J.-M. Lion, notes du cours de fonctions holomorphes, 5 mai 2004
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FONCTIONS HOLOMORPHES D’UNE VARIABLE
notes de cours
Jean-Marie Lion
pavage
Bibliographie
L. Ahlfors Complex Analysis
K. Bekka Polycopié d’un cours de fonctions holomorphes
H. Cartan Théorie élémentaire des fonctions analytiques d’une et
plusieurs variables
B. Chabat Introduction à l’analyse complexe, tome 1
P. Dolbeault Analyse complexe
M. Hervé Fonctions analytiques
B. Iversen Hyperbolic Geometry
L. Nehari Conformal Mapping
W. Rudin Analyse réelle et complexe
G. Valiron Théorie des fonctions
A. Yger Analyse complexe et distributions
Introduction
Notations 1 On désigne par Cle corps des complexes. Si zC,on note Re(z)ou xsa partie
réelle et Im(z)ou ysa partie imaginaire, son conjugué zest z=xiy.On note aussi |z|le mo-
dule de z:|z|2=zz =x2+y2et |z|0.On identifie parfois (C,||||)orienté en considérant (1,i)
directe et le plan euclidien orienté R2.Il a une correspondance biunivoque entre les similitudes
directes du plan euclidien orienté et les nombres complexe. Si λC,l’application z7→ λzest
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une similitude directe et si |λ|=1 c’est une rotation. On désigne par dx,dy,dz,dzles applica-
tions linéaires suivantes : dx·(α,β) = α,dy·(α,β) = βsi (α,β)R2et dz·u=u,dz·u=u
si uC.Si r[0,+]et aCon pose Dr(a) = {|za|<r},Sr(a) = {|za|=r}et par-
fois Dr(0)est noDret Sr(0)est noté Sr.L’axe réel est la droite {Im z =0}identifiée avec
R×{0}.L’axe imaginaire est l’axe iR={Re z =0}.
Définition 1 Soit un ouvert de C,f:Ccontinue et z0.On dit que fest C-dérivable
en z0s’il existe lCtel que limh0f(z0+h)f(z0)
h=l.Cette limite notée f(z0)s’appelle la C-
dérivée de fen z0.On dit que fest holomorphe (ou C-dérivable ) sur si fest C-dérivable en
tout point de .
Exemples 1 (de fonctions holomorhes)
- les fonctions constantes
-=C,f=zpavec pN: alors
f(z) = lim
h0
(z+h)pzp
h=lim
h0
p
k=1(z+h)k1zpk=pzp1.
-=C\{0},f=1
zpavec pNp: alors
f(z) = lim
h0
1
(z+h)p1
zp
h=lim
h0
zp(z+h)p
zp(z+h)ph=p
zp+1.
Exemples 2 (de fonctions qui ne sont pas holomorhes)
-=Cet f=z.
-=Cet f=x.
-=Cet f=y.
En effet par exemple lim h0
hRλ
h
h=λ
λdépend de λC\{0}.
Remarque 1 Soit f:Cune application continue définie sur un ouvert de Cet soit
z0.Si fest C-dérivable en z0alors f,vue comme application définie sur un ouvert de R2
est différentiable en z0et si uC(R2)alors d f(z0)·u=f(z0)u.
Dans ce cours on va étudier les fonctions holomorphes.
I Familles sommables
Notation 2 Si (ai)iICIon pose ||(ai)iI|| =supFI,Ffini iF|ai|.
On peut s’assurer que
Proposition 1 Si (ai)iICI,(bi)iICIet λCalors
0) Tous les aisont nuls ssi ||(ai)iI|| =0.
1) Si J I alors ||(ai)iJ|| ≤ ||(ai)iI||.
2) ||(λai)iI|| =|λ| ||(ai)iI||.
3) ||(ai)iI1||+||(ai)iI2||=||(ai)iI|| si (I1,I2)est une partition de I.
4) Si pour tout i I on a |ai| ≤ |bi|alors ||(ai)iI|| ≤ ||(bi)iI||.
5) ||(ai+bi)iI|| ≤ ||(ai)iI||+||(bi)iI||.
6) ||(ai)iI|| ≤ ||(Re ai)iI||+||(Im ai)iI||.
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Définition 2 On dit que (ai)iIest sommable de somme S Csi pour tout ε>0 il existe FεI
fini tel que si FIfini et FεFalors |SiFai|<ε.
Remarque 2 Si (ai)iIde sommes Set Salors S=S. En effet si ε>0,en considérant la
réunion de Fεet F
εassociés à Set Son obtient
|SS| ≤ |S
iFεF
ε
ai|+|S
iFεF
ε
ai|<2ε.
