ANNALES MATHÉMATIQUES BLAISE PASCAL

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1 ANNALES MATHÉMATIQUES BLAISE PASCAL Abdelmalek Azizi, Mohamed Ayadi, Moulay Chrif Ismaili et Mohamed Talbi Sur les unités des extensions cubiques cycliques non ramifiées sur certains sous-corps de Q( d, 3) Volume 16, n o 1 (2009), p <http://ambp.cedram.org/item?id=ambp_ _1_71_0> Annales mathématiques Blaise Pascal, 2009, tous droits réservés. L accès aux articles de la revue «Annales mathématiques Blaise Pascal» (http://ambp.cedram.org/), implique l accord avec les conditions générales d utilisation (http://ambp.cedram.org/legal/). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Publication éditée par le laboratoire de mathématiques de l université Blaise-Pascal, UMR 6620 du CNRS Clermont-Ferrand France cedram Article mis en ligne dans le cadre du Centre de diffusion des revues académiques de mathématiques

2 Annales mathématiques Blaise Pascal 16, (2009) Sur les unités des extensions cubiques cycliques non ramifiées sur certains sous-corps de Q( d, 3) Abdelmalek Azizi Mohamed Ayadi Moulay Chrif Ismaili Mohamed Talbi Résumé Soient k le corps quadratique réel Q( d) (respectivement le corps biquadratique Q( d, 3)), d un entier positif sans facteur carré, une extension cubique cyclique non ramifiée de k, diédrale sur Q totalement réelle, (respectivement diédrale sur Q( 3).) On constate qu on a deux structures possibles pour le groupe des unités U de, notées alpha et delta. On the units of unramified cyclic cubic extensions of some subfields of Q( d, 3) Abstract Let k be a real quadratic fields of type Q( d)(respectively biquadratic of type Q( d, 3)), d positive integer, square free, an extension not ramified of k dihedral over Q totally real, (respectively dihedral over Q( 3).) We notice that have two possible structures for the group of units U of, denoted by alpha and delta. 1. Introduction Soient k = Q( d) un corps quadratique réel ou k = Q( d, 3) un corps biqudratique, où d est un entier positif sans facteur carré, U F le groupe des unités du corps de nombres F, T F le groupe des unités de Mots-clés : Corps quartiques et biquadratiques, Unités, 3-nombre de Classes. Classification math. : 11R27, 11R29, 11R37. 71

3 A. Azizi et M. Ayadi et M.C. Ismaili et M. Talbi torsion de F et E F = U F /T F le groupe des unités sans torsion de F et une extension cubique cyclique non ramifiée de k, diédrale sur Q totalement réelle, ou diédrale sur Q( 3). Nous déterminons la structure du groupe des unités de E moyennant les indices [E : N /E ] et [E : E L E L σe k ], où L = inv(< τ >) est le corps fixé par τ, avec σ et τ les générateurs d ordre 3 et 2 de Gal(/Q) respectivement de Gal(/Q( 3)). Plus précisément, on montre que dans le cas où k (quadratique réel) deux structures de U sont possibles qu on notera par alpha et delta, et si de plus le 3-groupe de classes de k est de type (3, 3), la structure de U correspond au cas delta si et seulement si admet une unité de Minkowski. Ensuite, nous prolongeons ces résultats aux corps biquadratiques de la forme Q( d, 3). Plus précisément, nous montrons qu on a l équivalence [U k : N /U ][U : U L U L σu k ] = 3 si et seulement si la racine 3ème de l unité ζ 3 = e 2πi 3 est norme d une unité de L. Le calcul des indices [U k : N /U ] et [U : U L U L σu k ] joue un rôle essentiel dans la résolution du problème de capitulation des 3-classes d idéaux de k. 2. Cas d un corps quadratique réel Q( d) Soient k une extension quadratique réelle, une extension cubique de k non ranifiée diédrale sur Q. On adopte les notations suivantes : Gal(/Q) =< σ, τ >, σ 3 = τ 2 = 1, στ = τσ 2, L = inv(< τ >), Gal(/k) =< σ >, a = [E : E k E L E L σ] et b = [E k : N /k E k ]. Proposition 2.1. Chacun des cas suivants (α) : a = 1, b = 3; (β) : a = 3, b = 3; (γ) : a = 9, b = 3; (δ) : a = 3, b = 1; (ɛ) : a = 9, b = 1; correspond à une structure bien déterminée du groupe des unités sans torsion de. Démonstration. Voir [6] 72

