]]], 2 n'est pas premier : il divise le produit (1 + Modèle:Sqrt)(1 – Modèle:Sqrt) = –2Modèle:2 mais ne divise aucun des deux facteurs. Ce problème disparaît dans Z[φ], qui contient Modèle:Nobr et (1 – Modèle:Sqrt)/2 = 1 – φ. La définition des entiers, qui autorise ici le dénominateur 2, est donc ce qui leur garantit les meilleures propriétés. Plusieurs auteurs se penchèrent sur ces problèmes au cours du Modèle:S-, mais c'est Richard Dedekind qui donna une présentation complète de la notion d'entier algébrique, dans les suppléments à son édition des cours de Dirichlet, en 1871.

Le discriminant de Z[φ], égal à 5, est le plus petit discriminant d’un corps quadratique réel.

Deux outils importants

Modèle:Voir Deux des outils pour l'étude de l'anneau Z[φ] sont constitués de fonctions. Une de ces fonctions imite la conjugaison complexe pour les entiers de Gauss, l’autre fait office de mesure pour la taille d’un élément de Z[φ].

Application conjuguée

La [[Extension quadratique#Groupe de Galois|conjugaison σ dans Q(Modèle:Sqrt)]] (intervertissant Modèle:Sqrt et son opposé) est un automorphisme (involutif) du corps Q(Modèle:Sqrt) qui laisse stable Z[φ], en intervertissant φ et son élément conjugué φ' = (1 – Modèle:Racine)/2 = –1/φ = 1 – φ. Par restriction, on obtient ainsi :

Norme

Une fois encore, la situation est un peu analogue à celle des nombres complexes. Pour ceux-ci, l'application module est très utile : à un nombre, elle associe la racine carrée du produit de lui-même et de son conjugué. Comme, dans le cas qui nous intéresse, le produit correspondant n’est pas toujours positif, on évite en général de prendre la racine carrée et l'on définit plutôt :

Modèle:Théorème C'est donc un rationnel, et même un entier relatif si α appartient à Z[φ]. Par exemple, la norme de Modèle:Racine est égale à –5 et la norme de φ est égale à –1. Modèle:Théorème Modèle:Retrait

La norme possède une propriété clé plus générale (Modèle:Cf. articles détaillés) : Modèle:Théorème

Traduite dans la base (1, Modèle:Sqrt), on retrouve le cas n = 5 de l'identité de Brahmagupta :

$(u^2-5v^2)(r^2-5s^2)=(ur+5vs{)}^2-5(us+vr{)}^2.$

Division

Dans Z[φ], une condition nécessaire pour qu’un nombre α divise un nombre γ est que N(α) divise N(γ). Par conséquent, le nombre β tel que αβ = γ n’appartient pas à Z[φ] dans le cas général.

Nombre inversible

Pour qu’un nombre α ait un inverse, il faut donc que sa norme soit égale à 1 ou -1. Ces nombres sont donc tels que :

$\mathrm{N}(\alpha )=a^2+ab-b^2=\pm 1.$

Ces équations ont des solutions entières lorsque Modèle:Nobr ou Modèle:Nobr sont des carrés. Modèle:Nobr est une condition suffisante pour que α soit inversible, son inverse étant son conjugué (si Modèle:Nobr) ou l’opposé de son conjugué (si Modèle:Nobr).

Par exemple :

φ a pour inverse Modèle:Nobr ; car Modèle:Nobr et Modèle:Nobr

Modèle:Nobr a pour inverse Modèle:Nobr ; car Modèle:Nobr et Modèle:Nobr

Tout produit de nombres inversibles est lui-même inversible ; notamment, toute puissance de φ possède un inverse. L’ensemble des nombres inversibles de Z[φ] constitue un groupe commutatif pour la multiplication, appelé groupe des unités (cf section suivante).

