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La th´ eorie de Cauchy sur un ouvert convexe

Dans le document FONCTIONS ANALYTIQUES (Page 60-67)

L’INT´ EGRALE DE CAUCHY

4.5. La th´ eorie de Cauchy sur un ouvert convexe

[z,z+h]

f(ζ)dζ−f(z)

[z,z+h]

≤ |h| sup

|ζz|≤|h||f(ζ)−f(z)|.

Comme f est continue en z, le dernier membre est de la forme |h|(h) : F est d´erivable en z de d´eriv´eef(z).

4.5. La th´eorie de Cauchy sur un ouvert convexe

D´efinition 4.5.1. — Une partie X de C est convexe si, pour tout a, b ∈X, le segment [a, b] est contenu dans X.

On laisse la d´emonstration des propri´et´es suivantes (faciles mais im-portantes) au lecteur :

1. Un convexe est connexe.

2. Un disque (ouvert ou ferm´e) est convexe.

3. Un demi-plan (ouvert ou ferm´e) (d´efinition ?) est convexe.

4. L’intersection d’une famille de convexes est convexe.

5. L’int´erieur d’un convexe est convexe.

6. L’adh´erence d’un convexe est convexe.

La Propri´et´e 4. permet la d´efinition suivante :

D´efinition 4.5.2. — L’enveloppe convexe deX C est l’intersection de tous les convexes de C qui contiennentX. C’est«le plus petit convexe de C qui contient X ».

Le lemme suivant est crucial. La premi`ere partie de l’´enonc´e r´esout le probl`eme des primitives sur un ouvert convexe, mais la pr´ecision apport´ee par la deuxi`eme partie est indispensable pour d´emontrer la formule de Cauchy.

Lemme 4.5.3 (Goursat). — Soitun ouvert convexe de C et f

O(Ω). On a :

[a,b,c,a]

f(z)dz = 0

4.5. LA TH´EORIE DE CAUCHY SUR UN OUVERT CONVEXE 61

pour tout a, b, c∈Ω. De plus, le r´esultat reste vrai si f est continue suret d´erivable en tout point de Ω, sauf peut-ˆetre un.

Remarque 4.5.4. — Il peut ˆetre utile de remarquer, pour ceux qui connaissent la th´eorie de l’int´egration des formes diff´erentielles dans le plan, que si la fonction f est suppos´ee de classe C1, le lemme pr´ec´edent est une cons´equence de la formule de Green-Riemann(1). Dans l’´enonc´e, on suppose seulement que f est d´erivable : on ne suppose pas quef soit continue.

D´emonstration. — On d´emontre d’abord la premi`ere partie.

Soita, b, cles milieux respectifs des segments [b, c], [c, a] et [a, b]. Dans le calcul suivant, on omet d’´ecrire l’int´egrant f(z)dz :

C’est plus clair sur un dessin ! Ce calcul est correct car tout les arcs sur lesquels on int`egre sont contenus dans Ω, puisque Ω est convexe.

On a d´ecompos´e l’int´egrale initiale en la somme de quatre int´egrales du mˆeme type, dans lesquelles le triangle initial est remplac´e par des triangles semblables, dans des similitudes de rapport 1/2. Posons :

M :=

[a,b,c,a]

f(z)dz .

(1)Voir Cartan, opus cit´e, pour la relation entre l’int´egrale de Cauchy et l’int´egrale des formes diff´erentielles.

62 CHAPITRE 4. L’INT´EGRALE DE CAUCHY

Parmi les quatre triangles qu’on a introduits, il en existe au moins un, dont on note les sommets a1, b1, c1, tel qu’on ait :

[a1,b1,c1,a1]

f(z)dz M

4 .

On peut continuer ind´efiniment cette construction. Si L d´esigne la lon-gueur et D le diam`etre du triangle initial, on obtient ainsi une suite de

«triangles pleins» (les enveloppes convexes des sommets) emboˆıt´es de sommets an, bn, cn, de longueurs L/2n et de diam`etres D/2n, tels que :

[an,bn,cn,an]

f(z)dz M

4n.

Il est clair que les suites an, bn, cn convergent vers un point d Ω.

Comme f est d´erivable en d, on a le d´eveloppement limit´e : f(z) =f(d) +f(d)(z−d) +|z−d|(z−d).

Comme

[an,bn,cn,an] dz = 0 et

[an,bn,cn,an](z −d)dz = 0 (les polynˆomes holomorphes ont des primitives), l’int´egrale de f sur [an, bn, cn, an] se r´eduit `a l’int´egrale du dernier terme. On en d´eduit :

[an,bn,cn,an]

f(z)dz

≤DnLnn

o`un0 etDn etLnsont respectivement le diam`etre et la longueur du triangle de sommets an, bn, cn. On a donc :

M n×(LD) donc M = 0, et le r´esultat.

