Chapter 01 · General objective

Holomorphic Functions

Complex differentiability is a two-dimensional rigidity condition disguised as a one-variable limit. This chapter develops the difference quotient, the Cauchy–Riemann equations, the complex-linear form of the real differential, harmonic components, the standard exponential and trigonometric functions, the principal logarithm and its branch cut, and the local geometry of conformal maps. The emphasis is on precise hypotheses and on separating pointwise complex differentiability from holomorphicity on an open set.La dérivabilité complexe est une condition de rigidité bidimensionnelle cachée dans une limite à une variable. Ce chapitre développe le quotient différentiel, les équations de Cauchy–Riemann, la forme complexe-linéaire de la différentielle réelle, les composantes harmoniques, l’exponentielle et les fonctions trigonométriques complexes, le logarithme principal et sa coupure, ainsi que la géométrie locale des applications conformes. L’accent est mis sur les hypothèses exactes et sur la distinction entre dérivabilité ponctuelle et holomorphie sur un ouvert.

Visual Investigations

Four deterministic explorations of complex differentiability
ObserveDirectional difference quotientsQuotients différentiels directionnels
Activate to compare directions.
The complex derivative must be independent of the direction by which \(h\to0\). Activate to cycle through \(z^2\), \(\overline z\), and \(\operatorname{Re}z\).La dérivée complexe doit être indépendante de la direction selon laquelle \(h\to0\). Activez pour parcourir \(z^2\), \(\overline z\) et \(\operatorname{Re}z\).
Interpretation. Agreement of a few directions does not prove differentiability, but disagreement of two directions disproves it immediately.Interprétation. L’accord de quelques directions ne prouve pas la dérivabilité, mais le désaccord de deux directions la réfute immédiatement.
Accessibility: four arrows represent approach directions in the complex \(h\)-plane; a readout compares the resulting difference quotients.Accessibilité : quatre flèches représentent des directions d’approche dans le plan complexe des \(h\) ; un texte compare les quotients différentiels obtenus.
PredictCauchy–Riemann as rotation-dilationCauchy–Riemann comme rotation-homothétie
Activate to switch between a complex-linear map and a shear.
A C–R Jacobian sends a small square to a rotated, uniformly scaled square. A generic real-linear map distorts right angles.Un jacobien satisfaisant C–R envoie un petit carré sur un carré tourné et uniformément dilaté. Une application réelle-linéaire générique déforme les angles droits.
Interpretation. The matrix \(\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\) is multiplication by \(a+ib\).Interprétation. La matrice \(\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\) représente la multiplication par \(a+ib\).
Accessibility: the left frame shows a reference square; the right frame shows its image under the selected derivative matrix.Accessibilité : le cadre de gauche montre un carré de référence ; celui de droite montre son image par la matrice différentielle sélectionnée.
ManipulateHarmonic conjugates: orthogonal gradientsConjuguées harmoniques : gradients orthogonaux
Move the point to compare \(\nabla u\) and \(\nabla v\).
For \(z^2=(x^2-y^2)+i(2xy)\), activate to move the sample point. The two gradients remain orthogonal and have equal length.Pour \(z^2=(x^2-y^2)+i(2xy)\), activez pour déplacer le point. Les deux gradients restent orthogonaux et de même norme.
Interpretation. C–R rotates \(\nabla u\) by a quarter-turn to produce \(\nabla v\), encoding the geometry of harmonic conjugates.Interprétation. Les équations de Cauchy–Riemann transforment \(\nabla u\) en \(\nabla v\) par un quart de tour, ce qui encode la géométrie des conjuguées harmoniques.
Accessibility: a movable point on a coordinate plane carries two labeled arrows for the gradients of \(u\) and \(v\).Accessibilité : un point mobile dans le plan porte deux flèches étiquetées représentant les gradients de \(u\) et \(v\).
ExplainPrincipal argument and the branch cutArgument principal et coupure de branche
Activate to move the angle across the principal branch cut.
The principal argument is constrained to \((-\pi,\pi)\). Crossing the negative real axis forces the displayed argument to jump by nearly \(2\pi\).L’argument principal est contraint à \((-\pi,\pi)\). Franchir l’axe réel négatif force un saut de presque \(2\pi\).
Interpretation. The cut is not cosmetic: it removes the topological obstruction to choosing a continuous single-valued argument.Interprétation. La coupure n’est pas décorative : elle supprime l’obstruction topologique à l’existence d’un argument continu et univoque.
Accessibility: the unit circle is shown with the negative real axis highlighted as a cut and a point labeled by its current principal argument.Accessibilité : le cercle unité est affiché avec l’axe réel négatif mis en évidence comme coupure et un point portant la valeur courante de son argument principal.

Objectives & Prerequisites

  • Specific objective 1. Use the complex difference quotient correctly and distinguish pointwise differentiability from holomorphicity.Objectif spécifique 1. Utiliser correctement le quotient différentiel complexe et distinguer dérivabilité ponctuelle et holomorphie.
  • Specific objective 2. Derive and apply the Cauchy–Riemann equations with the correct regularity hypotheses.Objectif spécifique 2. Déduire et appliquer les équations de Cauchy–Riemann avec les bonnes hypothèses de régularité.
  • Specific objective 3. Interpret a holomorphic derivative as a complex-linear real differential.Objectif spécifique 3. Interpréter la dérivée holomorphe comme une différentielle réelle complexe-linéaire.
  • Specific objective 4. Connect holomorphic functions to harmonic functions and harmonic conjugates.Objectif spécifique 4. Relier fonctions holomorphes, fonctions harmoniques et conjuguées harmoniques.
  • Specific objective 5. Work rigorously with the complex exponential, trigonometric functions, and the principal logarithm.Objectif spécifique 5. Manipuler rigoureusement l’exponentielle complexe, les fonctions trigonométriques et le logarithme principal.
  • Specific objective 6. Explain local conformality at points where the derivative does not vanish.Objectif spécifique 6. Expliquer la conformité locale aux points où la dérivée ne s’annule pas.
Prerequisites
  • Real differentiability in \(\mathbb R^2\), partial derivatives, and the chain rule.Différentiabilité réelle dans \(\mathbb R^2\), dérivées partielles et règle de chaîne.
  • Complex numbers in Cartesian and polar form; Euler’s formula.Nombres complexes sous formes cartésienne et polaire ; formule d’Euler.
  • Multivariable calculus: Jacobians, gradients, mixed partial derivatives, Laplacian.Calcul multivariable : jacobiens, gradients, dérivées croisées, laplacien.
  • Connected open sets and basic path/continuity arguments.Ouverts connexes et arguments élémentaires de continuité et de chemins.
Expected proof techniques
  • Directional-limit counterexamples.Contre-exemples par limites directionnelles.
  • First-order expansions and little-o notation.Développements du premier ordre et notation petit-o.
  • Solving first-order PDE constraints via Cauchy–Riemann.Résolution de contraintes différentielles via Cauchy–Riemann.
  • Distinguishing theorem hypotheses from later consequences.Distinction entre hypothèses de théorèmes et conséquences ultérieures.
Real Analysis→Complex differentiability→Cauchy–Riemann→Contour integration

Later dependence. Cauchy–Riemann and complex differentiability feed directly into contour integration (Ch. 2), power-series theory (Ch. 3), residues (Ch. 4), and conformal mapping (Ch. 5). Maximum-modulus and open-mapping results are intentionally deferred until the integral tools needed for rigorous proofs are available.

Core Definitions

Definition 1.1Définition 1.1 · CA-CH01-DEF-001
Complex derivative, holomorphic, entireDérivée complexe, holomorphe, entière

Let \(U\subset\mathbb C\) be open and \(z_0\in U\). The complex derivative of \(f:U\to\mathbb C\) at \(z_0\) is

\[f'(z_0)=\lim_{h\to0,\ h\ne0}\frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h},\]

provided the limit exists for arbitrary complex increments \(h\). The function is holomorphic on \(U\) if it is complex differentiable at every point of \(U\). If \(U=\mathbb C\), it is entire.

Soit \(U\subset\mathbb C\) ouvert et \(z_0\in U\). La dérivée complexe de \(f:U\to\mathbb C\) en \(z_0\) est

\[f'(z_0)=\lim_{h\to0,\ h\ne0}\frac{f(z_0+h)-f(z_0)}{h},\]

si cette limite existe pour tout accroissement complexe \(h\). La fonction est holomorphe sur \(U\) si elle est dérivable au sens complexe en tout point. Si \(U=\mathbb C\), elle est entière.

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

For \(f(z)=z^2\),

\[\frac{(z_0+h)^2-z_0^2}{h}=2z_0+h\longrightarrow2z_0.\]

Thus \(f\) is entire and \(f'(z)=2z\).

