Corps finis I

On démontre les propriétés fondamentales des corps finis en raisonnant uniquement en termes de polynômes sur \(\F_p\).

On reviendra plus tard sur ce sujet muni de la théorie des extensions de corps ou de la théorie de Galois.

Structure

corps \(F_p\), construction d’un corps de cardinal \(p^n\) quand \(P\) irreductible de degré \(n\).

ex

\(\F_4\), \(\F_{7^3}\) via \(x^3-2\)

Théorème

Soit K un corps fini de cardinal q. Il existe p premier et \(n\geq1\) tel que \(q=p^n\). Réciproquement, pour tout q de la forme \(p^n\), il existe un corps fini de cardinal q.

Démonstration

  • noyau de \(\Z\to K\) de la forme \(p\Z\), si bien que \(K\) est un \(\F_p\) espace vectoriel -> base -> \(p^n\)

  • on le fera plus tard ( besoin soit de l’existence d’un irréductible de degré n, soit du Frob pour mq les racines de \(x^{p^n}-x\) forment un corps).

Théorème

Soit K fini de cardinal q. Alors tout élément de K est racine de \(x^q-x\) et K est égal à l’ensemble des racines de \(x^q-x\). On dit que \(x^q-x\) est scindé sur K.

Théorème

K* cyclique = racines de \(x^{p^d-1}-1\)

Théorème

Soit \(G\) un sous-groupe fini de \(K^\ast\), \(K\) corps (commutatif). Alors \(G\) est cyclique.

Démonstration

  • Dans un groupe abélien, si \(x\) est d’ordre \(a\) et \(y\) d’ordre \(b\), il existe \(z\) d’ordre \(\ppcm(a,b)\).

  • Donc il existe un élément \(g\in G\) d’ordre l’exposant \(m\) de \(G\), c’est-à-dire le ppcm des ordres de tous les éléments de \(G\).

  • En outre tout élément de G est racine de \(x^m-1\) qui a au plus \(m\) racines, donc \(m=\#G\) et \(g\) engendre \(G\).

Théorème

Soit K de cardinal \(q=p^n\). Alors il existe un polynôme irréductible de de degré \(n\) tel que \(K=\F_p[x]/(P)\).

Démonstration

on considère un générateur de \(K*\) et son minimal.

Unicité

Théorème

Si P irréductible a une racine dans K de cardinal q, alors P est scindé dans K

Démonstration

P irréductible divise \(x^q-x\) qui est scindé dans K.

Théorème

Soient K1 et K2 deux corps finis de même cardinal p^n, alors K1 est isomorphe à K2, et il existe n tels isomorphismes

Factorisation des polynômes

Lemme

Soit \(x\) une variable ou un entier, et \(n\equiv r\bmod m\), alors

  • \(x^n-1\equiv x^r-1\bmod x^m-1\).

  • \(x^{p^n-1}-1\equiv x^{p^r-1}-1\bmod x^{p^m-1}-1\).

Démonstration

  • on écrit \(n=mq+r\), alors \(x^n-1=(x^{mq}-1)x^r+(x^r-1)\) et \(x^{mq}-1=(x^m-1)\sum_{k=0}^{q-1}x^{mk}\).

  • on applique deux fois le premier point.

Théorème

Sur \(\F_p[x]\) \(x^{p^n}-x\) est produit de tous les irréductibles unitaires de degré \(d\mid n\).

Démonstration

  • soit \(P_d\) un irréductible de degré \(d\), alors en regardant un corps de rupture \(P_d\) divise \(x^{p^d}-x\), donc \(x^{p^n}-x\) pour \(n\) multiple de \(d\). Ainsi le produit des irréductibles de degré \(d\mid n\) divise \(x^{p^n}-x\).

  • réciproquement, tout facteur irréductible de degré \(k\) de \(x^{p^n}-x\) divise \(x^{p^k}-x\), donc divise \(x^{p^r}-x\), où \(r\) est le reste de la division de \(n\) par \(k\). Par récurrence sur \(n\), on peut supposer que \(x^{p^r}-x\) est produit des irréductibles de degré divisant \(r\), donc \(k\mid r=0\). Ainsi, \(k\mid n\).

Théorème

\(P(x)\in\F_p[x]\) de degré \(k\) est irréductible

  • si et seulement si \(\pgcd(P,x^{p^d}-x)=1\) pour tout \(d\leq K/2\).

  • si et seulement si \(P\mid x^{p^n}-x\) et pour tout facteur premier \(q\) de \(n\), \(P\nmid x^{p^{\frac nq}}-x\).

Démonstration

  • irréductible ssi pas de facteur de degré \(d\leq k/2\)

  • ssi aucun diviseur des \(x^{p^d}-x\) pour \(d\leq k/2\),

  • ssi les pgcd valent 1

Automorphisme de Frobenius

Morphisme de Frobenius

Soit A une \(\F_p\)-algèbre (un anneau contenant \(\F_p\)). Alors \(\phi_p:a\to a^p\) est un morphisme \(\F_p\)-linéaire, en particulier

  • \(a^p=a\) pour tout \(a\in\F_p\),

  • \((a+b)^p = a^p+b^p\) pour tous \(a,b\) dans \(A\).

De plus

  • si A est intègre, \(\phi_p\) est injectif,

  • si A est un corps, pour tout \(a\in A\), \(\phi_p(a)=a\) ssi \(a\in F_p\).

Démonstration

  • en développant par le binôme, les termes \((p j)\) sont nuls pour \(0<j<p\)

  • \(a^p=b^p\) ssi \((a-b)^p=0\) ssi \(a=b\) quand \(A\) est intègre

  • \(a^p=a\) si \(a\in F_p\) ce qui fait déjà \(p\) racines dans un corps.

Théorème

Soit \(\F_p\subset L\) un corps.

  • si \(P\in L[x]\), alors \(P(x)^p = P(x)\) ssi \(P\in F_p[x]\).

  • si \(P\in\F_p[x]\), alors \(P(\alpha)=0 \Leftrightarrow P(\alpha^p)=0\)

  • si \(P\in\F_p[x]\) est irréductible de degré \(k\) et \(a\in L\) est racine de \(P\), alors ses racines sont \(\alpha,\alpha^p,\dots \alpha^{p^{k-1}}\).

Application:

isomorphismes de la forme \(x\mapsto x^k\)\(P(x^k)\equiv 0[Q]\) (remarque: k n’est pas de la forme \(p^e\))