- Sphère de Riemann
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En mathématiques, la sphère de Riemann est une manière de prolonger le plan des nombres complexes avec un point additionnel à l'infini, de manière à ce que certaines expressions mathématiques deviennent convergentes et élégantes, du moins dans certains contextes. Elle est baptisée du nom du mathématicien du XIXe siècle Bernhard Riemann. Ce plan s'appelle également la droite projective complexe, dénoté
.
La sphère de Riemann représentée par l'"enroulement" du plan complexesur une sphère (par l'inverse de la projection stéréographique).
Sommaire
Introduction
La sphère de Riemann, obtenue en ajoutant au plan complexe un point à l'infini, est une variété complexe unidimensionnelle, également appelée une surface de Riemann.
En analyse complexe, la sphère de Riemann permet une expression élégante de la théorie des fonctions méromorphes. La sphère de Riemann est omniprésente en géométrie projective et en géométrie algébrique comme exemple fondamental d'une variété complexe, d'un espace projectif, et d'une variété algébrique. Elle a également une utilité dans d'autres disciplines qui dépendent de l'analyse et de la géométrie, telle que la physique quantique (représentation des états quantiques) et d'autres branches de la physique (théorie des twisteurs par exemple).
La projection stéréographique, par exemple sur le plan équatorial à partir du pôle Nord, permet de voir que la sphère est homéomorphe au plan complété du point à l'infini
. Inversement, on passe du plan à la sphère en ajoutant un pôle, projection du point à l'infini noté
. Mais le plan
peut s'identifier à
.
La sphère de Riemann, c'est la sphère usuelle envisagée de ce point de vue, autrement dit la droite projective complexe.
Remarque
Plus généralement, l'espace
est homéomorphe à la sphère
(sphère unité de l'espace euclidien
) privée d'un point. Encore plus généralement, le passage de
à
est un exemple de compactification d'Alexandrov
La droite projective complexe
C'est l'ensemble des droites vectorielles de
. Une telle droite étant définie par un vecteur non nul, défini à un coefficient de proportionnalité près, on peut la voir comme
quotienté par la relation d'équivalence
si et seulement s'il existe un nombre complexe
non nul tel que
.
On la note
, et on note
le point associé à
. On dit que
est un système de coordonnées homogènes du point
.
Remarquons aussi que
est une bijection de
sur
.
De même :est une bijection de
sur
.
Ces deux façons d'identifier
à
privé d'un point sont analogues aux identications de
à la sphère unité privée d'un point à l'aide des projections stéréographiques de pôles Nord et Sud.
Cette remarque permet de donner une bijection explicite entre
et
. C'est l'application
définie par
si
et
si
(ces deux définitions sont compatibles si
, grâce à l'équation de la sphère !).
Son application réciproque, si on identifie
à
. est
Homographies
On peut faire agir une matrice de
sur la sphère ; la matrice
agit sur
ainsi :
- si
et
, on lui associe
- si
et bz + d = 0, on lui associe
- si
et b = 0, on lui associe
- si
et
, on lui associe
L'application de la sphère de Riemann dans elle-même ainsi définie s'appelle une homographie ; c'est une bijection holomorphe.
Voir aussi
- si
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