Pour \(f(z)=z^2\),

\[\frac{(z_0+h)^2-z_0^2}{h}=2z_0+h\longrightarrow2z_0.\]

Ainsi \(f\) est entière et \(f'(z)=2z\).

Definition 1.2Définition 1.2 · CA-CH01-DEF-002
Cauchy–Riemann equationsÉquations de Cauchy–Riemann

If \(f=u+iv\) with \(z=x+iy\), the Cauchy–Riemann equations are

\[u_x=v_y,\qquad u_y=-v_x.\]

They express that the real differential, when it exists, is multiplication by one complex number rather than an arbitrary real-linear map.

Si \(f=u+iv\) avec \(z=x+iy\), les équations de Cauchy–Riemann sont

\[u_x=v_y,\qquad u_y=-v_x.\]

Elles expriment que la différentielle réelle, lorsqu’elle existe, est une multiplication par un nombre complexe et non une application réelle linéaire quelconque.

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

For \(f(z)=z^2=(x^2-y^2)+i(2xy)\), one has \(u_x=2x=v_y\) and \(u_y=-2y=-v_x\), so the Cauchy–Riemann equations hold everywhere.

Pour \(f(z)=z^2=(x^2-y^2)+i(2xy)\), on a \(u_x=2x=v_y\) et \(u_y=-2y=-v_x\) : les équations de Cauchy–Riemann sont vérifiées partout.

Definition 1.3Définition 1.3 · CA-CH01-DEF-003
Harmonic function and harmonic conjugateFonction harmonique et conjuguée harmonique

A \(C^2\) real-valued function \(u\) on a planar open set is harmonic if \(\Delta u=u_{xx}+u_{yy}=0\). A function \(v\) is a harmonic conjugate of \(u\) if \(u+iv\) is holomorphic.

Une fonction réelle \(u\in C^2\) sur un ouvert du plan est harmonique si \(\Delta u=u_{xx}+u_{yy}=0\). Une fonction \(v\) est une conjuguée harmonique de \(u\) si \(u+iv\) est holomorphe.

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

For \(u(x,y)=x^2-y^2\), \(\Delta u=2-2=0\). Solving \(v_y=u_x=2x\) and \(v_x=-u_y=2y\) gives \(v=2xy+C\).

Pour \(u(x,y)=x^2-y^2\), \(\Delta u=2-2=0\). Les équations \(v_y=u_x=2x\) et \(v_x=-u_y=2y\) donnent \(v=2xy+C\).

Definition 1.4Définition 1.4 · CA-CH01-DEF-004
Analytic functionFonction analytique

A function \(f\) is analytic at \(z_0\) if there are coefficients \((a_n)\) and \(r>0\) such that

\[f(z)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n(z-z_0)^n\quad(|z-z_0|<r).\]

Complex analysis proves later that holomorphic and analytic are equivalent. The implication “holomorphic \(\Rightarrow\) analytic” will be established from Cauchy’s integral formula in Chapter 2.

Une fonction \(f\) est analytique en \(z_0\) s’il existe \(r>0\) et des coefficients \((a_n)\) tels que

\[f(z)=\sum_{n=0}^{\infty}a_n(z-z_0)^n\quad(|z-z_0|<r).\]

On démontrera plus loin que « holomorphe » et « analytique » sont équivalents ; le sens holomorphe \(\Rightarrow\) analytique découlera de la formule intégrale de Cauchy au chapitre 2.

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

The geometric series \(f(z)=1/(1-z)=\sum_{n\ge0}z^n\) for \(|z|<1\) is analytic at \(0\) with radius of convergence \(1\).

La série géométrique \(f(z)=1/(1-z)=\sum_{n\ge0}z^n\) pour \(|z|<1\) est analytique en \(0\), avec rayon de convergence \(1\).

Definition 1.5Définition 1.5 · CA-CH01-DEF-005
Complex exponential and trigonometric functionsExponentielle et fonctions trigonométriques complexes

For \(z=x+iy\), define \(e^z=e^x(\cos y+i\sin y)\), and then

\[\sin z=\frac{e^{iz}-e^{-iz}}{2i},\qquad \cos z=\frac{e^{iz}+e^{-iz}}2.\]

Pour \(z=x+iy\), on définit \(e^z=e^x(\cos y+i\sin y)\), puis

\[\sin z=\frac{e^{iz}-e^{-iz}}{2i},\qquad \cos z=\frac{e^{iz}+e^{-iz}}2.\]

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

At \(z=x+iy\), \(|e^z|=e^x\). In particular \(e^z\neq0\) for every \(z\), and \(e^{z+2\pi i}=e^z\).

Pour \(z=x+iy\), \(|e^z|=e^x\). Ainsi \(e^z\neq0\) pour tout \(z\), et \(e^{z+2\pi i}=e^z\).

Definition 1.6Définition 1.6 · CA-CH01-DEF-006
Branch of the logarithm and principal logarithmBranche du logarithme et logarithme principal

On an open set \(D\subset\mathbb C\setminus\{0\}\), a holomorphic branch of the logarithm is a holomorphic \(L:D\to\mathbb C\) such that \(e^{L(z)}=z\). On the slit plane \(D=\mathbb C\setminus(-\infty,0]\), the principal logarithm is

\[\operatorname{Log}z=\ln|z|+i\operatorname{Arg}z,\qquad \operatorname{Arg}z\in(-\pi,\pi).\]

Sur un ouvert \(D\subset\mathbb C\setminus\{0\}\), une branche holomorphe du logarithme est une fonction holomorphe \(L:D\to\mathbb C\) telle que \(e^{L(z)}=z\). Sur le plan fendu \(D=\mathbb C\setminus(-\infty,0]\), le logarithme principal est

\[\operatorname{Log}z=\ln|z|+i\operatorname{Arg}z,\qquad \operatorname{Arg}z\in(-\pi,\pi).\]

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

For \(z=i\), \(\operatorname{Arg}i=\pi/2\), so \(\operatorname{Log}i=i\pi/2\). For \(z=-1\), the principal logarithm is not defined because \(-1\) lies on the branch cut.

Pour \(z=i\), \(\operatorname{Arg}i=\pi/2\), donc \(\operatorname{Log}i=i\pi/2\). Pour \(z=-1\), le logarithme principal n’est pas défini car \(-1\) appartient à la coupure.

Definition 1.7Définition 1.7 · CA-CH01-DEF-007
Conformality at a pointConformité en un point

A differentiable map \(F:\mathbb R^2\to\mathbb R^2\) is conformal at a point if its derivative there is a positive scalar multiple of a rotation. A holomorphic map \(f\) is conformal at \(z_0\) whenever \(f'(z_0)\neq0\).

Une application différentiable \(F:\mathbb R^2\to\mathbb R^2\) est conforme en un point si sa différentielle y est une homothétie positive suivie d’une rotation. Une fonction holomorphe \(f\) est conforme en \(z_0\) dès que \(f'(z_0)\neq0\).

Immediate worked example.Exemple travaillé immédiat.

For \(f(z)=z^2\) at \(z_0=1+i\), \(f'(z_0)=2+2i=2\sqrt2e^{i\pi/4}\). Infinitesimally, lengths are scaled by \(2\sqrt2\) and directions are rotated by \(\pi/4\).

Pour \(f(z)=z^2\) en \(z_0=1+i\), \(f'(z_0)=2+2i=2\sqrt2e^{i\pi/4}\). Infinitésimalement, les longueurs sont multipliées par \(2\sqrt2\) et les directions tournées de \(\pi/4\).

Theorems & Proofs

Theorem 1.1Théorème 1.1 · CA-CH01-THM-001
Cauchy–Riemann: necessity and a standard sufficiency criterionCauchy–Riemann : nécessité et critère suffisant classique

Let \(f=u+iv\). If \(f\) is complex differentiable at \(z_0=(x_0,y_0)\), then the four partial derivatives at \(z_0\) exist and satisfy \(u_x=v_y\), \(u_y=-v_x\). Conversely, if \(u,v\) are \(C^1\) in a neighborhood of \(z_0\) and the Cauchy–Riemann equations hold at \(z_0\), then \(f\) is complex differentiable at \(z_0\), with \(f'(z_0)=u_x+iv_x\).

Soit \(f=u+iv\). Si \(f\) est dérivable au sens complexe en \(z_0=(x_0,y_0)\), les quatre dérivées partielles existent en \(z_0\) et vérifient \(u_x=v_y\), \(u_y=-v_x\). Réciproquement, si \(u,v\) sont \(C^1\) dans un voisinage de \(z_0\) et satisfont les équations de Cauchy–Riemann en \(z_0\), alors \(f\) est dérivable au sens complexe en \(z_0\), avec \(f'(z_0)=u_x+iv_x\).

