# Identité des seize carrés de Pfister

En algèbre, l'identité des seize carrés de Pfister est une identité non bilinéaire de la forme :
    $\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+\cdots +x_{16}^{2}\right)\left(y_{1}^{2}+y_{2}^{2}+y_{3}^{2}+\cdots +y_{16}^{2}\right)=z_{1}^{2}+z_{2}^{2}+z_{3}^{2}+\cdots +z_{16}^{2}$
Son existence a été prouvée pour la première fois par H. Zassenhaus et W. Eichhorn dans les années 1960, et indépendamment par Albrecht Pfister à la même époque. Il en existe plusieurs versions, dont une concise est :
    ${\begin{aligned}&\scriptstyle {z_{1}={\color {blue}{x_{1}y_{1}-x_{2}y_{2}-x_{3}y_{3}-x_{4}y_{4}-x_{5}y_{5}-x_{6}y_{6}-x_{7}y_{7}-x_{8}y_{8}}}+u_{1}y_{9}-u_{2}y_{10}-u_{3}y_{11}-u_{4}y_{12}-u_{5}y_{13}-u_{6}y_{14}-u_{7}y_{15}-u_{8}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{2}={\color {blue}{x_{2}y_{1}+x_{1}y_{2}+x_{4}y_{3}-x_{3}y_{4}+x_{6}y_{5}-x_{5}y_{6}-x_{8}y_{7}+x_{7}y_{8}}}+u_{2}y_{9}+u_{1}y_{10}+u_{4}y_{11}-u_{3}y_{12}+u_{6}y_{13}-u_{5}y_{14}-u_{8}y_{15}+u_{7}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{3}={\color {blue}{x_{3}y_{1}-x_{4}y_{2}+x_{1}y_{3}+x_{2}y_{4}+x_{7}y_{5}+x_{8}y_{6}-x_{5}y_{7}-x_{6}y_{8}}}+u_{3}y_{9}-u_{4}y_{10}+u_{1}y_{11}+u_{2}y_{12}+u_{7}y_{13}+u_{8}y_{14}-u_{5}y_{15}-u_{6}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{4}={\color {blue}{x_{4}y_{1}+x_{3}y_{2}-x_{2}y_{3}+x_{1}y_{4}+x_{8}y_{5}-x_{7}y_{6}+x_{6}y_{7}-x_{5}y_{8}}}+u_{4}y_{9}+u_{3}y_{10}-u_{2}y_{11}+u_{1}y_{12}+u_{8}y_{13}-u_{7}y_{14}+u_{6}y_{15}-u_{5}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{5}={\color {blue}{x_{5}y_{1}-x_{6}y_{2}-x_{7}y_{3}-x_{8}y_{4}+x_{1}y_{5}+x_{2}y_{6}+x_{3}y_{7}+x_{4}y_{8}}}+u_{5}y_{9}-u_{6}y_{10}-u_{7}y_{11}-u_{8}y_{12}+u_{1}y_{13}+u_{2}y_{14}+u_{3}y_{15}+u_{4}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{6}={\color {blue}{x_{6}y_{1}+x_{5}y_{2}-x_{8}y_{3}+x_{7}y_{4}-x_{2}y_{5}+x_{1}y_{6}-x_{4}y_{7}+x_{3}y_{8}}}+u_{6}y_{9}+u_{5}y_{10}-u_{8}y_{11}+u_{7}y_{12}-u_{2}y_{13}+u_{1}y_{14}-u_{4}y_{15}+u_{3}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{7}={\color {blue}{x_{7}y_{1}+x_{8}y_{2}+x_{5}y_{3}-x_{6}y_{4}-x_{3}y_{5}+x_{4}y_{6}+x_{1}y_{7}-x_{2}y_{8}}}+u_{7}y_{9}+u_{8}y_{10}+u_{5}y_{11}-u_{6}y_{12}-u_{3}y_{13}+u_{4}y_{14}+u_{1}y_{15}-u_{2}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{8}={\color {blue}{x_{8}y_{1}-x_{7}y_{2}+x_{6}y_{3}+x_{5}y_{4}-x_{4}y_{5}-x_{3}y_{6}+x_{2}y_{7}+x_{1}y_{8}}}+u_{8}y_{9}-u_{7}y_{10}+u_{6}y_{11}+u_{5}y_{12}-u_{4}y_{13}-u_{3}y_{14}+u_{2}y_{15}+u_{1}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{9}=x_{9}y_{1}-x_{10}y_{2}-x_{11}y_{3}-x_{12}y_{4}-x_{13}y_{5}-x_{14}y_{6}-x_{15}y_{7}-x_{16}y_{8}+x_{1}y_{9}-x_{2}y_{10}-x_{3}y_{11}-x_{4}y_{12}-x_{5}y_{13}-x_{6}y_{14}-x_{7}y_{15}-x_{8}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{10}=x_{10}y_{1}+x_{9}y_{2}+x_{12}y_{3}-x_{11}y_{4}+x_{14}y_{5}-x_{13}y_{6}-x_{16}y_{7}+x_{15}y_{8}+x_{2}y_{9}+x_{1}y_{10}+x_{4}y_{11}-x_{3}y_{12}+x_{6}y_{13}-x_{5}y_{14}-x_{8}y_{15}+x_{7}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{11}=x_{11}y_{1}-x_{12}y_{2}+x_{9}y_{3}+x_{10}y_{4}+x_{15}y_{5}+x_{16}y_{6}-x_{13}y_{7}-x_{14}y_{8}+x_{3}y_{9}-x_{4}y_{10}+x_{1}y_{11}+x_{2}y_{12}+x_{7}y_{13}+x_{8}y_{14}-x_{5}y_{15}-x_{6}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{12}=x_{12}y_{1}+x_{11}y_{2}-x_{10}y_{3}+x_{9}y_{4}+x_{16}y_{5}-x_{15}y_{6}+x_{14}y_{7}-x_{13}y_{8}+x_{4}y_{9}+x_{3}y_{10}-x_{2}y_{11}+x_{1}y_{12}+x_{8}y_{13}-x_{7}y_{14}+x_{6}y_{15}-x_{5}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{13}=x_{13}y_{1}-x_{14}y_{2}-x_{15}y_{3}-x_{16}y_{4}+x_{9}y_{5}+x_{10}y_{6}+x_{11}y_{7}+x_{12}y_{8}+x_{5}y_{9}-x_{6}y_{10}-x_{7}y_{11}-x_{8}y_{12}+x_{1}y_{13}+x_{2}y_{14}+x_{3}y_{15}+x_{4}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{14}=x_{14}y_{1}+x_{13}y_{2}-x_{16}y_{3}+x_{15}y_{4}-x_{10}y_{5}+x_{9}y_{6}-x_{12}y_{7}+x_{11}y_{8}+x_{6}y_{9}+x_{5}y_{10}-x_{8}y_{11}+x_{7}y_{12}-x_{2}y_{13}+x_{1}y_{14}-x_{4}y_{15}+x_{3}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{15}=x_{15}y_{1}+x_{16}y_{2}+x_{13}y_{3}-x_{14}y_{4}-x_{11}y_{5}+x_{12}y_{6}+x_{9}y_{7}-x_{10}y_{8}+x_{7}y_{9}+x_{8}y_{10}+x_{5}y_{11}-x_{6}y_{12}-x_{3}y_{13}+x_{4}y_{14}+x_{1}y_{15}-x_{2}y_{16}}\\&\scriptstyle {z_{16}=x_{16}y_{1}-x_{15}y_{2}+x_{14}y_{3}+x_{13}y_{4}-x_{12}y_{5}-x_{11}y_{6}+x_{10}y_{7}+x_{9}y_{8}+x_{8}y_{9}-x_{7}y_{10}+x_{6}y_{11}+x_{5}y_{12}-x_{4}y_{13}-x_{3}y_{14}+x_{2}y_{15}+x_{1}y_{16}}\end{aligned}}$
Si on annule les $x_{i}$ et $y_{i}$ pour $i>8$, l'identité se réduit à l'identité des huit carrés de Degen (en bleu). Les $u_{i}$ sont égaux à :
    ${\begin{aligned}&u_{1}={\tfrac {\left(ax_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{9}-2x_{1}\left(bx_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{2}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+ax_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{10}-2x_{2}\left(x_{1}x_{9}+bx_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{3}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+ax_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{11}-2x_{3}\left(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+bx_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{4}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+ax_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{12}-2x_{4}\left(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+bx_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{5}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+ax_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{13}-2x_{5}\left(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+bx_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{6}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+ax_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{14}-2x_{6}\left(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+bx_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{7}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+ax_{7}^{2}+x_{8}^{2}\right)x_{15}-2x_{7}\left(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+bx_{7}x_{15}+x_{8}x_{16}\right)}{c}}\\&u_{8}={\tfrac {\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+ax_{8}^{2}\right)x_{16}-2x_{8}\left(x_{1}x_{9}+x_{2}x_{10}+x_{3}x_{11}+x_{4}x_{12}+x_{5}x_{13}+x_{6}x_{14}+x_{7}x_{15}+bx_{8}x_{16}\right)}{c}}\end{aligned}}$
où :
    $a=-1,\;\;b=0,\;\;c=x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+x_{4}^{2}+x_{5}^{2}+x_{6}^{2}+x_{7}^{2}+x_{8}^{2}\,.$
Cette identité montre que le produit de deux sommes de seize carrés d'entiers est la somme de seize carrés de rationnels. De plus, les $u_{i}$ satisfont à :
    $u_{1}^{2}+u_{2}^{2}+u_{3}^{2}+u_{4}^{2}+u_{5}^{2}+u_{6}^{2}+u_{7}^{2}+u_{8}^{2}=x_{9}^{2}+x_{10}^{2}+x_{11}^{2}+x_{12}^{2}+x_{13}^{2}+x_{14}^{2}+x_{15}^{2}+x_{16}^{2}$
Il n'existe pas d'identité concernant deux produits de seize carrés impliquant uniquement des fonctions bilinéaires puisque le théorème de Hurwitz énonce qu'une identité de la forme :
    $\left(x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+\cdots +x_{n}^{2})(y_{1}^{2}+y_{2}^{2}+y_{3}^{2}+\cdots +y_{n}^{2}\right)=z_{1}^{2}+z_{2}^{2}+z_{3}^{2}+\cdots +z_{n}^{2}$
où les $z_{i}$ sont des fonctions bilinéaires des $x_{i}$ et $y_{i}$ n'est possible que pour $n\in$ {1, 2, 4, 8}. Cependant, un théorème plus général dû à Pfister datant de 1965 montre que si les $z_{i}$ sont des fonctions rationnelles d'un ensemble de variables, donc ont un dénominateur, une telle relation existe pour tout $n=2^{m}$. Il existe également des versions non bilinéaires des identités des quatre carrés d'Euler et des huit carrés de Degen.