2. Filtres

2.1. Prologue

Dans la suite, il sera commode d’emprunter un peu de vocabulaire aux logiciens. Un prédicat 𝑝 sur un ensemble 𝑋 est « une fonction de 𝑋 dans les énoncés ». À chaque élément 𝑥 de 𝑋, on associe un énoncé 𝑝(𝑥) qui peut être vrai ou faux. Ces gadgets logiques apparaissent par exemple lorsqu’on discute le principe de récurrence sur les entiers : pour tout prédicat 𝑝 sur ℕ, si 𝑝(0) et ∀𝑛,𝑝(𝑛)⇒𝑝(𝑛+1) alors ∀𝑛,𝑝(𝑛).

Il est courant de dire ou d’écrire « Pour tout entier 𝑛 assez grand, 𝑝(𝑛) », ou « Pour tout 𝑥 assez proche de 𝑥0, 𝑝(𝑥) » ou « Pour presque tout 𝑥, 𝑝(𝑥) » pour des prédicats 𝑝 sur respectivement les entiers, les points d’un espace topologique ou les points d’un espace mesuré. Ces phrases peuvent sembler manquer de rigueur, mais il est facile de préciser ce qu’elles signifient. La première signifie qu’il existe un entier 𝑁 tel que pour tout 𝑛≥𝑁, 𝑝(𝑛). La seconde signifie qu’il existe un ouvert 𝑈 contenant 𝑥0 tel que, pour tout 𝑥 dans 𝑈, 𝑝(𝑥). La seconde signifie qu’il existe un ensemble 𝑁 mesurable de mesure nulle tel que, pour tout 𝑥 qui n’est pas dans 𝑁, 𝑝(𝑥).

Une question naturelle est de se demander quelles sont les propriétés communes à ces trois exemples qui font que cette façon de parler est pertinente. Afin de préciser ce que « pertinente » signifie, on peut se demander quelles sont les règles de manipulation de tels énoncés. Par exemple, on peut facilement montrer que, étant donné deux prédicats 𝑝 et 𝑞 sur les entiers, si pour tout 𝑛 assez grand 𝑝(𝑛) et pour tout 𝑛 assez grand 𝑞(𝑛) alors, pour tout 𝑛 assez grand 𝑝(𝑛) et 𝑞(𝑛). Mais cela ne fonctionnerait pas avec une famille infinie de propriétés. Par exemple, chacune des propriétés 𝑝𝑘(𝑛):𝑛≥𝑘 est vraie pour 𝑛 assez grand, mais leur conjonction n’est vraie pour aucun entier. Des observations analogues peuvent être faites dans les exemples topologiques et mesurés.

Dans cette discussion, on voit que l’ensemble 𝒫(𝑋) des parties d’un ensemble 𝑋 n’est pas suffisamment grand. Il manque des parties ou ensembles en un sens généralisé. Il manque dans 𝒫(ℕ) l’ensemble généralisé 𝒩+∞ des très grands entiers qui permet d’écrire ∀𝑛∈𝒩+∞,𝑝(𝑛). Pour tout espace topologique 𝑋 et 𝑥0∈𝑋, il manque dans 𝒫(𝑋) l’ensemble généralisé 𝒩𝑥0 des points très proches de 𝑥0. Pour tout espace mesuré (𝑋,𝜇), il manque dans 𝒫(𝑋) l’ensemble généralisé 𝜇−𝑝𝑝 de presque tous les points de 𝑋.

On veut ces ensembles pour pouvoir quantifier des énoncés, mais aussi considérer des images directes (et réciproques). Par exemple, si 𝑢 est une suite de points d’un espace topologique 𝑋 et 𝑥0 est un point de 𝑋, on veut dire que la suite 𝑢 tend vers 𝑥0 si 𝑢∗𝒩+∞, l’image directe par 𝑢 de l’ensemble des très grands entiers, est contenue dans l’ensemble 𝒩𝑥0 des points très proches de 𝑥0. Cela s’écrira 𝑢∗𝒩+∞≤𝒩𝑥0.

