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\documentclass[12pt]{article}
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% A tribute to the worthy AMS:
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%
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%
\theoremstyle{definition}
\newtheorem{comcnt}{Tout}
\newcommand\exercice{%
\refstepcounter{comcnt}\bigbreak\noindent\textbf{Exercice~\thecomcnt.}}
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%
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\smallbreak\noindent{\textit{Corrigé.}\quad}}
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\begin{document}
\ifcorrige
\title{INFMDI720\\Contrôle de connaissance --- Corrigé\\{\normalsize Rappels mathématiques pour la cryptographie}}
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\title{INFMDI720\\Contrôle de connaissance\\{\normalsize Rappels mathématiques pour la cryptographie}}
\fi
\author{}
\date{2 décembre 2008}
\maketitle
\pretolerance=10000
\tolerance=8000

\vskip1truein\relax

\textbf{Consignes :}

Les exercices sont complètement indépendants.  Ils pourront être
traités dans un ordre quelconque, mais on demande de faire apparaître
de façon très visible dans les copies où commence chaque exercice.  À
l'intérieur d'un exercice, les questions se suivent normalement dans
un ordre logique, et il est vivement recommandé de les traiter dans
cet ordre.

Le sujet étant volontairement trop long pour le temps imparti, il ne
sera pas nécessaire de traiter tous les exercices pour avoir le
maximum des points.  Il est suggéré de prendre le temps de tous les
lire, pour bien choisir ceux que l'on traitera.

Il n'est pas nécessaire de faire des réponses longues.

L'usage de tous les documents (notes de cours manuscrites ou
imprimées, livres) est autorisée.

L'usage des calculatrices électroniques est interdites.  (Certains
exercices peuvent apparaître calculatoires, mais les calculs sont
toujours faisables à la main en un temps raisonnable, parfois au prix
de quelques astuces.)

Durée : 1h30

\newpage

%
%
%

\exercice

Les deux questions suivantes sont indépendantes.

(1) Montrer que $a^{31} \equiv a \pmod{341}$ pour tout $a \in
\mathbb{Z}$ (note : on a $341 = 11\times 31$).

(2) Pourquoi a-t-on $a^{32} \equiv 1 \pmod{128}$ pour tout $a$ impair
(note : $128 = 2^7$) ?

\begin{corrige}
(1) Comme $11$ et $31$ sont premiers entre eux, le théorème chinois affirme
  $\mathbb{Z}/341\mathbb{Z} \cong (\mathbb{Z}/11\mathbb{Z}) \times
  (\mathbb{Z}/31\mathbb{Z})$, donc il suffit de prouver $a^{31} \equiv
  a \pmod{31}$ et $a^{31} \equiv a \pmod{11}$ pour tout $a
  \in\mathbb{Z}$.  Or on a $a^{31} \equiv a \pmod{31}$ d'après le
  petit théorème de Fermat ; s'agissant de la relation modulo $11$, on
  a $a^{10} \equiv 1 \pmod{11}$ si $11$ ne divise pas $a$ (théorème
  d'Euler), donc $a^{30} = (a^{10})^3 \equiv 1 \pmod{11}$ donc $a^{31}
  \equiv a \pmod{11}$, et ceci est aussi vrai lorsque $a \equiv 0
  \pmod{11}$, donc dans tous les cas $a^{31} \equiv a \pmod{11}$.

(2) Le théorème d'Euler ne suffit pas, car $\varphi(128) = 64$ donc il
  donne seulement $a^{64} \equiv 1 \pmod{128}$ lorsque $a$ est impair
  (ce qui équivaut à premier à $128$).  En revanche, on sait (cours)
  que $(\mathbb{Z}/128\mathbb{Z})^\times =
  (\mathbb{Z}/2^7\mathbb{Z})^\times$ n'a pas d'éléments primitifs : il
  est produit d'un groupe cyclique d'ordre $2$ (engendré par $-1$) et
  d'un groupe cyclique d'ordre $2^5 = 32$ (engendré par $5$).  Si on
  note ces deux groupes multiplicativement, on a $a^{32} = a$ dans
  chacun d'entre eux par le théorème de Lagrange, donc c'est le cas
  dans $(\mathbb{Z}/128\mathbb{Z})^\times$.
\end{corrige}

%
%
%

\exercice

Le calendrier religieux maya (ou Tzolkin) est la combinaison de deux
cycles indépendant, l'un de $13$ jours numérotés de 1 à 13, l'autre de
$20$ jours portant des noms de dieux (dans l'ordre : « Ahau »,
« Imix », « Ik », « Akbal », « Kan », « Chicchan », « Cimi »,
« Manik », « Lamat », « Muluc », « Oc », « Chuen », « Eb », « Ben »,
« Ix », « Men », « Cib », « Caban », « Etznab » et « Caunac »).

