WikiPrépaLivrets

ENS Mathématiques Paris Lyon MP 2003, épreuve PLSujet et corrigé

Téléchargements

  • Rapport du jury : non disponible

Présentation du sujet

Structure de groupe sur une courbe elliptique et théorème de Mordell-Weil
Afficher ou masquer la section

Le problème construit une structure de groupe commutatif de type fini sur l'ensemble des points rationnels d'une courbe elliptique y² = x³ - D²x, cas particulier du théorème de Mordell-Weil. Il combine un critère abstrait de finitude via une fonction de hauteur, la construction géométrique de la loi de groupe par alignement de points, et des arguments arithmétiques de divisibilité.

  1. 1Partie I : critère de type fini via une hauteurOn établit un critère abstrait selon lequel un groupe commutatif muni d'une hauteur admissible et de type fini modulo 2 est de type fini.
  2. 2Partie II : construction de la loi de groupe sur la courbeOn munit la courbe complétée par un point à l'infini d'une structure de groupe commutatif, en s'appuyant sur l'alignement de trois points et une paramétrisation par une fonction elliptique L.
  3. 3Partie III : formules explicites pour la loi de groupeOn établit des formules algébriques donnant les coordonnées de la somme, de la différence et du double d'un point de la courbe.
  4. 4Partie IV : démonstration du théorème de Mordell-WeilOn construit un morphisme vers un groupe fini pour montrer que le groupe des points rationnels est de type fini modulo 2, puis on construit une hauteur admissible sur ce groupe pour conclure grâce au critère de la partie I.

Ces sujets peuvent vous intéresser

Lecture du sujet en ligne

L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
Afficher ou masquer la section
SESSION 2003

Filière MP

MATHÉMATIQUES

Epreuve commune aux ENS de Paris et Lyon
Durée : 6 heures
L'usage de toute calculatrice est interdit.
Aucun document n'est autorisé.
Les symboles C, R, Q, Z et N désignent respectivement le corps des nombres complexes, le corps des nombres réels, le corps des nombres rationnels, l'anneau des entiers relatifs et l'ensemble des entiers naturels.
Dans tout ce problème, D est un entier impair sans facteur carré. Si S = {p_1, …, p_s}, où s est le cardinal de S , est l'ensemble des nombres premiers divisant D , alors 2 ∉ S et D est le produit des p_i, pour 1 ≤ i ≤ s.
L'objet du problème est l'étude de l'ensemble C(Q) des solutions (x, y) ∈ Q^2 de l'équation y^2 = x^3 − D^2 x, avec x > 0. Plus précisément, il s'agit de démontrer que l'on peut munir C^–(Q) = C(Q) ∪ {∞} d'une structure de groupe commutatif de type fini (cas particulier du théorème de Mordell-Weil). On note C l'ensemble des solutions dans R^2 de l'équation y^2 = x^3 − D^2 x, avec x > 0; on a donc C(Q) = C ∩ Q^2.
La partie I donne un critère permettant de montrer qu'un groupe commutatif est de type fini. La partie II munit C^– = C ∪ {∞} d'une structure de groupe commutatif. La partie III donne un certain nombre de formules relatives à cette loi de groupe, et la partie IV est consacrée à la démonstration du théorème de Mordell-Weil. Ces 4 parties reposent sur des techniques différentes et peuvent se traiter de manière indépendante (pour la partie III, on n'a besoin que de la définition de la loi d'addition donnée dans la question 6.b de la partie II, et la partie IV utilise de manière intensive les formules de la partie III mais pas leur démonstration).
Il sera tenu compte du soin apporté à la rédaction. En particulier, il est possible (et même recommandé) d'utiliser des résultats démontrés dans des questions antérieures, mais il faut indiquer la question où le résultat apparaît.