Proof strategyStratégie de démonstration

Take the difference quotient first along real increments and then along purely imaginary increments. For sufficiency, use the real differentiability furnished by the \(C^1\) hypothesis and insert the Cauchy–Riemann relations into the first-order expansion.

On calcule d’abord le quotient différentiel selon les accroissements réels puis selon les accroissements purement imaginaires. Pour la suffisance, la régularité \(C^1\) fournit la différentiabilité réelle ; on injecte ensuite les relations de Cauchy–Riemann dans le développement du premier ordre.

ProofDémonstration

Necessity. With \(h=t\in\mathbb R\),

\[f'(z_0)=\lim_{t\to0}\frac{u(x_0+t,y_0)-u(x_0,y_0)}t+i\lim_{t\to0}\frac{v(x_0+t,y_0)-v(x_0,y_0)}t=u_x+iv_x.\]

With \(h=it\),

\[f'(z_0)=\lim_{t\to0}\frac{u(x_0,y_0+t)-u(x_0,y_0)+i(v(x_0,y_0+t)-v(x_0,y_0))}{it}=v_y-iu_y.\]

Equality gives \(u_x=v_y\) and \(v_x=-u_y\).

Sufficiency. Put \(h=\Delta x+i\Delta y\). Real differentiability gives \(\Delta u=u_x\Delta x+u_y\Delta y+o(|h|)\) and \(\Delta v=v_x\Delta x+v_y\Delta y+o(|h|)\). By C–R, \(\Delta f=(u_x+iv_x)(\Delta x+i\Delta y)+o(|h|)\). Dividing by \(h\neq0\) yields \(\Delta f/h\to u_x+iv_x\). ∎

Nécessité. Pour \(h=t\in\mathbb R\), le quotient tend vers \(u_x+iv_x\). Pour \(h=it\), il tend vers \(v_y-iu_y\). Leur égalité donne \(u_x=v_y\) et \(v_x=-u_y\).

Suffisance. Écrivons \(h=\Delta x+i\Delta y\). La différentiabilité réelle donne \(\Delta u=u_x\Delta x+u_y\Delta y+o(|h|)\) et \(\Delta v=v_x\Delta x+v_y\Delta y+o(|h|)\). Avec C–R, \(\Delta f=(u_x+iv_x)h+o(|h|)\). Donc \(\Delta f/h\to u_x+iv_x\). ∎

Theorem 1.2Théorème 1.2 · CA-CH01-THM-002
Complex-linear form of the real differentialForme complexe-linéaire de la différentielle réelle

Assume \(f=u+iv\) is real differentiable at \(z_0\). Then \(f\) is complex differentiable at \(z_0\) iff its real Jacobian has the form

\[Df(z_0)=\begin{pmatrix}a&-b\\ b&a\end{pmatrix}.\]

In that case \(f'(z_0)=a+ib\).

Supposons \(f=u+iv\) différentiable au sens réel en \(z_0\). Alors \(f\) est dérivable au sens complexe en \(z_0\) si et seulement si son jacobien réel est de la forme

\[Df(z_0)=\begin{pmatrix}a&-b\\ b&a\end{pmatrix}.\]

Dans ce cas \(f'(z_0)=a+ib\).

Proof strategyStratégie de démonstration

Translate the Cauchy–Riemann equations into matrix entries. Then identify the matrix with real-coordinate multiplication by \(a+ib\).

Traduire les équations de Cauchy–Riemann dans les coefficients de la matrice, puis reconnaître la matrice de la multiplication complexe par \(a+ib\).

ProofDémonstration

Real multiplication by \(a+ib\) sends \(x+iy\) to \((ax-by)+i(bx+ay)\), whose matrix is exactly \(\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\). By Theorem 1.1, complex differentiability is equivalent, under real differentiability, to \(u_x=v_y=a\) and \(u_y=-v_x=-b\). Thus the stated matrix form is necessary and sufficient, and the multiplier is \(f'(z_0)=a+ib\). ∎

La multiplication par \(a+ib\) en coordonnées réelles envoie \(x+iy\) sur \((ax-by)+i(bx+ay)\), donc a pour matrice \(\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\). Le théorème 1.1 identifie exactement ces égalités aux équations de Cauchy–Riemann. Le multiplicateur est \(f'(z_0)=a+ib\). ∎

Theorem 1.3Théorème 1.3 · CA-CH01-THM-003
Algebra rules and chain ruleRègles algébriques et règle de chaîne

If \(f,g\) are complex differentiable at \(z_0\), then so are \(f+g\), \(fg\), and \(f/g\) when \(g(z_0)\neq0\), with the usual derivative formulas. If \(g\) is differentiable at \(z_0\) and \(f\) at \(g(z_0)\), then \((f\circ g)'(z_0)=f'(g(z_0))g'(z_0)\).

Si \(f,g\) sont dérivables au sens complexe en \(z_0\), alors \(f+g\), \(fg\) et \(f/g\) (si \(g(z_0)\neq0\)) le sont aussi, avec les formules usuelles. Si \(g\) est dérivable en \(z_0\) et \(f\) en \(g(z_0)\), alors \((f\circ g)'(z_0)=f'(g(z_0))g'(z_0)\).

Proof strategyStratégie de démonstration

Use the one-variable difference-quotient identities, noting that complex differentiability implies continuity. For the chain rule, factor the quotient through \(g(z)-g(z_0)\) and handle the case where this difference vanishes by the standard remainder formulation.

Utiliser les identités classiques de quotients différentiels, en remarquant que la dérivabilité complexe implique la continuité. Pour la chaîne, factoriser via \(g(z)-g(z_0)\) et traiter les éventuels zéros avec une écriture en reste.

ProofDémonstration

For the product, write

\[\frac{f(z)g(z)-f_0g_0}{z-z_0}=g(z)\frac{f(z)-f_0}{z-z_0}+f_0\frac{g(z)-g_0}{z-z_0}.\]

Since \(g(z)\to g_0\), the limit is \(g_0f'(z_0)+f_0g'(z_0)\). The quotient rule follows by applying the product rule to \(g^{-1}\), whose difference quotient simplifies to \(-[g(z)g_0]^{-1}(g(z)-g_0)/(z-z_0)\). For the chain rule, differentiability gives \(f(w)=f(w_0)+f'(w_0)(w-w_0)+o(|w-w_0|)\) and \(g(z)=w_0+g'(z_0)(z-z_0)+o(|z-z_0|)\). Since differentiability of \(g\) implies \(|g(z)-w_0|=O(|z-z_0|)\), the remainder of \(f\), evaluated at \(w=g(z)\), is also \(o(|z-z_0|)\). Substitution therefore gives the product derivative rigorously. ∎

Pour le produit, on écrit

\[\frac{f(z)g(z)-f_0g_0}{z-z_0}=g(z)\frac{f(z)-f_0}{z-z_0}+f_0\frac{g(z)-g_0}{z-z_0}.\]

La continuité donne la formule du produit. La règle du quotient s’obtient en dérivant \(g^{-1}\). Pour la chaîne, les développements au premier ordre de \(f\) et \(g\), composés l’un dans l’autre, donnent \((f\circ g)'=f'(g)g'\). ∎

Theorem 1.4Théorème 1.4 · CA-CH01-THM-004
Holomorphic components are harmonic under \(C^2\) regularityLes composantes holomorphes sont harmoniques sous régularité \(C^2\)

If \(f=u+iv\) is holomorphic on \(U\) and \(u,v\in C^2(U)\), then \(\Delta u=\Delta v=0\).

Si \(f=u+iv\) est holomorphe sur \(U\) et \(u,v\in C^2(U)\), alors \(\Delta u=\Delta v=0\).

Proof strategyStratégie de démonstration

Differentiate the two Cauchy–Riemann equations once more and use equality of mixed partial derivatives.

Dériver une fois encore les deux équations de Cauchy–Riemann puis utiliser l’égalité des dérivées partielles croisées.

ProofDémonstration

From \(u_x=v_y\), differentiate in \(x\): \(u_{xx}=v_{yx}\). From \(u_y=-v_x\), differentiate in \(y\): \(u_{yy}=-v_{xy}\). Since \(v\in C^2\), \(v_{yx}=v_{xy}\), hence \(\Delta u=0\). Similarly, differentiating \(v_x=-u_y\) in \(x\) and \(v_y=u_x\) in \(y\) gives \(\Delta v=-u_{yx}+u_{xy}=0\). ∎

De \(u_x=v_y\), on tire \(u_{xx}=v_{yx}\), et de \(u_y=-v_x\), \(u_{yy}=-v_{xy}\). Comme \(v\in C^2\), les dérivées croisées sont égales, donc \(\Delta u=0\). De même \(\Delta v=-u_{yx}+u_{xy}=0\). ∎

Theorem 1.5Théorème 1.5 · CA-CH01-THM-005
Uniqueness of harmonic conjugatesUnicité des conjuguées harmoniques

Let \(U\) be connected. If \(v_1\) and \(v_2\) are harmonic conjugates of the same \(u\) on \(U\), then \(v_1-v_2\) is constant on \(U\).