Cette notion d’image directe doit bien sûr interagir harmonieusement avec les quantificateurs. Par exemple, on veut avoir que si 𝑣 est une autre suite telle que ∀𝑛∈𝒩+∞,𝑣𝑛=𝑢𝑛 alors 𝑢∗𝒩+∞=𝑣∗𝒩+∞.

On verra dès le début de ce chapitre comment mettre tout cela en place avec seulement deux définitions et une notation.

La suite du chapitre utilisera intensivement la théorie du chapitre précédent. Par exemple, on veut pouvoir intersecter des parties généralisées et démontrer l’unicité des limites de suites (disons dans ℝ) par la discussion suivante. Soit 𝑢 une suite qui tend vers 𝑥 et 𝑦. Comme 𝒩+∞ n’est pas l’ensemble vide, son image directe 𝑢∗𝒩+∞ n’est pas l’ensemble vide. Or, on a supposé 𝑢∗𝒩+∞≤𝒩𝑥 et 𝑢∗𝒩+∞≤𝒩𝑦 donc 𝒩𝑥∩𝒩𝑦 n’est pas vide, ce qui implique 𝑥=𝑦.

Cette opération d’intersection sera également utile pour unifier les très nombreuses variantes de la définition de limite. Même en se limitant en fonctions de ℝ dans ℝ, on peut écrire lim𝑥→?𝑓(𝑥)=? où chacun des points d’interrogation peut être par exemple 𝑥0, 𝑥0±, ±∞ ou des variantes où 𝑥≠𝑥0 ou bien 𝑥 est dans un ensemble dense. En combinant ces possibilités (par exemple 𝑥 tend vers 2 par la gauche dans ℚ), on obtient 16 possibilités pour chaque point d’interrogation, ce qui donne 256 définitions de limite. Garder l’information fine sur le second point d’interrogation permet d’énoncer des lemmes de composition. Par exemple, si lim𝑥→+∞𝑓(𝑥)=0+ et lim𝑦→0+𝑔(𝑦)=−∞ alors lim𝑥→+∞(𝑔∘𝑓)(𝑥)=−∞. On parle ici de 163=4096 lemmes. La méthode consistant à en énoncer trois, en démontrer deux, et laisser le reste en exercice a fait ses preuves et restera irremplaçable en L1. Mais, dans ce chapitre, nous développerons une méthode alternative.

On voudra également pouvoir définir des intersections de familles infinies de sorte que 𝒩𝑥0 soit l’intersection, au sens des parties généralisées, de tous les voisinages de 𝑥0. Enfin, nous finirons par une discussion des singletons généralisés qui seront particulièrement utiles pour l’étude de la compacité dans un chapitre suivant.

2.2. Définition, quantificateurs généralisés et limites

Soit 𝑋 un ensemble. Les exemples du prologue montrent clairement que les parties généralisées de 𝑋 qui manquent dans 𝒫(𝑋) correspondent à des ensembles de parties (ordinaires) de 𝑋. Par exemple, la partie généralisée des points très proches d’un point 𝑥0 correspond à l’ensemble des voisinages de 𝑥0.

Pour bien comprendre la discussion qui va suivre, il est essentiel de réaliser que les parties d’un ensemble 𝑋 et les prédicats sur 𝑋 sont deux points de vue sur le même objet mathématique. On a la correspondance bijective :

Définition 2.2.1

Soit 𝑋 un ensemble, 𝑝 un prédicat sur 𝑋 et 𝐹 une famille de parties de 𝑋. On définit les énoncés

et

On notera qu’on a (∃𝑓𝑥∈𝐹,𝑝(𝑥))⇔non(∀𝑓𝑥∈𝐹,non𝑝(𝑥)).

Ces notations sont vraiment en un bloc, le 𝑥∈𝐹 ne signifie rien par lui-même puisque 𝑥 est un point de 𝑋 et pas une partie de 𝑋. C’est pour cela qu’on utilise la notation ∀𝑓 plutôt que ∀.

