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Résidus quadratiques

Domaine : Théorie des nombres · Niveau : avancé · Prérequis : Congruences, Fermat et Euler, Ordre d'un élément

L'idée

Soit \(p\) un nombre premier impair. Un entier \(a\) non divisible par \(p\) est un résidu quadratique modulo \(p\) si l'équation \(x^2 \equiv a \pmod p\) a une solution, autrement dit si \(a\) est « un carré modulo \(p\) ». Par exemple, modulo \(7\), les carrés non nuls sont \(1, 2, 4\) : \(3\), \(5\) et \(6\) ne sont pas des carrés.

Exactement la moitié des restes non nuls, soit \(\frac{p-1}{2}\), sont des résidus quadratiques : \(x\) et \(-x\) ont le même carré, et ce sont les seules paires.

On note \(\left(\frac{a}{p}\right)\) le symbole de Legendre : il vaut \(1\) si \(a\) est un résidu quadratique modulo \(p\), \(-1\) sinon (et \(0\) si \(p \mid a\)).

Les outils

Résultat Énoncé
Critère d'Euler \(\left(\frac{a}{p}\right) \equiv a^{\frac{p-1}{2}} \pmod p\)
Multiplicativité \(\left(\frac{ab}{p}\right) = \left(\frac{a}{p}\right)\left(\frac{b}{p}\right)\) : le produit de deux non-résidus est un résidu
\(-1\) \(-1\) est un carré modulo \(p\) si et seulement si \(p \equiv 1 \pmod 4\)
\(2\) \(2\) est un carré modulo \(p\) si et seulement si \(p \equiv \pm 1 \pmod 8\)
Réciprocité quadratique Pour \(p \neq q\) premiers impairs, \(\left(\frac{p}{q}\right)\left(\frac{q}{p}\right) = (-1)^{\frac{p-1}{2} \cdot \frac{q-1}{2}}\)

La réciprocité dit : \(\left(\frac{p}{q}\right) = \left(\frac{q}{p}\right)\), sauf si \(p\) et \(q\) sont tous les deux \(\equiv 3 \pmod 4\), auquel cas les deux symboles sont opposés.

Sommes de deux carrés

Le fait sur \(-1\) a une conséquence très utilisée : si un premier \(p \equiv 3 \pmod 4\) divise \(a^2 + b^2\), alors \(p\) divise \(a\) et \(b\). En effet, si \(p \mid b\), alors \(p \mid a^2\), donc \(p \mid a\). Sinon, \(b\) a un inverse \(b^{-1}\) modulo \(p\), et \((a b^{-1})^2 \equiv -1 \pmod p\) ferait de \(-1\) un carré modulo \(p\).

À l'inverse, tout premier \(p \equiv 1 \pmod 4\) est une somme de deux carrés (Fermat), et un entier \(n \geq 1\) est une somme de deux carrés si et seulement si chaque premier \(\equiv 3 \pmod 4\) apparaît avec un exposant pair dans sa décomposition.

Exemple résolu

Problème

Montrer qu'il existe une infinité de nombres premiers congrus à \(1\) modulo \(4\).

Étape 1 : les diviseurs premiers de \(x^2 + 1\). Soit \(q\) un premier impair qui divise \(x^2 + 1\). Alors \(x^2 \equiv -1 \pmod q\), et \(q \nmid x\). En élevant à la puissance \(\frac{q-1}{2}\) :

\[x^{q-1} = (x^2)^{\frac{q-1}{2}} \equiv (-1)^{\frac{q-1}{2}} \pmod q.\]

Par le petit théorème de Fermat, le membre de gauche vaut \(1\). Comme \(1 \not\equiv -1\) modulo \(q\) impair, \(\frac{q-1}{2}\) est pair : \(q \equiv 1 \pmod 4\).

Étape 2 : l'argument d'Euclide. Supposons qu'il n'y ait qu'un nombre fini de tels premiers \(p_1, \ldots, p_k\), et posons

\[N = (2p_1 p_2 \cdots p_k)^2 + 1.\]

\(N\) est impair et \(> 1\), donc il a un diviseur premier impair \(q\). Par l'étape 1, \(q \equiv 1 \pmod 4\), donc \(q\) est l'un des \(p_i\). Mais alors \(q\) divise \(N - (2p_1 \cdots p_k)^2 = 1\), ce qui est absurde.

Le même schéma fonctionne pour d'autres progressions : les diviseurs premiers de \(x^2 - 2\), de \(x^2 + 3\), etc. sont contraints par un symbole de Legendre. C'est une manière élémentaire d'obtenir des cas particuliers du théorème de Dirichlet.