Division euclidienne

La norme permet de définir une division euclidienne. Cette norme n'est pas toujours positive. Le stathme v, c’est-à-dire la fonction permettant d’évaluer le reste de la division — de même que la valeur absolue dans le cas des entiers relatifs — ne doit prendre que des valeurs positives. Pour cette raison, on le choisit égal à la valeur absolue de la norme. On montre alors que 5 fait partie, comme –1, des 21 valeurs de d pour lesquelles l'anneau des entiers de Q(Modèle:Sqrt) est euclidien pour v :

Modèle:Démonstration/début Il suffit (Modèle:Cf. fin du § « Définitions » de l'article sur anneaux euclidiens) de vérifier le critère général suivant : pour tout élément ζ de Q(Modèle:Racine), il existe au moins un élément θ de Z[φ] tel que Modèle:Nobr

Pour tous réels x, y majorés en valeur absolue par 1/2, |xModèle:2 + xy – yModèle:2| < 1. Donc si ζ = a + bφ avec a et b rationnels, en choisissant des entiers c et d tels que |a – c| ≤ 1/2 et |b – d| ≤ 1/2 puis en posant θ = c + dφ, on a bien |N(ζ – θ)| < 1. Modèle:Démonstration/fin

Ceci montre qu'il existe une division euclidienne dans l'anneau Z[φ]. Elle possède un aspect un peu déroutant, au sens où il n’y a pas d’unicité stricte, comme dans le cas usuel. Le nombre des possibilités est en effet lié au groupe des unités. Cette situation n’est en fait pas très différente de celle des entiers relatifs où la division euclidienne n’est définie qu’au signe près, c’est-à-dire à une unité près.

Groupe des unités

Modèle:Article général Les unités d'un anneau commutatif comme Z[φ] sont ses éléments inversibles et forment un groupe (commutatif) pour la multiplication, contenant 1 et –1. L'anneau Z ne possède que ces deux unités. Par contre, un anneau d'entiers d'un corps quadratique réel, comme Z[φ], possède toujours une infinité d'unités, ce qui se vérifie facilement dans le cas particulier envisagé. Les unités ne sont pas traitables avec les outils classiques de l'arithmétique ; les notions fondamentales, la définition de nombre premier ou irréductible, la décomposition en facteurs irréductibles sont données au produit par une unité près, d'où l'utilité de décrire celles-ci. On appelle « associés » deux éléments de l'anneau se déduisant l'un de l'autre par multiplication par une unité.

L'étude générale du groupe des unités d'un corps quadratique montre que :

• Le groupe des unités de Z[φ] est composé des éléments de norme égale à ±1.Modèle:Retrait
• Les unités de Z[φ] sont les φModèle:Exp et –φModèle:Exp, n ∈ Z.Modèle:Retrait

Nombre premier ou irréductible

Un nombre de Z[φ] est dit premier ou irréductible si toute décomposition du nombre en deux facteurs de Z[φ] comprend un et un seul élément du groupe des unités.

Nota : si α est inversible d’inverse ᾱ, tout nombre γ peut toujours s’écrire :

γ = αᾱγ = αβ, en posant β = ᾱγ

Un nombre de Z[φ] dont la valeur absolue de la norme est un nombre premier est premier ou irréductible.

Exemples :

Modèle:Racine est irréductible car N(Modèle:Racine) = -5

2+φ est irréductible car N(2+φ) = 5

19 est réductible car N(19)= 19Modèle:2 et 19 = (4+3φ)(7-3φ)

Un nombre non nul de Z[φ] qui n’est pas une unité peut s’écrire comme un produit de nombres premiers.

Les nombres premiers, ou irréductibles, jouent un rôle essentiel dans l’arithmétique de Z et il en est de même dans Z[φ].

Comme dans Z, tout élément de Z[φ] se décompose en facteurs irréductibles, et ce de manière à peu près unique. Le « à peu près » vient des unités : dans Z, 6 possède plusieurs décompositions en facteurs premiers, 2 × 3, mais aussi –2 × –3 par exemple. De même, dans Z[φ], les facteurs irréductibles ne sont fixés qu'à produit près par une unité.

Détermination des éléments irréductibles de Z[φ]

Un nombre premier de Z n'est pas toujours irréductible dans Z[φ]. Par exemple : 5 = (Modèle:Sqrt)Modèle:2, ou encore : 11 = 4Modèle:2 – 5 = (4 + Modèle:Sqrt)(4 – Modèle:Sqrt).