On notera que, via la correspondance entre prédicats et parties, la donnée d’un ensemble 𝐹 de parties de 𝑋 est complètement équivalente à la donnée de l’ensemble des prédicats 𝑝 sur 𝑋 tels que ∀𝑓𝑥∈𝐹,𝑝(𝑥). De même le quantificateur existentiel généralisé caractérise 𝐹, mais il jouera un rôle beaucoup moins important pour nous.

Pour montrer qu’on a bien généralisé les quantificateurs ordinaires, on a besoin de la définition suivante (où pour l’instant « filtre principal » se lit comme un seul mot).

Définition 2.2.2
Le filtre principal associé à une partie 𝐴 de 𝑋 est l’ensemble 𝑃(𝐴) des parties contenant 𝐴.

Cette définition assure que, pour toute partie 𝐴 de 𝑋 et tout prédicat 𝑝 sur 𝑋,

donc le quantificateur généralisé ∀𝑓 généralise bien ∀. De même, on a :

Voyons maintenant quelles conditions nous allons imposer aux familles de parties pour que les notations ci-dessus aient de bonnes propriétés.

Définition 2.2.3

Un filtre 𝐹 sur un ensemble 𝑋 est un ensemble de parties de 𝑋 tel que

  1. 𝑋∈𝐹

  2. ∀𝑈,𝑉,𝑈∈𝐹et𝑈⊆𝑉⇒𝑉∈𝐹

  3. ∀𝑈,𝑉,𝑈∈𝐹et𝑉∈𝐹⇒𝑈∩𝑉∈𝐹

On note ℱ(𝑋) l’ensemble des filtres sur 𝑋. On le munit de la relation d’ordre induite par 𝒫(𝒫(𝑥))op (il s’agit donc de la relation opposée à la relation d’inclusion des ensembles de parties).

Remarque 2.2.4
Dans la définition précédente, on peut remplacer la condition 𝑋∈𝐹 par la condition en apparence plus faible 𝐹≠∅. En effet, on a d’une part clairement 𝑋∈𝐹⇒𝐹≠∅ et, d’autre part, l’existence d’un élément de 𝐹 et la seconde condition entraînent 𝑋∈𝐹.

Les trois conditions de la définition de filtre sont immédiates à vérifier pour les filtres principaux. De même, on vérifie immédiatement que l’ensemble des voisinages d’un point 𝑥 dans un espace topologique 𝑋 est un filtre sur 𝑋, qui fournit notre premier exemple de filtre qui n’est pas principal (et qui est donc une partie généralisée de 𝑋 au sens strict). Enfin l’ensemble 𝒩∞ des parties de ℕ qui contient un rayon [𝑎,+∞[ est également un filtre (c’est lui « l’ensemble généralisé des très grands entiers »).

Exercice 2.18
  1. Montrer que 𝒩∞ est bien un filtre sur ℕ.

    Soit 𝑈∈𝒩∞ et 𝑉⊃𝑈. Comme 𝑈∈𝒩∞, on obtient 𝑎 tel que [𝑎,∞[⊆𝑈. Ce même 𝑎 convient pour 𝑉 par transitivité de l’inclusion.

    Soit 𝑈 et 𝑉 dans 𝒩∞. On obtient 𝑎 et 𝑏 tels que [𝑎,∞[⊆𝑈 et [𝑏,∞[⊆𝑉. On a [max(𝑎,𝑏),∞[⊆𝑈∩𝑉 donc 𝑈∩𝑉 est dans 𝒩∞.

    Enfin ℕ est dans 𝒩∞, car 𝑎=0 convient.

  2. Dans un espace topologique, montrer que l’ensemble 𝒩𝑥 des voisinages d’un point 𝑥 forme un filtre.

    Là encore, les vérifications sont immédiates : tout ensemble qui contient un voisinage de 𝑥 est un voisinage de 𝑥, toute intersection de voisinages de 𝑥 est un voisinage de 𝑥 et 𝑋 est un voisinage de 𝑥.