Notation 3 Si (ai)iIest sommable de somme Son pose iIai=S.
Définition 3 Si ||(ai)iI||<+,on dit que (ai)iIest absolument sommable.
Proposition 2 Si (ai)iIest sommable de somme S alors (ai)iIest absolument sommable.
Preuve On pose I+
r={iI:Re ai>0},I
r={iI:Re ai0},I+
i={iI:Im ai>0},
I
i={iI:Im ai0}.On remarque que
||(ai)iI|| ≤ ||(Re ai)iI+
r||+||(Re ai)iI
r||+||(Im ai)iI+
i||+||(Im ai)iI
i||
et que les quatre termes de la somme sont majorés par |S|+1+||(ai)iF1||.Par exemple si F+
r
I+
rfini alors ||(Re ai)iF+
r|| =iF+
rRe aiest majoré par |iF+
rai|donc par |iF+
rF1ai|+
||(ai)iF1|| et |iF+
rF1ai| ≤ |S|+1.
Remarque 3 La famille (ai)iNest sommable si et seulement si la série i0aiest absolument
convergente. En revanche il se peut que la série i0aisoit convergente sans que la famille
(ai)iNsoit sommable.
Exemple 3 ((1)i
i)iNn’est pas sommable mais i1(1)i
iest convergente.
Proposition 3 Si (ai)iIest absolument sommable alors ˜
I={iI:ai6=0}est au plus dénom-
brable.
Preuve Sinon il existerait nNtel que ˜
In={iI:|ai|>2n}est non dénombrable et donc
+=||(ai)i˜
In|| ≤ ||(ai)iI||.
Proposition 4 Si (ai)iIest absolument sommable alors pour tout ε>0il existe F I fini tel
que ||(ai)iI\F|| <ε.
Preuve Soit ε>0.Puisque ||(ai)iI||<+il existe FIni tel que ||(ai)iI||ε<iF|ai|=
||(ai)iF||.On a alors ||(ai)iI\F|| <ε.
Théorème 1 Si (ai)iIest absolument sommable elle est sommable, sa somme S vérifie |S| ≤
||(ai)iI|| et si F I fini alors |SiFai| ≤ ||(ai)iI\F||.
Preuve On peut supposer Iau plus dénombrable. Soit IkIk+1une famille croissante d’en-
sembles finis dont la réunion est I.Soit ε>0.Il existe Fεfini tel que ||(ai)iI\Fε|| <ε.Il existe
kεtel que si kkεalors FεIket donc ||(ai)iI\Ik|| <ε.Si lkkεalors
|iIlaiiIkai| iIl\Ik|ai| ≤ ||(ai)iI\Ik|| <ε.
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La suite Sk=iIkaiest de Cauchy donc convergente. Soit Ssa limite. Montrons que Svérifie
les conclusions voulues. Déjà, |Sk| ≤ iIk|ai| ≤ ||(ai)iI|| et donc |S| ≤ ||(ai)iI||.Soit FI
fini et soit kassez grand pour que FIk.On a
|iIkaiiFai|=|SkiFai| ≤ ||(ai)iFI\F|| ≤ ||(ai)iI\F||.
En passant à la limite on obtient |SiFai| ≤ ||(ai)iI\F||.En particulier, si FεFalors
|SiFai|<ε.
Remarque 4 La famille (ai)iIest absolument sommable ssi la famille (ai)i˜
Iest absolument
sommable avec ˜
I={iI:ai6=0}. Leurs sommes sont égales.
Proposition 5 Soit (ai)iIabsolument sommable de somme S et IkIk+1dont la réunion
contient ˜
I={iI:ai6=0}.Alors les (ai)iIk,kNsont absolument sommables de sommes
Sk,kNet la suite Skconverge vers S.
Preuve On peut supposer I=˜
I.Soit ε>0.Il existe Fεfini tel que ||(ai)iI\Fε|| <ε.Il existe kε
tel que si kkεalors FεIket donc ||(ai)iI\Ik||<ε.Si kkεalors |SkS| ≤ ||(ai)iIk\Fε||+
||(ai)iI\Fε|| <2ε.
Théorème 2 Soit (ai)iIabsolument sommable de somme S et (Iλ)λΛune partition de I.Alors
les familles (ai)iIλ,λΛsont absolument sommables et si on note Sλ,λΛleurs sommes,
(Sλ)λΛest absolument sommable de somme S.En d’autres termes λΛ(iIλai) = iIai.
Preuve On peut supposer Iet donc Λau plus dénombrables.
