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Niveau Licence Maths 1e ann
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Déterminer un domaine de C

Posté par
Sugaku
06-07-17 à 17:33

Bonjour,
Cela fait maintenant trois semaines que je planche sur un sujet sans succès. De ce fait, j'aimerais avoir une (ou plusieurs) piste de recherche pour le résoudre.
Mon problème est le suivant :

Je cherche à démontrer qu'un domaine (ouvert connexe) D de \mathbb{C} tel que \partial D = \{\alpha\} est égal à \mathbb{C} \setminus \{\alpha\} (ou au moins biholomorphe à ce dernier).

Merci d'avance pour votre aide.

Posté par
carpediem
re : Déterminer un domaine de C 06-07-17 à 19:03

saalut

peut-être montrer que ce domaine n'est pas borné dans aucune direction autour de a ...

Posté par
jokass
re : Déterminer un domaine de C 07-07-17 à 12:08

Salut,

pas facile comme exercice....

Je propose une piste:  Prendre une boule ouverte B(,r)\{} en considérant une fonction holomorphe avec une singularité essentiel en ; et en utilisant le théorème suivant:

Soit f dans B(a,r)\{a} une fonction holomorphe avec une singularité essentiel en a. Soit T={c/ (zn)n, zna et limnzn=a, f(zn)=c n}
Alors soit T=, soit T=\{w} pour UN SEUL w.

L'idée est ensuite de prouver que w= et que le premier cas n'est pas possible;ce qui est loin d'être facile je le conçois...( ce n'est d'ailleurs peut être pas possible avec les maigres hypothèses que l'on a mais ça reste une piste)

Posté par
carpediem
re : Déterminer un domaine de C 07-07-17 à 14:39

soit D un ouvert connexe de frontière {a}

toute demi-droite d'origine le point A d'affixe a s'écrit z = re^{it}a avec r > 0 et t  réel positif ...

si D est borné ou plus précisément si D est inclus dans un quelconque demi-plan de frontière la droite d alors il existe un réel t tel que z appartienne à la frontière de D

Déterminer un domaine de C

une image pour comprendre ce que je veux dire : si la droite (BC) borne le domaine D alors les demi-droites [AD) et [AE) coupent la frontière de D

à mettre peut-être mieux en forme pour montrer qu'on la frontière contient au moins deux points si D est borné ""suivant une direction""

par contraposée on prouve donc que D n'est pas borné ...

Posté par
Sugaku
re : Déterminer un domaine de C 07-07-17 à 17:56

carpediem @ 06-07-2017 à 19:03

saalut

peut-être montrer que ce domaine n'est pas borné dans aucune direction autour de a ...


J'y avais penser mais sans grand succès. (C'est peut-être faisable mais je n'est pas encore trouvé comment)

carpediem @ 07-07-2017 à 14:39

soit D un ouvert connexe de frontière {a}

toute demi-droite d'origine le point A d'affixe a s'écrit z = re^{it}a avec r > 0 et t  réel positif ...

si D est borné ou plus précisément si D est inclus dans un quelconque demi-plan de frontière la droite d alors il existe un réel t tel que z appartienne à la frontière de D

Déterminer un domaine de C

une image pour comprendre ce que je veux dire : si la droite (BC) borne le domaine D alors les demi-droites [AD) et [AE) coupent la frontière de D

à mettre peut-être mieux en forme pour montrer qu'on la frontière contient au moins deux points si D est borné ""suivant une direction""

par contraposée on prouve donc que D n'est pas borné ...


J'ai réussi à démontrer par votre méthode que D n'est pas borné mais je n'ai pas encore réussi à démontrer que D n'est borné selon aucune direction (je vais tenter de le faire après ce post )

jokass @ 07-07-2017 à 12:08

Salut,

pas facile comme exercice....

Je propose une piste:  Prendre une boule ouverte B(,r)\{} en considérant une fonction holomorphe avec une singularité essentiel en ; et en utilisant le théorème suivant:

Soit f dans B(a,r)\{a} une fonction holomorphe avec une singularité essentiel en a. Soit T={c/ (zn)n, zna et limnzn=a, f(zn)=c n}
Alors soit T=, soit T=\{w} pour UN SEUL w.

L'idée est ensuite de prouver que w= et que le premier cas n'est pas possible;ce qui est loin d'être facile je le conçois...( ce n'est d'ailleurs peut être pas possible avec les maigres hypothèses que l'on a mais ça reste une piste)


Le problème avec votre méthode c'est qu'elle demande un théorème de la théorie des singularités (je crois ) et que cette théorie n'a été évoquée qu'en surface dans mon cours de fonction holomorphe. Sachant que j'ai besoin de ce résultat dans le cadre d'un stage, cela rajouterai un énoncé que je devrais démontrer.  
D'ailleurs, pour un peu de mise en contexte, j'ai besoin de ce résultat pour démontrer que si on ajoute une hypothèse de simple connexité à D et qu'on retire l'hypothèse sur \partial D alors \partial D contient au moins deux points distincts.


