Lemme de Schwarz

Le lemme de Schwarz est un lemme d'analyse complexe, donnant des contraintes sur les fonctions holomorphes du disque unité dans lui-même. Il ne faut pas le confondre avec un autre résultat d'analyse complexe, le principe de réflexion de Schwarz (en).

Énoncé

Soit ${\displaystyle f}$ une fonction holomorphe dans le disque ouvert D de centre 0 et de rayon 1, et telle que :

• ${\displaystyle f(0)=0}$
• ${\displaystyle \forall z\in \mathrm {D} \quad |f(z)|\leq 1}$.

Alors on a :

${\displaystyle |f(z)|\leq |z|}$ pour tout ${\displaystyle z}$ appartenant à D et ${\displaystyle |f'(0)|\leq 1}$.

Si, de plus, il existe un élément non nul ${\displaystyle z_{0}}$ de D vérifiant ${\displaystyle |f(z_{0})|=|z_{0}|}$, ou bien si ${\displaystyle |f'(0)|=1}$, alors il existe un nombre complexe ${\displaystyle a}$ de module 1 tel que ${\displaystyle f(z)=az}$ pour tout ${\displaystyle z}$ appartenant à ${\displaystyle D}$.

Preuve

La preuve^[1] est une application directe du principe du maximum.

Démonstration

Appliquons le principe du maximum à la fonction

${\displaystyle g(z)={\begin{cases}{\frac {f(z)}{z}}&{\mbox{si }}z\neq 0\\f'(0)&{\mbox{si }}z=0,\end{cases}}}$

holomorphe sur D (l'holomorphie en 0 provient du fait que f(0) = 0 et du fait que f est développable en série entière). Pour tout r < 1, si D_r = {z : |z| ≤ r} désigne le disque fermé de rayon r > 0 centré en l'origine, la fonction |g| sur D_r atteint son maximum en un point du bord de D_r. Étant donné z appartenant à D, il existe donc, pour tout r ∈ ]|z|, 1[, un complexe z_r de module r tel que

${\displaystyle |g(z)|\leq {\underset {\overline {D_{r}}}{\max }}|g(z)|=|g(z_{r})|={\frac {|f(z_{r})|}{|z_{r}|}}\leq {\frac {1}{r}}}$.

Lorsque ${\displaystyle r\rightarrow 1}$, on obtient ${\displaystyle |g(z)|\leq 1}$.

Supposons maintenant que |f(z₀)| = |z₀| pour z₀ non nul dans D, ou supposons que |f′(0)| = 1. Alors, |g(z₀)| = 1 ou |g(0)| = 1 par définition de g. Ainsi, par le principe du maximum, g(z) est égale à une constante a

avec |a| = 1. Finalement, f(z) = az, comme voulu.

Lemme de Schwarz-Pick

Une variante du lemme de Schwarz est le lemme de Schwarz-Pick^[2], nommé en l'honneur de Georg Pick, permettant de déterminer les automorphismes analytiques du disque unité^[3] :

Soit f : D → D une fonction holomorphe. Alors, pour tout z₁, z₂ ∈ D,

${\displaystyle \left|{\frac {f(z_{1})-f(z_{2})}{1-{\overline {f(z_{1})}}f(z_{2})}}\right|\leq \left|{\frac {z_{1}-z_{2}}{1-{\overline {z_{1}}}z_{2}}}\right|}$

et, pour tout z ∈ D,

${\displaystyle {\frac {\left|f'(z)\right|}{1-\left|f(z)\right|^{2}}}\leq {\frac {1}{1-\left|z\right|^{2}}}}$.

Démonstration

La preuve du lemme de Schwarz-Pick est une conséquence du lemme de Schwarz et du fait qu'une transformation de Möbius de la forme

${\displaystyle {\frac {z-z_{0}}{{\overline {z_{0}}}z-1}},\qquad |z_{0}|<1}$

envoie le disque unité dans lui-même. Fixons z₁ et posons

${\displaystyle M(z)={\frac {z_{1}-z}{1-{\overline {z_{1}}}z}},\qquad \varphi (z)={\frac {f(z_{1})-z}{1-{\overline {f(z_{1})}}z}}}$

où M et φ sont des transformations de Möbius. Puisque M(z₁) = 0 et que la transformation de Möbius est inversible, la composée φ(f(M⁻¹(z))) envoie 0 sur 0 et le disque unité dans lui-même. Ainsi, on peut appliquer le lemme de Schwarz, ce qui nous donne

${\displaystyle \left|\varphi \left(f(M^{-1}(z))\right)\right|=\left|{\frac {f(z_{1})-f(M^{-1}(z))}{1-{\overline {f(z_{1})}}f(M^{-1}(z))}}\right|\leq |z|}$.

