Dynamique holomorphe

Prenons ${\displaystyle p(z)}$ un polynôme à une variable complexe ${\displaystyle z}$, c'est une fonction holomorphe sur ${\displaystyle \mathbb {C} }$ (l'ensemble des nombres complexes). Alors, pour chaque point de départ ${\displaystyle z_{0}}$ dans l'ensemble des nombres complexes, on construit la suite ${\displaystyle (z_{n})_{n}}$ des itérés définie par la formule de récurrence :

${\displaystyle z_{n+1}=p(z_{n})}$.

Une question naturelle est celle de la convergence de la suite ${\displaystyle (z_{n})_{n}}$, et plus généralement de son comportement (périodique, tendant vers l'infini…).

On peut s'attendre, justement, à ce que le comportement de la suite dépende de la valeur initiale ${\displaystyle z_{0}}$.

Par exemple, il est facile de voir que pour le polynôme ${\displaystyle p(z)=z^{2}}$, si on prend une valeur initiale ${\displaystyle z_{0}}$ telle que ${\displaystyle |z_{0}|>1}$, alors la suite ${\displaystyle (z_{n})_{n}}$, définie par la récurrence ${\displaystyle z_{n+1}=p(z_{n})=(z_{n})^{2}}$, tend vers l'infini (i.e. ${\displaystyle \lim _{n\rightarrow \infty }|z_{n}|=\infty }$. De façon plus générale, on peut montrer que pour tout polynôme ${\displaystyle p}$, il existe un rayon ${\displaystyle R}$ tel que si ${\displaystyle |z_{0}|>R}$, alors la suite des itérés de ${\displaystyle p}$ issue de ${\displaystyle z_{0}}$ tend vers l'infini.

L'ensemble des points ${\displaystyle z_{0}\in \mathbb {C} }$ tels que la suite des itérés de ${\displaystyle p}$ issue de ${\displaystyle z_{0}}$ tend vers l'infini est appelé bassin d'attraction de l'infini. Son complémentaire, c'est-à-dire l'ensemble des valeurs initiales ${\displaystyle z_{0}}$ pour lesquelles la suite ${\displaystyle (z_{n})_{n}}$ ne tend pas vers l'infini, est appelé ensemble de Julia rempli.

Pour la fonction de l'exemple précédent ${\displaystyle p(z)=z^{2}}$, l'ensemble de Julia rempli est le disque centré en zéro de rayon ${\displaystyle 1}$ et son complémentaire le bassin de l'infini.

L'ensemble de Julia est alors le bord de l'ensemble de Julia rempli, c'est-à-dire sa frontière topologique.

Pour ce qui est de ${\displaystyle z^{2}}$, son ensemble de Julia est simplement le cercle centré en zéro de rayon ${\displaystyle 1}$, cependant la « forme » des ensembles de Julia dépend évidemment de la fonction que l'on considère et est souvent bien plus complexe.

Un autre exemple d'ensemble de Julia assez simple est celui du polynôme ${\displaystyle z^{2}-2}$ : c'est l'intervalle ${\displaystyle [-2,2]}$.

Dans la plupart des cas les ensembles de Julia ne sont pas des variétés différentielles, comme les exemples d'ensembles de Julia connexes suivants (voir illustrations) :

• le chou-fleur, ensemble de Julia du polynôme ${\displaystyle z^{2}+z}$ ;
• les lapins de Douady, dont le polynome quadratique ${\displaystyle z^{2}-0,123+0,754i}$ offre un exemple ;
• la dendrite (${\displaystyle z^{2}+i}$).

• 
  Ensemble de Julia rempli de ${\displaystyle z^{2}+z}$.
• 
  ensemble de Julia correspondant (chou-fleur).
• 
  Un exemple de lapin de Douady
  (${\displaystyle \scriptstyle z^{2}-0,123+0,754i}$).
• 
  La dendrite de ${\displaystyle z^{2}+i}$.
• 
  Poussière de Cantor (polynôme quadratique).

Certaines applications peuvent avoir comme ensemble de Julia des poussières de Cantor (par exemple, le polynôme ${\displaystyle z^{2}+6i}$), des tapis de Sierpinsky, etc.

Comme les exemples qui précèdent, les ensembles de Julia de la plupart des applications holomorphes sont des fractales.

Le complémentaire de l'ensemble de Julia d'une fonction holomorphe ${\displaystyle f}$ (ici un polynôme) est un ouvert ${\displaystyle F}$, appelé ensemble de Fatou. Cet ouvert est caractérisé par le fait que la suite de fonctions ${\displaystyle (f^{\circ n})_{n}}$, où ${\displaystyle f^{\circ n}}$ désigne le ${\displaystyle n}$ième itéré de la fonction ${\displaystyle f}$ (i.e. ${\displaystyle f^{\circ n}=f\circ \cdots \circ f}$ ${\displaystyle n}$ fois), admet, pour tout compact ${\displaystyle K}$ inclus dans ${\displaystyle F}$, des sous-suites uniformément convergentes sur ${\displaystyle K}$. On dit alors que ${\displaystyle (f^{\circ n})_{n}}$ forme une famille normale sur ${\displaystyle F}$.

• Michèle Audin, Fatou, Julia, Montel: Le grand prix des sciences mathématiques de 1918, et après..., Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009, (ISBN 978-3-642-00445-2 et 978-3-642-00446-9).
• Daniel S. Alexander, A History of Complex Dynamics: From Schröder to Fatou and Julia, Aspect of Mathematics, 1994, (ISBN 978-3-663-09199-8).

• Ensemble de Julia
• Ensemble de Mandelbrot
• Lac de Wada
• Méthode de Newton
• Nombre complexe