I — Multiplier modulo N
(a) Pour a=5, les valeurs successives de 5x modulo 12, pour x=0,…,11, sont
0,5,10,3,8,1,6,11,4,9,2,7.
Les douze restes apparaissent exactement une fois : T5 est bijective.
(b) Pour a=8,
8x≡0,8,4,0,8,4,…(mod12).
L'image est {0,4,8} et chacun de ces trois éléments possède quatre antécédents.
(c) On obtient
5x≡7(mod12)⟺x≡11(mod12),
8x≡4(mod12)⟺x≡2,5,8,11(mod12),
tandis que 8x≡2(mod12) n'a aucune solution. La distinction suggérée est
PGCD(5,12)=1,PGCD(8,12)=4.
(a) Si PGCD(u,v)=1, Bézout fournit r,s∈Z tels que ru+sv=1. En multipliant par w,
ruw+svw=w.
Si v∣uw, alors v divise les deux termes du membre de gauche ; donc v∣w.
(b) Écrivons a=da0 et N=dN0, avec PGCD(a0,N0)=1. Alors
ax≡ay(modN)⟺N∣a(x−y)⟺dN0∣da0(x−y)⟺N0∣a0(x−y).
D'après (a), ceci équivaut à N0∣x−y, soit
ax≡ay(modN)⟺x≡y(modN/d).
(c) Pour un x fixé, les y ayant la même image sont exactement ceux qui satisfont y≡x(modN/d). Modulo N, ils sont représentés par
x,x+dN,…,x+(d−1)dN.
Il y en a exactement d. Ainsi Ta est injective, donc bijective sur un ensemble fini de cardinal N, si et seulement si d=1. Par conséquent
Ta est bijective⟺PGCD(a,N)=1.
- Supposons d'abord ax≡b(modN). Alors b=ax−kN pour un certain k∈Z ; tout diviseur commun de a et N divise donc b. Ainsi d∣b.
Réciproquement, si d∣b, écrivons a=da0, N=dN0, b=db0, avec PGCD(a0,N0)=1. La congruence équivaut à
a0x≡b0(modN0).
Bézout donne un inverse de a0 modulo N0, donc au moins une solution x0.
Si x est une autre solution, alors ax≡ax0(modN). La question 2 donne
x≡x0(modN/d).
Les solutions modulo N sont donc exactement
x0+kdN,k=0,…,d−1.
Il y en a d.
- La congruence ax≡1(modN) admet une solution si et seulement si PGCD(a,N)∣1, donc si et seulement si PGCD(a,N)=1. Dans ce cas, la question 3 donne une unique solution modulo N.
L'algorithme d'Euclide donne
1013727107=2×37+27,=27+10,=2×10+7,=7+3,=2×3+1.
En remontant,
1=11×101−30×37.
Ainsi −30 est un inverse de 37 modulo 101, soit
37−1≡71(mod101).
Puis
x≡71×23≡17(mod101).
II — Les classes modulo N
(a) La relation est réflexive puisque N∣a−a, symétrique puisque N∣a−b implique N∣b−a, et transitive puisque N∣a−b et N∣b−c impliquent N∣a−c. C'est donc une relation d'équivalence.
(b) Pour tout a∈Z, la division euclidienne donne a=qN+r avec 0⩽r<N. Donc a≡r(modN) et a=r.
Si r=s avec 0⩽r,s<N, alors N∣r−s. Comme ∣r−s∣<N, on a r=s. Il y a donc exactement N classes.
(a) Si a≡a′(modN) et b≡b′(modN), alors
(a+b)−(a′+b′)=(a−a′)+(b−b′)
est divisible par N, donc a+b=a′+b′. De plus
ab−a′b′=a(b−b′)+b′(a−a′)
est divisible par N, donc ab=a′b′. Les deux classes sont donc indépendantes des représentants choisis, et les deux lois sont bien définies sur Z/NZ.
(b) Les propriétés d'associativité, de commutativité et de distributivité sont héritées de celles des entiers. Les éléments neutres sont 0 et 1, et l'opposé de a est −a. Ainsi Z/NZ est un anneau commutatif unitaire.
(a) Si a′=a+kN, les diviseurs communs de a′ et N sont exactement les diviseurs communs de a et N. Donc PGCD(a′,N)=PGCD(a,N).
(b) La classe a est inversible si et seulement s'il existe b tel que ab≡1(modN). Par la question 4,
a∈(Z/NZ)×⟺PGCD(a,N)=1.
