ENS Mathématiques Paris Lyon MP 2003, épreuve PLSujet et corrigé
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Structure de groupe sur une courbe elliptique et théorème de Mordell-WeilAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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Filière MP
MATHÉMATIQUES
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I
- On note
Γ_(tors) l'ensemble desx ∈ Γ tels qu'il existen ∈ Z − {0} tel quenx = 0 .
1.a. Montrer queΓ_(tors) est un sous-groupe deΓ .
1.b. Le groupeΓ_(tors) est-il nécessairement fini? - Soit
h une hauteur surΓ .
2.a. Montrer que, six ∈ Γ , la suite de terme général4^(− n)h(2^n x) tend vers une limitehˆ(x) quandn tend vers+ ∞ , et qu'il existeM^′ ≥ 0 tel que|h(x) − hˆ(x)| ≤ M^′ , quel que soitx ∈ Γ .
2.b. Montrer quehˆ vérifie l'identité:
3. On suppose que l'on peut munir
3.a. Montrer que
3.b. Montrer que
3.c. Montrer que
3.d. Montrer que, si
3.e. Montrer que si
II
(I1)
(I2)
(I3)
et, si
(T2)
(T3)
- Soit
n(u, v) le cardinal de l'intersection de C avec la droiteD_(u, v) d'équationy = ux + v .
1.a. Montrer quen(u, v) ≤ 3 .
1.b. Montrer queU = {(u, v) ∈ R^∗ × R, n(u, v) = 3} est un ouvert deR^2 .
1.c. Montrer que, sin(u, v) ≥ 2 et siD_(u, v) n'est pas tangente à C , alorsn(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 ). - Si
P = (x, y) ∈ C , on posex(P) = x ety(P) = y .
2.a. Montrer que, sit ∈ R , il existe un unique pointP(t) de C vérifianty(P(t)) = t , et que, si on poseF(t) = x(P(t)) , alors C est l'ensemble des couples (F(y), y ), avecy ∈ R .
2.b. Montrer queF(y) ≥ D quel que soity ∈ R , que F est paire, que l'on aF(y_1) = F(y_2) si et seulement siy_1 = ± y_2 , et que F est de classeC^1 surR .
2.c. Montrer que|y|^(− 2/3) F(y) tend vers 1 quandy tend vers+ ∞ ou vers− ∞ .
2.d. Soienta ∈ R^∗ ett ∈ R − {0, a, − a} . NotonsD(a, t) la droite joignantP(t) àP(a) etH_a(t) l'élément deR défini par
(i)
(ii)
(iii)
2.e. Calculer la limite de
3. On déduit des questions 2.b et 2.c la convergence absolue de l'intégrale
3.b. Calculer
4. Soient
4.a. Montrer que, si
5.
5.a. Soit I un intervalle ouvert de
5.b. Montrer que, si
5.c. Montrer que, si
5.d. Montrer que, si
5.e. Montrer que, si
6. Soit
6.a. Montrer qu'il existe, sur
6.b. Montrer que
6.c. Montrer que, si
6.d. Montrer que si
6.e. Montrer que, si
III
- Soient
P_1 = (x_1, y_1) etP_2 = (x_2, y_2) deux éléments de C , avecx_1 ≠ x_2 , et soitP_3 = (x_3, y_3) ∈ C défini parP_1 + P_2 + P_3 = ∞ .
1.a. Montrer quex_1, x_2, x_3 sont les racines du polynôme
1.b. Établir les formules (la formule entre crochets sera admise sans démonstration):
- Soit
P = (x, y) ∈ C , avecy ≠ 0 et2P = (x^′, y^′) .
2.a. Établir les formules:
- Montrer que
C^–(Q) est un sous-groupe deC^– . - Soient
P_1 = (x_1, y_1) etP_2 = (x_2, y_2) deux éléments deC(Q) , avecx_1 ≠ x_2 , et soientP_3 = P_1 + P_2 = (x_3, y_3) etP_4 = P_1 − P_2 = (x_4, y_4) . Établir les formules (la formule entre crochets sera admise sans démonstration):
IV
IV. A
- Si
p est un nombre premier eta ∈ Z − {0} , on définit l'entierv_p(a) comme le plus grand entiern tel quep^n divisea (par exemple48 = 3 ⋅ 2^4 et doncv_2(48) = 4, v_3(48) = 1 etv_p(48) = 0 sip ∉ {2, 3} ). On av_p(ab) = v_p(a) + v_p(b) , ce qui permet d'étendrev_p àQ^∗ grâce à la formulev_p(ab^(− 1)) = v_p(a) − v_p(b) . Sia ∈ Q^∗ , alorsv_p(a) = 0 sauf pour un nombre fini de nombres premiersp et, sia est positif, alorsa = ∏_p p^(v_p(a)) . Siv ∈ Z , on notev¯ son image dansZ/2Z .