Ces deux cycles sont complètement indépendants, c'est-à-dire que si un
jour est numéroté « 11 Ahau », le lendemain sera « 12 Imix », puis
« 13 Ik », puis « 1 Akbal », « 2 Kan » et ainsi de suite jusqu'à
« 4 Caunac » auquel suit « 5 Ahau », etc.  Il n'existe aucune
irrégularité.

(1) Quelle est le nombre de jours d'un cycle du Tzolkin ?  Autrement
dit, au bout de combien de jours après un jour donné retombe-t-on pour
la première fois sur un jour ayant le même numéro et le même nom ?

(2) Sachant que le 2 décembre 2008 est dénommé « 6 Ahau », déterminer
quand aura lieu le prochain jour « 10 Oc » au calendrier religieux
maya.

(3) Les Mayas utilisaient également un calendrier civil (ou Haab) de
$365$ jours exactement\footnote{Ce calendrier était lui-même organisé
  en mois, mais cela ne nous importe pas ici.}, qui se répétait lui
aussi sans irrégularité, et complètement indépendamment du calendrier
religieux Tzolkin.  Quelle est la longueur approximative en années
d'un cycle complet des deux calendriers ?  Autrement dit, combien
d'années faut-il attendre approximativement, à partir d'un jour donné,
pour retrouver pour la première fois un jour ayant la même
dénomination dans les deux calendriers (Tzolkin et Haab) à la fois ?

\begin{corrige}
(1) Le cycle complet du Tzolkin est le plus petit nombre multiple à la
  fois de $13$ (à cause du cycle de $13$ jours) et de $20$ (à cause du
  cycle de $20$ jours), c'est-à-dire le ppcm de $13$ et de $20$.
  Comme $13$ et $20$ sont premiers entre eux, c'est $13\times 20 =
  260$.

(2) Si le prochain jour « 10 Oc » a lieu $n$ jours après le
  2 décembre 2008 (6 Ahau), alors $n \equiv 4 \pmod{13}$ puisque dans
  le cycle de $13$ jours on est passé de $6$ à $10$, et $n \equiv 10
  \pmod{20}$ puisqu'on est $10$ dieux plus loin dans le cycle de
  $20$ jours.  On a la relation de Bézout $2\times 20 - 3\times 13 =
  1$, donc $n$ est congru à $(4 \times 2) \times 20 - (10 \times 3)
  \times 13$ modulo $260$ : dans cette expression, il suffit de
  calculer $10\times 3$ modulo $20$ (c'est $10$), on trouve donc
  $8\times 20 - 10\times 13 = 160-130 = 30$ (on vérifie $30 \equiv 4
  \pmod{13}$ et $30 \equiv 10 \pmod{20}$) : le prochain « 10 Oc » a
  donc lieu $30$ jours après le 2 décembre 2008 (c'est-à-dire le
  1er janvier 2009).

(3) Le cycle complet du calendrier (Tzolkin+Haab) est le plus petit
  nombre multiple à la fois de $260$ (à cause du Tzolkin) et de $365$
  (à cause du Haab), c'est-à-dire le ppcm de $260 = 2^2\times 5 \times
  13$ et de $365 = 5 \times 73$ : c'est donc $2^2\times 5 \times 13
  \times 73$, c'est-à-dire $2^2\times 13\times 365$ jours, ou encore
  environ $2^2\times 13 = 52$ ans.
\end{corrige}

%
%
%

\exercice

Soit $n = 2^{100}$ et $N = 2^n = 2^{2^{100}}$.

(1) Quel est le reste de la division euclidienne de $n$ par $3$ et par
$5$ ?

% Réponses : 1, 1

(2) Quel est le reste de la division euclidienne de $n$ par $6$,
par $10$ et par $4$ ?

% Réponses : 4, 6, 0

(3) Quel est le reste de la division euclidienne de $N$ par $9$,
par $11$ et par $10$ ?