(c) 1 est inversible. Si u et v sont inversibles, alors uv l'est, d'inverse v−1u−1. L'inverse d'un élément inversible est lui-même inversible et l'associativité est héritée de l'anneau. Ainsi (Z/NZ)× est un groupe multiplicatif.
(a) Soit a=0 et d=PGCD(a,N)>1. Comme N∤a, on a d<N. La classe de b=N/d est donc non nulle et
ab=adN=daN,
donc ab=0. Ainsi a est un diviseur de zéro.
Réciproquement, si ab=0 avec b=0 et si PGCD(a,N)=1, alors a est inversible. En multipliant par son inverse, on obtiendrait b=0, contradiction. Ainsi
a=0⟹(a diviseur de zeˊro⟺PGCD(a,N)>1).
(b) Si N est premier, tout entier a∈{1,…,N−1} est premier avec N ; toute classe non nulle est donc inversible. Un élément inversible ne pouvant être un diviseur de zéro, il n'existe alors aucun diviseur de zéro non nul.
Si N est composé, écrivons N=rs avec 1<r,s<N. Alors r et s sont non nulles et rs=0 : il existe donc un diviseur de zéro non nul. De plus PGCD(r,N)=r>1, si bien que r n'est pas inversible d'après la question 7. Les trois propriétés proposées sont ainsi équivalentes. En particulier,
Z/NZ est un corps⟺N est premier.
III — Réductions naturelles et idéaux
(a) La formule [x]r↦[x]s définit une application si [x]r=[y]r implique [x]s=[y]s, c'est-à-dire si r∣x−y implique s∣x−y pour tous x,y. C'est vrai lorsque s∣r.
Réciproquement, si l'application est bien définie, [0]r=[r]r doit donner [0]s=[r]s, donc s∣r. Ainsi
ρr,s est bien deˊfinie⟺s∣r.
(b) Lorsque s∣r, pour toutes classes [x]r,[y]r,
ρr,s([x]r+[y]r)=[x+y]s=[x]s+[y]s,
ρr,s([x]r[y]r)=[xy]s=[x]s[y]s.
De plus ρr,s([0]r)=[0]s et ρr,s([1]r)=[1]s. Ainsi ρr,s est un morphisme d'anneaux. Enfin, toute classe [y]s est l'image de [y]r : le morphisme est surjectif.
(c) On a
[x]r∈kerρr,s⟺[x]s=0⟺s∣x.
Si r=qs, le noyau est
{[0]r,[s]r,…,[(q−1)s]r}.
Ces q classes sont distinctes : si [is]r=[js]r avec 0⩽i,j<q, alors qs∣(i−j)s, donc q∣i−j, ce qui impose i=j. D'où
∣kerρr,s∣=sr.
- Fixons N⩾2.
(a) Pour un morphisme f:A→B, on a f(0)=0. Si x,y∈kerf, alors f(x−y)=f(x)−f(y)=0. Enfin, pour a∈A et x∈kerf, f(ax)=f(a)f(x)=0. Le noyau est donc un idéal.
(b) Comme d∣N, ρN,d est définie et
kerρN,d={[x]N∣d∣x}=Id.
(c) Soit I un idéal. Si I={0}, alors I=IN. Supposons I={0} et choisissons le plus petit entier d∈{1,…,N−1} tel que [d]N∈I.
Écrivons N=qd+r avec 0⩽r<d. Dans Z/NZ,
[r]N=[N]N−q[d]N=−q[d]N∈I.
La minimalité de d impose r=0, donc d∣N.
Si [a]N∈I avec 0⩽a<N, écrivons a=qd+r avec 0⩽r<d. Alors [r]N=[a]N−q[d]N∈I, donc r=0. Ainsi d∣a et I⊂Id.
Réciproquement, [d]N∈I et la stabilité par multiplication donne [kd]N∈I pour tout k, donc Id⊂I. Finalement
{ideˊaux de Z/NZ}={Id:d∣N, d>0}.
L'unicité de d découle du choix du plus petit représentant positif, avec le cas IN={0} séparé.
IV — Deux congruences à la fois
(a) Si [x]mn=[y]mn, alors mn∣x−y. En particulier m∣x−y et n∣x−y, donc
[x]m=[y]m,[x]n=[y]n.
La valeur de Φm,n([x]mn) ne dépend donc pas du représentant choisi.
