The purpose of this thesis is to investigate the properties of ideals in quadratic number fields, A field F is said to be an algebraic number field if F is a finite extension of R, the field of rational numbers. A field F is said to be a quadratic number field if F is an extension of degree 2 over R. The set 1 of integers of R will be called the rational integers.

Consider a non-Galois cubic extension K/Q ramified at a single prime p > 3. We show that if K is a subfield of an S_4-extension L/Q ramified only at p, we can determine the Artin conductor of the projective representation associated to L/Q, which is based on whether or not K/Q is totally real. We also show that the number of S_4-extensions of this type with K as a subfield is of the form 2^n - 1 for some n >= 0. If K/Q is totally real, n > 1. This proves two conjectures of Siman Wong.

Doctor of Philosophy / Department of Mathematics / Todd E. Cochrane / Let $p$ be an odd prime and $\gamma(k,p^n)$ be the smallest positive integer $s$ such that every integer is a sum of $s$ $k$-th powers $\pmod {p^n}$. We establish $\gamma(k,p^n) \le [k/2]+2$ and $\gamma(k,p^n) \ll \sqrt{k}$ provided that $k$ is not divisible by $(p-1)/2$. Next, let $t=(p-1)/(p-1,k)$, and $q$ be any positive integer. We show that if $\phi(t) \ge q$ then $\gamma(k,p^n) \le c(q) k^{1/q}$ for some constant $c(q)$. These results generalize results known for the case of prime moduli. Next we generalize these results to a number field setting. Let $F$ be a number field, $R$ it's ring of integers and $\mathcal{P}$ a prime ideal in $R$ that lies over a rational prime $p$ with ramification index $e$, degree of inertia $f$ and put $t=(p^f-1)/(p-1,k)$. Let $k=p^rk_1$ with $p\nmid k_1$ and $\gamma(k,\mathcal{P}^n)$ be the smallest integer $s$ such that every algebraic integer in $F$ that can be expressed as a sum of $k$-th powers $\pmod{\mathcal{P}^n}$ is expressible as a sum of $s$ $k$-th powers $\pmod {\mathcal{P}^n}$. We prove for instance that when $p>e+1$ then $\gamma(k,\mathcal{P}^n) \le c(t) p^{nf/ \phi(t)}$. Moreover, if $p>e+1$ we obtain the upper bounds $\ds{\gamma(k,\mathcal{P}^n) \le 2313 \left(\frac{k}{k_1}\right)^{8.44/\log p}+\frac{1}{2}}$ if $f=2$ or $3,$ and $\ds{\gamma(k,\mathcal{P}^n)\le 129 \left(\frac{k}{k_1}\right)^{5.55/ \log p}+\frac{1}{2}}$ if $f\ge4$. We also show that if $\mathcal{P}$ does not ramify then $\ds{\gamma(k,\mathcal{P}^n) \le \frac{17}{2} \left(\frac{k}{k_1}\right)^{2.83/ \log p}+\frac{1}{2}}$ if $f\ge 2$ and $k_1\le p^{f/2}$, and $\ds{\gamma(k,\mathcal{P}^n)\le\left(\frac{f}{p^{f/2-1}}\right)k}$ if $f> 2$ and $k_1> p^{f/2}$.

<p> This thesis demonstrates the effectiveness of matrix methods in algebraic number fields, the integral closure of pure cubic fields and the use of the Hessian and discriminant to determine integral closure. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho à baseado no artigo Finiteness of the class group of a number field via lattice packings. Daremos aqui uma prova alternativa da finitude do grupo das classes de um corpo de nÃmeros de grau n. Ela à baseada apenas no fato de que a densidade de centro de um empacotamento reticulado n-dimensional à limitado fora do infinito. / This work is based on the article Finiteness of the class group of a number field via lattice packings. An alternative proof of the finiteness of the class group of a number field of the degree n is presented. It is based solely on the fact that the center density of an n-dimensional lattice packing is bounded away from infinity.