% Réponses : 7, 9, 6

(4) Quel est le reste de la division euclidienne de $N$ par $99$ ?
Par $990$ ?

% Réponses : 97, 196

\begin{corrige}
(1) Le théorème d'Euler (ou une vérification naïve immédiate) assure
  que $2^2 \equiv 1 \pmod{3}$.  Par conséquent, $2^{100} = (2^2)^{50}
  \equiv 1^{50} = 1 \pmod{3}$.  De même, modulo $5$, on a (toujours
  par Euler ou vérification naïve) $2^4 \equiv 1 \pmod {5}$ donc
  $2^{100} = (2^5)^{25} \equiv 1^{25} = 1 \pmod{5}$.

(2) Le théorème chinois assure que la classe de congruence de $n$
  modulo $6$ dépend de celles de $n$ modulo $2$ et $3$.  La question
  précédente a déterminé la classe de $n$ modulo $3$ (c'est $1$), et
  on a visiblement $n = 2^{100} \equiv 0 \pmod{2}$ (manifestement,
  $2^{100}$ est pair...).  Pour reconstituer $n$ modulo $6$, on
  cherche donc un nombre congru à $1$ modulo $3$ et à $0$ modulo $2$ :
  on peut chercher une relation de Bézout ($3-2=1$), mais il est plus
  simple d'examiner rapidement les différentes classes possibles
  entre $0$ et $5$ : visiblement $4$ convient, donc $n \equiv 4
  \pmod{6}$.

De même, pour déterminer la classe de $n$ modulo $10$, le théorème
chinois assure qu'elle ne dépend que de $n$ modulo $2$ et $5$.  Or on
a vu $n \equiv 0 \pmod{2}$ et $n \equiv 1 \pmod{5}$.  On voit
rapidement que $6$ est congru aux mêmes quantités, donc $n \equiv 6
\pmod{10}$.

Enfin, il est clair que $2^{100}$ est multiple de $4$ (i.e., congru
à $0$ modulo $4$).

(3) Le théorème d'Euler assure que $2^6 \equiv 1 \pmod{9}$ (on a
$\varphi(9) = \frac{2}{3}\times 9 = 6$).  Par conséquent, $2^{6k} =
(2^6)^k \equiv 1^{k} = 1 \pmod{9}$ pour tout $k \in \mathbb{N}$.  Or
on a vu à la question précédente que $n = 2^{100}$ peut s'écrire sous
la forme $6k + 4$ : on a donc $2^n = 2^{6k+4} \equiv 2^4 \equiv 7
\pmod{9}$.

Modulo $11$, le raisonnement est analogue : le théorème d'Euler (ou
Fermat) assure que $2^{10} \equiv 1 \pmod{11}$.  Par conséquent,
$2^{10k} = (2^{10})^k \equiv 1^k = 1 \pmod{11}$ pour tout $k \in
\mathbb{N}$.  Or on a vu que $n = 2^{100}$ peut s'écrire sous la forme
$10k+6$ : on a donc $2^n = 2^{10k+6} \equiv 2^6 \equiv 9 \pmod{11}$.

Modulo $10$, on ne peut pas appliquer le même raisonnement ($2$ n'est
pas premier à $10$ !), mais on peut appliquer celui des questions
(1) et (2) : on a vu $n \equiv 0 \pmod{4}$, c'est-à-dire qu'on peut
écrire $n = 4k$ (avec $k = 2^{98}$ mais peu importe), donc $2^n =
(2^4)^k \equiv 1^k = 1 \pmod{5}$, et comme $2^n \equiv 0 \pmod{2}$, on
a $2^n \equiv 6 \pmod{10}$ (exactement comme on l'a fait en (2)).

(4) Il s'agit enfin d'appliquer le théorème chinois de façon effective
pour reconstituer la classe de $N$ modulo $99$ puis $990$ à partir de
ses classes modulo $9$, $11$ et $10$, déjà calculées (soit $N \equiv 7
\pmod{9}$, $N \equiv 9 \pmod{11}$ et $N \equiv 6 \pmod{10}$).

