Famille de polynômes sur F5

Soit $n \geq 2$.
Le polynôme $\Delta_n=X^{2^{n-2}}-2$ est irréductible sur le corps $\mathbb{F}_5$.

Salut
Est-ce que quelqu'un sait comment vérifier cette proposition ... (j'ai un semblant de preuve, mais bien technique ${}^\bigstar$). Par contre, je n'ai pas trop les capacités informatiques pour faire des tests, j'utilise xcas comme logiciel et j'ai du mal !!!

${}^\bigstar$ Todo ... ma démo.
On a : $$(X^{2^{n-2}}-2)(X^{2^{n-2}}+2)=X^{2^{n-1}}-4=X^{2^{n-1}}+1 \qquad \qquad (1)
$$ car on travaille sur $\mathbb{F}_5$, donc $4=-1$.
D'autre part, on introduit la suite de polynôme cyclotomique $\Phi_n$
--- Explication ----

On a $\ (2) \qquad \Phi_2=X+1$ et $\Phi_{2^n}=\Phi_2(X^{2^{n-1}})$, donc $\quad X^{2^{n-1}}+1=\Phi_{2^{n}}$.

En groupant (1) et (2) : $$
\Phi_{2^{n}}=\Delta_n \times (X^{2^{n-2}}+2)
$$ Donc $\Phi_{2^n}$ se décompose en au moins deux facteurs.

On va montrer que : $\Phi_{2^{n}}$ se décompose en exactement $2$ facteurs irréductibles sur $\mathbb{F}_5$.

Pour cela on va prendre deux points de vues :
1/ Calculer l'ordre de $5$ dans le groupe des inversibles de l'anneau $\mathbb Z/2^{n}\mathbb Z$.
2/ Relier cet ordre au nombre de facteurs dans la décomposition de $\Phi_{2^{n}}$ en polynômes irréductibles sur le corps $\mathbb{F}_5$.

Dis rapidement, on va prouver que le degré des facteurs irréductibles de $\Phi_{2n}$ sur $\mathbb{F}_5$ est exactement l'ordre de $5$ dans le groupe des inversibles de l'anneau $\mathbb Z/2^{n}\mathbb Z$.
1/ On utilise wikipédia : ici
La classe de $5$ est d'ordre $2^{n-2}$

2/ Soit $\zeta$ une racine de $\Phi_{2^{n}}$ dans une clôture algébrique dont le polynôme minimal est de degré $r$ : un facteur irréductible de .$\Phi_{2^{n}}$. Alors $\zeta \in \mathbb{F}_{5^r}$ (car il n'y a qu'une seul extension de degré $r$). D'après le théorème de Lagrange (sur le groupe des unitées),
$\zeta^{5^r-1}=1$. Donc ordre$(\zeta)$ divise $5^r-1$. Mais ordre$(\zeta)=2^{n}$. Donc :

$$5^r=1, \quad \textrm{ dans } Z / 2^{n}Z$$

Le degré de $\zeta$ est donc l'ordre de $5$ dans $Z / 2^{n}Z ^\star$. Donc le degré de $\zeta$ est $2^{n-2}$. Et donc les facteurs irréductibles de $\Phi_{2^{n}}$ sont de degré $2^{n-2}$, par conséquent il y a : $$ \frac{{2^{n-1}}}{{2^{n-2}}}=2$$
facteurs irréductibles ... en effet $\Phi_{2^{n}}$ est de degré $\phi({2^{n}})=2^{n-1}$ (indicatrice d'Euler).


