La formule de Jensen (d'après le mathématicien Johan Jensen) est un résultat d'analyse complexe qui décrit le comportement d'une fonction analytique sur un cercle par rapport aux modules des zéros de cette fonction. Elle est d'une aide précieuse pour l'étude des fonctions entières.
L'énoncé est le suivant :
- Soient
une fonction analytique sur une région du plan complexe contenant le disque fermé
de centre 0 et de rayon r et
les zéros de
dans
, comptés avec leur multiplicité. - Si
est non nul, alors ![{\displaystyle \log |f(0)|=-\sum _{k=1}^{N}\log \left({\frac {r}{|\alpha _{k}|}}\right)+{\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{2\pi }\log |f(r\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \theta })|~\mathrm {d} \theta .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8fcb93cbfc43009a1eb266320ca80b85e863bd52)
Ou de manière équivalente :
- Si
désigne le nombre de zéros de module strictement inférieur à
, alors ![{\displaystyle \log |f(0)|+\int _{0}^{r}{\frac {n(s)}{s}}~\mathrm {d} s={\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{2\pi }\log |f(r\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \theta })|~\mathrm {d} \theta .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/41a1cd7c9e7059f43e751cbf034feb2244784e19)
Cette formule établit un lien entre les modules des zéros contenus dans un disque
et les valeurs de
sur le cercle
, et peut être vue comme une généralisation des propriétés de valeurs moyennes des fonctions harmoniques. La formule de Jensen peut être généralisée aux fonctions méromorphes : c'est le théorème de Poisson-Jensen.
On va tout d'abord faire la démonstration de cette formule lorsque
n'a pas de zéros dans
(grâce à une propriété d'harmonicité), et ensuite on se ramènera au premier cas en « éliminant » les zéros de
.
- Supposons donc tout d'abord que
n'a pas de zéros dans
.Dans ce cas, elle n'en a pas non plus dans
pour
assez petit. Or
est simplement connexe et
ne s'y annule pas donc il existe une fonction
holomorphe sur
telle que
. Alors
, partie réelle d'une fonction holomorphe, est harmonique sur
. En particulier elle est harmonique sur
et continue sur
. D'après le principe de la moyenne, on a alors :
Ceci montre alors la première partie de la preuve. - Supposons maintenant que
a des zéros dans
, on les énumère de la manière suivante :
On pose alors
Alors
est holomorphe sur
et ne s'annule pas sur
. D'après la première partie de la preuve on a alors :
Si on montre que
, alors on aura fini la preuve. Or
et si
on a :
donc
ce qui termine la preuve.
Le théorème fondamental de l'algèbre affirme que tout polynôme à coefficients complexes de degré
admet
racines comptées avec multiplicité. Il existe de nombreuses démonstrations plus ou moins équivalentes utilisant des outils d'analyse complexe. Par exemple, la formule de Jensen énoncée plus haut fournit une preuve du théorème fondamental.
Le polynôme
est une série entière dont les coefficients sont nuls pour des indices suffisamment grands :
![{\displaystyle P(X)=a_{0}+a_{1}X+\dots +a_{k}X^{k}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/786ec832eb3d419a9f32920a0f502adde10b70ab)
où
est non nul. On peut supposer
non nul. L'application
est une fonction entière (c'est-à-dire holomorphe sur ℂ). On a l'équivalent
. Par des méthodes classiques de comparaison d'intégrales divergentes, il vient :
![{\displaystyle {\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{2\pi }\log |P(r\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \theta })|~\mathrm {d} \theta \sim k\log r.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8b4f1abe0e1ec6aee344a36d6fc8bbc9ffeafd93)
Un polynôme de degré
sur ℂ a au plus k racines complexes comptées avec multiplicité. Comme
est croissant,
est constant égal à
pour
suffisamment grand. La formule de Jensen donne
![{\displaystyle {\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{2\pi }\log |P(r\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \theta })|~\mathrm {d} \theta =\log |P(0)|+\int _{0}^{r}{\frac {n(s)}{s}}~\mathrm {d} s=n_{0}\log r+{\text{Constante}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5a034f35eabf79107a527bfe341ea613354c9b53)
En comparant les deux équivalents obtenus, on obtient
. Par conséquent, le polynôme
possède
racines comptées avec multiplicité.
La formule de Jensen est fondamentale dans la théorie développée principalement par Rolf Nevanlinna pour tout ce qui touche aux théorèmes de Picard.
La formule de Jensen appliquée à un polynôme en une variable permet de calculer la mesure de Mahler de ce polynôme en fonction des racines de module plus grand que 1.