Homologie des variétés au delà de leur dimension.

Nullité de l’homologie d’une variété topologique
au delà de sa dimension
Soit nun entier au moins égal à 1(le cas n= 0 étant trivial). L’objet de ce texte est
de démontrer le théorème suivant (l’homologie étant à coefficients dans un anneau
commutatif quelconque) :
+1 Théorème. Soit Xune variété topologique de dimension n(pas nécessaire-
ment compacte, mais sans bord). Alors Hi(X) = 0 pour tout i>n.
Au passage, on obtiendra :
+2 Théorème. Si Uest un ouvert de Rn, on a Hi(U)=0pour tout in.
Noter que dans l’énoncé de ce second théorème, la condition est inet non pas
i>ncomme dans le premier théorème. C’est le mieux qu’on puisse faire, puisqu’en
enlevant un point de Rnon obtient un ouvert Uayant le type d’homotopie de Sn1
et donc tel que Hn1(U)6= 0.
Commençons par un lemme de topologie métrique.
+3 Lemme. Soit Xun espace métrique localement compact, et Kune partie
compacte de X. Pour tout ε > 0, on note K+εl’ensemble des points xde Xtels que
d(x, K)ε.
(a) Pour tout η > 0, il existe ε > 0aussi petit qu’on veut et une famille finie de
boules compactes F1, . . . , Fpde rayons au plus η, dont les centres sont dans K, tels
que K+ε
F1 · · ·
Fp.
(b) Kest l’intersection d’une suite décroissante K0K1K2. . . où chaque Ki
est une réunion finie de boules compactes. De plus, pour tout voisinage Ude K, il
existe itel que KiU.
Démonstration. (a) Pour tout xK, il existe un voisinage compact de xet donc
une boule fermée Fxcompacte (parce que fermée dans un compact) de centre x
et de rayon non nul, qui peut être pris inférieur à η. Notons
Fxl’intérieur de Fx.
Une famille finie
Fx1,...,
Fxpsuffit à recouvrir K. Comme le complémentaire de
U=
Fx1∪ · · ·
Fxpest fermé et comme la distance d’un fermé à un compact disjoint
n’est pas nulle, on voit qu’il existe ε > 0(qui peut être pris aussi petit qu’on veut)
tel que K+ε
Fx1 · · ·
Fxp.
(b) On construit la suite K0K1K2. . . par récurrence. En appliquant (a)
avec η=η0= 1, on obtient ε0>0et K0=Fx1· · ·Fxptels que K+ε0
Fx1· · ·
Fxp.
Supposons K0 · · · Kp1construits tels que K+εiKi. On peut supposer que
la suite des εiest décroissante et que εi< ε0/2i. Appliquons (a) avec un ηp< εp1,
ce qui donne une nouvelle famille de boules compactes dont la réunion sera notée
Kp. La condition ηp< εp1entraîne que KpKp1, et on peut supposer que εp<
1
ε0/2p. Comme ηptend vers 0quand ptend vers l’infini, on voit que K=TiNKi. La
dernière assertion résulte du fait que la distance d’un compact à un fermé disjoint
est non nulle. o
+4 Lemme. Si Kest un compact de Rn, on a Hi(Rn,RnK) = 0 pour i>n.
Démonstration. (0) Le cas K=est trivial.
(1) Si Kest un convexe non vide, soit x0K. Soit Bune boule de centre x0dont
l’intérieur contient K. Alors RnKse rétracte par déformation sur le complémen-
taire de l’intérieur
Bde B. Il en résulte que Hi(RnK)'Hi(Rn
B). Or Rn
Ba
le type d’homotopie de Sn1. On a la suite exacte (pour i>n) :
0 = Hi(Rn)//Hi(Rn,RnK)//Hi1(RnK) = 0
ce qui donne le résultat.