Comment le reconnaître

  • Une expression \(x^2 + 1\), \(x^2 + y^2\), \(x^2 - 2\), ou plus généralement \(x^2 - a\), et une question sur ses diviseurs premiers.
  • On doit montrer qu'un nombre n'est pas un carré modulo \(p\), ou qu'une équation \(x^2 \equiv a\) n'a pas de solution.
  • Une question sur les sommes de deux carrés.
  • On veut une infinité de premiers d'une certaine forme.
  • On compte les carrés modulo \(p\), ou l'on manipule un produit qui doit être (ou ne pas être) un carré.

Techniques classiques

Situation Technique
\(p\) premier divise \(x^2 + 1\) \(p = 2\) ou \(p \equiv 1 \pmod 4\)
\(p \equiv 3 \pmod 4\) divise \(a^2 + b^2\) \(p\) divise \(a\) et \(b\) ; souvent suivi d'une descente infinie
Savoir si \(a\) est un carré modulo \(p\) Critère d'Euler, ou décomposer \(a\) et utiliser multiplicativité et réciprocité
Un produit doit être un carré modulo \(p\) Faire apparaître un non-résidu : le produit d'un résidu et d'un non-résidu n'est pas un carré
Infinité de premiers d'une forme donnée Argument d'Euclide avec un polynôme du second degré bien choisi
Sommes de deux carrés Premiers \(\equiv 1 \pmod 4\) ; exposants pairs pour les premiers \(\equiv 3 \pmod 4\)

Exercices d'échauffement

  1. Lister les résidus quadratiques modulo \(11\).
  2. Montrer que \(x^2 \equiv -1 \pmod 7\) n'a pas de solution, et que \(2\) est un carré modulo \(7\).
  3. Montrer que l'équation \(x^2 + y^2 = 3z^2\) n'a pas d'autre solution entière que \((0, 0, 0)\). Indication : \(3\) divise \(x^2 + y^2\).
  4. Pour quels nombres premiers \(p > 3\) le nombre \(3\) est-il un carré modulo \(p\) ? Indication : réciprocité quadratique.
  5. Écrire \(13\) et \(29\) comme sommes de deux carrés, et montrer que \(21\) n'en est pas une.

Résidus quadratiques dans la shortlist

  • 2020 N2, solution 2 : si \(3\) n'est pas un résidu quadratique modulo \(p\), une paire d'îles est isolée du reste.
  • 2024 N6 : avec \(r\) non-résidu, \(a(X^2 - r)\) ne s'annule jamais modulo \(p\).
  • 2017 N8 : la somme étudiée vaut deux fois le nombre de résidus quadratiques non nuls inférieurs à \(\frac{p}{2}\).
  • 2022 N8, solution 2 : par réciprocité quadratique, \(\left(\frac{5}{m}\right) = -1\) alors que \(\left(\frac{3}{m}\right) = 1\).
  • 2025 N8 : on trouve un petit premier modulo lequel \(2\) est un carré.

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 5 (M. Aassila), p. 294 (résidus quadratiques, symbole de Legendre, lemme de Gauss), p. 295 (critère d'Euler et loi de réciprocité quadratique), p. 296 à 302 (exemples), p. 255 à 258 (premiers de la forme \(4k + 3\) et \(3k + 2\)), p. 259 à 261 (sommes de deux carrés, théorème de Fermat et lemme de Thue p. 260), p. 393 (diviseurs premiers de \(a^2 + 1\)).

Problèmes de la shortlist

11 problèmes · difficulté moyenne : ★★★★★ (4,0) · dont 1 choisi pour l'OIM
Répartition par difficulté : 1 ★ : 1 · 2 ★ : 1 · 3 ★ : 1 · 4 ★ : 2 · 5 ★ : 6

Problème Difficulté Concepts
2020 N2 ★☆☆☆☆ Graphes : degrés, chemins, arbres · Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme
2007 N2 ★★☆☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE
2008 N6 · OIM P3 ★★★☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2024 N6 ★★★★☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Principe des tiroirs · Double comptage
2012 N6 ★★★★☆ Ordre d'un élément et racines primitives · Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme · Théorème des restes chinois
2025 N8 ★★★★★ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2022 N8 ★★★★★ Principe extrémal · Principe des tiroirs · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2017 N8 ★★★★★ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Partie entière et majorations
2012 N8 ★★★★★ Double comptage · Ordre d'un élément et racines primitives · Cauchy-Schwarz et lemme de Titu
2011 N8 ★★★★★ Ordre d'un élément et racines primitives · Graphes : degrés, chemins, arbres
2009 N7 ★★★★★ Suites et récurrences · Valuations p-adiques et lemme LTE