Trouvons une relation de Bézout entre $9$ et $11$ (qui sont bien
premiers entre eux !).  Pour cela, on peut appliquer l'algorithme
d'Euclide étendu, qui termine en deux divisions : $11 = 1\times 9 + 2$
puis $9 = 4\times 2 + 1$, donc $1 = 1\times 9 - 4\times 2$ et ($2 = 11
- 1\times 9$ donc) $1 = 5\times 9 - 4\times 11$ (on pouvait aussi
trouver rapidement cette relation en cherchant dans les petits
multiples de $9$ et $11$ lesquels deux sont consécutifs).  On sait
donc (cours) que $N \equiv 9\times 5\times 9 - 7\times 4\times 11
\pmod{99}$ : pour faire ce calcul plus simplement à la main, on peut
réduire $9\times 5$ modulo $11$ et $7\times 4$ modulo $9$, ce qui fait
respectivement $1$ et $1$, donc $N \equiv 1\times 9 - 1\times 11 = -2
\equiv 97 \pmod{99}$.

Enfin, reconstruisons $N$ modulo $990$ à partir de $N \equiv 6
\pmod{10}$ et $N \equiv 97 \pmod{99}$.  Une relation de Bézout entre
$99$ et $10$ est évidente : c'est $10\times 10 - 1\times 99 = 1$.  Par
conséquent, $N \equiv 97\times 10\times 10 - 6\times 1\times 99
\pmod{990}$.  De nouveau, pour simplifier les calculs, on peut se
contenter de calculer $97\times 10 \equiv (-2)\times 10 = -20$
modulo $99$ et $-6\times 1 \equiv 4 \pmod{10}$, donc on a $N \equiv
-20\times 0 + 4\times 99 = 196 \pmod{990}$.
\end{corrige}

%
%
%

\exercice

Une conjecture affirme que pour tout entier $n$ il existe $n' \neq n$
tel que $\varphi(n') = \varphi(n)$ (où $\varphi$ désigne la fonction
indicatrice d'Euler).  On va voir qu'on peut montrer cette conjecture
au moins pour les petites valeurs de $n$.

(1a) Si $n$ est impair, montrer que $\varphi(2n) = \varphi(n)$.

(1b) Si $n$ est pair mais non multiple de $4$, montrer que
$\varphi(\frac{1}{2}n) = \varphi(n)$.

(1c) Si $n$ est multiple de $4$ mais non de $12$, montrer que
$\varphi(\frac{3}{2}n) = \varphi(n)$.

(1d) Si $n$ est multiple de $12$ mais non de $36$, montrer
que $\varphi(\frac{2}{3}n) = \varphi(n)$.

(1e) Si $n$ est multiple de $36$ mais non de $7\times 36 = 252$,
montrer que $\varphi(\frac{7}{6}n) = \varphi(n)$.

(1f) Si $n$ est multiple de $7\times 36 = 252$ mais non de $7^2\times
36 = 1764$, montrer que $\varphi(\frac{6}{7}n) = \varphi(n)$.

(2) En continuant selon la même logique, montrer que la conjecture
énoncée plus haut est valable lorsque $n$ n'est pas multiple de
$(6\times 7 \times 43)^2$.

(3) Si $n$ est multiple de $(6\times 7 \times 43)^2$ mais ni de $27$
ni de $13$, montrer que $\varphi(\frac{13}{18}n) = \varphi(n)$.

(4) Sachant que $(6\times 7 \times 43)^2 \geq 3\times 10^6$, jusqu'à
combien les questions précédentes permettent-elles d'affirmer la
véracité de la conjecture ?

\begin{corrige}
Rappelons du cours que si $u$ et $v$ sont premiers entre eux, on a
\[
\varphi(uv) = \varphi(u)\,\varphi(v)\tag{*}
\]
(c'est une conséquence immédiate du théorème chinois
$(\mathbb{Z}/uv\mathbb{Z})^\times \cong
(\mathbb{Z}/u\mathbb{Z})^\times \times
(\mathbb{Z}/v\mathbb{Z})^\times$ en prenant les cardinaux).  \textit{A
  contrario}, si $u$ est divisible par chaque nombre premier
divisant $v$ (par exemple si $u|v$), on a
\[
\varphi(uv) = u \, \varphi(v)\tag{\textdagger}
\]
puisque $\varphi(v) = v\prod_{p|v}(1-\frac{1}{p})$ et $\varphi(uv) =
uv\prod_{p|uv}(1-\frac{1}{p})$, le produit portant sur le même
ensemble de nombres premiers $p$.

(1a) Si $n$ est impair, c'est-à-dire si $2$ et $n$ sont premiers entre
eux, alors $\varphi(2n) = \varphi(2)\,\varphi(n) = \varphi(n)$
d'après (*) (remarquer $\varphi(2)=1$).