Maintenant, en posant z₂ = M⁻¹(z) (qui appartient au disque unité), on arrive à l'inégalité voulue :

${\displaystyle \left|{\frac {f(z_{1})-f(z_{2})}{1-{\overline {f(z_{1})}}f(z_{2})}}\right|\leq \left|{\frac {z_{1}-z_{2}}{1-{\overline {z_{1}}}z_{2}}}\right|}$.

Afin de prouver la seconde partie, divisons par |z₁ – z₂| l'inégalité obtenue

${\displaystyle \left|{\frac {f(z_{1})-f(z_{2})}{z_{1}-z_{2}}}\right|\left|{\frac {1}{1-{\overline {f(z_{1})}}f(z_{2})}}\right|\leq \left|{\frac {1}{1-{\overline {z_{1}}}z_{2}}}\right|}$.

En faisant tendre z₂ vers z₁, on obtient la seconde inégalité du lemme.

L'expression

${\displaystyle d(z_{1},z_{2})=\tanh ^{-1}\left|{\frac {z_{1}-z_{2}}{1-{\overline {z_{1}}}z_{2}}}\right|}$

est une distance au sens de la métrique de Poincaré. Le lemme de Schwarz-Pick nous donne que toute fonction holomorphe du disque unité dans lui-même réduit la distance entre deux points au sens de la métrique de Poincaré. Si l'égalité a lieu dans l'une des deux inégalités du lemme (ce qui est équivalent à dire que l'application holomorphe f préserve la distance dans la métrique de Poincaré), alors f est un automorphisme analytique, donné par une transformation de Möbius envoyant le disque unité vers lui-même.

Un énoncé équivalent sur le demi-plan de Poincaré H peut être fait :

Soit f : H → H une fonction holomorphe. Alors, pour tout, z₁, z₂ ∈ H,

${\displaystyle \left|{\frac {f(z_{1})-f(z_{2})}{{\overline {f(z_{1})}}-f(z_{2})}}\right|\leq {\frac {\left|z_{1}-z_{2}\right|}{\left|{\overline {z_{1}}}-z_{2}\right|}}}$.

C'est une conséquence directe du lemme de Schwarz-Pick : en utilisant le fait qu'une transformation de Cayley W(z) = (z − i)/(z + i) est une application conforme envoyant le demi-plan supérieur H vers le disque unité D, on obtient que l'application W ∘ f ∘ W⁻¹ est holomorphe et envoie D sur D. En appliquant le lemme de Schwarz-Pick à la fonction W ∘ f ∘ W⁻¹ et en utilisant l'expression explicite de W, on arrive au résultat voulu. De même, pour tout z ∈ H,

${\displaystyle {\frac {\left|f'(z)\right|}{{\text{Im}}(f(z))}}\leq {\frac {1}{{\text{Im}}(z)}}}$.

Si l'égalité a lieu pour l'une de deux inégalités précédentes, alors f est une transformation de Möbius à coefficients réels, c'est-à-dire

${\displaystyle f(z)={\frac {az+b}{cz+d}}}$

avec a, b, c, d ∈ R, et ad − bc > 0.

Bibliographie

• Michèle Audin, Géométrie, EDP Sciences, 2006
• Henri Cartan, Théorie élémentaire des fonctions analytiques d'une ou plusieurs variables complexes [détail de l’édition]
• Walter Rudin, Analyse réelle et complexe [détail des éditions]

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Schwarz lemma » (voir la liste des auteurs).

1. Cartan, p. 84.
2. Hervé Queffélec, Analyse pour l'agrégation : cours et exercices corrigés, Paris, Dunod, 2013, 635 p. (ISBN 978-2-10-070093-6, OCLC 862735438), p. 575.
3. Cartan, p. 175-187.

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