S’il existe un point α Ω tel que f soit continue mais ne soit pas d´erivable en α, on distingue plusieurs cas :

– Siαn’appartient pas `a l’enveloppe convexe dea, b, c,la d´emonstration pr´ec´edente s’applique.

– Sinon, on d´ecompose

[a,b,c,a] en une somme d’int´egrales du mˆeme type, appartenant soit au premier cas, soit au suivant.

– Siα=a, on d´ecompose

[α,b,c,α]en la somme d’int´egrales qui rentrent dans le premier cas, donc nulles, et d’une int´egrale

[α,b,c], sur un arc de longueur aussi petite qu’on veut. Cette int´egrale est aussi petite qu’on veut.

4.5. LA TH´EORIE DE CAUCHY SUR UN OUVERT CONVEXE 63

On peut maintenant d´emontrer :

Th´eor`eme 4.5.5 (Th´eor`eme de Cauchy, pour un convexe) Soitun ouvert convexe de C. Toute fonction f ∈ O(Ω) a une pri-mitive sur Ω. Le r´esultat reste vrai si f C0(Ω) est d´erivable en tout point de Ω, sauf peut-ˆetre un.

D´emonstration. — Compte tenu du Th´eor`eme 4.4.1, il suffit de montrer

que car les images des arcs sur lesquels on int`egre sont contenues dans Ω. On en d´eduit le r´esultat par r´ecurrence sur N.

D´efinition 4.5.6. — Soitcun chemin ferm´e dans C etz C\c; on

Th´eor`eme 4.5.7 (Formule de Cauchy, pour un convexe)

Soitun ouvert convexe de C et f ∈ O(Ω). Pour tout chemin ferm´e Par d´efinition de l’indice :

1

64 CHAPITRE 4. L’INT´EGRALE DE CAUCHY

D’autre part, le pointz /∈ c´etant fix´e, on d´efinit la fonctiongz : ΩC gz(ζ) =

(f(ζ)−f(z))/(ζ−z) si ζ =z,

f(z) si z Ω et ζ =z.

La fonction gz est continue sur Ω et holomorphe sur Ω\{z}. D’apr`es la deuxi`eme partie du Th´eor`eme de Cauchy,

cgz(ζ) = 0. On en d´eduit la formule de Cauchy.

Le cas o`u le chemin ferm´e cest un cercle «orient´e dans le sens trigo-nom´etrique» est le plus important. C’est le seul qu’on utilisera dans le prochain chapitre :

Notation 4.5.8. — On note ∂D(a, r) le chemin ferm´e c(t) = a+reit, 0≤t≤2π, et sif ∈C0(C(a, r)), on note

∂D(a,r)

f(z)dz l’int´egrale de f sur c.

Th´eor`eme 4.5.9. — Soitun ouvert de C etf ∈ O(Ω). Si D(a, r)⊂ Ω, on a :

(40) 1

2iπ

∂D(a,r)

f(ζ) ζ−z =

f(z) si z ∈D(a, r), 0 si z /∈D(a, r).

D´emonstration. — Si D(a, r)⊂Ω, il existes > r tel queD(a, s)⊂Ω, et D(a, s) est un ouvert convexe. On applique la formule de Cauchy sur cet ouvert. On obtient le r´esultat, compte tenu du lemme suivant, qui donne l’indice d’un point s /∈C(a, r) par rapport `a∂D(a, r).

Lemme 4.5.10. — Pour tout z /∈C(a, r), on a : (41) Ind(z, ∂D(a, r)) =

1 si z ∈D(a, r), 0 si z /∈D(a, r).

D´emonstration. — Si z ∈D(a, r), on a : 1

ζ−z = 1

−a)−(z−a) = +∞

n=0

(z−a)n−a)n+1,

4.5. LA TH´EORIE DE CAUCHY SUR UN OUVERT CONVEXE 65

avec convergence normale enζ ∈C(a, r). On peut int´egrer terme `a terme.

Tous les termes ont des primitives en ζ sur C\{a} sauf le premier. On en d´eduit :

1 2iπ

∂D(a,r)

ζ−z = 1 2iπ

∂D(a,r)

ζ−a = 1.

Siz /∈D(a, r), on a : 1

ζ−z = 1

−a)−(z−a) = +∞

n=0

−a)n (z−a)n+1,

avec convergence normale enζ ∈C(a, r). On peut int´egrer terme `a terme.

Tous les termes ont des primitives enζ sur C . Les int´egrales sont nulles.

CHAPITRE 5

PROPRI´ ET´ ES FONDAMENTALES DES

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