4 unités des extensions cubiques de certains sous-corps Remarque 2.2. /Q est diédrale totalement réelle, k aussi quadratique réel donc [U k : N /k U ] = [E k : N /k E ], car [ : k] = 3, T = {±1} et N /k ( 1) = 1. On a aussi [E : E L E L σe k ] = [U /{±1}: U L /{±1}U L σ/{±1}u k /{±1}] = [U /{±1}: U L U L σu k /{±1}] = [U : U L U L σu k ] Lemme 2.3. On suppose que le nombre de classes de k est divisible par 3, alors [E k : E 3 k ] = ab. Démonstration. Puisque le nombre de classes de k est divisible par 3, il existe une extension non ramifiée cubique cyclique sur k, diédrale sur Q totalement réelle. D autre part, on a : donc : [E k : E 3 k] = [U k : N /k U ][N /k U : U 3 ], [U k : N /k U ] = [E k : Ek 3] [N /k U : U 3 (2.1) ]. Aussi : N /k (U L U L σu k) = Uk 3. En effet, / Q est totalement réelle, donc U L = {±1}. < e 1, e 2 >, où {e 1, e 2 } est un système fondamental d unités de L. Donc U L U L σ = {±1}. < e 1, e 2, e σ 1, eσ 1 >, alors si pour i {1, 2}, ε = e i e σ i U LU L σ, on a : ε 1+σ+σ2 = (e i e σ i ) 1+σ+σ2 = (e i ) 1+σ+σ2 (e σ i ) 1+σ+σ2 = (e i ) 1+σ+σ2 (e σ i ) 1+σ+σ2, or : L = inv(< τ > i.e e τ i = e i, ce qui entraîne que ε 1+σ+σ2 = (e i ) 1+σ+σ2 (e τ i ) 1+σ+σ2 = (e 1+τ i ) 1+σ+σ 2 = (e i ) 1+σ+σ2 +τ+τσ+τσ 2 = N k/q (e i ) {±1}, d où N /k (ε) U 3. Si ε = e 1e 2, on a N /k (ε) = (e 1 e 2 ) 1+σ+σ2. Comme e 1 e 2 L, on déduit que (e 1 e 2 ) 1+τ = (e 1 e 2 ) 2 = ((e 1 e 2 ) 1+τ ) 1+σ+σ 2 = (N /k (e 1 e 2 )) 2 = N /Q (e 1 e 2 ) = (e 1 e 2 ) 1+σ2 +τ+τσ+τσ 2 = N /Q (e 1 e 2 ) 2, 73

5 A. Azizi et M. Ayadi et M.C. Ismaili et M. Talbi donc N /Q (e 1 e 2 ) 2 = 1. On raisonne de la même façon pour ε = e i, i {1, 2}, et ε = e σ 1 eσ 2. Comme N /k(u k ) = U 3 k, alors N /k(u L U L σu k ) = U 3 k. De (2.1) on tire : [U k : N /k U ] = [E k : E 3 k ] [N /k U : N /k (U L U L σu k )] Si N : U U k est l application norme de l extension /k, alors on a donc [N(U ): N(U L U L σu k )] = [U : U L U L σu k ] [ker N : ker N U L U L σu k ], [U k : N /k U ] = [E k : Ek 3][ker N : ker N U LU L σu k ], [U k : U L U L σu k ] et comme [ker N : ker N U L U L σu k ] = 1 (d après [5]) on tire que [U k : N /k U ][U : U L U L σu k ] = [E k : E 3 k] c est à dire ab = [E k : E 3 k ]. Lemme 2.4. Si /k une extension non ramifiée, alors on a E k N /k ( ) = E k. Démonstration. Soient P un ideal premier de k et B un diviseur premier de P dans, alors B /k P est une extension non ranifiée ( B, P les localisés en β et P respectivement ), donc si x E k, il existe γ unité de B tel que x = N B (γ) et ceci pour tout idéal P premier fini de k,. D autre part, si P est un premier réel infini de k non ramifié de, B un diviseur de P dans, alors les completions de k et relativement à P et B sont R, il est donc naturel de dire que les symboles de Forbenius associés, aux idéaux infinis sont égaux à 1, d où tout élément de est norme infinie d un élément de k et comme l extension /k est cyclique, alors x est norme globale dans (voir [3]). Lemme 2.5. On suppose que /k est non ramifiée, on note par S le 3-groupe de classes de, S (σ) = {[A] S /[A] σ = [A]} le groupe des classes amligues, S (σ),fr = {[A] S /A σ = A} le sous-groupe formé par les classes fortement ambigues, alors on a #S (σ) = b #S(σ),fr. 74