In this thesis, we extend results of Emerald Stacy to compute an upper bound on the minimal height of a totally p-adic algebraic integer of degree 4 independent of p. We also compute actual values of the minimal height of a totally p-adic algebraic integer of degree 4 for small primes p.

Dans cette thèse, nous nous intéressons au calcul du groupe de classes d'un corps de nombres. Nous débutons par décrire un algorithme de réduction du polynôme de définition d'un corps de nombres. Il existe une infinité de polynômes qui définissent un corps de nombres fixé, avec des coefficients arbitrairement gros. Notre algorithme calcule celui qui a les plus petits coefficients. L'avantage de connaître un petit polynôme de définition est qu'il simplifie les calculs entre éléments de ce corps de nombres, en impliquant des quantités plus petites. En outre, la connaissance d'un tel polynôme permet l'utilisation d'algorithmes plus efficaces que dans le cas général pour calculer le groupe de classes. L'algorithme général pour calculer la structure du groupe de classes repose sur la réduction d'idéaux, vus comme des réseaux. Nous décrivons et simplifions l'algorithme présenté par Biasse et Fieker en 2014 à ANTS et approfondissons l'analyse de complexité. Nous nous sommes aussi intéressés au cas des corps de nombres définis par un polynôme à petits coefficients. Nous décrivons un algorithme similaire au crible par corps de nombres (NFS) dont la complexité en fonction des paramètres du corps de nombres peut atteindre L(1/3). Enfin, nos algorithmes peuvent être adaptés pour résoudre un problème lié : le Problème de l'Idéal Principal. Étant donné n'importe quelle base d'un idéal principal (généré par un seul élément), nous sommes capables de retrouver ce générateur. Cette application de nos algorithmes fournit une attaque efficace contre certains schémas de chiffrement homomorphe basés sur ce problème. / In this thesis, we focus on class group computations in number fields. We start by describing an algorithm for reducing the size of a defining polynomial of a number field. There exist infinitely many polynomials that define a specific number field, with arbitrarily large coefficients, but our algorithm constructs the one that has the absolutely smallest coefficients. The advantage of knowing such a ``small'' defining polynomial is that it makes calculations in the number field easier because smaller values are involved. In addition, thanks to such a small polynomial, one can use specific algorithms that are more efficient than the general ones for class group computations. The generic algorithm to determine the structure of a class group is based on ideal reduction, where ideals are viewed as lattices. We describe and simplify the algorithm presented by Biasse and Fieker in 2014 at ANTS and provide a more thorough complexity analysis for~it. We also examine carefully the case of number fields defined by a polynomial with small coefficients. We describe an algorithm similar to the Number Field Sieve, which, depending on the field parameters, may reach the hope for complexity L(1/3). Finally, our results can be adapted to solve an associated problem: the Principal Ideal Problem. Given any basis of a principal ideal (generated by a unique element), we are able to find such a generator. As this problem, known to be hard, is the key-point in several homomorphic cryptosystems, the slight modifications of our algorithms provide efficient attacks against these cryptographic schemes.

Artins Vermutung über Primitivwurzeln besagt, dass es zu jeder ganzen Zahl a, die weder 0, ±1 noch eine Quadratzahl ist, unendlich viele Primzahlen p gibt, sodass a eine Primitivwurzel modulo p ist, d.h. a erzeugt eine multiplikative Untergruppe von Q*, dessen Reduktion modulo p Index 1 in (Z/pZ)* hat. Dies wirft die Frage nach Verteilung von Index und Ordnung dieser Reduktion in (Z/pZ)* auf, wenn man p variiert. Diese Arbeit widmet sich verallgemeinerten Fragestellungen in Zahlkörpern: Ist K ein Zahlkörper und Gamma eine endlich erzeugte unendliche Untergruppe von K*, so werden Momente von Index und Ordnung der Reduktion von Gamma sowohl modulo bestimmter Familien von Primidealen von K als auch modulo aller Ideale von K untersucht. Ist Gamma die Gruppe der Einheiten von K, so steht diese Fragestellung in engem Zusammenhang mit der Ramanujan Vermutung in Zahlkörpern. Des Weiteren werden analoge Probleme für rationale elliptische Kurven E betrachtet: Bezeichnet Gamma die von einem rationalen Punkt von E erzeugte Gruppe, so wird untersucht, wie sich Index und Ordnung der Reduktion von Gamma modulo Primzahlen verhalten. Teilweise unter Voraussetzung gängiger zahlentheoretischer Vermutungen werden jeweils asymptotische Formeln in manchen Fällen bewiesen und generelle Schwierigkeiten geschildert, die solche in anderen Fällen verhindern. Darüber hinaus wird eine weitere verwandte Fragestellung betrachtet und bewiesen, dass zu jeder hinreichend großen Primzahl p stets eine Primitivwurzel modulo p existiert, die sich als Summe von zwei Quadraten darstellen lässt und nach oben im Wesentlichen durch die Quadratwurzel von p beschränkt ist.