J'ai également essayer de démontrer que \overline{D}=D\cup\{\alpha\} est un ouvert-fermé de \mathbb{C} mais je n'arrive pas a montrer qu'il est ouvert.

Posté par
verdurin
re : Déterminer un domaine de C 07-07-17 à 21:52

Bonsoir,
on peut aussi prendre un point x dans le complémentaire DC de D.
Et remarquer que si B est une boule ouverte de centre x incluse dans DC alors B{} est un fermé.

Posté par
carpediem
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 12:33

encore plus simple peut-être :

soit t réel fixé,  d = {z = raexp (it) / r > 0}  la demi-droite d'origine a dans la direction angulaire t et E = d D

alors tout simplement si E d alors les les éléments de E sont des éléments de D différents de a

Déterminer un domaine de C

la demi-droite d = [AB) rencontre D et ici E= ]a, X] [Y, Z] [W, B) et les points X, Y, Z et W appartiennent à la frontière de D

PS : les points X, Y, ... ne sont pas marqués ...

Posté par
Sugaku
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 18:47

carpediem @ 08-07-2017 à 12:33

encore plus simple peut-être :

soit t réel fixé,  d = {z = raexp (it) / r > 0}  la demi-droite d'origine a dans la direction angulaire t et E = d D

alors tout simplement si E d alors les les éléments de E sont des éléments de D différents de a

Déterminer un domaine de C

la demi-droite d = [AB) rencontre D et ici E= ]a, X] [Y, Z] [W, B) et les points X, Y, Z et W appartiennent à la frontière de D

PS : les points X, Y, ... ne sont pas marqués ...


Ce n'est peut-être pas la méthode la plus simple ni la plus rapide mais grâce à votre idée j'ai finalement trouvé une démonstration.
J'aimerais d'ailleurs avoir votre avis dessus, la voici :

Pour \theta \in \mathbb{R} on pose d_{\theta}=\alpha+\mathbb{R}^*_+ e^{i\theta} la demi-droite ouverte d'origine \alpha qui forme un angle de \theta par rapport à l'axe (Ox). On pose également E_{\theta}=d_{\theta} \cap D.

De votre indication (je passe les détails du calcul) on peut montrer que E_{\theta}\neq \emptyset \Rightarrow E_{\theta}=d_{\theta}.
De ce fait \forall \theta \in \mathbb{R}, E_{\theta}=\emptyset ou E_{\theta}=d_{\theta}.

De plus, D=\bigcup\limits_{\theta\in \mathbb{R}} {E_{\theta}}=\bigcup\limits_{\theta\in I}{d_{\theta}}=\left\{ \alpha + r e^{i \theta} \mid r>0 \text{ et } \theta\in I \right\}I=\{ \theta \in \mathbb{R} \mid E_{\theta}\neq \emptyset \}.

En utilisant le fait que \partial D =\{\alpha\} on peut montrer que I est un fermé.

De plus I=f^{-1}(D)f:\theta \mapsto \alpha + r e^{i \theta} pour r>0. Comme f est continue et D est ouvert on a que I est ouvert.

On conclut par connexité de \mathbb{R} que I=\mathbb{R}. Et donc que D=\mathbb{C}\setminus \{ \alpha \}.

Posté par
jsvdb
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 18:50

Bonjour.

En reprenant toutes les idées, tu montres simplement que la boule B(\alpha,\varepsilon)-\{\alpha\}\subset D et ce pour tout \varepsilon > 0.

Tu le montres en disant que ce c'est pas le cas alors il y a un x\in B(\alpha,\varepsilon)-\{\alpha\} tel que x\notin D et tu considères le segment [x;\alpha[ qui rencontre alors la frontière de D.

Posté par
jsvdb
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 18:54

L'argument clé étant qu'il existe \alpha' \in [x;\alpha[ \cap B(\alpha,\varepsilon)-\{\alpha\} en vertu du fait que D est ouvert.

Posté par
jsvdb
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 18:55

Et que \alpha' \in D

Posté par
jsvdb
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 19:17

Bon en fait, c'est pas suffisant.

Il faut commencer par dire que \alpha \notin D (car D étant ouvert, il ne pourrait pas être sur la frontière) et est adhérent à D (car il est sur la frontière)

Donc il existe une suite (d_n)_n de points de points de D qui converge vers \alpha.