Soit \(U\) connexe. Si \(v_1\) et \(v_2\) sont deux conjuguées harmoniques de la même fonction \(u\) sur \(U\), alors \(v_1-v_2\) est constante sur \(U\).

Proof strategyStratégie de démonstration

Apply Cauchy–Riemann to both pairs \((u,v_1)\) and \((u,v_2)\). Their gradients coincide, so the difference has zero gradient; connectedness makes it globally constant.

Appliquer Cauchy–Riemann aux couples \((u,v_1)\) et \((u,v_2)\). Les gradients coïncident ; la différence a donc un gradient nul et, par connexité, elle est constante.

ProofDémonstration

For \(j=1,2\), C–R gives \((v_j)_y=u_x\) and \((v_j)_x=-u_y\). Therefore \(\partial_x(v_1-v_2)=\partial_y(v_1-v_2)=0\). A \(C^1\) function with zero gradient is constant on every connected component; since \(U\) is connected, \(v_1-v_2\) is constant on \(U\). ∎

Pour \(j=1,2\), C–R donne \((v_j)_y=u_x\) et \((v_j)_x=-u_y\). Ainsi les deux dérivées partielles de \(v_1-v_2\) sont nulles. Une fonction \(C^1\) de gradient nul est constante sur chaque composante connexe ; \(U\) étant connexe, la différence est constante. ∎

Theorem 1.6Théorème 1.6 · CA-CH01-THM-006
Local conformality of holomorphic mapsConformité locale des applications holomorphes

If \(f\) is holomorphic near \(z_0\) and \(f'(z_0)\neq0\), then its real differential at \(z_0\) is the composition of a rotation by any argument of \(f'(z_0)\), defined modulo \(2\pi\), and a dilation by \(|f'(z_0)|\). Hence oriented angles between nonzero tangent vectors are preserved.

Si \(f\) est holomorphe près de \(z_0\) et \(f'(z_0)\neq0\), sa différentielle réelle en \(z_0\) est la composée d’une rotation d’angle \(\arg f'(z_0)\) et d’une homothétie de rapport \(|f'(z_0)|\). Les angles orientés entre vecteurs tangents non nuls sont donc préservés.

Proof strategyStratégie de démonstration

Use Theorem 1.2: the derivative matrix is multiplication by \(f'(z_0)\). Write that complex number in polar form.

Utiliser le théorème 1.2 : la matrice différentielle est la multiplication par \(f'(z_0)\), puis écrire ce nombre complexe sous forme polaire.

ProofDémonstration

By Theorem 1.2, \(Df(z_0)\) is multiplication by \(a+ib=f'(z_0)\). Since \(f'(z_0)\neq0\), write \(f'(z_0)=\rho e^{i\theta}\) with \(\rho>0\). Then for every tangent vector \(w\in\mathbb C\), \(Df(z_0)w=\rho e^{i\theta}w\): every length is multiplied by \(\rho\), and every direction is rotated by the same \(\theta\). Therefore angle differences are unchanged. ∎

D’après le théorème 1.2, \(Df(z_0)\) est la multiplication par \(f'(z_0)\). Écrivons \(f'(z_0)=\rho e^{i\theta}\), \(\rho>0\). Pour tout vecteur tangent \(w\), \(Df(z_0)w=\rho e^{i\theta}w\) : toutes les longueurs sont multipliées par \(\rho\) et toutes les directions tournées du même angle \(\theta\). Les différences d’angles sont donc conservées. ∎

Forward theorems deliberately deferred

Holomorphic functions are analytic, and the maximum-modulus and open-mapping theorems hold, but their rigorous proofs depend on Cauchy’s integral theorem/formula developed in Chapter 2. They are therefore previews here, not compressed “proof sketches.”

Les fonctions holomorphes sont analytiques, et les théorèmes du module maximum et de l’application ouverte sont vrais ; leurs démonstrations rigoureuses utilisent toutefois les outils intégraux du chapitre 2. Ils sont donc annoncés ici sans pseudo-démonstration comprimée.

Worked Examples

Example 1.8Exemple 1.8
A function differentiable at one point but not holomorphicDérivable en un point mais non holomorphe

Let \(f(z)=\overline z^{\,2}\). At \(0\),

\[\frac{f(h)-f(0)}h=\frac{\overline h^{\,2}}h,\qquad \left|\frac{\overline h^{\,2}}h\right|=|h|\to0,\]

so \(f'(0)=0\). Away from \(0\), C–R fails, so \(f\) is not holomorphic on any neighborhood of \(0\). This separates pointwise complex differentiability from holomorphicity.

Soit \(f(z)=\overline z^{\,2}\). En \(0\), le quotient \(\overline h^{\,2}/h\) a pour module \(|h|\to0\), donc \(f'(0)=0\). Hors de \(0\), C–R échoue ; \(f\) n’est holomorphe dans aucun voisinage de \(0\).

Example 1.9Exemple 1.9
The complex exponentialL’exponentielle complexe

For \(e^z=e^x(\cos y+i\sin y)\), the C–R equations hold because \(u_x=e^x\cos y=v_y\) and \(u_y=-e^x\sin y=-v_x\). Hence \(e^z\) is entire and \((e^z)'=e^z\).

Pour \(e^z=e^x(\cos y+i\sin y)\), les équations C–R sont vérifiées car \(u_x=e^x\cos y=v_y\) et \(u_y=-e^x\sin y=-v_x\). Ainsi \(e^z\) est entière et \((e^z)'=e^z\).

Example 1.10Exemple 1.10
Complex sine and cosineSinus et cosinus complexes

From the exponential definitions and the chain rule, \((\sin z)'=\cos z\) and \((\cos z)'=-\sin z\). Moreover

\[\sin(x+iy)=\sin x\cosh y+i\cos x\sinh y,\]

so \(|\sin z|\) is unbounded as \(|y|\to\infty\).

À partir des définitions exponentielles et de la règle de chaîne, \((\sin z)'=\cos z\) et \((\cos z)'=-\sin z\). De plus \(\sin(x+iy)=\sin x\cosh y+i\cos x\sinh y\), donc \(|\sin z|\) n’est pas borné quand \(|y|\to\infty\).

Example 1.11Exemple 1.11
The principal logarithmLe logarithme principal

On \(D=\mathbb C\setminus(-\infty,0]\), \(\operatorname{Log}z=\ln r+i\theta\) with \(\theta\in(-\pi,\pi)\). In polar coordinates its derivative is \(1/z\). The negative real axis is excluded precisely to prevent the argument from jumping by \(2\pi\).

Sur \(D=\mathbb C\setminus(-\infty,0]\), \(\operatorname{Log}z=\ln r+i\theta\), \(\theta\in(-\pi,\pi)\), et sa dérivée est \(1/z\). L’axe réel négatif est exclu afin d’éviter le saut de \(2\pi\) de l’argument.

Example 1.12Exemple 1.12
A harmonic conjugateUne conjuguée harmonique

Take \(u(x,y)=e^x\cos y\). From \(v_y=u_x=e^x\cos y\), one gets \(v=e^x\sin y+C(x)\). Then \(v_x=e^x\sin y+C'(x)=-u_y=e^x\sin y\), so \(C\) is constant. Thus \(u+i v=e^z+iC\).

Pour \(u(x,y)=e^x\cos y\), l’équation \(v_y=u_x=e^x\cos y\) donne \(v=e^x\sin y+C(x)\). Puis \(v_x=-u_y\) impose \(C'(x)=0\). Ainsi \(u+iv=e^z+iC\).

Example 1.13Exemple 1.13
Conformality of \(z^2\)Conformité de \(z^2\)

For \(f(z)=z^2\), \(f'(z)=2z\). At every \(z_0\neq0\), the local scale is \(2|z_0|\) and the local rotation angle is \(\arg z_0\). At \(z_0=0\), the derivative vanishes and conformality fails.

Pour \(f(z)=z^2\), \(f'(z)=2z\). En tout \(z_0\neq0\), le facteur local vaut \(2|z_0|\) et l’angle de rotation local vaut \(\arg z_0\). En \(0\), la dérivée s’annule et la conformité échoue.