La [[Entier quadratique#Classification des nombres premiers|classification des idéaux premiers de l'anneau des entiers de Q(Modèle:Sqrt)]] pour d quelconque (cf. article détaillé), appliquée ici à d = 5, indique que : Modèle:Énoncé

On peut le redémontrer en remarquant d'abord que (d'après les propriétés générales de la norme sur un anneau d'entiers quadratiques) les irréductibles de Z[φ] s'obtiennent en décomposant dans cet anneau les nombres premiers usuels, et pour un tel entier naturel premier p, il n'y a que deux possibilités :

• ou bien p reste irréductible dans Z[φ],
• ou bien p = |N(π)| = ±πσ(π) pour un certain élément π de Z[φ], qui est alors irréductible.

Il reste à vérifier que ces deux cas correspondent aux congruences annoncées et que 5 est le seul nombre premier « [[Forme trace#Critère de ramification|ramifié dans Q(Modèle:Sqrt)]] ». Modèle:Démonstration/début Si p ≡ ±2 (mod 5) alors (d'après la remarque sur les normes modulo 5) p n'est pas de la forme |N(π)|, donc p reste irréductible dans Z[φ].

Si p ≡ ±1 (mod 5), un cas particulier de la loi de réciprocité quadratique montre que 5 est un carré modulo p, c'est-à-dire qu'il existe un entier x tel que p divise xModèle:2 – 5. Dans Z[φ], p ne peut donc pas être irréductible, sinon, divisant Modèle:Nobr il diviserait l’un des facteurs, ce qui est impossible car les nombres x/p – Modèle:Racine/p et x/p + Modèle:Racine/p ne sont pas dans l'anneau.

Le cas p = 5 a déjà été examiné. C'est le seul p = |πσ(π)| pour lequel π et σ(π) sont associés. En effet, soient π = a + bφ un élément de l'anneau et p ≠ 5 un nombre premier divisant πModèle:2 = (aModèle:2 + bModèle:2) + (b + 2a)bφ. Alors p divise 4b(aModèle:2 + bModèle:2) + (b – 2a)(b + 2a)b = 5bModèle:3 donc il divise b et — puisqu'il divise aModèle:2 + bModèle:2 — il divise aussi aModèle:2 donc a donc, finalement, π. Modèle:Démonstration/fin

Petit théorème de Fermat

Modèle:Article détaillé Le petit théorème de Fermat pour tout corps de nombres s'applique en particulier à tout corps quadratique, donc à ℚ(Modèle:Sqrt) : Modèle:Énoncé

La caractérisation des éléments irréductibles donnée plus haut permet de détailler cet énoncé : sous les mêmes hypothèses mais en excluant le cas où Modèle:MathPi est associé à Modèle:Sqrt,

• si |N(Modèle:MathPi)| = p premier (de la forme 5n + 1 ou 5n – 1) alors${\alpha }^{p-1}\equiv 1mod\pi$et si α n'est pas non plus multiple du conjugué σ(π), alors cette congruence est même vraie non seulement mod Modèle:MathPi mais mod p ;
• si π = q premier (de la forme 5n + 2 ou 5n – 2) alors modulo q, on a non seulement αModèle:Exp ≡ α mais même αModèle:Exp ≡ σ(α), autrement dit :

${\alpha }^{q+1}\equiv N(\alpha )modq.$

Modèle:Démonstration/début On considère un élément irréductible Modèle:MathPi de Z[φ], et un élément α non divisible par π, qu’on peut écrire a + bφ, avec a et b entiers, ou encore c/2 + (d/2)Modèle:Racine, avec c et d entiers.