(1b) Si $n$ est pair mais non multiple de $4$, le nombre
$\frac{1}{2}n$ est un entier impair, donc de nouveau $\varphi(n) =
\varphi(2\,\frac{1}{2}n) = \varphi(2)\,\varphi(\frac{1}{2}n) =
\varphi(\frac{1}{2}n)$ d'après (*).

(1c) Si $n$ est multiple de $4$ mais non de $12$, le nombre
$\frac{1}{2}n$ est un entier pair mais non multiple de $3$ (donc
premier à lui), donc d'une part $\varphi(\frac{3}{2}n) =
\varphi(3\,\frac{1}{2}n) = \varphi(3)\,\varphi(\frac{1}{2}n) =
2\varphi(\frac{1}{2}n)$ d'après (*) (remarquer $\varphi(3)=2$) et
d'autre part $\varphi(n) = \varphi(2\,\frac{1}{2}n) =
2\varphi(\frac{1}{2}n)$ d'après (\textdagger).  En rassemblant ces
deux égalités, on a $\varphi(\frac{3}{2}n) = \varphi(n)$.

(1d) Si $n$ est multiple de $12$ mais non de $36$, le nombre
$\frac{1}{3}n$ est un entier pair mais non multiple de $3$, donc d'une
part $\varphi(n) = \varphi(3\,\frac{1}{3}n) =
\varphi(3)\,\varphi(\frac{1}{3}n) = 2\varphi(\frac{1}{3}n)$
d'après (*) et d'autre part $\varphi(\frac{2}{3}n) =
\varphi(2\,\frac{1}{3}n) = 2\varphi(\frac{1}{3}n)$
d'après (\textdagger).  En rassemblant ces deux égalités, on a
$\varphi(\frac{2}{3}n) = \varphi(n)$.

(1e) Si $n$ est multiple de $36$ mais non de $252$, le nombre
$\frac{1}{6}n$ est un entier multiple de $6$ mais non multiple de $7$,
donc d'une part $\varphi(\frac{7}{6}n) = \varphi(7\,\frac{1}{6}n) =
\varphi(7)\,\varphi(\frac{1}{6}n) = 6\varphi(\frac{1}{6}n)$
d'après (*) (remarquer $\varphi(7)=6$) et d'autre part $\varphi(n) =
\varphi(6\,\frac{1}{6}n) = 6\varphi(\frac{1}{6}n)$
d'après (\textdagger).  En rassemblant ces deux égalités, on a
$\varphi(\frac{7}{6}n) = \varphi(n)$.

(1f) Si $n$ est multiple de $252$ mais non de $1764$, le nombre
$\frac{1}{7}n$ est un entier multiple de $6$ mais non multiple de $7$,
donc d'une part $\varphi(n) = \varphi(7\,\frac{1}{7}n) =
\varphi(7)\,\varphi(\frac{1}{7}n) = 6\varphi(\frac{1}{7}n)$
d'après (*) et d'autre part $\varphi(\frac{6}{7}n) =
\varphi(6\,\frac{1}{7}n) = 6\varphi(\frac{1}{7}n)$
d'après (\textdagger).  En rassemblant ces deux égalités, on a
$\varphi(\frac{6}{7}n) = \varphi(n)$.

(2) De façon exactement analogue à (1c) et (1e), si $n$ est multiple
de $6^2\times 7^2 = 1764$ mais non de $6^2\times 7^2\times 43$, on
montre que $\varphi(\frac{43}{42}n) = \varphi(n)$.  De façon
exactement analogue à (1d) et (1f), si $n$ est multiple de $6^2\times
7^2\times 43$ mais non de $6^2\times 7^2\times 43^2$, on montre que
$\varphi(\frac{42}{43}n) = \varphi(n)$.

Appelons $n$ un entier qui ne vérifie pas la conjecture, s'il existe.
D'après (1a), $n$ doit être pair (car les entiers impairs vérifient la
conjecture).  D'après (1b), il doit donc être multiple de $4$.
D'après (1c), il doit alors être multiple de $12$.  D'après (1d), il
doit alors être multiple de $36$.  D'après (1e), il doit alors être
multiple de $36\times 7 = 252$.  D'après (1f), il doit alors être
multiple de $36\times 7^2 = 1764$.  D'après le paragraphe précédent,
il doit alors être multiple de $6^2\times 7^2\times 43$, puis de
$6^2\times 7^2\times 43^2$.