Soit ΛΛfini. On a λΛ||(ai)iIλ|| ≤ ||(ai)iI||.Donc les (ai)iIλsont sommables et leurs
sommes Sλvérifient λΛ|Sλ|||(ai)iI|| quelque soit ΛΛfini. Par conséquent (Sλ)λΛest
sommable. On pose S=λΛSλ.
Montrons S=S.Soit ε>0.
(1) Il existe FIfini tel que ||(ai)iI\F|| <ε
3.
(2) Il existe ΛΛfini tel que ||(Sλ)λΛ\Λ|| <ε
3et F⊂ ∪λΛIλ.
(3) Si λΛil existe FλIλfini tel que |SλiFλai|<ε
3CardΛet FIλFλ.
Alors on a |SλΛiFλai| ≤ ||(ai)iI\F|| <ε
3d’après (1), (2) et (3).
On a aussi |λΛ(iFλaiSλ)|<ε
3d’après (3).
On a enfin |λΛSλS|<ε
3d’après (2).
En sommant on obtient si ε>0
|SS| ≤ |SλΛiFλai|+|λΛ(iFλaiSλ)|+|λΛSλS|<ε.
Ceci prouve que S=S.
Remarque 5 Soit (ai)iIet (Iλ)λΛune partition de I.Il est possible que les (ai)iIλ,λΛ
soient absolument sommables de sommes Sλ,λΛet (Sλ)λΛabsolument sommable sans que
(ai)iIsoit sommable. C’est le cas par exemple si I=N,ai= (1)i,Λ=Net Iλ={2λ,2λ+1}.
Cependant on a :
Proposition 6 Soit (ai)iIet (Iλ)λΛune partition de I.Si les (ai)iIλ,λΛsont absolument
sommables et si (||(ai)iIλ||)λΛest absolument sommable alors (ai)iIest absolument som-
mable.
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Preuve Si FIni et si ΛΛfini tel que F⊂ ∪λΛIλalors
iF|ai| ≤ λΛ||(ai)iIλ|| ≤ ||(||(ai)iIλ||)λΛ)|| <+.
En passant au sup on obtient ||(ai)iI|| ≤ ||(||(ai)iIλ||)λΛ)|| <+.
On déduit de ce qui précède un énoncé qui a un parfum de Fubini.
Théorème 3 Si (ai,j)(i,j)I×Jest absolument sommable alors
iI(
jJai,j) =
(i,j)I×Jai,j=
jJ(
iIai,j).
Exemple 4 Si ai,j=0 si (i,j)N2,j6=i,i+1 et ai,i=1,ai,i+1=1 alors iI(jJai,j) = 0
alors que jJ(iIai,j) = 1.Par conséquent (ai,j)(i,j)N2n’est pas absolument sommable.
Voici un corrolaire aux résultats précédents.
Corollaire Soit (ai)iI,(a
i)iIet (bj)jJabsolument sommables de sommes A,Aet B.Alors
(λai)iI,(ai+a
i)iIet (aibj)(i,j)I×Jsont absolument sommables de sommes λA,A+Aet AB.
Remarque 6 Les notions de familles sommables et absolument sommables s’étendent aux
espaces vectoriels normés. Une famille absolument sommable d’un espace de Banach est som-
mable. Ce n’est pas vrai dans C[X]muni de la norme définie par N1(a0+... +adXd) = |a0|+
... +|ad|.Par exemple la famille (Xn/n!)nNest absolument sommable mais pas sommable.
Dans un espace de dimension infinie une famille peut être sommable sans être absolument som-
mable. Considérons par exemple l’espace l(C)des suites de complexes bornées muni de la
norme définie par N((tn)nN) = supNN|tn|et qui en fait un espace de Banach. La famille
(ai)iNdéfinie par ai,i=1
i+1et ai,n=0 si i6=nest sommable de somme la suite (1
n+1)nNmais
elle n’est pas absolument sommable.
Proposition 7 Soit (fi)iIune famille de fonctions définies sur E C,à valeurs complexes,
continues et bornées. On suppose que (supz|fi(z)|)iIest une famille absolument sommable.
Alors pour tout z E,(fi(z))iIest absolument sommable et sa somme F(z)est une fonction
continue sur E.
Preuve On peut supposer I=N.Les hypothèses impliquent que la série i0ficonverge nor-
malement donc uniformément vers une fonction continue.
II Séries entières, rayon de convergence,
fonctions analytiques
Définition 4 Une série formelle A est une série de fonctions n0Andont le terme général
est de la forme An:zC7→ An(z) = anznanC.La série Aest notée A=n0anzn.Le
coefficient a0s’appelle le terme constant de A.On dit que Aest constante si A=a0.
Exemples 5
- Les polynômes a0+... +anzn.
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