• Si |N(π)| = p premier (de la forme 5n + 1 ou 5n – 1), on a vu que 5 est un carré mod p. En appliquant le petit théorème de Fermat sur Z, on en déduit que modulo p (et a fortiori modulo Modèle:MathPi), 2αModèle:Exp ≡ (2α)Modèle:Exp = (c+dModèle:Racine)Modèle:Exp ≡ cModèle:Exp + dModèle:Exp5Modèle:ExpModèle:Racine ≡ c + dModèle:Racine = 2α. Puisque 2 et α sont premiers à Modèle:MathPi, on peut diviser par 2α cette congruence mod π et obtenir la relation voulue.
  Lorsque α est aussi premier à σ(Modèle:MathPi), donc à |πσ(π)| = |N(Modèle:MathPi)| = p, on peut diviser par 2α la précédente congruence mod p.
• Si π = q premier (de la forme 5n + 2 ou 5n – 2) et si q > 2, le raisonnement utilisé plus haut montre que modulo q, 2αModèle:Exp ≡ c – dModèle:Racine = 2σ(α), ce qui donne le résultat voulu en divisant par 2.
• Modulo 2, αModèle:2 ≡ aModèle:2 + bModèle:2φModèle:2 ≡ a + b(1 – φ) = σ(α).

Applications : suite de Fibonacci et nombres de Mersenne

Le petit théorème de Fermat dans Z[φ] permet d'établir ce qu’on appelle la « loi d'apparition des nombres premiers au sein de la suite de Fibonacci » : tout nombre premier divise un des termes de la suite de Fibonacci. Plus précisément :

• si p est un nombre premier de la forme 5n + 1 ou 5n – 1 (donc un nombre qui se décompose dans Z[φ]), alors p divise FModèle:Ind (et FModèle:Ind – 1) ;
• si q est un nombre premier de la forme 5n + 2 ou 5n – 2 (donc un nombre qui reste irréductible dans Z[φ]), alors q divise FModèle:Ind (et FModèle:Ind + 1).

En effet, par le petit théorème de Fermat dans Z[φ], p divise φModèle:Exp – 1 = FModèle:Ind + FModèle:Indφ – 1 et q divise φModèle:Exp + 1 = FModèle:Ind + FModèle:Indφ + 1.

On peut tester le résultat numériquement. Par exemple, FModèle:Ind = 5 × 11 (et FModèle:Ind – 1 = 3 × 11), FModèle:Ind = 2 584 = 152 × 17 (et FModèle:Ind + 1 = 1 598 = 94 × 17).

Un autre usage du petit théorème de Fermat dans Z[φ] est de fournir une condition nécessaire et suffisante pour que certains nombres de Mersenne soient premiers. Plus précisément, si p = 4n + 3 est un nombre premier, le nombre de Mersenne M = 2Modèle:Exp – 1 est premier si et seulement si rModèle:Ind ≡ 0 (mod M), où la suite (rModèle:Ind) est définie par récurrence : rModèle:Ind = 3 et rModèle:Ind = rModèle:IndModèle:2 – 2.

La démonstration repose sur le fait que la suite (rModèle:Ind) s’exprime en fonction de φ, rModèle:Ind = φModèle:Exp + σ(φ)Modèle:Exp. Le critère de primalité fourni par ce résultat est celui utilisé par Édouard Lucas pour prouver que le nombre de Mersenne 2Modèle:Exp – 1 est premier.

Équation de Pell-Fermat

Équation

L'objectif est, pour un entier fixé d non divisible par 5, de résoudre en nombres entiers l'équation

$({\mathrm{E}}_d)u^2-5v^2=d$

ou encore, d'après le § « Norme » ci-dessus :

$N(u+v\sqrt{5})=d.$

On cherche donc (Modèle:Cf. § « Une remarque sur Z[[[:Modèle:Sqrt]]] » ci-dessus) les éléments a + bφ de Z[φ] de norme d avec b pair, ces éléments étant reliés aux solutions de (EModèle:Ind) par le changement de variables Modèle:Nobr, v = b/2.

Cette restriction au sous-anneau Z[[[:Modèle:Sqrt]]] n'est pas très gênante car

On s'intéresse donc dans un premier temps à tous les éléments de Z[φ] de norme ±d.