En mathématiques, une hauteur est une fonction utilisée pour mesurer la complexité d’un objet. Lorsqu’uniquement un nombre fini d’éléments possèdent une hauteur bornée, on dit alors que cette hauteur possède la propriété de Northcott. Un des intérêts de cette propriété est que les hauteurs la possédant peuvent être utilisées pour distinguer des sous-ensembles finis d’une famille infinie d’objets. Récemment, Pazuki et Pengo [47] ont étudié la propriété de Northcott où la hauteur considérée était l’évaluation de fonctions zêta de Dedekind en un entier n. Ce mémoire contient, en premier lieu, une étude similaire sur l’évaluation de fonctions zêta de corps de fonctions. Ce premier article pousse cette réflexion sur un plus grand domaine en considérant l’évaluation sur n’importe quel point s du plan complexe au lieu de valeurs entières n. On y montre que pour les points appartenant à une certaine région {s ∈ C ∶ Re(s) < σ0} où 0 < σ0 < 1/2, la hauteur considérée possède la propritété de Northcott et que ceux qui appartiennent à la région {s ∈ C ∶ Re(s) > 1/2} ne la possèdent pas. En prenant comme contexte les résultats du premier article, nous retournerons ensuite, dans un deuxième article, à la première situation des fonctions zêta de Dedekind pour étudier la question sur ce domaine étendu. Les résultats sur la propriété de Northcott sont différents et on trouve que le scénario sur les corps de fonctions est taché de disques non Northcott autour des entiers négatifs. Ces deux articles seront précédés d’une introduction à la théorie des corps de nombres et des corps de fonctions jusqu’à la définition de leur fonction zêta respective. Enfin, nous incluerons également une discussion des différences entre ces deux théories qui culminera à des définitions alternatives de leur fonction zêta. Ultimement, cette introduction pourvoira tous les outils nécessaires pour attaquer la question de la propriété de Northcott abordée dans les articles. / In mathematics, heights are functions used to measure the complexity of an object. When only a finite number of elements have a bounded height, we say that this height has the Northcott property. One of the advantages of this property is that the heights possessing it can be used to distinguish finite subsets of an infinite family of objects. Recently, Pazuki and Pengo [47] studied the Northcott property where the height considered was the evaluation of Dedekind zeta functions at an integer n. This thesis contains, first of all, an article describing a similar study on the evaluation of zeta functions of function fields. This first article pushes this reflection on a larger domain by considering the evaluation on any point s of the complex plane instead of integer values n. We show that for points belonging to a certain region {s ∈ C ∶ Re(s) < σ0} where 0 < σ0 < 1/2, the considered height has the Northcott property, while for those belonging to the region {s ∈ C ∶ Re(s) > 1/2}, the height does not have the Northcott property. Taking as context the results of the first article, we will then return, in a second article, to the initial situation of Dedekind zeta functions to study the question on this extended domain. The results on the Northcott property are different and the scenario on function fields is found to be stained with non-Northcott disks around the negative integers. These two articles will be preceded by an introduction to the theory of number fields and function fields up to the definition of their respective zeta functions. Finally, we will also include a discussion of the differences between these two theories culminating in alternative definitions of their zeta function. Ultimately, this introduction will provide all the tools necessary to attack the questions on the Northcott property discussed in the articles.