Exercises

Thirty exercises progress from recognition to synthesis. Every exercise includes three progressive hints, a LaTeX reasoning workspace, live preview, and a detailed correction.Trente exercices progressent de la reconnaissance à la synthèse. Chaque exercice comporte trois indices progressifs, un espace LaTeX, un aperçu en direct et une correction détaillée.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.1Def. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : expand the quotientexpand the quotient
Expand \((z_0+h)^2-z_0^2\).Développez \((z_0+h)^2-z_0^2\).
Cancel the factor \(h\) before taking the limit.Simplifiez le facteur \(h\) avant de passer à la limite.
The quotient becomes \(2z_0+h\).Le quotient devient \(2z_0+h\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.1 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

For \(h\neq0\),

\[\frac{(z_0+h)^2-z_0^2}{h}=\frac{2z_0h+h^2}{h}=2z_0+h.\]

The final expression tends to \(2z_0\) for every complex path \(h\to0\). Therefore the complex derivative exists at every \(z_0\), \(f'(z_0)=2z_0\), and \(z^2\) is entire.

Pour \(h\neq0\),

\[\frac{(z_0+h)^2-z_0^2}{h}=2z_0+h.\]

Cette expression tend vers \(2z_0\) quel que soit le chemin complexe \(h\to0\). Donc \(f'(z_0)=2z_0\) et \(z^2\) est entière.

Misconception.Erreur fréquente. Checking only real increments is not sufficient for complex differentiability.Vérifier seulement les accroissements réels ne suffit pas.
Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.1Def. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : difference of powersdifference of powers
Factor \((z_0+h)^n-z_0^n\).Factorisez la différence de puissances.
Use \(a^n-b^n=(a-b)\sum_{k=0}^{n-1}a^{n-1-k}b^k\).Utilisez l'identité \(a^n-b^n=(a-b)\sum a^{n-1-k}b^k\).
After division by \(h\), each summand tends to \(z_0^{n-1}\).Après division par \(h\), chacun des \(n\) termes tend vers \(z_0^{n-1}\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.2 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

The difference-of-powers identity gives

\[(z_0+h)^n-z_0^n=h\sum_{k=0}^{n-1}(z_0+h)^{n-1-k}z_0^k.\]

Divide by \(h\neq0\). As \(h\to0\), every one of the \(n\) summands tends to \(z_0^{n-1}\), so the limit is \(nz_0^{n-1}\).

L'identité de différence des puissances donne

\[(z_0+h)^n-z_0^n=h\sum_{k=0}^{n-1}(z_0+h)^{n-1-k}z_0^k.\]

Après division par \(h\) et passage à la limite, les \(n\) termes tendent vers \(z_0^{n-1}\). Ainsi \((z^n)'=nz^{n-1}\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.1Def. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : compare directionscompare directions
At any \(z_0\), simplify the quotient to \(\overline h/h\).Réduisez le quotient à \(\overline h/h\).
Try \(h=t\in\mathbb R\) and \(h=it\).Essayez \(h=t\) puis \(h=it\).
The two values are \(1\) and \(-1\).Les deux valeurs sont \(1\) et \(-1\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.3 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

For every \(z_0\),

\[\frac{\overline{z_0+h}-\overline{z_0}}{h}=\frac{\overline h}{h}.\]

For real \(h=t\neq0\), this is \(1\). For purely imaginary \(h=it\), it is \(-1\). Since two approaches to \(0\) give different limits, the complex derivative exists nowhere.

Pour tout \(z_0\), le quotient vaut \(\overline h/h\). Il vaut \(1\) pour \(h=t\) et \(-1\) pour \(h=it\). La limite dépend de la direction : la fonction n'est dérivable en aucun point.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.1Def. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : compare axescompare axes
The quotient is \(\operatorname{Re}h/h\).Le quotient est \(\operatorname{Re}h/h\).
Along the real axis it equals \(1\).Sur l'axe réel il vaut \(1\).
Along the imaginary axis it equals \(0\).Sur l'axe imaginaire il vaut \(0\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.4 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

The increment quotient is

\[\frac{\operatorname{Re}(z_0+h)-\operatorname{Re}z_0}{h}=\frac{\operatorname{Re}h}{h}.\]

It equals \(1\) on real increments and \(0\) on purely imaginary increments. Hence the required direction-independent limit does not exist at any base point.

Le quotient est \(\operatorname{Re}h/h\). Il vaut \(1\) sur les accroissements réels et \(0\) sur les accroissements imaginaires. La limite complexe n'existe donc en aucun point.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Defs. 1.1–1.2Defs. 1.1–1.2 · Expected method:Méthode attendue : direct quotient + CRdirect quotient + CR
Treat \(z_0=0\) directly.Traitez directement \(z_0=0\).
Away from \(0\), write \(u=x^2+y^2\), \(v=0\), and apply C–R.Hors de \(0\), utilisez \(u=x^2+y^2\), \(v=0\) et C–R.
At \(0\), \(|h|^2/h=\overline h\to0\).En \(0\), \(|h|^2/h=\overline h\to0\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.5 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

At the origin, \(|h|^2/h=\overline h\to0\), so \(f'(0)=0\). Away from the origin, \(u=x^2+y^2\), \(v=0\), and the C–R equations require \(2x=2y=0\), impossible there. Thus the differentiability set is exactly \(\{0\}\). Since no open neighborhood consists of differentiability points, \(|z|^2\) is holomorphic nowhere.

À l'origine, \(|h|^2/h=\overline h\to0\), donc \(f'(0)=0\). Hors de l'origine, C–R pour \(u=x^2+y^2\), \(v=0\) imposerait \(x=y=0\). Le seul point de dérivabilité est donc \(0\), et la fonction n'est holomorphe sur aucun ouvert.

Misconception.Erreur fréquente. Differentiability at one isolated point is not holomorphicity.La dérivabilité en un point isolé n'est pas l'holomorphie.
Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Defs. 1.1–1.2Defs. 1.1–1.2 · Expected method:Méthode attendue : origin plus CRorigin plus CR
Treat the origin separately.Traitez l'origine séparément.
At \(0\), compare \(|h|/h\) on two directions.En \(0\), comparez \(|h|/h\) selon deux directions.
Away from \(0\), C–R with \(v=0\) would force \(\nabla |z|=0\).Hors de \(0\), C–R avec \(v=0\) imposerait \(\nabla|z|=0\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.6 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

At \(0\), \(|h|/h\) equals \(1\) for positive real \(h\) and \(-i\) for positive imaginary \(h\); therefore no derivative exists. For \(z\neq0\), \(u=\sqrt{x^2+y^2}\) is \(C^1\), \(v=0\), and C–R would force \(u_x=u_y=0\), while \(\nabla u=(x,y)/|z|\neq0\). Hence \(|z|\) is nowhere complex differentiable.

En \(0\), \(|h|/h\) a des valeurs limites différentes sur les axes réel et imaginaire. Hors de \(0\), \(\nabla|z|=(x,y)/|z|\neq0\), alors que C–R avec \(v=0\) imposerait un gradient nul. La fonction n'est dérivable nulle part.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.1Def. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : real and imaginary incrementsreal and imaginary increments
Write \(f=u+iv\).Écrivez \(f=u+iv\).
Use \(h=t\) to identify the derivative with \(u_x+iv_x\).Utilisez \(h=t\) pour obtenir \(u_x+iv_x\).
Use \(h=it\) to obtain \(v_y-iu_y\), then equate.Utilisez \(h=it\) pour obtenir \(v_y-iu_y\), puis identifiez.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.7 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Along real increments, the complex derivative must equal \(u_x+iv_x\). Along purely imaginary increments, division by \(it\) gives \(v_y-iu_y\). Because a complex limit is unique, these are equal. Equating real and imaginary parts yields \(u_x=v_y\) and \(u_y=-v_x\).

Selon les accroissements réels, la dérivée vaut \(u_x+iv_x\). Selon les accroissements imaginaires, elle vaut \(v_y-iu_y\). L'unicité de la limite donne \(u_x=v_y\) et \(u_y=-v_x\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.1Thm. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : compute partialscompute partials
Set \(u=x^2-y^2\), \(v=2xy\).Posez \(u=x^2-y^2\), \(v=2xy\).
Verify both C–R identities.Vérifiez les deux identités C–R.
Recognize \((x+iy)^2\).Reconnaissez \((x+iy)^2\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.8 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

We have \(u_x=2x=v_y\) and \(u_y=-2y=-v_x\), and the partial derivatives are continuous. The sufficiency part of Theorem 1.1 therefore gives holomorphicity everywhere. Algebraically, \(x^2-y^2+i2xy=(x+iy)^2=z^2\), so the derivative is \(2z\).

