Compléments de topologie

École des Mines de Douai — FI1A Mathématiques
Compléments de topologie
Compléments de topologie
F. Delacroix, École des Mines de Douai, 25 septembre 2007
Ce document présente quelques notions de topologie, non essentielles pour la compréhension du cours de Fi1A, mais offrant un recul plus important sur certains points de ce
cours.
Ce document pourra être complété par vos demandes, n’hésitez pas à demander des
approfondissements.
1
Diamètre
1.1
Dans un espace vectoriel normé
Soit E un espace vectoriel normé. Étant donnée une partie A de E, on définit le
diamètre de A comme la quantité
n
Diam(A) = sup d(x, y),
o
x, y ∈ A ∈ R+ ∪ {∞}
avec en plus la convention que Diam(∅) = 0.
Proposition 1
Le diamètre d’un compact est fini et atteint.
Preuve. Il s’agit de prouver que l’application «distance»
d : E × E −−−→ R+
(x, y) 7−−→ d(x, y) = kx − yk
est bornée sur K × K et atteint ses bornes. On va pour cela munir l’espace vectoriel E × E
d’une norme, montrer que l’application d est continue sur E × E et que K × K est un
compact de E × E.
On peut munir E ×E (notamment) de l’une des trois normes suivantes, généralisations
directes des exemples fondamentaux de Rn : pour (x, y) ∈ E × E,
k(x, y)k1 = kxk + kyk
k(x, y)k2 =
q
kxk2 + kyk2
k(x, y)k∞ = sup{kxk, kyk}.
(exercice : vérifier que ce sont bien des normes, et qu’on retrouve la situation habituelle
de ces normes sur R2 lorsque E = R normé par la valeur absolue). Ces trois normes
sont équivalentes (exercice, inspirez-vous de l’exercice 1 question 3 du chapitre 1) et donc
définissent la même topologie sur cet espace vectoriel, et aussi, c’est ce qui nous intéresse,
la même notion de convergence.
Pour une suite de couples ((xn , yn ))n∈N (deux paires de parenthèses : une pour la
notation «couple», l’autre pour la notation «suite») de E ×E, et un couple (`, m) ∈ E ×E,
on a ainsi équivalence des assertions suivantes (démonstration laissée en exercice) :
(1) la suite ((xn , yn ))n∈N converge vers (`, m) ∈ E × E,
1
Compléments de topologie
Mathématiques École des Mines de Douai — FI1A
(2) n→∞
lim k(xn , yn ) − (`, m)k = 0 (c’est la définition de la convergence) où la notation k.k
désigne l’une quelconque des trois normes ci-dessus,
(3) les suites des composantes (xn )n∈N et (yn )n∈N convergent respectivement vers ` et m.
Alors K × K est compact. Pour le démontrer, fixons une suite ((xn , yn ))n∈N de K × K ;
il s’agit de prouver qu’elle admet une sous-suite convergente.
Par définition, la suite (xn )n∈N est une suite de K, donc, en vertu de la propriété de
Bolzano-Weierstrass, elle admet une sous-suite (xϕ(n) )n∈N convergeant dans K, ϕ désignant
une application N −−−→ N strictement croissante.
La suite (yϕ(n) )n∈N est elle aussi une suite de K, donc elle admet une sous-suite
(yψ◦ϕ(n) )n∈N qui converge dans K, ψ étant encore une application N −−−→ N strictement
croissante.
La fonction ψ◦ϕ est la composée de deux fonctions strictement croissantes de N −−−→ N,
c’est donc elle-même une fonction strictement croissante de N −−−→ N. La suite (xψ◦ϕ(n) )n∈N
est extraite de la suite (xϕ(n) )n∈N qui est convergente, elle est donc convergente.
Comme les suites (xϕ(n) )n∈N et (yϕ(n) )n∈N sont toutes deux convergentes dans K, la
suite des couples ((xϕ(n) , yϕ(n) )n∈N , extraite de ((xn , yn ))n∈N est donc convergente dans
K × K en vertu de la caractérisation de la convergence dans E × E exposée plus haut.
Ceci prouve bien que K × K est compact.
Il reste à prouver que d est continue. Rappelons les inégalités triangulaires : pour deux
vecteurs a et b, on a
kak − kbk 6 ka − bk 6 kak + kbk.
Pour (x, y), (x0 , y 0 ) ∈ E × E, on a donc les majorations suivantes :
0
0 |d(x, y) − d(x , y )| = kx − yk − kx − y k 6 kx − y − x0 + y 0 k
0
0
6 k(x − x0 ) − (y − y 0 )k 6 kx − x0 k + ky − y 0 k = k(x, y) − (x0 , y 0 )k1 .
Ceci montre que l’application d est 1-lipschitzienne (lorsque l’on a muni E ×E de la norme
k.k1 , donc continue. En effet, la majoration précédente montre que |d(x, y)−d(x0 , y 0 )| tend
vers 0 lorsque (x0 , y 0 ) tend vers (x, y).
