Ce théorème peut s'avérer utile pour étudier une fonction réelle à valeurs
complexes ne passant pas par zéro. On note U={z∈C,∣z∣=1} le cercle unité du plan complexe.
Théorème
Si f est une fonction continue sur un intervalle I⊂R à valeurs dans le cercle unité U du plan complexe,
alors il existe une fonction θ continue sur I à valeurs
dans R telle que :
∀t∈I, f(t)=exp(iθ(t))On dit que θ est un relèvement de f.
Généralisation
Si f est une fonction continue sur un intervalle I⊂R à valeurs dans le plan complexe C∗ privé de
l'origine, alors il existe une fonction θ continue sur I à
valeurs dans R telle que :
∀t∈I, f(t)=∣f(t)∣exp(iθ(t))Si la fonction f est de classe Ck pour un certain entier
naturel k, alors il existe un relèvement θ de f
qui est également de classe Ck.
Remarque
Deux relèvements de f diffèrent d'une constante 2kπ où
k est un entier relatif.
Démonstration
Fonctions régulières
Lorsque f est au moins de classe C1, on peut reconstruire
un relèvement θ par « ingénierie à l'envers » (aussi
appelée « analyse-synthèse ») en dérivant la relation f(t)=exp(iθ(t)) :
f′(t)=iθ′(t)f(t)⟹θ′(t)=−if(t)f′(t)=−i∣f(t)∣2f′(t)f(t)Comme l'image de f est incluse dans le cercle unité, on a
∣f(t)∣2=1. En dérivant cette relation par rapport à t, on
obtient :
∣f(t)∣2f′(t)f(t)+f(t)f′(t)=f(t)f(t)=1=2Re[f′(t)f(t)]=0Ainsi, f′(t)f(t) est un nombre imaginaire pur. Soit
θ0∈R tel que f(0)=eiθ0∈U. On peut alors définir :
γ(t)θ(t):=−if′(t)f(t)∈R:=θ0+∫u=0tγ(u)duOn vérifie que, f étant de classe C1, γ est
bien une fonction continue de I dans R, ce qui fait de
θ une fonction de classe C1 à son tour.
Fonctions continues
Si f est seulement une fonction continue, la démonstration est
sensiblement différente et fait appel à des notions de topologie comme la
continuité uniforme.
Discussion
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