6 unités des extensions cubiques de certains sous-corps Démonstration. Soit l application { S (σ) ψ = U k/n /k U c = [A] N /k (x)n /k U où x est défini comme suit : si c = [A] S (σ), alors c1 σ = 1 et A σ 1 = (x) avec x un élément de, N /k (x) est une unité de E k. L application ψ est bien définie car si c = [A] = [B] et B σ 1 = (y) alors il existe ζ tel que A = ζb, et A σ 1 = ζ σ 1 B σ 1 = (x) = ζ σ 1 (y) = z U tel que x = zζ σ 1 y = N /k (x) = N /k (z)n /k (y), ce qui montre que N /k (x) et N /k (y) ont même classe modulo le groupe de normes des unités de. L application ψ est surjective. En effet, si η E k d après le lemme 2.4, il existe x tel que η = N /k (x) donc N /k ((x)) = (1), d après le théorème 90 de Hilbert (x) = C σ 1, où C est un idéal de et par suite ψ([c]) = ηn /k U. De plus on a ker ψ = {c S (σ) /ψ(c) = 1}, donc c = [A] ker ψ x = N /k (ρ) où ρ est une unité de, comme A σ 1 = (z) et N /k (z) = x alors z/ρ est une unité de norme 1, d où ρ/z = β 1 σ ρ = zβ 1 σ donc z/ρβ 1 σ = 1, comme ρ est une unité on aurait (βa) 1 σ = 1 d où βa est ambigue et [βa] = [A] = c S (σ),fr, et par suite ker ψ S (σ),fr. L autre inclusion est évidente, donc d après le premier théorème d isomorphisme, on déduit que et #S (σ) /S(σ),fr = b. S (σ) /S(σ),fr Imψ = U k/n /k U Théorème 2.6. On suppose que /k est non ramifiée, et S k (3, 3), les cas (β) et (α) et (ε) ne peuvent avoir lieu. De plus, les trois affirmations sont équivalentes : (1) la structure de E correspond au cas (δ). (2) le sous-groupe des classes fortement ambigues dans /k n est pas trivial. (3) le corps admet une unité de Minkowski. Démonstration. D après le lemme 2.3, ab = [E k : E 3 k ]. Comme E k/e 3 k Z/3Z, ab = 3, ce qui élimine les types (β), (α) et (ε). On montre les implications 2) = 1) 3) et 1) = 2). 75