Finalement, l’image K × K par l’application d est celle d’un compact par une fonction
continue, donc c’est un compact de R, c’est-à-dire un fermé borné : d est bornée sur K ×K
et atteint ses bornes.
Ainsi, le diamètre de K est fini et réalisé par (au moins) un couple (x, y) particulier.
Proposition 2
Le diamètre d’une boule (ouverte ou fermée, peu importe) est égal au double de son
rayon.
Preuve. Procédons par double inégalité, en nous intéressant à une boule fermée B(a, R)
de centre a et de rayon R, que l’on notera simplement B.
Pour x, y ∈ B, grâce à l’inégalité triangulaire :
kx − yk = kx − a + a − yk 6 kx − ak + ky − ak 6 R + R = 2R.
2
École des Mines de Douai — FI1A Mathématiques
Compléments de topologie
Le majorant ainsi obtenu étant indépendant de x et y, on peut passer au sup, ce qui
montre que
Diam(K) 6 2R.
Considérons maintenant un couple de vecteurs diamétralement opposés (x, −x) dans
lequel kxk = R. Alors
kx − (−x)k = kx + xk = k2xk = 2kxk = 2R.
Ce la considération de ce couple particulier découle que le sup dont il est question, c’està-dire Diam(K) vérifie Diam(K) > 2R.
Finalement Diam(K) = 2R.
Remarquons que la démonstration précédente fonctionne bien pour une boule fermée,
où l’on peut choisir x tel que kxk = R, mais pas pour une boule ouverte. On doit alors
modifier la seconde partie de la démonstration en considérant une suite (xn ) de la boule
ouverte qui converge vers un point x tel que kxk = R. Par exemple avec xn = (R − n1 )e
où e est un vecteur de norme 1.
1.2
Dans un espace métrique
Un espace vectoriel normé est un cas particulier d’espace métrique (qui est lui-même
un cas particulier d’espace topologique), c’est-à-dire un ensemble dans lequel existe une
notion de distance.
Définition 1
On appelle espace métrique tout ensemble E tel qu’il existe une application
d : E × E −−−→ R+
appelée distance (ou : métrique) telle que
(1) d vérifie l’axiome de séparation :
∀x, y ∈ E,
(d(x, y) = 0) ⇐⇒ (x = y)
(2) d soit symétrique :
∀x, y ∈ E,
d(x, y) = d(y, x)
(3) d vérifie l’inégalité triangulaire :
∀x, y, z ∈ E,
d(x, z) 6 d(x, y) + d(y, z).
Beaucoup des notions présentées dans le chapitre 1 à propos des espaces vectoriels
normés sont en fait des propriétés métriques (boules, partie bornée. . .) ou topologiques
(ouvert, fermé, compact, connexe. . .). Il est toutefois important de remarquer qu’un espace
métrique n’est pas forcément un espace vectoriel (pas forcément «plat»1 )
1
Rappelons à ce sujet que la Terre n’est pas plate, et que ces notions de distance ont tout de même
un sens concret.
3
Compléments de topologie
Mathématiques École des Mines de Douai — FI1A
Exemple 2 (La distance SNCF)
Dans un ouvert de R2 , on fixe un point appelé PARIS. On définit alors la distance
entre deux points A et B comme étant
d(A, B) = d(A, P ARIS) + d(P ARIS, B)
(toute ressemblance avec des personnages existants serait purement fortuite).
Exemple 3 (Distance discrète)
Soit E un ensemble quelconque non vide. On définit la distance discrète sur E en
disant que

0 si x = y
d(x, y) =
1 si x 6= y.
Ce dernier exemple est intéressant car complètement contre-intuitif et pourtant très
cohérent : tous les points distincts de E sont séparés par la même distance 1. On peut
s’en faire une idée dans R2 si E ne contient que trois points (les placer de telle sorte qu’ils
forment un triangle équilatéral de côté 1), ou dans R3 si Card E = 4 (utiliser un tétraèdre)
mais ce modèle géométrique est vite limité.
Le diamètre d’un compact dans un espace métrique est toujours fini est atteint (la
démonstration de la proposition 1 s’adapte très bien). En revanche, le diamètre d’une
boule n’est pas toujours ce qu’on croit. Seule la première partie de la démonstration de
la proposition 2 s’adapte bien (c’est l’objet de la proposition suivante). La seconde partie
de cette démonstration repose sur la colinéarité de x et −x, et ceci n’a plus de sens dans
un espace métrique général.
Proposition 3
Dans un espace métrique, le diamètre d’une boule est inférieur ou égal au double de
son rayon.
Exemple 4
Soit E un ensemble muni de la distance discrète. Alors, pour tout a ∈ E et tout r ∈ R
tel que r < 1, la boule fermée B(a, r) est réduite au point a, et son diamètre est donc
nul !
L’expansion de l’Univers, conséquence directe de la théorie de la relativité générale
d’Albert Einstein consiste en la modélisation de la variation de la métrique (c’est-à-dire
la distance) dans l’Univers au cours du temps. Ce ne sont pas les galaxies qui se déplacent,
mais la métrique (manifestation de l’espace-temps lui-même) qui «gonfle».
4