I

Dans cette partie, Γ est un groupe commutatif pour une loi notée + . L'élément neutre de Γ est noté 0 et l'opposé d'un élément x de Γ est noté − x. Si n ∈ Z et x ∈ Γ, on note nx l'élément de Γ évident ( 0x = 0 et (n + 1)x = nx + x si n ∈ Z ).
On dit que Γ est de type fini s'il existe r ∈ N et x_1, …, x_r ∈ Γ tels que tout élément x de Γ puisse s'écrire sous la forme ∑_(i = 1)^r n_i x_i, avec n_i ∈ Z, si 1 ≤ i ≤ r. On dit que Γ est de type fini modulo 2 s'il existe un sous-ensemble fini Z de Γ tel que tout élément x de Γ puisse s'écrire sous la forme z + 2y, avec z ∈ Z et y ∈ Γ.
On appelle hauteur sur Γ une application h : Γ → R_+telle qu'il existe M ≥ 0 tel que, quels que soient (x, y) ∈ Γ^2, on ait
|h(x + y) + h(x − y) − 2h(x) − 2h(y)| ≤ M
On dit que h est admissible si, quel que soit B ≥ 0, l'ensemble des éléments x de Γ vérifiant h(x) ≤ B est un ensemble fini.
  1. On note Γ_(tors) l'ensemble des x ∈ Γ tels qu'il existe n ∈ Z − {0} tel que nx = 0.
    1.a. Montrer que Γ_(tors) est un sous-groupe de Γ.
    1.b. Le groupe Γ_(tors) est-il nécessairement fini?
  2. Soit h une hauteur sur Γ.
    2.a. Montrer que, si x ∈ Γ, la suite de terme général 4^(− n)h(2^n x) tend vers une limite hˆ(x) quand n tend vers + ∞, et qu'il existe M^′ ≥ 0 tel que |h(x) − hˆ(x)| ≤ M^′, quel que soit x ∈ Γ.
    2.b. Montrer que hˆ vérifie l'identité:
hˆ(x + y) + hˆ(x − y) = 2hˆ(x) + 2hˆ(y) quels que soient x, y ∈ Γ.
2.c. Calculer hˆ(nx) en fonction de hˆ(x), si n ∈ Z.
3. On suppose que l'on peut munir Γ d'une hauteur admissible h.
3.a. Montrer que hˆ est une hauteur admissible sur Γ.
3.b. Montrer que hˆ(x) = 0 si et seulement si x ∈ Γ_(tors).
3.c. Montrer que Γ_(tors) est fini.
3.d. Montrer que, si x = z + 2y, alors hˆ(y) ≤ 1/2(hˆ(x) + hˆ(z)).
3.e. Montrer que si Γ est de type fini modulo 2 , alors il est de type fini.