(2) Soient maintenant Ket Ldeux compacts de Rntels que Hi(Rn,RnK) =
Hi(Rn,RnL) = Hi(Rn,RnKL)=0. Alors Hi(Rn,RnKL) = 0. En effet, on
a la suite exacte de Mayer-Vietoris :
0 = Hi+1(Rn,RnKL)//Hi(Rn,RnKL)//Hi(Rn,RnK)Hi(Rn,RnL)=0
qui donne le résultat.
(3) Supposons maintenant que Ksoit une union finie de boules compactes, K=
B1 · · · Bk. On raisonne par récurrence sur k. Les cas k= 0 et k= 1 ont déja été
traités ci-dessus. Supposons k2. Posons K0=B1· · · Bk1. On a K0Bk= (B1
Bk)· · ·(Bk1Bk). Comme BiBkest convexe (et compact), on voit par hypothèse
de récurrence que Hi(Rn,RnK0) = Hi(Rn,RnBk) = Hi(Rn,RnK0Bk)=0. Il
en résulte par (2) que Hi(Rn,RnK) = Hi(Rn,RnK0Bk) = 0.
(4) Tout compact de Rnétant l’intersection d’une suite décroissante de réunions
finies de boules compactes. Il suffit de traiter le cas où Kest l’intersection d’une
famille décroissante de compacts K0K1K2. . . tels que Hi(Rn,RnKi)=0.
Or ceci résulte du fait que RnKest la limite inductive (réunion croissante) des
RnKiet du fait que l’homologie commute aux limites inductives d’ouverts. o
+5 Lemme. Si Uest un ouvert de Rn, on a Hi(U)=0pour tout in.
Démonstration. (1) Supposons d’abord que Usoit le complémentaire d’un com-
pact, c’est-à-dire U=RnK, avec Kcompact. On a la suite exacte (pour in) :
0 = Hi+1(Rn, U)//Hi(U)//Hi(Rn)=0
(2) Supposons maintenant que Uest un ouvert borné de Rn. Soit Bune boule fermée
contenant U. Alors les ouverts Uet V=RnBsont disjoints, Vet UVsont des
complémentaires de compacts, et on a la suite exacte :
0 = Hi() = Hi(UV)//Hi(U)Hi(V)//Hi(UV) = 0
2
Comme Hi(V)=0, on obtient Hi(U)=0.
(3) Soit enfin Uun ouvert quelconque de Rn. Comme Uest la réunion croissante
d’une suite d’ouverts bornés, le fait que l’homologie commute aux limites inductives
d’ouverts montre que Hi(U)=0(toujours pour in). o
Nous pouvons maintenant démontrer le théorème 1.
Démonstration. (théorème 1) (1) Si Uest un ouvert de Xhoméomorphe à un
ouvert de Rn, on a Hi(U) = 0 pour in, donc a fortiori pour i>n.
(2) Si U=U1· · ·Ukest une union finie d’ouverts homéomorphes à des ouverts de
Rn, on raisonne par récurrence sur k. Le cas k= 0 est trivial et le cas k= 1 est traité
en (1). Supposons k2. Posons U0=U1· · ·∪Uk1. L’ouvert U0Ukest homéomorphe
à un ouvert de Rn(car il est inclus dans Uk). On a donc Hi(U0Uk) = 0 pour in.
On a aussi Hi(U0)=0pour i>npar hypothèse de récurrence. Par ailleurs, on a la
suite exacte (pour i>n) :
0 = Hi(U0)Hi(Uk)//Hi(U)//Hi1(U0Uk)=0
qui montre que Hi(U) = 0 pour i>n.
(3) Soit enfin Uun ouvert quelconque de X. Il est la limite inductive (union) d’un
diagramme d’ouverts qui sont tous des unions finies d’ouverts homéomorphes à des
ouverts de Rn. Le résultat vient encore du fait que l’homologie commute aux limites
inductives d’ouverts. o
On étend facilement le résultat aux variétés à bord par une méthode analogue.
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