Cas d = ±1

Résoudre les deux équations (EModèle:Ind) provient directement de la connaissance des unités de Z[φ] ; elles sont de la forme ±φModèle:Exp où n est un entier relatif et la norme est (–1)Modèle:Exp. La suite de Fibonacci donne les coordonnées des puissances de φ, mais il faut déterminer dans quels cas le coefficient de φ dans l'écriture de ces unités est pair. Or PGCD(FModèle:Ind, 2) = [[Suite de Fibonacci#Propriétés de la suite de Fibonacci|PGCD(FModèle:Ind, FModèle:Ind) = FModèle:Ind]] donc FModèle:Ind est pair si et seulement si n est multiple de 3. Les ensembles SModèle:Ind des solutions des équations (EModèle:Ind) sont par conséquent :

$S_1=\{\pm (F_{6k-1}+F_{6k}/2,F_{6k}/2)\mid k\in \mathbb{Z}\}\text{ et }{S}_{-1}=\{\pm (F_{6k+2}+F_{6k+3}/2,F_{6k+3}/2)\mid k\in \mathbb{Z}\}$

ou encore, en faisant intervenir les nombres de Lucas LModèle:Ind = 2FModèle:Ind + FModèle:Ind :

$S_1=\{\frac{\pm 1}{2}(L_{6k},F_{6k})\mid k\in \mathbb{Z}\}\text{ et }{S}_{-1}=\{\frac{\pm 1}{2}(L_{6k+3},F_{6k+3})\mid k\in \mathbb{Z}\}.$

Cas d = ±p où p est un nombre premier

L'analyse des éléments irréductibles de Z[φ] permet de résoudre la question : il existe dans Z[φ] des éléments de norme ±p si et seulement si p est congru à 1 ou à –1 modulo 5.

Cas général

Le cas général s'en déduit : Modèle:Énoncé

En effet, la valeur absolue de la norme d'un élément irréductible correspondant à ce type de facteur est nécessairement un carré.

Sous cette hypothèse, les différents facteurs premiers de d, ou leurs carrés dans le cas de facteurs de la forme 5n + 2 ou 5n – 2, correspondent à des normes d'éléments de Z[φ]. En appliquant la multiplicativité de la norme, on fabrique un élément de Z[φ] de norme ±d et l'on en déduit (en le multipliant au besoin par φ ou φModèle:2) un élément α = a + bφ de Z[[[:Modèle:Sqrt]]] de norme d ou –d.

Pour en déduire toutes les solutions des deux équations (EModèle:Ind) et (EModèle:Ind), on procède alors comme dans le cas d = ±1 ci-dessus (pour lequel α était choisi égal à 1) : les solutions correspondent, parmi les ±φModèle:Expα avec m entier relatif pair pour l'une et impair pour l'autre, aux éléments qui appartiennent aussi au sous-anneau Z[[[:Modèle:Sqrt]]]. Compte tenu du fait que b est pair, cette condition supplémentaire sur m se traduit par : aFModèle:Ind est pair c'est-à-dire, si a est impair : m multiple de 3 (par le même argument que dans le cas d = ±1).

Dernier théorème de Fermat pour l'exposant 5

Modèle:Article détaillé Pour l'exposant 5, le dernier théorème de Fermat énonce qu'il n'existe pas de triplet (x, y, z) d'entiers non nuls et deux à deux premiers entre eux tel que xModèle:5 + yModèle:5 = zModèle:5. S'il en existe, l'un des trois entiers est évidemment pair mais aussi, d'après le théorème de Sophie Germain, l'un des trois est divisible par 5. On doit donc distinguer deux cas, selon que le même x, y ou z est divisible par 2 et 5 ou non.

En juillet 1825, Gustav Lejeune Dirichlet, alors à Paris, présenta devant l'Académie des sciencesModèle:, une preuve du théorème, dans le cas où l'un des x, y, z est divisible par 10. Adrien-Marie Legendre, rapporteur du mémoire de Dirichlet à l'Académie, compléta la démonstration quelques mois plus tard. Dirichlet en donna finalement une nouvelle version, en suivant les principes de sa propre preuve, en Modèle:Date-Modèle:,. C'est dans cette preuve que Dirichlet utilise les propriétés des nombres de Z[φ].