II

On rappelle que C est l'ensemble des solutions (x, y) ∈ R^2 de l'équation y^2 = x^3 − D^2 x avec x > 0. (Il n'est probablement pas inutile de faire un dessin grossier de C .) Si(x_0, y_0) ∈ C , la tangente à C en (x_0, y_0) est la droite d'équation 2y_0(y − y_0) = (3x_0^2 − D^2)(x − x_0).
Si (u, v) ∈ R^∗ × R, notons ( u^′, v^′ ) le couple défini par u^′ = 1/u, v^′ = − v/u, et P_(u, v) et Q_(u^′, v^′) les polynômes définis par
P_(u, v)(x) = x^3 − D^2 x − (ux + v)^2 et Q_(u^′, v^′)(y) = (u^′ y + v^′)^3 − D^2(u^′ y + v^′) − y^2.
On note D_(u, v) la droite d'équation y = ux + v. On pourra utiliser sans démonstration les équivalences (I1) ⇔ (I2) ⇔ (I3), avec
(I1) (x, y) ∈ D_(u, v) ∩ C
(I2) x > 0, P_(u, v)(x) = 0 et y = ux + v
(I3) Q_(u^′, v^′)(y) = 0 et x = u^′ y + v^′ > 0
et, si (x_0, y_0) ∈ C ∩ D_(u, v), les équivalences (T1) ⇔ (T2) ⇔ (T3), avec
(T1)D_(u, v) est tangente à C en (x_0, y_0)
(T2) P_(u, v) a un zéro double en x_0
(T3) Q_(u^′, v^′) a un zéro double en y_0.
  1. Soit n(u, v) le cardinal de l'intersection de C avec la droite D_(u, v) d'équation y = ux + v.
    1.a. Montrer que n(u, v) ≤ 3.
    1.b. Montrer que U = {(u, v) ∈ R^∗ × R, n(u, v) = 3} est un ouvert de R^2.
    1.c. Montrer que, si n(u, v) ≥ 2 et si D_(u, v) n'est pas tangente à C , alors n(u, v) = 3.
    1.d. Montrer que, si (a, b) ∈ R^2, il n'existe qu'un nombre fini de points P de C tels que la tangente à C en P passe par ( a, b ).
  2. Si P = (x, y) ∈ C, on pose x(P) = x et y(P) = y.
    2.a. Montrer que, si t ∈ R, il existe un unique point P(t) de C vérifiant y(P(t)) = t, et que, si on pose F(t) = x(P(t)), alors C est l'ensemble des couples ( F(y), y ), avec y ∈ R.
    2.b. Montrer que F(y) ≥ D quel que soit y ∈ R, que F est paire, que l'on a F(y_1) = F(y_2) si et seulement si y_1 = ± y_2, et que F est de classe C^1 sur R.
    2.c. Montrer que |y|^(− 2/3) F(y) tend vers 1 quand y tend vers + ∞ ou vers − ∞.
    2.d. Soient a ∈ R^∗ et t ∈ R − {0, a, − a}. Notons D(a, t) la droite joignant P(t) à P(a) et H_a(t) l'élément de R défini par
atH_a(t) = − ((t − a)/(F(t) − F(a)))^3[((t F(a) − a F(t))/(t − a))^3 − D^2(t F(a) − a F(t))/(t − a)].
Montrer que l'on a les équivalences suivantes:
(i) H_a(t) ∉ {a, t} ⇔ P(H_a(t)) est le troisième point d'intersection de C et D(a, t);
(ii) H_a(t) = a ⇔ D(a, t) est la tangente à C en P(a);
(iii) H_a(t) = t ⇔ D(a, t) est la tangente à C en P(t).
2.e. Calculer la limite de H_a(t) quand t tend vers + ∞. Que devient la droite D(a, t) ?
3. On déduit des questions 2.b et 2.c la convergence absolue de l'intégrale ∫_(− ∞)^(+ ∞)(2dt)/(3 F(t)^2 − D^2). On note Ω la valeur de l'intégrale ∫_(− ∞)^(+ ∞)(2dt)/(3 F(t)^2 − D^2), et on définit une fonction y ↦ L(y) par la formule
L(y) = ∫_(− ∞)^y(2dt)/(3 F(t)^2 − D^2)
3.a. Montrer que L induit une bijection de R sur ]0, Ω[.
3.b. Calculer L(y) + L(− y) si y ∈ R.
4. Soient x_1, …, x_n, des nombres complexes distincts deux à deux.
4.a. Montrer que, si Q ∈ C[X] est de degré ≤ n − 1, alors
Q(X) = ∑_(i = 1)^n Q(x_i)(∏_(j ≠ i)(X − x_j)/(x_i − x_j)).
4.b. Montrer que, si P(X) = ∏_(i = 1)^n(X − x_i), alors ∑_(i = 1)^n(x_i^k)/(P^′(x_i)) = 0 si k ∈ {0, …, n − 2} (avec la convention 0^0 = 1 ) et calculer ∑_(i = 1)^n(x_i^(n − 1))/(P^′(x_i)).
5.
5.a. Soit I un intervalle ouvert de R, et soient t ↦ y_1(t), t ↦ y_2(t) et t ↦ y_3(t) des fonctions de classe C^1 de I dans R telles que, quel que soit t ∈ I, les points P_i(t) = (x_i(t), y_i(t)) = P(y_i(t)), i ∈ {1, 2, 3}, soient distincts deux à deux et alignés. Montrer que la fonction
t ↦ G(t) = L(y_1(t)) + L(y_2(t)) + L(y_3(t))
est constante sur I. (On introduira l'équation y = u(t)x + v(t) de la droite contenant les P_i(t) et on commencera par vérifier que u et v sont de classe C^1 sur I.)
5.b. Montrer que, si H_a(t) est la quantité introduite à la question 2.d, alors L(a) + L(t) + L(H_a(t)) = 2Ω quels que soient a > 0 et t > a.
5.c. Montrer que, si y_1, y_2, y_3 sont trois éléments de R, distincts deux à deux, tels que P(y_1), P(y_2) et P(y_3) sont alignés, alors L(y_1) + L(y_2) + L(y_3) ∈ {Ω, 2Ω}.
5.d. Montrer que, si y_1 ≠ y_2, et si P(y_2) est sur la tangente à C en P(y_1), alors 2 L(y_1) + L(y_2) ∈ {Ω, 2Ω}.
5.e. Montrer que, si y_1, y_2, y_3 sont trois éléments de R, distincts deux à deux, tels que L(y_1) + L(y_2) + L(y_3) ∈ ΩZ, alors P(y_1), P(y_2) et P(y_3) sont alignés.
6. Soit G le groupe des nombres complexes de module 1 et soit E : C^– → G l'application définie par E(∞) = 1 et E(P(y)) = exp((2iπ)/Ω L(y)) si y ∈ R.
6.a. Montrer qu'il existe, sur C^–, une unique loi de groupe commutatif + telle que l'on ait E(P + Q) = E(P)E(Q). Montrer de plus, que, si P + Q ≠ ∞, alors L(y(P + Q)) = L(y(P)) + L(y(Q)) si L(y(P)) + L(y(Q)) < Ω et L(y(P + Q)) = L(y(P)) + L(y(Q)) − Ω si L(y(P)) + L(y(Q)) > Ω.
6.b. Montrer que ∞ est l'élément neutre pour + et que, si P_1 = (x_1, y_1), P_2 = (x_2, y_2) et P_3 = (x_3, y_3) sont trois éléments distincts de C , alors P_1 + P_2 + P_3 = ∞ si et seulement si P_1, P_2 et P_3 sont alignés.
6.c. Montrer que, si P ∈ C, alors l'opposé -P de P pour la loi + est le symétrique de P par rapport à l'axe des x.
6.d. Montrer que si P ∈ C^–, l'équation 2Q = P a toujours des solutions; combien en a-t-elle?
6.e. Montrer que, si y_1 + y_2 ≠ 0, et si z_1 tend vers y_1 et z_2 tend vers y_2, alors y(P(z_1) + P(z_2)) tend vers y(P(y_1) + P(y_2)). Que se passe-t-il si y_1 + y_2 = 0 ?

