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Cours · Bac+3 (ingénieur)

Analyse complexe

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Holomorphie

Non commencé

Définitions

Une fonction f:U⊂C→Cf : U \subset \mathbb{C} \to \mathbb{C} (UU ouvert) est holomorphe en z0z_0 si la limite lim⁡h→0f(z0+h)−f(z0)h\lim_{h \to 0} \frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h} existe (dérivée complexe). Elle est holomorphe sur UU si holomorphe en tout point.

Équivalent : ff est C\mathbb{C}-dérivable et continue. Les conditions de Cauchy-Riemann (∂u∂x=∂v∂y\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, ∂u∂y=−∂v∂x\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} pour f=u+ivf = u+iv) caractérisent l'holomorphie. Théorèmes clés : Cauchy (intégrale sur contour fermé nul), Cauchy-Goursat, formule intégrale de Cauchy, principe du maximum (∣f∣|f| atteint son max sur le bord). Une holomorphe non constante sur un ouvert connexe n'a pas de maximum local.

Une fonction f:U⊂C→Cf:U\subset\mathbb{C}\to\mathbb{C} est holomorphe en z0z_0 si la dérivée complexe lim⁡h→0f(z0+h)−f(z0)h\lim_{h\to 0}\frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h} existe. Équivalent : conditions de Cauchy-Riemann sur f=u+ivf=u+iv.

Théorèmes clés : Cauchy (intégrale sur contour fermé), formule intégrale, principe du maximum, Liouville.

Formules

  • f′(z0)=lim⁡h→0f(z0+h)−f(z0)hf'(z_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h}
  • ∂u∂x=∂v∂y, ∂u∂y=−∂v∂x\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y},\ \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}
  • f(z)=12πi∮γf(ζ)ζ−z dζ(z∈Int γ)f(z) = \frac{1}{2\pi i} \oint_\gamma \frac{f(\zeta)}{\zeta - z}\,d\zeta \quad (z \in \mathrm{Int}\,\gamma)
  • Liouville : f holomorphe borneˊe sur C⇒f constante\text{Liouville : } f \text{ holomorphe bornée sur } \mathbb{C} \Rightarrow f \text{ constante}

Exemples

Exemple 1

Holomorphie de eze^z et de zˉ\bar z.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) eze^z est entière (série entière partout). Pour zˉ=x−iy\bar z=x-iy : ∂u/∂x=1≠0=∂v/∂y\partial u/\partial x=1\neq 0=\partial v/\partial y : pas holomorphe. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

eze^z holomorphe sur C\mathbb{C} ; zˉ\bar z nulle part.

Exemple 2

Calculer ∮∣z∣=11z dz\oint_{|z|=1}\frac{1}{z}\,dz.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Formule de Cauchy / paramétrisation z=eiθz=e^{i\theta} : intégrale =2πi=2\pi i. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

2πi2\pi i.

À retenir

Séries de Laurent

Non commencé

Définitions

Autour d'une singularité isolée z0z_0, une fonction holomorphe sur un voisinage épointé admet un développement en série de Laurent f(z)=∑n=−∞+∞an(z−z0)nf(z) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n (z-z_0)^n. La partie régulière (n≥0n \geq 0) converge ; la partie principale (n<0n < 0) capture la singularité.

Singularité removable : un seul terme n=−1n=-1 absent, prolongeable. Pôle d'ordre mm : a−m≠0a_{-m} \neq 0, fini de termes négatifs. Singularité essentielle (Casorati-Weierstrass) : infinité de termes n<0n < 0. Le rayon intérieur/extérieur de convergence délimite l'anneau. Ordre de grandeur : partie principale dominante près de z0z_0.

Autour d'une singularité isolée : série de Laurent f(z)=∑n=−∞+∞an(z−z0)nf(z)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty}a_n(z-z_0)^n. Classification : amovible, pôle d'ordre mm, essentielle.

La partie principale (n<0n<0) capture la singularité ; utile en transformée ZZ / réponse impulsionnelle.