7 A. Azizi et M. Ayadi et M.C. Ismaili et M. Talbi Soit A un idéal de non principal tel que A σ = A, alors [A] 1 est ambigue et [A] S (σ),fr, d autre part on a #S(σ) = 3, car par [2] #S (σ) = #S k 3 t 2+q avec t le nombre des premiers de k qui se ramifient dans et { 1 si e est norme dans /k, q = 0 sinon où e est l unité fondamentale de k, et dans notre cas, /k est non ramifiée, donc t = 0 et q = 1 [lemme 2.5]. Puisque S k est de type (3, 3), alors = 9/3 = 3 entraîne que S(σ),fr = S(σ) et b = 1 [lemme 2.5], d où a = 3 et on a le type (α). Comme l anneau des entiers du sous-corps réel maximal de Q(ζ 3 ) (ζ3 3 = 1, la racine 3ème de l unité ) est Z et il est principal et /Q D 3, alors d après [6] le type (δ) est une condition nécessaire et suffisante pour que admette une unité de Minkowski. Si toutes les classes ambigues ne contiennent aucun idéal ambigue, on aurait S (σ),fr trivial, d où #S(σ) = b [lemme 2.4] et donc b = 3 et par suite a = 1 c est à dire le type (δ). #S (σ) Exemple 2.7. On prend k = Q( d) où d = 4uw 3 27u 2 avec u et w sont premiers entre eux, et P (x) = x 3 uwx u 2 irréductible, de plus u et w remplissent l une des conditions suivantes : 3 w. 3 w uw 3 mod 9 u = w ± 1 mod 9. 3 w uw 3 mod 9 u w ± 1 mod 27. Soient θ une racine de P, L = Q(θ), u et w sont choisis de manière a avoir le discriminant de L égal a d. On a rans L = rans k 1, dans notre cas on a toujours S L est cyclique. D après [4], le corps de décomposition de P définit une extension cubique cyclique non ramifiée de k, qu on notera diéderale sur Q (car disc(p ) = u 2 d) n est pas un carré, et on a h = ah 2 L, où h désigne le 3-nombre de classes de F (voir [6]). En se basant sur tout cela et à l aide du logiciel PARI nous donnons des exemples qui illustrent les deux types de structure qu on notera par alpha et delta. 76

8 unités des extensions cubiques de certains sous-corps u = 1 w 4w 3 27 = d h L h structure alpha alpha alpha alpha delta delta delta alpha alpha alpha delta alpha alpha delta alpha alpha delta alpha delta alpha delta delta alpha alpha delta delta alpha alpha 77

9 A. Azizi et M. Ayadi et M.C. Ismaili et M. Talbi u 1 u w d = 4uw 3 27u 2 h L h structure alpha delta delta alpha delta alpha alpha alpha alpha delta alpha alpha delta alpha alpha alpha alpha alpha alpha delta alpha Remarque 2.8. Chaque corps de décomposition des pôlynomes suivants admet une unité de Minkowski 1) P (x) = x 3 89x 1; 2) P (x) = x 3 98x 1; 3) P (x) = x 3 113x 1; 4) P (x) = x 3 256x 1; 5) P (x) = x 3 340x 1; 6) P (x) = x 3 343x 1; 3. Cas du corps biquadratique k = Q( d, 3) Dans ce cas, k désigne une extension quadratique du corps F = Q( 3), on suppose toujours que le 3-groupe de classes S k (3, 3). On singale que les lemmes 2.4 et 2.5 restent valables dans ce cas, et on démontre un lemme qui généralise le lemme 2.3 dans le cas où F est un corps le nombres ayant 78

10 unités des extensions cubiques de certains sous-corps nombre de classes premier à 3, qui est la base de notre étude dans cette section. Lemme 3.1. Soit F un corps de nombres, dont le nombre de classes est premier à 3, et soit k une extension quadratique de F. Si est une extension cyclique non ramifiée de degré 3 sur k, alors /F est galoisienne et diédrale de degré 6, et on a : [U : U L U L σu k ][U k : N /k U k ] = [U k : U 3 k ][U F : N L/F U L ] [U F : U 3 F ] où L est l une des extensions cubiques non galoisiennes de F. Démonstration. D après [7] /F est une extension galoisienne et diédrale. Posons Gal(/F ) D 3 =< σ, τ > tel que σ 3 = τ 2 = 1, στ = τσ 2 L = inv(< τ >). On a [U k : Uk 3] = [U k : N /k U ][N /k U k : Uk 3 ], donc : [U k : N /k U ] = = [U k : U 3 k ] [N /k U : U 3 k ] (3.1) [U k : U 3 k ] [N /k U : U 3 k N L/F U L ][U 3 k N L/F U L : U 3 k ]. D autre part, on montre que N /k (U L U L σu k ) = Uk 3N L/F U L. En effet, soient {e 1, e 2,...e r } un système fondamental d unités de U L, et ε U L U L σ, alors si ε = e i e σ i (1 i r) on déduit que ε 1+σ+σ2 =(e i e σ i ) 1+σ+σ2 = (e i ) 1+σ+σ 2 (e σ i ) 1+σ+σ2 = (e i ) 1+σ+σ 2 (e i ) 1+σ+σ2 = ε 1+σ+σ2 = (e 2 i ) 1+σ+σ2. Comme L = inv(< τ >) on déduit que N /k (ε) =(ei 1+τ ) 1+σ+σ 2 = e 1+σ+σ 2 +τ+τσ+τσ 2 i = N /F (e i ) =N L/F N /L (e i ) = N /k (ε) = N L/F (e 2 i ) N L/F U L. Si ε = e i e j (i j) on a ε 1+σ+σ2 = (e i e j ) 1+σ+σ2, or e i e j U L et donc (e i e j ) 1+τ = (e i e j ) 2 entraîne que (N /k (ε)) 2 = (e j e i ) 1+τ, on raisonne comme le cas précédent et on obtient (N /k (ε)) 2 = N L/F ((e j e i ) 2 ) N L/F U L, or U F /N L/F U L est un 3 groupe, alors N /k (ε) N L/F U L, 79