On a \(u_x=2x=v_y\) et \(u_y=-2y=-v_x\), avec des dérivées partielles continues. Le théorème 1.1 donne l'holomorphie. De plus \(f(z)=(x+iy)^2=z^2\), donc \(f'(z)=2z\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Defs. 1.1–1.2Defs. 1.1–1.2 · Expected method:Méthode attendue : direct at 0 + CRdirect at 0 + CR
At \(0\), estimate the magnitude of the quotient.En \(0\), estimez le module du quotient.
Away from \(0\), write \(\overline z^2=(x^2-y^2)-i2xy\).Hors de \(0\), écrivez \(\overline z^2=(x^2-y^2)-i2xy\).
At \(0\), \(|\overline h^2/h|=|h|\to0\).En \(0\), le module du quotient vaut \(|h|\to0\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.9 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

At \(0\), \(|\overline h^2/h|=|h|\to0\), so \(f'(0)=0\). Away from \(0\), C–R applied to \(u=x^2-y^2\), \(v=-2xy\) requires \(2x=-2x\) and \(-2y=2y\), hence \(x=y=0\), a contradiction. The only differentiability point is \(0\).

En \(0\), le quotient a pour module \(|h|\to0\), donc la dérivée vaut \(0\). Hors de \(0\), C–R impose simultanément \(x=0\) et \(y=0\). Le seul point de dérivabilité est donc l'origine.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.2Thm. 1.2 · Expected method:Méthode attendue : directional quotientdirectional quotient
The \(az\) part is complex-linear.La partie \(az\) est complexe-linéaire.
If \(b\neq0\), the increment quotient contains \(b\overline h/h\).Si \(b\neq0\), le quotient contient \(b\overline h/h\).
Compare real and imaginary increments.Comparez les accroissements réels et imaginaires.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.10 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

The increment quotient equals \(a+b\overline h/h\). Along \(h=t\), it is \(a+b\); along \(h=it\), it is \(a-b\). Equality of the two directional limits forces \(b=0\). Conversely, if \(b=0\), then \(f(z)=az\) is entire with derivative \(a\).

Le quotient vaut \(a+b\overline h/h\). Il donne \(a+b\) selon l'axe réel et \(a-b\) selon l'axe imaginaire. L'existence de la dérivée impose donc \(b=0\). Réciproquement, \(f(z)=az\) est entière.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.2Thm. 1.2 · Expected method:Méthode attendue : matrix determinantmatrix determinant
Use \(Df=\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\).Utilisez la forme matricielle de C–R.
Compute its determinant.Calculez le déterminant.
Identify \(a+ib=f'(z_0)\).Identifiez \(a+ib=f'(z_0)\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.11 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

By Theorem 1.2, \(Df(z_0)=\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\), where \(a+ib=f'(z_0)\). Hence

\[\det Df=a^2+b^2=|a+ib|^2=|f'(z_0)|^2.\]

In particular, the real differential is invertible exactly when \(f'(z_0)\neq0\).

Le théorème 1.2 donne \(Df=\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}\). Son déterminant vaut \(a^2+b^2=|a+ib|^2=|f'(z_0)|^2\). La différentielle est donc inversible exactement lorsque \(f'(z_0)\neq0\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.5, Thm. 1.1Def. 1.5, Thm. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : differentiate componentsdifferentiate components
Take \(u=e^x\cos y\), \(v=e^x\sin y\).Posez \(u=e^x\cos y\), \(v=e^x\sin y\).
Compute all four first partial derivatives.Calculez les quatre dérivées partielles.
Use \(f'=u_x+iv_x\).Utilisez \(f'=u_x+iv_x\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.12 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

We have \(u_x=e^x\cos y=v_y\) and \(u_y=-e^x\sin y=-v_x\). The components are \(C^1\), so \(e^z\) is holomorphic everywhere. Moreover

\[(e^z)'=u_x+iv_x=e^x\cos y+i e^x\sin y=e^z.\]

Les relations \(u_x=v_y\) et \(u_y=-v_x\) sont vérifiées, avec régularité \(C^1\). Ainsi l'exponentielle est entière et \((e^z)'=u_x+iv_x=e^z\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.1Def. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : add and subtract mixed termadd and subtract mixed term
Write \(fg-f_0g_0=g(f-f_0)+f_0(g-g_0)\).Écrivez \(fg-f_0g_0=g(f-f_0)+f_0(g-g_0)\).
Divide by \(z-z_0\).Divisez par \(z-z_0\).
Use continuity of \(g\), which follows from differentiability.Utilisez la continuité de \(g\), conséquence de sa dérivabilité.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.13 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Let \(f_0=f(z_0)\), \(g_0=g(z_0)\). Then

\[\frac{f(z)g(z)-f_0g_0}{z-z_0}=g(z)\frac{f(z)-f_0}{z-z_0}+f_0\frac{g(z)-g_0}{z-z_0}.\]

Complex differentiability implies continuity, so \(g(z)\to g_0\). Taking limits gives \((fg)'(z_0)=g_0f'(z_0)+f_0g'(z_0)\).

En ajoutant et retranchant \(f_0g(z)\), puis en divisant par \(z-z_0\), on obtient une somme de deux quotients différentiels. La continuité de \(g\) donne à la limite \((fg)'=f'g+fg'\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.3Thm. 1.3 · Expected method:Méthode attendue : differentiate reciprocaldifferentiate reciprocal
Differentiate \(1/g\) first.Dérivez d'abord \(1/g\).
Use \(1/g(z)-1/g_0=-(g(z)-g_0)/(g(z)g_0)\).Utilisez la différence de deux inverses.
Then apply the product rule to \(f(1/g)\).Appliquez ensuite la règle du produit.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.14 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

At \(z_0\) with \(g_0\neq0\), continuity keeps \(g(z)\neq0\) nearby and

\[\frac{g(z)^{-1}-g_0^{-1}}{z-z_0}=-\frac1{g(z)g_0}\frac{g(z)-g_0}{z-z_0}\to-\frac{g'(z_0)}{g_0^2}.\]

Applying the product rule to \(f\cdot g^{-1}\) gives \((f/g)'=(f'g-fg')/g^2\).

La différence des inverses donne \((1/g)'=-g'/g^2\) lorsque \(g\neq0\). La règle du produit appliquée à \(f(1/g)\) donne alors \((f/g)'=(f'g-fg')/g^2\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.3Thm. 1.3 · Expected method:Méthode attendue : compose expansionscompose expansions
Write the first-order expansion for \(g\) at \(z_0\).Écrivez le développement de \(g\) en \(z_0\).
Write the expansion for \(f\) at \(w_0=g(z_0)\).Écrivez celui de \(f\) en \(w_0=g(z_0)\).
Substitute and control the composed remainder.Composez les deux développements et contrôlez le reste.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.15 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Differentiability gives

\[g(z_0+h)=w_0+g'(z_0)h+o(|h|),\]

and \(f(w_0+k)=f(w_0)+f'(w_0)k+o(|k|)\). Since \(k=g(z_0+h)-w_0=O(|h|)\), substitution yields

\[f(g(z_0+h))-f(w_0)=f'(w_0)g'(z_0)h+o(|h|).\]

Divide by \(h\) to obtain \((f\circ g)'(z_0)=f'(g(z_0))g'(z_0)\).

Les développements au premier ordre de \(g\) puis de \(f\) donnent, après composition, \(f(g(z_0+h))-f(g(z_0))=f'(g(z_0))g'(z_0)h+o(|h|)\). La division par \(h\) fournit la règle de chaîne.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.5, Thm. 1.3Def. 1.5, Thm. 1.3 · Expected method:Méthode attendue : differentiate exponential definitionsdifferentiate exponential definitions
Differentiate \(e^{iz}\) using the chain rule.Dérivez \(e^{iz}\) par la règle de chaîne.
Differentiate \(e^{-iz}\) similarly.Dérivez de même \(e^{-iz}\).
Substitute into the definitions of sine and cosine.Substituez dans les définitions de sinus et cosinus.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.16 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

The chain rule gives \((e^{iz})'=ie^{iz}\) and \((e^{-iz})'=-ie^{-iz}\). Hence

\[(\sin z)'=\frac{ie^{iz}+ie^{-iz}}{2i}=\cos z,\qquad (\cos z)'=\frac{ie^{iz}-ie^{-iz}}2=-\sin z.\]

La règle de chaîne donne \((e^{iz})'=ie^{iz}\) et \((e^{-iz})'=-ie^{-iz}\). En substituant dans les définitions exponentielles, on obtient \((\sin z)'=\cos z\) et \((\cos z)'=-\sin z\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.5Def. 1.5 · Expected method:Méthode attendue : modulus and periodicitymodulus and periodicity
Compute \(|e^{x+iy}|\).Calculez \(|e^{x+iy}|\).
A number with positive modulus cannot be zero.Un nombre de module strictement positif ne peut être nul.
Use \(2\pi\)-periodicity of sine and cosine.Utilisez la périodicité de sinus et cosinus.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.17 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

By definition, \(|e^{x+iy}|=e^x>0\), so the exponential has no zeros. Also

\[e^{z+2\pi i}=e^xe^{i(y+2\pi)}=e^xe^{iy}=e^z.\]

Thus the exponential is \(2\pi i\)-periodic.