Formules

  • f(z)=∑n=−∞+∞an(z−z0)n,an=12πi∮f(ζ)(ζ−z0)n+1 dζf(z) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} a_n (z-z_0)^n,\quad a_n = \frac{1}{2\pi i} \oint \frac{f(\zeta)}{(\zeta-z_0)^{n+1}}\,d\zeta
  • Poˆle ordre m⇔a−m≠0, a−m−1=⋯=0\text{Pôle ordre } m \Leftrightarrow a_{-m} \neq 0,\ a_{-m-1} = \cdots = 0
  • Essentielle ⇔ infiniteˊ de an≠0 pour n<0\text{Essentielle } \Leftrightarrow \text{ infinité de } a_n \neq 0 \text{ pour } n < 0
  • f(z)=1z(z−1)=1z−1−1z sur 0<∣z∣<1f(z) = \frac{1}{z(z-1)} = \frac{1}{z-1} - \frac{1}{z} \text{ sur } 0 < |z| < 1

Exemples

Exemple 1

Singularité de e1/ze^{1/z} en 00.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Laurent : ∑n=0∞1n!zn\sum_{n=0}^\infty\frac{1}{n! z^n} : infinité de termes négatifs ⇒\Rightarrow essentielle. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Singularité essentielle en 00.

Exemple 2

Développer 1z(z−1)\frac{1}{z(z-1)} pour 0<∣z∣<10<|z|<1.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Décomposition : 1z−1−1z\frac{1}{z-1}-\frac{1}{z} ; sur l'anneau, développer 1/(z−1)1/(z-1) en série de zz. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Laurent avec pôle simple en 00 (terme −1/z-1/z).

À retenir

Résidus

Non commencé

Définitions

Le résidu Res(f,z0)\mathrm{Res}(f, z_0) d'une fonction holomorphe sauf en z0z_0 est le coefficient a−1a_{-1} de la série de Laurent. Théorème des résidus : ∮γf(z) dz=2πi∑Res(f,zk)\oint_\gamma f(z)\,dz = 2\pi i \sum \mathrm{Res}(f, z_k) pour les singularités zkz_k intérieures au contour simple positif γ\gamma.

Méthodes de calcul : série de Laurent, formule Res(f,z0)=lim⁡z→z0(z−z0)f(z)\mathrm{Res}(f,z_0) = \lim_{z \to z_0} (z-z_0)f(z) pour pôle simple, formule générale pour pôle d'ordre mm. Application majeure : calcul d'intégrales réelles via contours fermés dans C\mathbb{C}.

Le résidu Res(f,z0)=a−1\mathrm{Res}(f,z_0)=a_{-1}. Théorème des résidus : ∮γf=2πi∑Res\oint_\gamma f=2\pi i\sum\mathrm{Res}. Calcul : limite pour pôle simple, ou g/h′g/h' si zéro simple de hh.

Application : intégrales réelles et inversion de Laplace (Bromwich).

Formules

  • Res(f,z0)=a−1=12πi∮∣z−z0∣=εf(z) dz\mathrm{Res}(f, z_0) = a_{-1} = \frac{1}{2\pi i} \oint_{|z-z_0|=\varepsilon} f(z)\,dz
  • ∮γf=2πi∑zk∈Int γRes(f,zk)\oint_\gamma f = 2\pi i \sum_{z_k \in \mathrm{Int}\,\gamma} \mathrm{Res}(f, z_k)
  • Poˆle simple : Res(f,z0)=lim⁡z→z0(z−z0)f(z)\text{Pôle simple : } \mathrm{Res}(f, z_0) = \lim_{z \to z_0} (z-z_0)f(z)
  • Res(gh,z0)=g(z0)h′(z0) si h(z0)=0,h′(z0)≠0\mathrm{Res}\left(\frac{g}{h}, z_0\right) = \frac{g(z_0)}{h'(z_0)} \text{ si } h(z_0)=0, h'(z_0) \neq 0

Exemples

Exemple 1

Calculer Res(1/z,0)\mathrm{Res}(1/z,0) et ∮∣z∣=11z dz\oint_{|z|=1}\frac{1}{z}\,dz.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Coefficient a−1a_{-1} de 1/z1/z vaut 11. Théorème des résidus : intégrale =2πi⋅1=2\pi i\cdot 1. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Res=1\mathrm{Res}=1, ∮=2πi\oint=2\pi i.

Exemple 2

Pôle simple : Res(g/h,z0)=g(z0)/h′(z0)\mathrm{Res}(g/h,z_0)=g(z_0)/h'(z_0).

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Si h(z0)=0h(z_0)=0, h′(z0)≠0h'(z_0)\neq 0, g(z0)≠0g(z_0)\neq 0 : formule directe sans Laurent complet. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Res=g(z0)/h′(z0)\mathrm{Res}=g(z_0)/h'(z_0).

À retenir