11 A. Azizi et M. Ayadi et M.C. Ismaili et M. Talbi (même raisonnement pour le cas ε = e σ i eσ i ). On a aussi N /k(u k ) = U 3 k, donc N /k (U L U L σu k ) = U 3 k N L/F U L. De (3.1) on tire : [U k : N /k U ] = et comme dans le lemme 2.3 on a alors : D autre part, [U k : U 3 k ] [N /k U : N /k (U L U L σu k )][U 3 k N L/F U L : U 3 k ] [N /k U : N /k (U L U L σu k )] = [U : U L U L σu k )], [U k : N /k U ] = [U k : U 3 k ] [U : U L U L σu k ][U 3 k N L/F U L : U 3 k ] [U 3 k N L/F U L : U 3 k ] = [N L/F U L : N L/F U L U 3 k ] = [N L/F U L : U 3 F ] et aussi [U F : UF 3 ] = [U F : N L/F U L ][N L/F U L : UF 3 ] implique que [U 3 kl/f U L : U 3 k ] = [U F : U 3 F ] [U F : N L/F U L ]. Finalement on a : [U k : N /k U ] = [U k : U 3 k ][U F : N L/F U L ] [U : U L U L σ U k ][U F : U 3 F ] et [U : U L U L σu k ][U : N /k U ] = [U k : U 3 k ][U F : N L/F U L ] [U F : U 3 F ] Proposition 3.2. [U : U L U L σu k ][U : N /k U ] = 3 si et seulement si ζ 3 est norme d une unité de L ( la norme de l extension L/F ). Remarque 3.3. Lorsque ζ 3 est norme d une unité de L, où ζ 3 est racine 3 ème de l unité, les cas possibles sont : ( α) [U : N /k U ] = 3; [U : U L U L σu k ] = 1. ( δ) [U : N /k U ] = 1; [U : U L U L σu k ] = 3. Ce qui caratérise deux types de structures possibles comme dans le premier cas. Preuve de la proposition. Calculons les indices [U F : UF 3 ] et [U k : Uk 3 ], on a U F = {±1, ±1± 3 2 } = {±1, ±ζ 3, ζ3 2}, donc il est clair que U F 3 = {±1} et [U F : UF 3 ] = 3. D autre part, k = Q( 3, d) d 1 et 3 d après [1], si 80

