2 Un exemple de topologie non métrisable
On dit qu’un espace topologique (X, O) est métrisable lorsqu’il est homéomorphe à un espace métrique.
Cela revient à dire qu’il existe sur Xune distance dont la topologie induite est précisément O. Un espace
topologique métrisable est donc automatiquement séparé ce qui nous fournit déjà plusieurs exemples de
topologies non métrisables (Rmuni de la topologie grossière par exemple).
Intéressons nous maintenant à un exemple classique de topologie non métrisable (moins pathologique que
la topologie grossière). Soient a < b ∈R, la topologie de la convergence simple sur F([a, b],C) (l’ensemble
des fonctions du segment [a, b] dans C) est la topologie engendrée par les ensembles
Uε
z,x ={g∈F([a, b],C) : |g(x)−z|< ε},
où z,xet εparcourent respectivement C, [a, b] et R∗
+. La non métrisabilité de cette topologie peut s’ob-
tenir par (au moins) deux méthodes que nous exposons ici.
Exercice 1: Préliminaire
1. Vérifier que la topologie de la convergence simple sur F([a, b],C) est séparée.
Remarque : Attention, si on remplace Cpar un espace topologique non séparé, ce n’est plus le cas !
2. Vérifier qu’une suite de fonction (fn)n∈F([a, b],R) converge simplement vers une fonction gsur
[a, b] si et seulement si elle converge au sens de la topologie de la convergence simple.
Exercice 2: Une partie dense non séquentiellement dense
Dans la suite on appellera fonction simple tout élément de F([a, b],C) nul en dehors d’un nombre
fini de points de [0,1].
1. Vérifier que l’ensemble des fonctions simples est dense dans F([a, b],C) pour la topologie de la
convergence simple.
2. Montrer que la fonction constante égale à 1 n’est pas limite simple de fonctions simples.
3. En déduire que la topologie de la convergence simple sur F([a, b],C) n’est pas métrisable.
Exercice 3: Un compact non séquentiellement compact
On note Ule cercle unité du plan complexe.
1. Vérifier que U[0,2π]muni de la topologie produit est homéomorphe à un sous-ensemble de F([0,2π],C)
muni de la topologie de la convergence simple.
2. Pour tout n∈N, notons enla fonction définie sur [0,2π] par x7→ einx. Montrer que si la suite
(en)n∈Nadmet une sous-suite simplement convergente sur [0,2π], alors cette sous-suite est également
convergente dans L2([0,2π]).
3. Montrer que les termes de la suite (en)n∈Nsont tous distants deux à deux de 2√πdans L2([0,2π])
et en déduire que la topologie de la convergence simple sur F([0,2π],C) n’est pas métrisable.
3 Topologie et dénombrabilité
Exercice 1: Théorème de Cantor-Bendixson
Un peu de vocabulaire. Soit Xun espace topologique séparé et Aune partie de X. Un point a∈A
est dit isolé dans Asi il possède un voisinage ne contenant aucun autre point de A. Un point x∈X
est un point d’accumulation de Asi tout voisinage de xcontient un élément de Aautre que xlui-même.
Noter que les points d’accumulation de An’appartiennent pas nécessairement à A. L’ensemble des points
d’accumulation de Aest l’ensemble dérivé de A, on le note A′. Un ensemble Aégal à son ensemble dérivé
est dit parfait.
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