Dans les exemples ci-dessus, les filtres sont définis comme des ensembles de parties contenant un élément d’une famille de parties plus restreintes. Voyons comment décrire cette situation.

Définition 2.2.5
Une partie 𝑆 d’un ensemble ordonné 𝑋 est filtrante (à gauche) si elle n’est pas vide et, ∀𝑥𝑦∈𝑆,∃𝑧∈𝑆,𝑧≤𝑥et𝑧≤𝑦. Pour tout ensemble 𝐴 les parties filtrantes de 𝒫(𝐴) sont appelées bases de filtre sur 𝐴.
Lemme 2.2.6

Soit 𝑋 un ensemble et 𝐵 une base de filtre sur 𝑋. L’ensemble 𝐹 des 𝑈⊆𝑋 qui contiennent un élément de 𝐵 est un filtre sur 𝑋. On dit que 𝐵 est une base de 𝐹. Parfois, on dira également qu’une fonction à valeurs dans 𝒫(𝑋) est une base d’un filtre si son image l’est.

Réciproquement si 𝐹 est un filtre et 𝐵 est une famille de parties telle que ∀𝑈,𝑈∈𝐹⇔∃𝑉∈𝐵,𝑉⊆𝑈 alors 𝐵 est une base de filtre (et le filtre correspondant est bien sûr 𝐹).

Soit 𝑝 un prédicat sur 𝒫(𝑋) qui est croissant, c’est-à-dire que ∀𝑈⊆𝑉,𝑝(𝑈)⇒𝑝(𝑉). Alors (∀𝑈∈𝐹,𝑝(𝑈))⇔∀𝑉∈𝐵,𝑝(𝑉) et de même si 𝑝 est décroissant alors (∃𝑈∈𝐹,𝑝(𝑈))⇔∃𝑉∈𝐵,𝑝(𝑉). En particulier, on peut reformuler les inégalités entre filtres en termes de bases : pour toutes bases 𝐵 et 𝐵′ de filtres 𝐹 et 𝐹′ sur 𝑋, on a 𝐹≤𝐹′⇔∀𝑉′∈𝐵′,∃𝑉∈𝐵,𝑉⊆𝑉′.

Démonstration : Comme 𝐵 est filtrante donc non vide, on obtient 𝑈∈𝐵. Comme 𝑈⊆𝑋, on a bien 𝑋∈𝐹 Soit 𝑈 et 𝑉 dans 𝐹. Montrons que 𝑈∩𝑉∈𝐹. Par hypothèse, on obtient 𝑈0 et 𝑉0 dans 𝐵 tels que 𝑈0⊆𝑈 et 𝑉0⊆𝑉. Comme 𝐵 est filtrante, on obtient 𝑊∈𝐵 tel que 𝑊⊆𝑈0 et 𝑊⊆𝑉0. On a donc 𝑊⊆𝑈∩𝑉 et 𝑈∩𝑉∈𝐹. La dernière condition à vérifier est claire par définition de 𝐹 (sans utiliser que 𝐵 est filtrante).

Montrons la réciproque. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝐵 comme dans l’énoncé. Comme 𝑋∈𝐹, on obtient 𝑈∈𝐵 tel que 𝑈⊆𝑋. En particulier 𝐵 n’est pas vide. Soit 𝑈 et 𝑉 dans 𝐵. Montrons qu’il existe 𝑊∈𝐵 contenu dans 𝑈 et dans 𝑉. En particulier 𝑈 et 𝑉 sont dans 𝐹, donc 𝑈∩𝑉∈𝐹 et on obtient 𝑊∈𝐵 tel que 𝑊⊆𝑈∩𝑉. Ce 𝑊 convient.

La dernière partie est claire. □

On notera en particulier que les éléments d’un filtre sur un ensemble 𝑋 forment une partie filtrante de 𝒫(𝑋), donc tout filtre admet une base tautologique constituée de tous ses éléments.