12 unités des extensions cubiques de certains sous-corps ε 0 = s + t d est l unité fondamentale de Q( d), déterminer un système fondamental d unités de k revient à savoir quand est ce que 3ε 0 est un carré dans N. Plus précisément : i) Si ε 0 est de norme 1, {ε 0 } est un système fondamental d unités de k. ii) Si ε 0 est de norme 1, alors { ε 0 } est un système fondamental d unités de k si et seulement si 6(s ± 1) est un carré dans N, et {ε 0 } est un système fondamental d unités de k sinon. Donc si N(ε 0 ) = 1 ou N(ε 0 ) = 1 et 6(s ± 1) n est pas un carré dans N, {ε 0 } est un système fondamental d unités de k, soit ε U k alors ε = ζ(ε 0 ) n où ζ U F, d où ε 3 = ζ 3 (ε 3 0 )n = ±(ε 3 0 )n = U k /Uk 3 Z/3Z Z/3Z et on a [U k : Uk 3] = 9. Si N(ε 0) = 1 et 6(s ± 1) n est pas un carré dans N. Soit ε U k alors ε = ζ( ε 0 ) n où ζ U F d où ε = ζ(ε 0 ) n = ±(( ε 0 ) 3 ) n = [U k : Uk 3 ] = 9, donc d après le lemme 3.1 on a [U : U L U L σu k ][U : N /k U ] = 3[U F : N L/F U L ], d où si ζ 3 est norme d une unité de L on déduit facilement que [U F : N L/F U L ] = 1, sinon [U F : N L/F U L ] = 3 donc [U : U L U L σu k ][U : N /k U ] = 3 ε U L tel que N L/F (ε) = ζ 3. Corollaire 3.4. Les cas possibles des deux indices [U : N /k U ] et [U : U L U L σu k ] sont : ( α) [U : N /k U ] = 3; [U : U L U L σu k ] = 1 ( β) [U : N /k U ] = 3; [U : U L U L σu k ] = 3 ( δ) [U : N /k U ] = 1; [U : U L U L σu k ] = 3 ( ε) [U : N /k U ] = 1; [U : U L U L σu k ] = 9 ce qui caractérise complètement la structure du groupe des unités de. Démonstration. Les conditions du lemme 2.4 et du lemme 2.5 sont remplies, d autre part, d après la formule des classes ambigues on a le nombre des classes ambigues est 3 d où les valeurs possibles de [U : N /k U ] sont 1 et 3 et comme [U : N /k U ][U : U L U L σu k ] = 3 m avec m = 1 ou m = 2, alors les cas possibles sont ( α), ( β), ( δ) et ( ε). Exemple 3.5. Si d = (4(3m) 3 + 1) m N \{0}, k = Q( d, 3), F 1 = Q(θ) où θ est une racine de P (x) = X 3 9mX 2 1, L = F 1 ( 3) et = L.k, et on a d après [5] h = ah 2 L = 3. D autre part, d après [7] la tour de Hilbert dans ce cas s arrête au premier étage donc h L = 0 et par suite rang 3 (L) = 0, ce qui entraîne que ζ 3 n est pas norme d une unité 81

13 A. Azizi et M. Ayadi et M.C. Ismaili et M. Talbi de L voir [5], et aussi [U : U L U L σu k ] = 3, et donc [U k : N /k U ] = 3 c est à dire le type (β). Références [1] A. Azizi «Unités de certains corps de nombres imaginaires et abeliens sur Q.», Ann.Sci.Math. Quebec 23 (1999), p [2] F. Gerth, III «Ranks of 3-class groups of non-galois cubic fields», Acta Arith. 30 (1976), no. 4, p [3] G. Januzs Algerbraic number fields, Academic press newyork,baton rouge, louisiana, [4] Y. ishi et. Miyake «Parametrization of the quadratic fields whose class numbers are divisible by three», J. Number Theory 80 (2000), no. 2, p [5] F. Lemmermeyer «Class groups of dihedralextansions», Math, Nacher 278 (2005), p [6] N. Moser «Unités et nombre de classes d une extension diédrale de Q», Société mathématique de France. Astérisque (1975), p [7] E. Yoshiba «On the 3 class field tower of some biquadratic fields», Acta Arithmetica (2003), p Abdelmalek Azizi Département de Mathématiques Faculté des Sciences Université Mohamed 1 Oujda MAROC Moulay Chrif Ismaili Département de Mathématiques Faculté des Sciences Université Mohamed 1 Oujda MAROC Mohamed Ayadi Département de Mathématiques Faculté des Sciences Université Mohamed 1 Oujda MAROC Mohamed Talbi Département de Mathématiques Faculté des Sciences Université Mohamed 1 Oujda MAROC 82

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