Vérifions ensuite les opérations. Pour x,y∈Z,
Φm,n([x]mn+[y]mn)=Φm,n([x+y]mn)=([x+y]m,[x+y]n)=([x]m+[y]m,[x]n+[y]n)=Φm,n([x]mn)+Φm,n([y]mn),
et
Φm,n([x]mn[y]mn)=Φm,n([xy]mn)=([xy]m,[xy]n)=([x]m[y]m,[x]n[y]n)=Φm,n([x]mn)Φm,n([y]mn).
Enfin Φm,n(0)=(0,0) et Φm,n(1)=(1,1). Ainsi Φm,n est un morphisme d'anneaux.
(b) Posons ℓ=PPCM(m,n). On a
[x]mn∈kerΦm,n⟺m∣x et n∣x⟺ℓ∣x.
Le noyau est donc constitué exactement des classes [kℓ]mn, avec k∈Z. Il y a mn/ℓ telles classes distinctes. La relation classique
PGCD(m,n)PPCM(m,n)=mn
donne donc
∣kerΦm,n∣=PGCD(m,n).
(c) Pour un morphisme d'anneaux f, l'égalité f(x)=f(y) équivaut à f(x−y)=0. Ainsi f est injectif si et seulement si kerf={0}. D'après (b),
Φm,n injective⟺PGCD(m,n)=1.
(a) Comme PGCD(m,n)=1, le théorème de Bézout assure l'existence de u,v∈Z tels que
um+vn=1.
Fixons désormais un tel couple et les éléments em=[vn]mn et en=[um]mn.
(b) L'identité de Bézout donne vn≡1(modm) et vn≡0(modn), donc
Φm,n(em)=(1,0).
De même,
Φm,n(en)=(0,1).
(c) Pour tous a,b∈Z, on identifie dans Z/mnZ l'entier a à sa classe [a]mn, et de même pour b. Le caractère multiplicatif et additif de Φm,n donne alors
Φm,n([a]mnem+[b]mnen)=([a]m,[a]n)Φm,n(em)+([b]m,[b]n)Φm,n(en)=([a]m,[a]n)(1,0)+([b]m,[b]n)(0,1)=([a]m,0)+(0,[b]n)=([a]m,[b]n).
Or
[a]mnem+[b]mnen=[avn+bum]mn.
Ainsi la classe [avn+bum]mn a bien pour image ([a]m,[b]n).
(d) La question (c) montre que Φm,n est surjective. Comme PGCD(m,n)=1, la question 11 donne son injectivité. Donc
Z/mnZ≃Z/mZ×Z/nZ.
(e) On a d'abord
em+en=[vn+um]mn=1,emen=[uvmn]mn=0.
Puis 1−em=en, donc em(1−em)=emen=0 et ainsi em2=em. De même, en2=en.
Si Φm,n(x)=(xm,xn), alors
Φm,n(xem)=Φm,n(x)Φm,n(em)=(xm,xn)(1,0)=(xm,0),
et de même
Φm,n(xen)=(xm,xn)(0,1)=(0,xn).
Les deux idempotents isolent donc les deux composantes de x.
- Posons d=PGCD(m,n) et ℓ=PPCM(m,n).
(a) S'il existe x tel que x≡a(modm) et x≡b(modn), alors, puisque d divise m et n, on a a≡b(modd).
Réciproquement, supposons d∣b−a et écrivons m=dm′, n=dn′, avec PGCD(m′,n′)=1. Cherchons x=a+mt. La seconde congruence devient
m′t≡db−a(modn′).
Comme PGCD(m′,n′)=1, la question 7 montre que [m′]n′ est inversible. Si c est un inverse de m′ modulo n′, on peut prendre par exemple
t≡cdb−a(modn′).
Il existe donc bien un entier t satisfaisant la congruence, et x=a+mt fournit une solution du système. Ainsi
([a]m,[b]n)∈ImΦm,n⟺a≡b(modd).
Cette condition est bien indépendante des représentants : si l'on remplace a par a+km, alors d∣m donne a+km≡a(modd) ; de même b+qn≡b(modd) puisque d∣n.
(b) Si x et y sont deux solutions, m et n divisent x−y, donc ℓ=PPCM(m,n) divise x−y. Réciproquement, si x0 est une solution, alors x0+kℓ reste congru à x0 modulo m et modulo n pour tout k∈Z. Les solutions sont donc exactement les entiers
x≡x0(modℓ).