On a \(|e^{x+iy}|=e^x>0\), donc l'exponentielle ne s'annule jamais. La périodicité trigonométrique donne \(e^{z+2\pi i}=e^z\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.3Def. 1.3 · Expected method:Méthode attendue : Laplacian + CR integrationLaplacian + CR integration
Compute \(u_{xx}+u_{yy}\).Calculez \(u_{xx}+u_{yy}\).
Use \(v_y=u_x\) and integrate in \(y\).Utilisez \(v_y=u_x\) et intégrez en \(y\).
Use \(v_x=-u_y\) to determine the remaining function of \(x\).Utilisez \(v_x=-u_y\) pour déterminer la fonction restante.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.18 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Since \(u_{xx}=2\) and \(u_{yy}=-2\), \(\Delta u=0\). The C–R equation \(v_y=u_x=2x\) gives \(v=2xy+C(x)\). Then \(v_x=2y+C'(x)=-u_y=2y\), so \(C'(x)=0\). Therefore every harmonic conjugate is \(v=2xy+C\).

On a \(\Delta u=2-2=0\). L'équation \(v_y=2x\) donne \(v=2xy+C(x)\), puis \(v_x=-u_y\) impose \(C'(x)=0\). Les conjuguées sont donc \(v=2xy+C\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.3, Thm. 1.5Def. 1.3, Thm. 1.5 · Expected method:Méthode attendue : integrate CRintegrate CR
Start from \(v_y=2x\).Partez de \(v_y=2x\).
Thus \(v=2xy+C(x)\).Ainsi \(v=2xy+C(x)\).
The second C–R equation forces \(C'\equiv0\).La seconde équation C–R impose \(C'\equiv0\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.19 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Integrating \(v_y=u_x=2x\) gives \(v=2xy+C(x)\). Imposing \(v_x=-u_y=2y\) gives \(C'(x)=0\). Hence the complete family is \(v(x,y)=2xy+C\), \(C\in\mathbb R\), in agreement with uniqueness up to a constant on the connected plane.

L'intégration de \(v_y=2x\) donne \(v=2xy+C(x)\), puis la seconde équation C–R impose \(C'(x)=0\). Toutes les conjuguées sont donc \(2xy+C\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.5Thm. 1.5 · Expected method:Méthode attendue : subtract CR systemssubtract CR systems
Let \(w=v_1-v_2\).Posez \(w=v_1-v_2\).
Subtract the two C–R systems.Soustrayez les deux systèmes C–R.
Show \(w_x=w_y=0\) and use connectedness.Montrez que \(w_x=w_y=0\) puis utilisez la connexité.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.20 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

For each conjugate \(v_j\), C–R gives \((v_j)_x=-u_y\) and \((v_j)_y=u_x\). Therefore \(w=v_1-v_2\) satisfies \(w_x=w_y=0\). A \(C^1\) function with zero gradient is constant on each connected component. Since the domain is connected, \(w\) is constant.

Les deux systèmes C–R donnent \(\partial_x(v_1-v_2)=\partial_y(v_1-v_2)=0\). Une fonction \(C^1\) de gradient nul est constante sur chaque composante connexe ; le domaine étant connexe, la différence est constante.

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Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.3, Thm. 1.4Def. 1.3, Thm. 1.4 · Expected method:Méthode attendue : compute Laplaciancompute Laplacian
Compute \(\Delta u\).Calculez \(\Delta u\).
A \(C^2\) real part of a holomorphic function must be harmonic.Une partie réelle \(C^2\) d'une fonction holomorphe doit être harmonique.
Here \(\Delta u=4\).Ici \(\Delta u=4\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.21 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

We have \(u_{xx}=2\) and \(u_{yy}=2\), so \(\Delta u=4\) everywhere. If \(u\) were the real part of a holomorphic function on a nonempty open set, Theorem 1.4 would force \(\Delta u=0\) there, a contradiction.

On a \(\Delta u=2+2=4\). Si \(u\) était la partie réelle d'une fonction holomorphe sur un ouvert non vide, le théorème 1.4 imposerait \(\Delta u=0\), contradiction.

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.6, Thm. 1.1Def. 1.6, Thm. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : CR in Cartesian formCR in Cartesian form
Write \(u=\tfrac12\ln(x^2+y^2)\), \(v=\operatorname{Arg}(x+iy)\).Écrivez \(u=\tfrac12\ln(x^2+y^2)\), \(v=\operatorname{Arg}(x+iy)\).
Locally on the slit plane, compute \(v_x=-y/r^2\), \(v_y=x/r^2\).Calculez localement \(v_x=-y/r^2\), \(v_y=x/r^2\).
Then use \(f'=u_x+iv_x\).Utilisez ensuite \(f'=u_x+iv_x\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.22 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

On the slit plane, \(u=\frac12\ln(x^2+y^2)\) and \(v=\operatorname{Arg}z\) are smooth locally. With \(r^2=x^2+y^2\),

\[u_x=\frac{x}{r^2}=v_y,\qquad u_y=\frac{y}{r^2}=-v_x.\]

Thus C–R holds and

\[(\operatorname{Log}z)'=u_x+iv_x=\frac{x-iy}{x^2+y^2}=\frac1z.\]

Sur le plan fendu, \(u=\frac12\ln(x^2+y^2)\) et \(v=\operatorname{Arg}z\) vérifient C–R. On obtient \((\operatorname{Log}z)'=(x-iy)/(x^2+y^2)=1/z\).

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Prerequisites:Prérequis : Def. 1.6Def. 1.6 · Expected method:Méthode attendue : restrict to unit circlerestrict to unit circle
Assume a continuous \(\Theta\) with \(e^{i\Theta(z)}=z/|z|\).Supposez qu'il existe \(\Theta\) continue telle que \(e^{i\Theta(z)}=z/|z|\).
Restrict to \(z=e^{it}\), \(0\le t\le2\pi\).Restreignez à \(z=e^{it}\).
Continuity forces \(\Theta(e^{it})-t\) to be a constant multiple of \(2\pi\), contradicting equality at the same endpoint.La différence \(\Theta(e^{it})-t\) est un multiple de \(2\pi\) continu donc constant, ce qui contredit l'identification des extrémités.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.23 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Assume such \(\Theta\) exists. On the unit circle set \(F(t)=\Theta(e^{it})-t\). Since \(e^{iF(t)}=1\), we have \(F(t)\in2\pi\mathbb Z\). Continuity and connectedness of \([0,2\pi]\) make \(F\) constant, say \(2\pi k\). Then \(\Theta(e^{i0})=2\pi k\) but \(\Theta(e^{i2\pi})=2\pi(k+1)\). Since \(e^{i0}=e^{i2\pi}\) is the same point, this is impossible.

Supposons \(\Theta\) continue. Sur le cercle unité, \(F(t)=\Theta(e^{it})-t\) prend ses valeurs dans \(2\pi\mathbb Z\). Par continuité, \(F\) est constante. On obtient alors deux valeurs de \(\Theta\) qui diffèrent de \(2\pi\) au même point \(e^{i0}=e^{i2\pi}\), contradiction.

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Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Def. 1.6, Thm. 1.3Def. 1.6, Thm. 1.3 · Expected method:Méthode attendue : chain rulechain rule
Differentiate the outer exponential.Dérivez l'exponentielle extérieure.
Differentiate \(\alpha\operatorname{Log}z\).Dérivez \(\alpha\operatorname{Log}z\).
Use the same branch throughout.Conservez la même branche dans tout le calcul.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.24 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Both the principal logarithm and the exponential are holomorphic on the stated domain. The chain rule gives

\[(z^\alpha)'=e^{\alpha\operatorname{Log}z}\frac{\alpha}{z}=\alpha z^{\alpha-1},\]

where both powers are interpreted with the same principal branch. The branch choice is part of the definition and cannot be changed mid-calculation.

Le logarithme principal et l'exponentielle sont holomorphes sur le domaine. La règle de chaîne donne \((z^\alpha)'=\alpha z^{\alpha-1}\), avec la même branche principale pour toutes les puissances.

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Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.6Thm. 1.6 · Expected method:Méthode attendue : polar derivativepolar derivative
Compute \(f'(z_0)\).Calculez \(f'(z_0)\).
Write \(2z_0=2|z_0|e^{i\arg z_0}\).Écrivez \(2z_0=2|z_0|e^{i\arg z_0}\).
Conformality requires a nonzero derivative.La conformité exige une dérivée non nulle.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.25 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Since \(f'(z)=2z\), the derivative vanishes only at \(0\). Therefore \(z^2\) is conformal at every \(z_0\neq0\). Writing \(2z_0=2|z_0|e^{i\arg z_0}\), the differential scales lengths by \(2|z_0|\) and rotates directions by \(\arg z_0\) modulo \(2\pi\).