Pour chacun de ses points, il existe une suite \varepsilon_n >0 telle que B_n =B(d_n;\varepsilon_n)\subset D et \alpha \notin B_n


Et là tu reprends ma démo :

Soit \varepsilon > 0 avec x \in B(\alpha;\varepsilon) et x \notin D

Alors tu trouveras forcément un point x_\varepsilon dans une des boules B_n tel que \alpha \notin [x;x_\varepsilon] et donc le segment [x;x_\varepsilon] rencontrera \partial D en point différent de \alpha

Conclusion : toute boule B(\alpha;\varepsilon) -\{\alpha\} \subset D et D =\C -\{\alpha\}

Posté par
jsvdb
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 19:22

NB : le segment  [x;x_\varepsilon] ne rencontrera pas forcément \partial D sur la frontière d'une des B_n

Posté par
Sugaku
re : Déterminer un domaine de C 08-07-17 à 21:34

Merci jsvdb
Cette preuve est beaucoup plus élégante et concise que celle que j'avais trouvé.

Posté par
carpediem
re : Déterminer un domaine de C 09-07-17 à 14:21

je ne comprends pas toutes ces histoires de suites et sous-suites ...

mais effectivement c'est mon idée en plus concis ... et mieux formalisée ...


on considère les sphères S_r = S(a, r) = \{ z \in \C  /  |z - a| = r \} avec r > 0

si S_r \cap D \ne S_r pour un certain r alors il existe un complexe z <> a de cette intersection qui appartient à la frontière de D (puisque D est ouvert)

Posté par
carpediem
re : Déterminer un domaine de C 09-07-17 à 14:22

je ne comprends pas toutes ces histoires de suites et sous-suites ...

mais effectivement c'est mon idée en plus concis ... et mieux formalisée ...


on considère les sphères S_r = S(a, r) = \{ z \in \C  /  |z - a| = r \} avec r > 0

si S_r \cap D \ne S_r pour un certain r alors il existe un complexe z <> a de cette intersection qui appartient à la frontière de D et pas à D (puisque D est ouvert)

Posté par
jsvdb
re : Déterminer un domaine de C 09-07-17 à 22:39

Oui  mais cette fois c'est trop concis car il faut préciser qu'on prend un r pour lequel l'intersection est non vide et préciser que si l'intersection est vide alors on peut trouver un r plus petit pour lequel l'intersection est non vide.
Ensuite rien ne nous garantit que l'on puisse trouver un r tel que  L'intersection soit différente de Sr.
  Si on est dans un tel cas alors D était en réalité une boule  (  sauf son centre  a) et on sait que la frontière d'une boule n'est pas réduite à un point .
Enfin après avoir éliminé tous ces cas alors effectivement c'est ton raisonnement qui s'applique.

Posté par
etniopal
re : Déterminer un domaine de C 10-07-17 à 10:54

Dans il y a 3 ouverts ayant {0} pour frontière .

Dans un -evn E  de dimension > 1 il n'y a que  E\{0} :

   On utilise les propriétés suivantes :
   1.Les ouverts connexes de sont les intervalles ouverts ]a , b[  ( - a b + )
  2.Les composantes connexes d'un ouvert de sont des ouverts ( donc des  intervalles ouverts )
3.Pour tout (x,y) E² tel que x y , t    x + t(y - x) réalise un homéomorphisme de sur la droite D(x,y) "passant par x et y " .

Soit donc U un ouvert de E n'ayant que 0 pour point frontière . U est donc non vide .  Soient a U  et := { t.a | t 1 }  (c'est la demi-droite fermée contenant 0 et d'extrêmité a  ) .

Soit x E \ .
U D(a,x) est un ouvert  de la droite  D(a,x) contenant a  . La composante connexe de U D(a,x) contenant a est donc un "segment " ouvert contenu dans D(a,x) . Si  on avait    D(a,x) une de ses extrémités serait un point fronntière de U . On a donc D(a,x) U .

Par suite U contient  E \ .
Si U   E \ {0}  il existe b tel que b U . b est alors point frontière de U .
Comme ce n'est pas le cas  on a U =  E \ {0} .

Rq :  Je n'ai  pas supposé que U était connexe .

Posté par
Sugaku
re : Déterminer un domaine de C 10-07-17 à 21:19

Merci etniopal je ne m'étais même pas demandé si le résultat se généralisait mais je suis content de voir que oui

Posté par
carpediem
re : Déterminer un domaine de C 13-07-17 à 11:37

ouais ben c'est exactement ce que je dis (à 12h33) ... en plus symbolique ... avec rigueur et méthode comme à son habitude ...

effectivement tout provient des propriétés de \R et de ses connexes ...

pour tout z dans U = E - {a} on note D la demi-droite [a, z)

si l'ensemble U D n'a pas exactement une composante connexe alors la frontière de U contient un deuxième point ... ce qui contredit l'hypothèse ...

à noter comme l'a fait etniopal que l'hypothèse U connexe est inutile au raisonnement ... ce que j'avais remarqué dès le début ... (mais évidemment si U n'est pas connexe c'était immédiatement fini)



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