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Niveau maths spé
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Théorème de D'Alembert-Gauss

Posté par
ZiYun
23-06-19 à 01:17

Bonsoir,

J'aimerais poser une question sur une preuve connue du théorème de D'Alembert-Gauss, elle consiste à montrer que si on dispose d'une fonction continue et 2\pi
-périodique f qui ne s'annule pas alors I(f)=\frac{1}{2i\pi }\int_{0}^{2\pi}{\frac{f'(t)}{f(t)}dt} \in \mathbb{Z}.
On prend alors un polynôme non constant P\in \mathbb{C}[X] de degré d. Supposons que P ne s'annule pas.
Posons : F(r)=\frac{1}{2i\pi}\int_{0}^{2\pi}{\frac{P'(re^{it})re^{it}}{P(re^{it})}dt}
Par théorème de continuité sous le signe intégral on montre que F est continue sur tout segment [a,b]\subset \mathbb{R}_{+} et donc que F est continue sur \mathbb{R}_{+} mais elle est à valeurs dans \mathbb{Z} donc elle est constante et puisque F(0)=0 alors elle est nulle partout.
Pour trouver la contradiction on passe à la limite.
On a : z\mapsto \frac{P'(z)z}{P(z)} est continue sur \mathbb{C}.  
Et \frac{\left| P'(z)z\right|}{\left| P(z)\right|}\sim d lorsque \left| z\right| \rightarrow +\infty et on en déduit que z\mapsto \frac{P'(z)z}{P(z)} est bornée sur \mathbb{C}. Je ne comprends pas cette conclusion. Je sais le faire sur \mathbb{R}, puisque déjà on n'a que des réels et qu'on peut diviser la droite en trois parties, un segment où la fonction est bornée car continue ( sur un segment ) et les deux autres parties la fonction y est bornée car elle admet une limite finie. Mais pour \mathbb{C}, déjà ce n'est que la limite lorsque la variable réelle, on n'en sait rien lorsque la variable est complexe. On ne peut même pas majorer par une expression qui tend vers 0 par exemple ou déterminer les limites des parties réelles et imaginaires de notre fonction...
L'autre point que je ne comprends pas c'est que pour trouver la limite de F, on fait le théorème de convergence dominée et on dit que \lim_{r\rightarrow 0}\frac{P'(re^{it})re^{it}}{P(re^{it})}=d, mais je ne comprends pas pourquoi. Si c'était r seulement je me serai dit que r=\left|z \right|, mais ici on a un z qui "tourne en s'éloignant"...

J'espère que vous pourrez m'aider afin de comprendre ces deux points clés de la démonstration.

Merci d'avance,

Posté par
etniopal
re : Théorème de D'Alembert-Gauss 23-06-19 à 09:00

g : z   |zP'(z)*P(z)|   est continue de   . vers + .
On peut trouver un rél R > 0 tel que  |g(z) - d| < 1 si |z]| > R .
D(R) := { z │ z| R } est un  connexe compact de    donc g(D(R)) est un intervalle compact (a , b] de  +  . On a donc  g()   b + 1  pour tout z .

Posté par
etniopal
re : Théorème de D'Alembert-Gauss 23-06-19 à 09:02

On a donc  0   g    b + 1   .

Posté par
luzak
re : Théorème de D'Alembert-Gauss 23-06-19 à 09:56

Bonjour !
Je pense que le "*" de etniopal  est un signe de division ?
Par ailleurs la connexité de D(R) ne sert à rien : g est continue donc bornée sur le compact D(R) et, comme |g(z)| est majorée sur \C\setminus D(R) on a bien g bornée sur \C.

Pour la limite de F en +\infty (et non pas en 0 comme écrit) je vois pas où tu trouves un problème !
Si \lim_{|z|\to+\infty}g(z)=d alors \lim_{r\to+\infty}g(r\mathrm{e}^{\mathrm{i}t})=d.

Posté par
ZiYun
re : Théorème de D'Alembert-Gauss 23-06-19 à 11:45

Bonjour,

Merci pour vos réponses, je comprends pourquoi la fonction est bornée.
En fait, je viens de trouver que j'ai un autre problème pour la limite. Pourquoi \lim_{\left|z \right|\rightarrow +\infty}g(z)=d ? Moi j'aurais fait : \lim_{\left|z \right|\rightarrow +\infty}\frac{P'(\left| z\right|)\left| z\right|}{P(\left| z\right|)}=d.
Sinon, j'ai compris pourquoi \lim_{r\rightarrow +\infty}\frac{P'(re^{it})re^{it}}{P(re^{it})}=d.

Posté par
luzak
re : Théorème de D'Alembert-Gauss 23-06-19 à 13:28

Si tu écris P(z)=z^d(1+Q(1/z)) (je suppose P normalisé, ce qui n'est pas grave) tu auras
P'(z)=dz^{d-1}(1+Q(1/z)-z^{d-2}Q'(1/z) donc

g(z)=\dfrac{zP'(z)}{P(z)}=\dfrac{d(1+Q(\frac1z))-\frac1zQ'(\frac1z)}{1+Q(\frac1z)} et la limite pour |z|=+\infty devient évidente.

............................................
Ton niveau indique "math spé" : sans vouloir te faire reproche de ta curiosité, il faut éviter d'utiliser aux concours les notions de "fonctions ce la variable complexe" qui ne sont pas au programme.

Posté par
ZiYun
re : Théorème de D'Alembert-Gauss 23-06-19 à 16:04

Bonjour,

Merci pour votre réponse et pour la mise en garde. Je pense que même pour dériver le polynôme P il faut évoquer la dérivée formelle et qu'on ne dérive pas la fonction polynômiale P. Même si on réalité on peut trouver la dérivée par le taux d'accroissements mais je pense que c'est mieux d'éviter cela.
Sinon j'ai compris comment on obtient la limite. Merci pour votre aide.



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