(On ne peut plus ensuite continuer ce petit jeu de façon aussi
mécanique, puisque $6\times 7\times 43 + 1 = 1807$ n'est plus
premier.)

(3) Si $n$ est multiple de $(6\times 7 \times 43)^2$ mais ni de $27$
ni de $13$, le nombre $\frac{1}{18}n$ est un entier multiple de $2$
mais non multiple de $3$ ni de $7$, donc d'une part
$\varphi(\frac{13}{18}n) = \varphi(13\,\frac{1}{18}n) =
\varphi(13)\,\varphi(\frac{1}{18}n) = 12\varphi(\frac{1}{18}n)$
d'après (*) et d'autre part $\varphi(n) = \varphi(9\times 2 \times
\frac{1}{18}n) \buildrel\textrm{(*)}\over=
\varphi(9)\varphi(2\,\frac{1}{18}n) = 6 \varphi(2\,\frac{1}{18}n)
\buildrel\textrm{(\textdagger)}\over= 6\times 2\times
\varphi(\frac{1}{18}n) = 12\varphi(\frac{1}{18}n)$.  En rassemblant
ces deux égalités, on a $\varphi(\frac{13}{18}n) = \varphi(n)$.

(4) Si $n$ ne vérifie pas la conjecture, on sait déjà qu'il doit être
multiple de $6^2\times 7^2\times 43^2$, et la question (3) montre
qu'il doit de plus l'être de $27$ (donc de $2^2\times 3^3\times
7^2\times 43^2$) ou bien de $13$ (donc de $2^2\times 3^2\times
7^2\times 13\times 43^2$).  Il doit donc au moins être égal à
$2^2\times 3^3\times 7^2\times 43^2 \geq 9\times 10^6$.  On a donc
montré que la conjecture était vraie au moins pour les neuf millions
de premiers entiers naturels.
\end{corrige}

%
%
%

\exercice

Cet exercice décrit le principe l'algorithme de factorisation
« $p-1$ » de Pollard.

\emph{Définition :} On dit qu'un entier naturel $m$ est
     « $B$-friable » (pour $B$ un entier naturel) lorsque tout facteur
     premier $\ell$ de $m$ est $\leq B$.  (Par exemple, $720$ est
     $5$-friable.)

(1) Soit $p$ un nombre premier tel que $p-1$ soit $B$-friable (pour
une certaine borne $B$).  Soient $\ell_1,\ldots,\ell_k$ les nombres
premiers $\leq B$.  Partant de $a \in
(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z})^\times$, on effectue les opérations
suivantes : pour $i$ allant de $1$ à $k$, on remplace $a$ par
$a^{\ell_i^{r_i}}$ (ce calcul étant fait dans
$\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$), où $r_i$ est un entier supérieur ou égal à
$\log(p)/\log(\ell_i)$.  Quel est le résultat obtenu (autrement dit,
que vaut $a$ après ces différentes opérations) ?  \emph{Indication :}
montrer qu'on a élevé $a$ à une puissance d'exposant multiple
de $p-1$.

\smallskip

On suppose maintenant que $N$ est un entier non premier à factoriser,
et on espère qu'un de ses facteurs premiers $p$ est tel que $p-1$ soit
$B$-friable avec $B$ assez petit.  (Naturellement, on ne sait pas ce
que vaut $p$ : on cherche justement à le calculer ou, du moins, à
trouver une factorisation non triviale $N = d d'$ avec $d,d'>1$.)