1.a. Montrer quea ∈ Q^∗ est un carré si et seulement sia > 0 etv_p(a)^– = 0 quel que soit le nombre premierp .
1.b. Montrer que, sia, b ∈ Q^∗ vérifientv_p(a) < v_p(b) , alorsv_p(a + b) = v_p(a) . - Soit
P = (x, y) ∈ C(Q) , et soitc ∈ {1, 4, 9, 16, …} le plus petit carré (d'entier) tel quea = cx ∈ Z .
2.a. Montrer que, siv_p(c) ≥ 1 , alorsv_p(c) ≥ 2 etv_p(a) ∈ {0, 1} .
2.b. Montrer quea(a − Dc)(a + Dc) est un carré.
2.c. Montrer que, sip ∉ S ∪ {2} , alorsv_p(a) etv_p(a + Dc) sont des nombres pairs. - Soit
φ : C^–(Q) → (Z/2Z)^(2s + 2) l'application qui envoie∞ sur(0, …, 0) etP = (x, y) sur
3.b. Montrer que, si
3.c. Caractériser le noyau de
3.d. Montrer que
IV. B
IV. B
- Montrer que, quel que soit
P ∈ C^–(Q) , on a
- Soient
P_1 = (x_1, y_1) etP_2 = (x_2, y_2) deux éléments deC(Q) , avecx_1 ≠ x_2 , et soientP_3 = P_1 + P_2 = (x_3, y_3) etP_4 = P_1 − P_2 = (x_4, y_4) . Soitc_1 (resp.c_2 ) le plus petit carré rendanta_1 = c_1 x_1 (resp.a_2 = c_2 x_2 ) entier.
2.a. Montrer que, sid diviseT = 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) etV = a_1 c_2 − a_2 c_1 , alorsd divise aussi2a_1(a_2 + Dc_2) et2a_2(a_1 + Dc_1) ainsi que4D^2 a_1 c_2^2 et4D^2 a_2 c_1^2 .
2.b. Montrer que, sip ∉ S ∪ {2} , alorsp ne divise pas4D^2 a_1 c_2^2, 4D^2 a_2 c_1^2 oua_1 a_2 + D^2 c_1 c_2 (on commencera par montrer quep ne divise ni le p.g.c.d. dea_1 etc_1 , ni celui dea_2 etc_2 ).
2.c. Montrer que, sip ∈ S ∪ {2} , alorsp^4 ne divise pas4D^2 a_1 c_2^2, 4D^2 a_2 c_1^2 oua_1 a_2 + D^2 c_1 c_2 .
2.d. Montrer que le p.g.c.d. dea_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) eta_1 c_2 − a_2 c_1 divise(2D)^3 .
2.e. Montrer que, six_3 x_4 = d/e et(x_3 + D)(x_4 + D) = (d^′)/e , oùd, d^′ ete sont des entiers, sic_3 (resp.c_4 ) est le plus petit carré rendanta_3 = c_3 x_3 (resp.a_4 = c_4 x_4 ) entier, et siδ = p.g.c.d.(d, d^′, e) , alors(c_3 c_4 δ)/e est entier eth(P_3) + h(P_4) ≥ logd^′ − logδ .
2.f. Montrer que, quels que soient(P_1, P_2) ∈ C(Q)^2 avecP_1 ± P_2 ≠ ∞ , on a
- On suppose dorénavant que le groupe
C^–(Q) est infini.
3.a. Montrer que les seules solutions de l'équation2P = ∞ sontP = ∞ etP = (D, 0) .
3.b. Montrer queh(2P) ≥ 4h(P) − 6log(2(2D)^3) quel que soitP ∈ C^–(Q) .
3.c. Montrer qu'il existeA > 0 tel que, quels que soient(P, Q) ∈ C^–(Q)^2 , on ait
3.e. Montrer que
3.f. Montrer que
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de maths MP ENS 2003 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur 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