Lemme 2.2.7

En termes de quantificateurs généralisés, les conditions définissant les filtres 𝐹 sur un ensemble 𝑋 signifient :

  1. Si 𝑝 est le prédicat toujours vrai sur 𝑋 alors ∀𝑓𝑥∈𝐹,𝑝(𝑥).
  2. Si 𝑝 et 𝑞 sont deux prédicats sur 𝑋 alors

  3. Si 𝑝 et 𝑞 sont deux prédicats sur 𝑋 alors

Démonstration : Cela découle directement du dictionnaire entre parties de 𝑋 et prédicats. Le prédicat toujours vrai correspond à la partie 𝑋. L’implication entre prédicat correspond à l’inclusion et la conjonction correspond à l’intersection. □

La condition d’inclusion dans la définition de filtre a également la conséquence suivante sur les quantificateurs généralisés.

Lemme 2.2.8

Soit 𝑋 un ensemble, 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝑝 un prédicat sur 𝑋. On a

et

Démonstration : On peut reformuler le membre de droite de la première équivalence en ∃𝑈∈𝐹,𝑈⊆{𝑥|𝑝(𝑥)}. Le sens direct est clair puisque qu’on peut utiliser 𝑈={𝑥|𝑝(𝑥)}. Le sens réciproque est clair en utilisant qu’une partie contenant un élément de 𝐹 est dans 𝐹. La seconde équivalence découle de la première, car

□
Remarque 2.2.9
La relation d’ordre sur ℱ(𝑋) assure que 𝐴≤𝐵 si et seulement si, pour tout prédicat 𝑝 sur 𝑋, [∀𝑓𝑥∈𝐵,𝑝(𝑥)]⇒[∀𝑓𝑥∈𝐴,𝑝(𝑥)]. On a bien une généralisation de la caractérisation en termes de quantificateur universel de la relation d’inclusion sur 𝒫(𝑋).

Concernant la relation d’ordre, nous utiliserons également très souvent la remarque suivante.

Remarque 2.2.10

Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋 et tout 𝑈⊆𝑋,

Remarque 2.2.11
Il faut prendre garde au fait que, malgré le lemme 2.2.7, la définition de filtre n’assure pas que les quantificateurs généralisés ont toutes les propriétés des quantificateurs ordinaires. Sinon, on pourrait facilement montrer qu’il n’y a pas de généralisation et qu’on n’a rien gagné. En particulier les quantificateurs universels généralisés ne commutent pas : pour des filtres 𝐹1 et 𝐹2 sur un ensemble 𝑋 et un prédicat 𝑝 sur 𝑋, en général ∀𝑓𝑥∈𝐹1,∀𝑓𝑥∈𝐹2,𝑝(𝑥) n’est pas équivalent à ∀𝑓𝑥∈𝐹2,∀𝑓𝑥∈𝐹1,𝑝(𝑥), même si l’un des deux filtres est principal. Par exemple, si 𝑢 est une suite de réels et 𝑙 un réel, l’énoncé ∀𝑓𝜀∈𝑃(ℝ+∗),∀𝑓𝑛∈𝒩∞,|𝑢𝑛−𝑙|<𝜀 signifie que 𝑢 tend vers 𝑙 tandis que ∀𝑓𝑛∈𝒩∞,∀𝑓𝜀∈𝑃(ℝ+∗),|𝑢𝑛−𝑙|<𝜀 signifie que 𝑢 vaut exactement 𝑙 à partir d’un certain rang.
Exercice 2.19

Démontrer soigneusement qu’une somme de deux suites convergentes dans ℝ est convergente et converge vers la somme des limites, en utilisant la définition élémentaire de convergence des suites. Réécrire la démonstration en utilisant comme définition de la convergence de 𝑢 vers 𝑙

et les propriétés des quantificateurs généralisés. Où se cachent maintenant les morceaux de démonstration qui ont disparu entre les deux versions ?