L'algorithme $p-1$ de Pollard effectue le calcul suivant, en partant
d'un nombre $N$ à factoriser et d'une borne $B$ de friabilité
(typiquement de l'ordre de $10^6$) :
\begin{itemize}
\item tirer au hasard un entier $a$ entre $2$ et $N-2$ ;
\item calculer $\pgcd(a,N)$ : s'il est $>1$, terminer : ($*$) on a
  trouvé une factorisation non triviale de $N$ ;
\item énumérer les nombres premiers $\ell_1,\ldots,\ell_k$ inférieurs
  ou égaux à $B$ ;
\item pour $i$ allant de $1$ à $k$ :
\begin{itemize}
\item soit $r \geq \log(N)/\log(\ell_i)$ entier,
\item faire $a \leftarrow a^{\ell_i^r}$ dans $\mathbb{Z}/N\mathbb{Z}$ ;
\end{itemize}
\item calculer $d = \pgcd(a-1,N)$ ;
\item si $1<d<N$, terminer : ($*$) on a trouvé une factorisation non
  triviale de $N$ ;
\item si $d=1$, terminer avec l'erreur suivante : ($\dagger$) il
  n'existe aucun facteur $p$ de $N$ tel que $p-1$ soit $B$-friable (on
  peut essayer d'augmenter $B$ et de recommencer) ;
\item si $d=N$, terminer avec l'erreur suivante : ($\ddagger$) on n'a
  pas eu de chance (on peut recommencer pour un $a$ différent) ou bien
  tous les facteurs $p$ de $N$ sont tels que $p-1$ soit $B$-friable
  (on peut recommancer avec un $B$ plus petit).
\end{itemize}

\smallskip

(2a) Expliquer les affirmations ($*$) « on a trouvé une factorisation
  non triviale » de l'algorithme.

(2b) Expliquer l'affirmation ($\dagger$) « il n'existe aucun facteur
  $p$ de $N$ tel que $p-1$ soit $B$-friable ».  \emph{Indication :}
utiliser la question (1).

(2c) Proposer un exemple de situation pouvant conduire au dernier
cas ($\ddagger$).

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\exercice

Soit $p$ un nombre premier congru à $5$ modulo $6$.

(1) Y a-t-il des éléments d'ordre $3$ dans $\mathbb{F}_p^\times$ ?
Résoudre l'équation $z^3 = 1$ dans $\mathbb{F}_p$.

(2) Montrer que l'application $\mathbb{F}_p \to \mathbb{F}_p$ définie
par $x \mapsto x^3$ est une bijection (c'est-à-dire que chaque valeur
de la cible est atteinte une et une seule fois).

(3) Si $a \in \mathbb{F}_p^\times$, à quoi est isomorphe
$\mathbb{F}_p[t] / (t^3-a)$ ?

\begin{corrige}
(1) D'après le théorème de Lagrange, l'ordre d'un élément de
  $\mathbb{F}_p^\times$ doit diviser l'ordre de ce groupe,
  c'est-à-dire $p-1$ : donc s'il existait un élément d'ordre $3$, on
  aurait $3|(p-1)$, c'est-à-dire $p\equiv 1\pmod{3}$, or ceci
  contredit $p \equiv 5\pmod{6}$.

L'équation $z^3=1$ dans $\mathbb{F}_p$ au moins la solution $z=1$.  Si
elle avait une autre solution, celle-ci serait évidemment non nulle,
donc dans $\mathbb{F}_p^\times$, dont elle serait un élément
d'ordre $3$ (d'après l'équation elle-même), et on vient de voir que
cela n'existe pas.  La seule solution de $z^3=1$ dans $\mathbb{F}_p$
(avec $p$ premier congru à $5$ modulo $6$) est donc $z=1$.

(2) Tout d'abord, la valeur $0$ n'est atteinte par $h\colon x\mapsto
x^3$ que pour $x=0$, car le cube d'un élément non nul est forcément
non nul (un produit d'éléments non nuls d'un corps est non nul...).
On peut donc écarter cette valeur et se concentrer sur $x\mapsto x^3$
dans $\mathbb{F}_p^\times$.  Or si $x^3 = y^3$ avec $x,y \in
\mathbb{F}_p^\times$, alors on a $(x^{-1}y)^3 = 1$ (en notant $x^{-1}$
l'inverse de $x$), donc $x^{-1}y = 1$ d'après la question précédente,
c'est-à-dire $x = y$.  On a donc montré que $h(x)=h(y)$ entraîne $x=y$
(la fonction $h$ est injective, si l'on veut) : chaque valeur de la
cible ne peut être atteinte qu'au plus une fois.  Mais comme la source
et la cible ont le même nombre d'éléments, chaque valeur de la cible
est atteinte exactement une fois.