III

Dans les questions 1.b, 2.b et 4, les formules que l'on cherche à établir vont par groupe; dans chaque groupe, on démontrera la formule qui n'est pas entre crochets, et on admettra les autres.
  1. Soient P_1 = (x_1, y_1) et P_2 = (x_2, y_2) deux éléments de C , avec x_1 ≠ x_2, et soit P_3 = (x_3, y_3) ∈ C défini par P_1 + P_2 + P_3 = ∞.
    1.a. Montrer que x_1, x_2, x_3 sont les racines du polynôme
P(x) = x^3 − D^2 x − (y_1 + (y_2 − y_1)/(x_2 − x_1)(x − x_1))^2.
En déduire que l'on a
x_3 = ((x_1^2 + x_1 x_2 + x_2^2 − D^2)/(y_1 + y_2))^2 − x_1 − x_2 et y_3 = (x_1^2 + x_1 x_2 + x_2^2 − D^2)/(y_1 + y_2)(x_3 − x_1) + y_1.
(On commencera par supposer que P_1, P_2 et P_3 sont distincts.)
1.b. Établir les formules (la formule entre crochets sera admise sans démonstration):
(x_1 + D)(x_2 + D)(x_3 + D), = (((x_1 + D)y_2 − (x_2 + D)y_1)/(x_2 − x_1))^2; [x_1 x_2 x_3, = ((x_1 y_2 − x_2 y_1)/(x_2 − x_1))^2].
  1. Soit P = (x, y) ∈ C, avec y ≠ 0 et 2P = (x^′, y^′).
    2.a. Établir les formules:
x^′ = ((3x^2 − D^2)/(2y))^2 − 2x et − y^′ = (3x^2 − D^2)/(2y)(x^′ − x) + y.
2.b. Montrer que l'on a x^′ = ((x^2 + D^2)/(2y))^2. On admettra que, de même,
[x^′ + D = ((x^2 + 2Dx − D^2)/(2y))^2 et x^′ − D = ((x^2 − 2Dx − D^2)/(2y))^2].
  1. Montrer que C^–(Q) est un sous-groupe de C^–.
  2. Soient P_1 = (x_1, y_1) et P_2 = (x_2, y_2) deux éléments de C(Q), avec x_1 ≠ x_2, et soient P_3 = P_1 + P_2 = (x_3, y_3) et P_4 = P_1 − P_2 = (x_4, y_4). Établir les formules (la formule entre crochets sera admise sans démonstration):
(x_3 + D)(x_4 + D) = ((x_1 x_2 + D(x_1 + x_2) − D^2)/(x_2 − x_1))^2 et [x_3 x_4 = ((x_1 x_2 + D^2)/(x_2 − x_1))^2]

