Analyse complexe

L'analyse complexe est le domaine des mathématiques étudiant les fonctions holomorphes, c'est-à-dire les fonctions définies sur un certain domaine du plan complexe, prenant des valeurs complexes, et qui sont dérivables comme fonctions complexes.



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L'analyse complexe est le domaine des mathématiques étudiant les fonctions holomorphes, c'est-à-dire les fonctions définies sur un certain domaine du plan complexe, prenant des valeurs complexes, et qui sont dérivables comme fonctions complexes.

La définition de la dérivée complexe est en tout point comparable à celle de la dérivée réelle, si ce n'est que les opérations de corps (-, /) sont remplacées par celles des complexes :

f'(z)=\lim_{h \rightarrow 0} \frac{f(z+h)-f(z)}{h}

La dérivabilité complexe a des conséquences bien plus fortes que celle de la dérivabilité réelle. A titre d'exemple, toute fonction holomorphe est développable en série entière dans tout disque ouvert inclus dans son domaine de définition, et est ainsi une fonction analytique. Surtout, les fonctions holomorphes sont indéfiniment dérivables, ce qui n'est pas le cas pour la majorité des fonctions réelles dérivables. La majorité des fonctions élémentaires, telles que les fonctions polynomiales, la fonction exponentielle, et les fonctions trigonométriques, sont holomorphes.

Certaines opérations par contre posent des difficultés nouvelles, ainsi la recherche de primitive ou de fonction réciproque, et a fortiori la résolution d'équation différentielle. La nature topologique du domaine de définition (questions de connexité, de simple connexité) est à prendre en compte pour pouvoir effectuer ces opérations.

Intégrale curviligne

Un outil puissant en analyse complexe est l'intégrale curviligne. L'intégrale sur un chemin fermé, d'une fonction qui est holomorphe partout à l'intérieur du secteur délimité par le chemin fermé, est toujours nulle ; c'est le théorème intégral de Cauchy. La valeur d'une fonction holomorphe en un point peut être calculée par une certaine intégrale curviligne sur un chemin fermé autour de ce point. Ce dernier résultat, connu sous le nom de formule intégrale de Cauchy est essentiel pour établir les résultats théoriques sur les fonctions holomorphes.

Les intégrales sur un chemin dans le plan complexe sont fréquemment employées pour déterminer des intégrales généralisées réelles, par le biais de la théorie des résidus. Si une fonction a une singularité en un certain point (pôle ou singularité principale), ce qui veut dire que ses valeurs «explosent» et qu'elle ne prend pas une valeur finie à cet lieu, alors nous pouvons définir le résidu de la fonction en ce point, et ces résidus peuvent être utilisés pour calculer des intégrales, suivant des chemins, impliquant la fonction ; c'est le contenu du puissant théorème des résidus.

Le comportement remarquable des fonctions holomorphes près des singularités principales est décrit par le théorème de Weierstrass-Casorati. Les fonctions qui n'ont que des pôles et aucune singularité principale se nomment des fonctions méromorphes. Les séries de Laurent sont analogues aux séries de Taylor mais sont employées pour étudier le comportement des fonctions holomorphes près des singularités.

Fonctions entières

Une fonction entière (c'est-à-dire holomorphe dans le plan complexe tout entier) et bornée est obligatoirement constante ; c'est l'énoncé du théorème de Liouville. Il est parfois utilisé pour apporter une preuve courte et naturelle du théorème essentiel de l'algèbre (ou théorème de d'Alembert-Gauss) qui affirme que le corps des nombres complexes est algébriquement clos, c'est à dire que tout polynôme à cœfficients complexes, de degré supérieur ou égal à 1, admet au moins une racine.

Prolongement analytique

Une propriété importante des fonctions holomorphes est que si une fonction est holomorphe sur un domaine connexe, alors ses valeurs sont entièrement déterminées par ses valeurs sur n'importe quel sous-domaine plus petit. La fonction définie sur le domaine le plus grand est dite prolongée analytiquement à partir de ses valeurs sur le domaine plus petit. Ceci permet l'extension de la définition des fonctions telles que la fonction ζ de Riemann qui sont au départ définies en termes de sommes de séries qui convergent uniquement sur des domaines limités, à presque tout le plan complexe. Quelquefois, comme dans le cas du logarithme complexe, il est impossible de prolonger analytiquement en une fonction holomorphe sur un domaine non simplement connexe dans le plan complexe, mais il est envisageable de la prolonger en une fonction holomorphe sur une surface étroitement liée, nommée surface de Riemann.

Extensions : analyse complexe à plusieurs variables, géométrie complexe

Il existe aussi une théorie particulièrement riche de l'analyse complexe des fonctions à plusieurs variables complexes, dans laquelle les propriétés analytiques, comme le développement en série entière, restent toujours vraies alors que la majorité des propriétés géométriques des fonctions holomorphes à une seule variable complexe (comme la représentation conforme) ne sont plus vérifiées. Le théorème de représentation de Riemann sur la conformité des relations entre certains domaines dans le plan complexe, qui est probablement le résultat principal dans la théorie unidimensionnelle, échoue totalement dans des dimensions plus élevées.

L'analyse complexe est l'une des branches classiques des mathématiques qui pose ses fondations au XIXe siècle et légèrement avant. Les bâtisseurs principaux de cette théorie sont les mathématiciens Euler, Gauss, Riemann, Cauchy, Weierstrass ; de nombreux autres du XXe siècle vinrent apporter leur pierre. Habituellement, l'analyse complexe, surtout la théorie des représentations conformes, a énormément d'applications en technologie, mais elle est aussi employée dans la théorie analytique des nombres.

Dans les temps modernes, elle est devenue particulièrement populaire par une nouvelle poussée de la dynamique complexe et des images fractales produites le plus fréquemment en itérant des fonctions holomorphes, la plus populaire étant l'ensemble de Mandelbrot. Une autre application importante de l'analyse complexe actuellement est la théorie des cordes qui est un invariant conforme de la théorie quantique des champs.

Représentations graphiques

L'informatique favorise la représentation graphique des fonctions complexes.

Exemples

Références

Liens extérieurs

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