(3) La question précédente montre que (sous l'hypothèse que $p$
premier congru à $5$ modulo $6$, bien sûr !) tout élément $a \in
\mathbb{F}_p^\times$ est un cube, donc peut s'écrire $a = b^3$, et de
plus, il n'y a qu'un $b$ possible.  Le polynôme $t^3 - a \in
\mathbb{F}_p[t]$ possède donc la racine $b$, donc le facteur $t-b$,
mais il n'a pas d'autre racine.  Le facteur restant $\frac{t^3-a}{t-b}
= t^2 + bt + b^2$ n'a donc aucune racine dans $\mathbb{F}_p$ : il ne
peut donc pas se factoriser (car les facteurs auraient degré $1$
et $1$), donc il est irréductible.  La décomposition $t^3 - a =
(t-b)(t^2+bt+b^2)$ est donc la décomposition en facteurs irréductibles
de $t^3-a$.  On a donc l'isomorphisme chinois $\mathbb{F}_p[t] /
(t^3-a) \cong (\mathbb{F}_p[t]/(t-b)) \times
(\mathbb{F}_p[t]/(t^2+bt+b^2))$.  Le premier facteur est isomorphe à
$\mathbb{F}_p$ et le second à $\mathbb{F}_{p^2}$.  Bref,
$\mathbb{F}_p[t] / (t^3-a) \cong \mathbb{F}_p \times
\mathbb{F}_{p^2}$.
\end{corrige}

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\exercice

Montrer que tout $x \in \mathbb{F}_{32}^\times$ est primitif [erreur
  dans l'énoncé : il fallait ajouter la précision « sauf $x=1$ »].
Combien d'éléments de $\mathbb{F}_{64}^\times$ sont primitifs ?

\begin{corrige}
D'après le cours, on sait que $\mathbb{F}_{q}^\times$ est un groupe
cyclique (d'ordre $q-1$) pour toute puissance $q$ d'un nombre premier
(notamment $32 = 2^5$ et $64 = 2^6$).  Également d'après le cours, le
nombre de générateurs d'un groupe cyclique (appelés éléments primitifs
lorsqu'il s'agit comme ici du groupe multiplicatif d'un corps fini)
est $\varphi(n)$ où $n$ est l'ordre de ce groupe.  Le nombre
d'éléments primitifs dans $\mathbb{F}_{32}^\times$ est donc
$\varphi(32-1) = \varphi(31) = 30$, c'est-à-dire tous sauf
($0$ et) $1$, et le nombre d'éments primitifs dans
$\mathbb{F}_{64}^\times$ vaut $\varphi(64-1) = \varphi(63) =
\frac{1}{2}\times\frac{6}{7}\times 63 = 36$.
\end{corrige}

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\exercice

Le polynôme $t^2 + 1 \in \mathbb{F}_3[t]$ est-il irréductible ?
Est-il primitif ?

\begin{corrige}
Pour tester l'irréductibilité de $t^2 + 1 \in \mathbb{F}_3[t]$, on
peut se contenter de vérifier qu'il n'a pas de racine (soit : $0^2+1
\neq 0$ et $1^2+1\neq 0$ et $2^2+1\neq 0$ dans $\mathbb{F}_3$),
puisque s'il se factorisait les facteurs auraient degré $1$ et $1$
donc correspondraient à des racines.  Mais on peut également préférer
appliquer mécaniquement le test de Rabin : on vérifie que $t^2+1$
divise $t^9-t \in \mathbb{F}_3[t]$ (de fait, $t^9-t = (t^7-t^5+t^3-t)
(t^2+1)$) et qu'il est premier avec $t^3-t$ (de fait, $t^3-t =
t(t^2+1) + t$ et $t^2+1 = t\times t + 1$).  Ce polynôme est bien
irréductible.

Maintenant qu'on sait que $t^2+1 \in \mathbb{F}_3[t]$ est
irréductible, on a une représentation du corps à $9$ éléments :
$\mathbb{F}_9 \cong \mathbb{F}_3[t]/(t^2+1)$.  La question est de
savoir si l'élément $\bar t$ de ce corps est primitif.  Or $\bar t^2 =
-1$ donc $\bar t^4 = 1$, donc cet élément est d'ordre $4$, qui est
plus petit que l'ordre $9-1=8$ du groupe multiplicatif
$\mathbb{F}_9^\times$ : l'élément $\bar t$ n'est pas primitif (plus
explicitement, les seuls éléments de $\mathbb{F}_9 \cong
\mathbb{F}_3[t]/(t^2+1)$ qui sont des puissances de $\bar t$ sont $\pm
1$ et $\pm t$).  Cela signifie (par définition) que le polynôme $t^2+1
\in \mathbb{F}_3[t]$ n'est pas primitif.
\end{corrige}

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\end{document}