IV

IV. A

  1. Si p est un nombre premier et a ∈ Z − {0}, on définit l'entier v_p(a) comme le plus grand entier n tel que p^n divise a (par exemple 48 = 3 ⋅ 2^4 et donc v_2(48) = 4, v_3(48) = 1 et v_p(48) = 0 si p ∉ {2, 3} ). On a v_p(ab) = v_p(a) + v_p(b), ce qui permet d'étendre v_p à Q^∗ grâce à la formule v_p(ab^(− 1)) = v_p(a) − v_p(b). Si a ∈ Q^∗, alors v_p(a) = 0 sauf pour un nombre fini de nombres premiers p et, si a est positif, alors a = ∏_p p^(v_p(a)). Si v ∈ Z, on note v¯ son image dans Z/2Z.
    1.a. Montrer que a ∈ Q^∗ est un carré si et seulement si a > 0 et v_p(a)^– = 0 quel que soit le nombre premier p.
    1.b. Montrer que, si a, b ∈ Q^∗ vérifient v_p(a) < v_p(b), alors v_p(a + b) = v_p(a).
  2. Soit P = (x, y) ∈ C(Q), et soit c ∈ {1, 4, 9, 16, …} le plus petit carré (d'entier) tel que a = cx ∈ Z.
    2.a. Montrer que, si v_p(c) ≥ 1, alors v_p(c) ≥ 2 et v_p(a) ∈ {0, 1}.
    2.b. Montrer que a(a − Dc)(a + Dc) est un carré.
    2.c. Montrer que, si p ∉ S ∪ {2}, alors v_p(a) et v_p(a + Dc) sont des nombres pairs.
  3. Soit φ : C^–(Q) → (Z/2Z)^(2s + 2) l'application qui envoie ∞ sur (0, …, 0) et P = (x, y) sur
(v_2(x)^–, v_(p_1)(x)^–, …, v_(p_s)(x)^–, v_2(x + D)^–, v_(p_1)(x + D)^–, …, v_(p_s)(x + D)^–)
3.a. Montrer que φ est un morphisme de groupes de C^–(Q) dans (Z/2Z)^(2s + 2).
3.b. Montrer que, si P = (x^′, y^′) ∈ C(Q) est tel que x^′, x^′ − D et x^′ + D sont des carrés dans Q, et si Q ∈ C est une solution de l'équation 2Q = P, alors Q ∈ C(Q).
3.c. Caractériser le noyau de φ.
3.d. Montrer que C^–(Q) est de type fini modulo 2 .