La preuve (Modèle:Cf. article détaillé) repose sur le lemme clé suivantModèle:, : Modèle:Énoncé Pour cela, Dirichlet démontre plus généralement :

La démonstration suivante de ces deux lemmes n'est pas exactement la sienne. Nous utiliserons le préambule de l'étude des éléments irréductibles de Z[φ], le fait que [[#Une remarque sur Z.5B.E2.88.9A5.5D|Z[[[:Modèle:Sqrt]]] = Z + 2Z[φ]]], et la connaissance des [[#Cas d = ±1|inversibles de Z[[[:Modèle:Sqrt]]]]].

Modèle:Démonstration/début Plaçons-nous sous les hypothèses du lemme général (dans le dernier point, on en déduira le « lemme clé »).

• u + vModèle:Sqrt est le produit d'un inversible ε de Z[φ] par la puissance cinquième d'un élément de Z[[[:Modèle:Sqrt]]] :
  Pour chaque facteur premier p dans Z de uModèle:2 – 5vModèle:2 = (u + vModèle:Sqrt)(u – vModèle:Sqrt), choisissons — dans Z[[[:Modèle:Sqrt]]], grâce à une remarque du § « Équation » — un facteur irréductible πModèle:Ind de p intervenant dans la décomposition de u + vModèle:Sqrt dans Z[φ]. Si p n'est pas premier dans Z[φ], σ(πModèle:Ind) ne peut pas intervenir aussi puisque |πModèle:Indσ(πModèle:Ind)| = p ne divise pas u + vModèle:Sqrt. Il existe donc un inversible ε de Z[φ] et des entiers naturels kModèle:Ind tels que$u+v\sqrt{5}=\epsilon \prod _p{\pi }_p^{k_p}\mathrm{d}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{c}|u^2-5v^2|=\prod _p|{\pi }_p\sigma ({\pi }_p){|}^{k_p}=\left(\prod _{p\text{ non premier dans }\mathbb{Z}[\phi ]}{p}^{k_p}\right)\left(\prod _{p\text{ premier dans }\mathbb{Z}[\phi ]}{p}^{2k_p}\right).$Comme uModèle:2 – 5vModèle:2 est une puissance cinquième, tous les kModèle:Ind sont donc multiples de 5 et$u+v\sqrt{5}=\epsilon {\alpha }^5\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{c}\alpha :=\prod _p{\pi }_p^{k_p/5}\in \mathbb{Z}[\sqrt{5}].$
• ε est même un inversible de Z[[[:Modèle:Sqrt]]] :
  Dans Z[φ], u + vModèle:Sqrt et α sont congrus mod 2 à 0 ou 1, or u + vModèle:Sqrt ≡ u – v n'est pas divisible par 2 donc α non plus, si bien que u + vModèle:Sqrt et α sont congrus à 1 modulo 2 donc ε et εModèle:-1 aussi.
• ε peut être choisi de norme 1 :
  On utilise un inversible de Z[[[:Modèle:Sqrt]]] de norme –1, par exemple ε' = φModèle:3. Si la norme de ε vaut –1, il suffit de remplacer ε par εε'Modèle:5 et α par ε'Modèle:-1α.
• Supposons de plus v divisible par 5. Alors ε peut même être choisi égal à 1 :
  D'après les points précédents, u + vModèle:Sqrt est de la forme ±φModèle:ExpαModèle:5 avec n divisible par 6 et α élément de Z[[[:Modèle:Sqrt]]]. Par conséquent, mod 5 dans Z[φ] (ou même Z[[[:Modèle:Sqrt]]]), u est congru au produit d'un entier w par [[#Suite de Fibonacci|FModèle:Ind + FModèle:Indφ]], si bien que mod 5 dans Z, uFModèle:Ind ≡ FModèle:IndwFModèle:Ind ≡ FModèle:Ind0 = 0 donc FModèle:Ind est divisible par 5. Or PGCD(FModèle:Ind, 5) = [[Suite de Fibonacci#Propriétés de la suite de Fibonacci|PGCD(FModèle:Ind, FModèle:Ind) = FModèle:Ind]]. Donc n = 5m pour un certain entier m (encore divisible par 6) et u + vModèle:Sqrt = βModèle:5 avec β = ±φModèle:Expα.

Voir aussi

Bibliographie

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Liens externes

• Robert Ferréol, Les cas n=3, 4 et 5 du théorème de Fermat
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