Dans cette thèse, on étudie les représentations 2-dimensionnelles continues du groupe de Galois absolu d'une clôture algébrique fixée de Q sur les corps finis qui sont modulaires et leurs images. Ce manuscrit se compose de deux parties.Dans la première partie, on étudie un problème local-global pour les courbes elliptiques sur les corps de nombres. Soit E une courbe elliptique sur un corps de nombres K, et soit l un nombre premier. Si E admet une l-isogénie localement sur un ensemble de nombres premiers de densité 1 alors est-ce que E admet une l-isogénie sur K ? L'étude de la repréesentation galoisienne associéee à la l-torsion de E est l'ingrédient essentiel utilisé pour résoudre ce problème. On caractérise complètement les cas où le principe local-global n'est pas vérifié, et on obtient une borne supérieure pour les valeurs possibles de l pour lesquelles ce cas peut se produire.La deuxième partie a un but algorithmique : donner un algorithme pour calculer les images des représentations galoisiennes 2-dimensionnelles sur les corps finis attachées aux formes modulaires. L'un des résultats principaux est que l'algorithme n'utilise que des opérateurs de Hecke jusqu'à la borne de Sturm au niveau donné n dans presque tous les cas. En outre, presque tous les calculs sont effectués en caractéristique positive. On étudie la description locale de la représentation aux nombres premiers divisant le niveau et la caractéristique. En particulier, on obtient une caractérisation précise des formes propres dans l'espace des formes anciennes en caractéristique positive.On étudie aussi le conducteur de la tordue d'une représentation par un caractère et les coefficients de la forme de niveau et poids minimaux associée. L'algorithme est conçu à partir des résultats de Dickson, Khare-Wintenberger et Faber sur la classification, à conjugaison près, des sous-groupes finis de $\PGL_2(\overline{\F}_\ell)$. On caractérise chaque cas en donnant une description et des algorithmes pour le vérifier. En particulier, on donne une nouvelle approche pour les représentations irréductibles avec image projective isomorphe soit au groupe symétrique sur 4 éléments ou au groupe alterné sur 4 ou 5 éléments. / In this thesis we investigate $2$-dimensional, continuous, odd, residual Galois representations and their images. This manuscript consists of two parts.In the first part of this thesis we analyse a local-global problem for elliptic curves over number fields. Let $E$ be an elliptic curve over a number field $K$, and let $\ell$ be a prime number. If $E$ admits an $\ell$-isogeny locally at a set of primes with density one then does $E$ admit an $\ell$-isogeny over $K$? The study of the Galois representation associated to the $\ell$-torsion subgroup of $E$ is the crucial ingredient used to solve the problem. We characterize completely the cases where the local-global principle fails, obtaining an upper bound for the possible values of $\ell$ for which this can happen.In the second part of this thesis, we outline an algorithm for computing the image of a residual modular $2$-dimensional semi-simple Galois representation. This algorithm determines the image as a finite subgroup of $\GL_2(\overline{\F}_\ell)$, up to conjugation, as well as certain local properties of the representation and tabulate the result in a database. In this part of the thesis we show that, in almost all cases, in order to compute the image of such a representation it is sufficient to know the images of the Hecke operators up to the Sturm bound at the given level $n$. In addition, almost all the computations are performed in positive characteristic.In order to obtain such an algorithm, we study the local description of the representation at primes dividing the level and the characteristic: this leads to a complete description of the eigenforms in the old-space. Moreover, we investigate the conductor of the twist of a representation by characters and the coefficients of the form of minimal level and weight associated to it in order to optimize the computation of the projective image.The algorithm is designed using results of Dickson, Khare-Wintenberger and Faber on the classification, up to conjugation, of the finite subgroups of $\PGL_2(\overline{\F}_\ell)$. We characterize each possible case giving a precise description and algorithms to deal with it. In particular, we give a new approach and a construction to deal with irreducible representations with projective image isomorphic to either the symmetric group on $4$ elements or the alternating group on $4$ or $5$ elements.