Merci d'avance,

Réponses

  • Un moyen général, mais pas nécessairement toujours très pratique, de vérifier (au moins algorithmiquement) l'irréductibilité d'un polynôme $P$ de degré $N$ sur $\mathbb{F}_p$ est le suivant :

    1. $P \mid X^{p^N} - X$ dans $\mathbb{F}_p [X]$ ;

    2. Pour tout diviseur premier $q$ de $N$, $\textrm{pgcd} \left( P,X^{p^{N/q}} - X \right) = 1$.

    À voir si cela peut t'être utile ou pas.
  • Je regarde ton message plus tard ... j'ai taper ma démonstration ... et je vais voir si ton critère s'applique (tu)
  • Il me semble que l'exercice ci-dessous est un classique. (A vérifier, je ne suis plus sur à 100%).

    Proposition : Soit $n\in\mathbb{N}^\ast$ premier avec la caractéristique $p>0$ d'un corps $K$ et soit $a\in K$. Le polynôme $X^n-a\in K[X]$ est irréductible sur $K$ si et seulement si il n'admet pas de racine dans $K$.

    Si $K$ est de caractéristique nulle, la proposition est vraie quel que soit $n$.
  • J'ai un petit souci de degré !!!

    C'est bon ... mais je dois changer n:=n-2 dès le départ
  • @MrJ

    Je pense que ton critère fonctionne dans mon exemple. Si $a \in \mathbb{F}_5$, alors $a^4=1$ donc
    Prenons $n \geq 2$, $a^{2^n}=(a^4)^{2^{n-2}}=1$.

    Mais il me semble que ton critère n'est pas valide (ou je n'ai pas compris). ?

    Par exemple, le polynôme $X^4+1$ est réductible dans $\mathbb{F}_3$ sans avoir de racine ...
    $X^4+1=(X^2+X-1)(X^2-X-1)$

    PS : il y a des critères dans le livre de Pascal Ortiz, correction des exercices du Perrin.
  • Critère général sans aucune hypothèse sur le corps commutatif de base $K$. Le polynôme $X^n - a$ est irréductible si et seulement si pour tout diviseur premier $q$ de $n$, on a $a \notin K^q$ et, au cas où $4 \mid n$, si $a \notin -4K^4$. Référence Lang Algebra. Je peux localiser plus précis si tu le souhaites. Ce n'est pas immédiat et je pourrais même te dire ce que Lang en dit si je retrouve mes billes.
  • Merci Claude.

    C'est immédiat du coup, enfin modulo la preuve de ce critère.
  • J'ai retrouvé mes billes mais je pense que la référence que je donne à Lang dans le pdf attaché est obsolète car mon édition n'est pas récente. Je me souvenais de cela à cause de la vanne (douteuse) que j'avais faite (question a). Manque de pot, l'exercice n'est pas corrigé. J'ai souvenir que c'était quand même pas mal de boulot et que ce n'était pas si simple. Je pense que mon exercice suit Lang en le détaillant. Mais il y a si longtemps (je crois que je l'ai donné une seule fois en T.D.)

    La question a n'est pas trop difficile.
  • Alors il y a un démonstration du critère dans le cas où $n$ est un puissance d'un nombre premier. Dans le livre de Pascal Ortiz (p137, 138) avec une référence au livre de S. Lang.
  • C'est effectivement une étape assez difficile. Ensuite, en deuxième étape (plus facile je pense), faut se payer ``l'assemblage'' pour $n,m$ premiers entre eux :
    $$
    X^{nm} - a \hbox { est irréductible} \quad \Longleftrightarrow \quad
    \hbox {$X^{n} - a$ et $X^m -a$ sont irréductibles}
    $$
    Amuse toi bien.
  • Hum, je suis plutôt corps fini pour le moment :D ... je vais plutôt faire mumuse avec GL$_2(\mathbb{F}_5)$ et ses copains. Merci pour ton texte.
  • Désolé flipflop, j'avais oublié l'hypothèse que $n$ est un nombre premier dans mon énoncé. Du coup, mon énoncé ne sert à rien pour ton exercice. Désolé.
  • Pas de soucis MrJ, Claude a donner une version précise.
  • Super l'exercice Claude Quitté (On vient de commencer les corps finis en cours: théorie de Galois)!
  • Un petit up !
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