IV. B

IV. B

On définit une fonction h : C^–(Q) → R_+en envoyant ∞ sur 0 et P = (x, y) sur log(a + Dc) = log(c(x + D)), si c est le plus petit carré rendant a = cx entier.
  1. Montrer que, quel que soit P ∈ C^–(Q), on a
h(2P) ≤ 4h(P).
  1. Soient P_1 = (x_1, y_1) et P_2 = (x_2, y_2) deux éléments de C(Q), avec x_1 ≠ x_2, et soient P_3 = P_1 + P_2 = (x_3, y_3) et P_4 = P_1 − P_2 = (x_4, y_4). Soit c_1 (resp. c_2 ) le plus petit carré rendant a_1 = c_1 x_1 (resp. a_2 = c_2 x_2 ) entier.
    2.a. Montrer que, si d divise T = a_1 a_2 + D^2 c_1 c_2, U = a_1 a_2 − D^2 c_1 c_2 + D(a_1 c_2 + a_2 c_1) et V = a_1 c_2 − a_2 c_1, alors d divise aussi 2a_1(a_2 + Dc_2) et 2a_2(a_1 + Dc_1) ainsi que 4D^2 a_1 c_2^2 et 4D^2 a_2 c_1^2.
    2.b. Montrer que, si p ∉ S ∪ {2}, alors p ne divise pas 4D^2 a_1 c_2^2, 4D^2 a_2 c_1^2 ou a_1 a_2 + D^2 c_1 c_2 (on commencera par montrer que p ne divise ni le p.g.c.d. de a_1 et c_1, ni celui de a_2 et c_2 ).
    2.c. Montrer que, si p ∈ S ∪ {2}, alors p^4 ne divise pas 4D^2 a_1 c_2^2, 4D^2 a_2 c_1^2 ou a_1 a_2 + D^2 c_1 c_2.
    2.d. Montrer que le p.g.c.d. de a_1 a_2 + D^2 c_1 c_2, a_1 a_2 − D^2 c_1 c_2 + D(a_1 c_2 + a_2 c_1) et a_1 c_2 − a_2 c_1 divise (2D)^3.
    2.e. Montrer que, si x_3 x_4 = d/e et (x_3 + D)(x_4 + D) = (d^′)/e, où d, d^′ et e sont des entiers, si c_3 (resp. c_4 ) est le plus petit carré rendant a_3 = c_3 x_3 (resp. a_4 = c_4 x_4 ) entier, et si δ = p.g.c.d. (d, d^′, e), alors (c_3 c_4 δ)/e est entier et h(P_3) + h(P_4) ≥ logd^′ − logδ.
    2.f. Montrer que, quels que soient (P_1, P_2) ∈ C(Q)^2 avec P_1 ± P_2 ≠ ∞, on a
h(P_1 + P_2) + h(P_1 − P_2) ≥ 2(h(P_1) + h(P_2)) − 2log(2(2D)^3).
  1. On suppose dorénavant que le groupe C^–(Q) est infini.
    3.a. Montrer que les seules solutions de l'équation 2P = ∞ sont P = ∞ et P = (D, 0).
    3.b. Montrer que h(2P) ≥ 4h(P) − 6log(2(2D)^3) quel que soit P ∈ C^–(Q).
    3.c. Montrer qu'il existe A > 0 tel que, quels que soient (P, Q) ∈ C^–(Q)^2, on ait
h(P + Q) + h(P − Q) ≥ 2(h(P) + h(Q)) − A
3.d. Montrer que h est une hauteur sur C^–(Q).
3.e. Montrer que h est une hauteur admissible sur C^–(Q).
3.f. Montrer que C¯(Q)_(tors) est un groupe fini et que C¯(Q) est de type fini.

Questions fréquentes

4 questions
Sur quels chapitres porte ce sujet de maths MP ENS 2003 ?
Afficher ou masquer la section

Sur quels chapitres porte ce sujet de maths MP ENS 2003 ?

Il porte sur la théorie des groupes, l'étude de courbes planes, les intégrales généralisées et l'arithmétique des valuations p-adiques, réunis pour démontrer un cas particulier du théorème de Mordell-Weil.

Quelles parties sont indépendantes dans ce sujet ?

L'énoncé précise que les quatre parties reposent sur des techniques différentes et peuvent se traiter de manière indépendante, la partie III n'utilisant que la définition de l'addition donnée en partie II, et la partie IV utilisant les formules de la partie III sans leur démonstration.

Qu'est-ce que le théorème de Mordell-Weil évoqué dans ce sujet ?

C'est le résultat, ici démontré dans un cas particulier, selon lequel le groupe des points rationnels d'une courbe elliptique est un groupe commutatif de type fini.

Ce sujet est-il accessible sans connaître la théorie des courbes elliptiques ?

Oui, l'énoncé construit entièrement les objets nécessaires (loi de groupe, fonction de hauteur, morphisme vers un groupe fini) à partir des programmes d'algèbre, d'analyse et d'arithmétique de la classe préparatoire.

Pas de description pour le moment