Modulo mn, les classes de solutions sont
[x0]mn, [x0+ℓ]mn,…,[x0+(d−1)ℓ]mn,
puisque mn=dℓ. Elles sont distinctes et la suivante, obtenue pour k=d, revient à [x0]mn. Il y a donc exactement d classes de solutions modulo mn.
(c) Si d=1, toute paire est compatible et la solution est unique modulo mn : Φm,n est un isomorphisme. Si d>1, le couple ([0]m,[1]n) n'est pas compatible modulo d, donc Φm,n n'est pas surjective. Ainsi
Φm,n est un isomorphisme⟺PGCD(m,n)=1.
(d) Pour m=4 et n=6, d=2. Le système x≡0(mod4), x≡1(mod6) imposerait à la fois x≡0(mod2) et x≡1(mod2) : il est impossible.
Pour
x≡1(mod4),x≡3(mod6),
les deux restes sont congrus modulo 2. On vérifie que x=9 convient. Les solutions vérifient x≡9(mod12). Modulo 24, on obtient exactement
[9]24et[21]24.
V — Lire des propriétés dans la décomposition
- Fixons N⩾2.
(a) Si (a,b) est inversible dans A×B, il existe (c,d) tel que
(a,b)(c,d)=(ac,bd)=(1A,1B).
Ainsi ac=1A et bd=1B : a et b sont inversibles. Réciproquement, si a−1 et b−1 existent, alors
(a,b)(a−1,b−1)=(1A,1B),
donc (a,b) est inversible, d'inverse (a−1,b−1).
(b) Supposons PGCD(m,n)=1. D'après la question 12, Φm,n est un isomorphisme. Si x est inversible dans Z/mnZ, avec inverse y, alors
Φm,n(x)Φm,n(y)=Φm,n(xy)=Φm,n(1)=(1,1),
donc Φm,n(x) est inversible dans le produit. Réciproquement, si Φm,n(x) est inversible, son inverse possède un unique antécédent y par la bijectivité de Φm,n ; alors
Φm,n(xy)=Φm,n(x)Φm,n(y)=(1,1)=Φm,n(1).
L'injectivité de Φm,n donne xy=1, donc x est inversible.
La question 14(a) identifie les unités du produit aux couples d'unités. La restriction de Φm,n donne donc une bijection compatible avec la multiplication
(Z/mnZ)×≃(Z/mZ)××(Z/nZ)×.
En prenant les cardinaux,
φ(mn)=φ(m)φ(n).
(c) Dans Z/pαZ, les classes non inversibles sont exactement celles représentées par un multiple de p. Parmi 0,1,…,pα−1, il y en a pα−1. Ainsi
φ(pα)=pα−pα−1.
(d) Si N=∏i=1rpiαi est sa décomposition en facteurs premiers, les facteurs piαi sont deux à deux premiers entre eux. Par multiplicativité,
φ(N)=i=1∏r(piαi−piαi−1)=Ni=1∏r(1−pi1).
Donc
φ(N)=Ni=1∏r(1−pi1).
(a) Le cas de deux facteurs est la question 12. Si le résultat est établi pour r−1 facteurs, alors n1⋯nr−1 est premier avec nr, et le théorème des restes chinois donne
Z/(n1⋯nr)Z≃Z/(n1⋯nr−1)Z×Z/nrZ.
Par l'hypothèse de récurrence,
Z/(n1⋯nr−1)Z≃i=1∏r−1Z/niZ.
En remplaçant le premier facteur par ce produit dans l'isomorphisme précédent, on obtient
Z/(n1⋯nr)Z≃i=1∏rZ/niZ.
(b) Soit e=[a]pα idempotent. L'égalité e2=e s'écrit
e(e−1)=0.
Si p∤a, alors PGCD(a,pα)=1 ; la question 7 montre que e est inversible. En multipliant e(e−1)=0 par e−1, on obtient e−1=0, donc e=1.
Si p∣a, alors p∤a−1, donc PGCD(a−1,pα)=1 et e−1 est inversible. En multipliant cette fois e(e−1)=0 par (e−1)−1, on obtient e=0. Les seuls idempotents sont donc 0 et 1.
(c) Dans la décomposition
Z/NZ≃i=1∏rZ/piαiZ,
un élément est idempotent si et seulement si chaque composante l'est. Chacune offre deux choix, 0 ou 1. Il y a donc
2r
idempotents.
(d) Comme 60=4×3×5,
Z/60Z≃Z/4Z×Z/3Z×Z/5Z.
