Intégrale sur bord de carré infini

Bonjour, soit $f(z)=\frac{1}{z^4(1-e^z)}$. J'aimerais montrer que $$\lim_{N\to \infty }\int_{\partial \square _N}f(z)dz=0$$ où $\partial \square _N$ désigne le bord d'un carré de côté $N$.

Je sais qu'il faut passer par l'estimation standard i.e. : $\left| \int_{C}f(z)dz \right|\leq \max_{z\in C}|f(z)|\ L(C)$ (où $C$ désigne une courbe) mais je n'arrive pas à trouver les bonnes majorations. Merci pour votre aide.

Edit: Le carré est centré en $0$ .

Réponses

  • Tu ne peux pas faire cette majoration standard, en effet pour $N = 4k\pi$ ta courbe va passer par un point ou ta fonction diverge. Pour ces $N$ spécifiques là ton intégrale n'est pas définie.

    Si tu prends $N= 2(2k+1)\pi$ il faut juste montrer que $e^z-1$ ne peut pas être trop petit, pour les autres $N$ tu peux utiliser le théorème des résidus pour te ramener au cas $N=2(2k+1)\pi$.
  • Bonjour, juste une petite clarification avant que je continue; pourquoi $4k\pi$? Je comprends votre raisonnement mais la même chose ne s'applique-t-elle pas pour $2k\pi$?
  • Ta fonction n'est pas définie en chaque point où $e^z=1$. Sauf erreur de calcul ces points sont les $z= 2i k\pi$ et ils se retrouvent sur ta courbe si et seulement si le carré est de longueur de côté $4k \pi = 2*2k\pi$.
  • Ah oui en effet.
  • En suivant votre conseil, étudions $|e^z-1|$ pour $z\in \partial \square _N$ avec $N=2(2k+1)\pi$.
    On a $|e^z-1|\geq |e^z|-1$ donc on regarde $|e^z|$.
    Si $z$ appartient au côté droit du carré on a $z=(2k+1)\pi+iy$ avec $y\in [-(2k+1)\pi,(2k+1)\pi]$.
    Vu que $|e^{x+iy}|=|e^x|$ on a $|e^z|=e^{(2k+1)\pi}$.
    En particulier on remarque que $|e^z|$ ne dépend pas de la hauteur sur laquelle se trouve $y$ sur le côté droit du carré.

    Regardons maintenant pour le côté haut du carré. On a alors $z=x+i(2k+1)\pi$ avec $x\in [-(2k+1)\pi,(2k+1)\pi]$.
    On a $|e^z|=|e^x|\geq e^{-(2k+1)\pi}$ par croissance de l'exponentielle.
    En fait, on voit qu'en regardant sur tous les côtés du carré, on a $|e^z|\geq e^{-(2k+1)\pi}$ d'où une minoration pour $|e^z-1$.

    Maintenant pour continuer avec le théorème des résidus je n'ai pas compris là où vous vouliez en venir.
  • Tu dis $|e^z|\geq e^{-(2k+1)\pi}$ et tu arrives à en déduire une minoration de $|e^z-1|$ ? et si $|e^z|=1$ ? et si $e^z=1$ ? Pour les côtés haut et bas du carré il va falloir faire intervenir l'argument de $e^z$.

    Le théorème des résidus (ou l'invariance par homotopie) sert à relier l'intégrale sur un carré de côté $2(2k+1)\pi$ à celle sur un carré de coté $2(2k+1)\pi + t$ où $t \in ]-2\pi;2\pi[$.
  • Bonjour Corto désolé pur la réponse tardive mais ma connexion internet a été coupée toute la journée hier.
    J'ai regardé une correction que j'avais en fait de cet exercice et j'ai trouvé comment montrer que $\left| \frac{1}{1-e^w} \right|< 2$ mais cette fois sur le bord du carré $\square _N=\left \{ z=x+iy\in \mathbb{C}:|x|,|y|<2\pi N+\pi \right \}$ comme ça pas de problème de domaine et ça facilite l'exercice. En effet il fallait passer par l'argument pour en haut et en bas.

    Maintenant j'ai juste une toute dernière question. Est-ce que l'on sait facilement que $\lim_{N\to \infty }\max_{w\in \partial \square _N}\left| \frac{1}{w^4} \right|=0$? Est-ce que c'est parce que peut importe où $w$ est situé sur $\partial \square _N$ on a $\lim_{N\to \infty }\left| \frac{1}{w^4} \right|=0$?
    Merci pour votre aide.
  • Oui pour ta dernière question.
  • Merci beaucoup.
  • Ce serait bien que tu saches le démontrer tout de même... c'est vraiment élémentaire en plus, il s'agit de géométrie de collège/primaire.

    Dernière remarque, savoir que $\lim_{N\to \infty }\max_{w\in \partial \square _N}\left| \frac{1}{w^4} \right|=0$ n'est pas suffisant pour conclure dans ton exercice. Je te rappelles que dans ta majoration tu multiplies par la longueur de la courbe qui est $4N$. Il faut donc montrer que $\max_{w\in \partial \square _N}\left| \frac{1}{w^4} \right|=o_\infty(N^{-1})$.
  • Oui je vois Corto je pense que l'argument ressemble au fait que si $w\in \partial \square _N$ alors par exemple $w$ s'écrit comme $w=2\pi N+\pi +iy$ avec $y\in [-(2\pi N+\pi),2\pi N+\pi]$ et dans ce cas on a cette fois par l'estimation standard que $$\left| \int_{\partial \square _N}f(z)dz \right| \leq \max_{z\in \partial \square _N}|f(z)|\ L(\partial \square _N)=2(2\pi N+\pi)\ \max_{z\in \partial \square _N}\left| \frac{1}{z^4(1-e^z)}\right|<4(2\pi N+\pi)\ \max_{w\in \partial \square _N}\left| \frac{1}{w^4} \right|$$
    Mais on a que $4(2\pi N+\pi)\ \max_{w\in \partial \square _N}\left| \frac{1}{w^4} \right|=4(2\pi N+\pi)\ \frac{1}{|2\pi N+\pi +iy|^4}$ qui tend vers $0$ lorsque $N\to \infty$ et ceci $\forall y\in [-(2\pi N+\pi),2\pi N+\pi]$.
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