Comme \(f'(z)=2z\), la dérivée ne s'annule qu'en \(0\). Pour \(z_0\neq0\), le facteur d'échelle est \(2|z_0|\) et l'angle de rotation est \(\arg z_0\) modulo \(2\pi\).

Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.6, Def. 1.5Thm. 1.6, Def. 1.5 · Expected method:Méthode attendue : polar derivativepolar derivative
The derivative is \(e^z\).La dérivée est \(e^z\).
It never vanishes.Elle ne s'annule jamais.
Write \(e^z=e^xe^{iy}\).Écrivez \(e^z=e^xe^{iy}\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.26 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

We know \((e^z)'=e^z\neq0\), so Theorem 1.6 applies at every point. The polar representation \(e^z=e^xe^{iy}\) shows that the local length scale is \(e^x\) and the local rotation angle is \(y\) modulo \(2\pi\).

Comme \((e^z)'=e^z\neq0\), l'exponentielle est conforme partout. L'écriture \(e^z=e^xe^{iy}\) donne un facteur local \(e^x\) et une rotation d'angle \(y\) modulo \(2\pi\).

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Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.1Thm. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : set imaginary part to zeroset imaginary part to zero
Write \(f=u+iv\) with \(v\equiv0\).Écrivez \(f=u+iv\) avec \(v\equiv0\).
C–R gives \(u_x=u_y=0\).C–R donne \(u_x=u_y=0\).
Use connectedness to conclude that \(u\) is constant.Utilisez la connexité pour conclure.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.27 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Because \(v\equiv0\), C–R gives \(u_x=v_y=0\) and \(u_y=-v_x=0\). Thus \(\nabla u=0\). A \(C^1\) function with zero gradient is constant on each connected component, so \(u\), and hence \(f\), is constant on the connected domain.

Avec \(v\equiv0\), C–R donne \(u_x=u_y=0\). Le gradient de \(u\) est nul, donc \(u\) est constante sur le domaine connexe. Ainsi \(f\) est constante.

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Prerequisites:Prérequis : Thm. 1.1Thm. 1.1 · Expected method:Méthode attendue : differentiate u²+v²differentiate u²+v²
If the constant modulus is \(0\), the conclusion is immediate.Si le module constant vaut \(0\), concluez immédiatement.
Otherwise differentiate \(u^2+v^2=c^2\) with respect to \(x\) and \(y\).Sinon dérivez \(u^2+v^2=c^2\) selon \(x\) et \(y\).
Use C–R; the resulting linear system has determinant \(u^2+v^2=c^2>0\).Utilisez C–R ; le système linéaire a pour déterminant \(c^2>0\).
DETAILED CORRECTIONExercise 1.28 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

If \(|f|\equiv0\), then \(f\equiv0\). Otherwise let \(|f|\equiv c>0\), so \(u^2+v^2=c^2\). Differentiation gives \(uu_x+vv_x=0\) and \(uu_y+vv_y=0\). With C–R, \(v_x=-u_y\) and \(v_y=u_x\), hence

\[u u_x-vu_y=0,\qquad v u_x+u u_y=0.\]

The coefficient matrix has determinant \(u^2+v^2=c^2>0\), so \(u_x=u_y=0\), and therefore also \(v_x=v_y=0\). Connectedness implies \(f\) is constant.

Si \(|f|\equiv c>0\), dériver \(u^2+v^2=c^2\) et utiliser C–R donne un système homogène en \(u_x,u_y\) dont le déterminant vaut \(c^2>0\). Ainsi toutes les dérivées premières de \(u\) et \(v\) sont nulles. La connexité donne que \(f\) est constante.

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Prerequisites:Prérequis : Thms. 1.2 and 1.6Thms. 1.2 and 1.6 · Expected method:Méthode attendue : combine classification and derivativecombine classification and derivative
The constant \(c\) does not affect differentiability.La constante \(c\) n'affecte pas la dérivabilité.
Use Exercise 1.10 for holomorphicity.Utilisez l'exercice 1.10 pour l'holomorphie.
If \(b=0\), the derivative is the constant \(a\); apply Theorem 1.6.Si \(b=0\), la dérivée vaut \(a\) ; appliquez le théorème 1.6.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.29 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

Translation by \(c\) is irrelevant to the derivative. Exercise 1.10 gives holomorphicity iff \(b=0\). In that case \(f(z)=az+c\) and \(f'(z)=a\). The map is conformal at every point iff \(a\neq0\). If \(a=0\), the map is constant and its differential vanishes.

La translation \(c\) n'intervient pas dans la dérivée. L'holomorphie équivaut à \(b=0\). Alors \(f'(z)=a\), et l'application est conforme partout exactement lorsque \(a\neq0\).

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Prerequisites:Prérequis : Entire chapterEntire chapter · Expected method:Méthode attendue : implication diagram + examplesimplication diagram + examples
Start with implications actually proved in the chapter.Commencez par les implications réellement démontrées.
Use \(\overline z^2\) at \(0\), \(z^2\) at \(0\), and pairs of harmonic functions that are not conjugate.Utilisez \(\overline z^2\) en \(0\), \(z^2\) en \(0\), et des fonctions harmoniques qui ne sont pas conjuguées.
For conformality, distinguish orientation-preserving conformality from general real angle-preserving maps.Pour la conformité, distinguez les applications conformes préservant l'orientation des applications réelles qui inversent l'orientation.
DETAILED CORRECTIONExercise 1.30 · Complete solution
Full reasoning
Complete reasoning

The reliable implications are:

\[\text{holomorphic near }z_0\Longrightarrow\text{complex differentiable at }z_0.\]

With \(C^2\) components, holomorphicity implies both components are harmonic. Holomorphicity plus \(f'(z_0)\neq0\) implies orientation-preserving conformality at \(z_0\).

False converses require counterexamples. The function \(\overline z^2\) is complex differentiable at \(0\) but not holomorphic near \(0\). Two harmonic functions need not satisfy C–R with one another, so harmonicity of components alone does not imply holomorphicity. The map \(z^2\) is holomorphic at \(0\) but not conformal there because its derivative vanishes. Finally, \(z\mapsto\overline z\) preserves ordinary angles in magnitude but reverses orientation and is not holomorphic. These distinctions prevent pointwise, PDE, and geometric notions from being collapsed into one another.

Les implications sûres sont : holomorphie dans un voisinage \(\Rightarrow\) dérivabilité complexe au point ; sous régularité \(C^2\), holomorphie \(\Rightarrow\) harmonicité des composantes ; holomorphie avec dérivée non nulle \(\Rightarrow\) conformité préservant l'orientation.

Les réciproques sont fausses : \(\overline z^2\) est dérivable en \(0\) sans être holomorphe près de \(0\) ; deux fonctions harmoniques quelconques ne sont pas nécessairement conjuguées ; \(z^2\) est holomorphe mais non conforme en \(0\) ; la conjugaison complexe préserve les angles non orientés mais renverse l'orientation et n'est pas holomorphe.

Misconception.Erreur fréquente. Do not collapse “complex differentiable at one point” into “holomorphic”.Ne confondez pas « dérivable au sens complexe en un point » et « holomorphe ».
Completion check

Compare your argument line by line with the solution above. Verify that every hypothesis used is stated, every limit or derivative is justified, and the final conclusion answers the original problem explicitly.Comparez votre argument ligne par ligne avec la solution ci-dessus. Vérifiez que chaque hypothèse utilisée est énoncée, que chaque limite ou dérivée est justifiée et que la conclusion répond explicitement au problème initial.

Chapter Synthesis

The central fact of the chapter is not merely that a complex derivative is a limit. It is that the same quotient must stabilize under every complex direction. Under real differentiability this is exactly the Cauchy–Riemann constraint, which forces the Jacobian to be complex-linear. From that structure come elementary rigidity results: harmonic components under \(C^2\) regularity, harmonic-conjugate relations, and local conformality where \(f'\neq0\).

Le fait central n’est pas seulement que la dérivée complexe est une limite : le même quotient doit se stabiliser pour toutes les directions complexes. Sous différentiabilité réelle, cela équivaut à la contrainte de Cauchy–Riemann, qui rend le jacobien complexe-linéaire. Cette structure entraîne l’harmonicité des composantes sous régularité \(C^2\), les relations de conjugaison harmonique et la conformité locale lorsque \(f'\neq0\).

Readiness self-assessment

Chapter 2, Contour Integration, is built and will be released in a later public deployment stage. It develops integration around curves, Cauchy’s theorem, and the deeper rigidity results previewed here.Le chapitre 2, Intégration curviligne, est construit et sera publié lors d’une étape ultérieure du déploiement public. Il développe l’intégration le long des courbes, le théorème de Cauchy et les résultats de rigidité plus profonds annoncés ici.

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