Cherchons les trois idempotents qui sélectionnent une seule coordonnée. On vérifie directement
45≡1(mod4),45≡0(mod3),45≡0(mod5),
40≡0(mod4),40≡1(mod3),40≡0(mod5),
36≡0(mod4),36≡0(mod3),36≡1(mod5).
Les classes [45]60, [40]60 et [36]60 correspondent donc respectivement à (1,0,0), (0,1,0) et (0,0,1).
Dans le produit, un idempotent est un triplet dont chaque coordonnée vaut 0 ou 1. Il s'obtient donc en additionnant une sous-famille de ces trois sélecteurs. Les huit sommes, réduites modulo 60, sont
0,1,16,21,25,36,40,45(mod60).
(a) Écrivons
P(X)=a0+a1X+⋯+arXr,a0,…,ar∈Z.
Soit x∈Z/mnZ et supposons
Φm,n(x)=(xm,xn).
Dans Z/mnZ, la définition donnée dans l'énoncé s'écrit
P(x)=[a0]mn+[a1]mnx+⋯+[ar]mnxr.
Comme Φm,n est un morphisme d'anneaux, il préserve les sommes et les produits. Par récurrence sur k,
Φm,n(xk)=Φm,n(x)k=(xmk,xnk).
De plus, pour tout entier a, la classe de a dans Z/mnZ est envoyée sur ([a]m,[a]n). Par conséquent
Φm,n(P(x))=Φm,n([a0]mn+[a1]mnx+⋯+[ar]mnxr)=([a0]m,[a0]n)+([a1]m,[a1]n)(xm,xn)+⋯+([ar]m,[ar]n)(xmr,xnr)=(k=0∑r[ak]mxmk,k=0∑r[ak]nxnk)=(P(xm),P(xn)).
Ainsi
Φm,n(P(x))=(P(xm),P(xn)).
Supposons maintenant PGCD(m,n)=1. Comme Φm,n est alors bijective,
P(x)=0⟺Φm,n(P(x))=(0,0)⟺P(xm)=0 et P(xn)=0.
À toute racine x modulo mn correspond donc un couple de racines (xm,xn). Réciproquement, tout couple de racines possède, par le théorème des restes chinois, un unique antécédent x modulo mn, et l'égalité précédente impose alors P(x)=0. On obtient bien une bijection entre les deux ensembles de racines.
(b) Posons N=n1⋯nr et considérons
Ψ:Z/NZ⟶i=1∏rZ/niZ,Ψ([x]N)=([x]n1,…,[x]nr).
La question 15(a) affirme que Ψ est un isomorphisme lorsque les ni sont deux à deux premiers entre eux. Le même calcul qu'en (a), effectué composante par composante, donne
Ψ(P(x))=(P(x1),…,P(xr))
dès que Ψ(x)=(x1,…,xr). Par bijectivité de Ψ,
P(x)=0⟺P(xi)=0pour tout i∈{1,…,r}.
Ainsi
{x∈Z/NZ:P(x)=0}≃i=1∏r{xi∈Z/niZ:P(xi)=0}.
(c) Comme 105=3×5×7, la question (b) permet de résoudre séparément l'équation modulo 3, 5 et 7. Dans chacun des trois corps Z/pZ,
x2=1⟺x2−1=0⟺(x−1)(x+1)=0.
Un corps n'ayant pas de diviseur de zéro, on obtient nécessairement x=1 ou x=−1. Il y a donc 2×2×2=8 triplets de solutions, donc huit solutions modulo 105.
Pour reconstruire explicitement ces huit classes, cherchons les sélecteurs des trois coordonnées. On vérifie
70≡1(mod3),70≡0(mod5),70≡0(mod7),
21≡0(mod3),21≡1(mod5),21≡0(mod7),
15≡0(mod3),15≡0(mod5),15≡1(mod7).
Ainsi le triplet (ε3,ε5,ε7), avec chaque εp∈{−1,1}, correspond à la classe
x≡70ε3+21ε5+15ε7(mod105).
En évaluant les huit choix de signes puis en réduisant modulo 105, on obtient
x≡1,29,34,41,64,71,76,104(mod105).
La décomposition fournie par le théorème des restes chinois ne sert pas seulement à résoudre simultanément plusieurs congruences : elle transporte les opérations et donc les équations polynomiales vers un produit d'anneaux plus simples. Lorsque les facteurs sont premiers, ces anneaux sont des corps Z/pZ, ce qui ouvre naturellement l'étude des phénomènes polynomiaux propres à la caractéristique p.