Soit 𝑢 et 𝑣 deux suites de réels. On suppose que 𝑢 tend vers 𝑙 et 𝑣 tend vers 𝑙′. Montrons que 𝑢+𝑣 tend vers 𝑙+𝑙′, c’est-à-dire ∀𝜀>0,∃𝑁,∀𝑛≥𝑁,|(𝑢𝑛+𝑣𝑛)−(𝑙+𝑙′)|<𝜀. Soit 𝜀>0. Par hypothèse sur 𝑢 appliquée à 𝜀/2>0, on obtient 𝑁1 tel que ∀𝑛≥𝑁1,|𝑢𝑛−𝑙|<𝜀/2. Par hypothèse sur 𝑣 appliquée à 𝜀/2>0, on obtient 𝑁2 tel que ∀𝑛≥𝑁2,|𝑣𝑛−𝑙′|<𝜀/2. Montrons que max(𝑁1,𝑁2) convient. Soit 𝑛≥max(𝑁1,𝑁2). Montrons que |(𝑢𝑛+𝑣𝑛)−(𝑙+𝑙′)|<𝜀. Comme 𝑛≥𝑁1, |𝑢𝑛−𝑙|<𝜀/2. Comme 𝑛≥𝑁2, |𝑣𝑛−𝑙′|<𝜀/2. On a

Reprenons maintenant cet énoncé en termes de quantificateurs généralisés. Soit 𝑢 et 𝑣 deux suites de réels. On suppose que 𝑢 tend vers 𝑙 et 𝑣 tend vers 𝑙′. Montrons que 𝑢+𝑣 tend vers 𝑙+𝑙′, c’est-à-dire ∀𝜀>0,∀𝑛 dans 𝒩∞,|(𝑢𝑛+𝑣𝑛)−(𝑙+𝑙')|<𝜀. Soit 𝜀>0. Par hypothèse sur 𝑢 appliquée à 𝜀/2>0, ∀𝑛 dans 𝒩∞,|𝑢𝑛−𝑙|<𝜀2. Par hypothèse sur 𝑣 appliquée à 𝜀/2>0, ∀𝑛 dans 𝒩∞,|𝑣𝑛−𝑙'|<𝜀2. Ainsi ∀𝑛 dans 𝒩∞,|𝑢𝑛−𝑙|<𝜀2 et |𝑣𝑛−𝑙'|<𝜀2. Il suffit donc de montrer que, pour tout 𝑛, |𝑢𝑛−𝑙|<𝜀/2et|𝑣𝑛−𝑙′| implique |(𝑢𝑛+𝑣𝑛)−(𝑙+𝑙′)|<𝜀. Soit 𝑛 vérifiant ces conditions. On a

On notera qu’on a utilisé la compatibilité du quantificateur universel généralisé avec la conjonction (le « et ») et l’implication. Par rapport à la première démonstration, les 𝑁 et le max sont cachés dans la définition de 𝒩∞ et la vérification du fait que c’est un filtre. Notons que, dans ce cas très simple, l’implication |𝑢𝑛−𝑙|<𝜀/2et|𝑣𝑛−𝑙′|⇒|(𝑢𝑛+𝑣𝑛)−(𝑙+𝑙′)|<𝜀 est vraie pour tout 𝑛, mais la démonstration fonctionnerait encore si elle n’était vraie que pour 𝑛 assez grand, au prix d’un deuxième max, caché ou pas selon qu’on utilise les filtres ou pas (c’est l’objet de la question suivante de cet exercice). On peut aussi remarquer que la rédaction de la deuxième démonstration peut être allégée avec des conventions de langage pour affirmer et démontrer des énoncés sous quantificateur généralisés. Ainsi, on pourrait écrire simplement la démonstration suivante.

Soit 𝑢 et 𝑣 deux suites de réels. On suppose que 𝑢 tend vers 𝑙 et 𝑣 tend vers 𝑙′. Montrons que 𝑢+𝑣 tend vers 𝑙+𝑙′, c’est-à-dire que pour tout 𝜀>0 et 𝑛 très grand, |(𝑢𝑛+𝑣𝑛)−(𝑙+𝑙′)|<𝜀. Soit 𝜀>0 et 𝑛 très grand. Par hypothèse sur 𝑢 appliquée à 𝜀/2>0 et 𝑛, |𝑢𝑛−𝑙|<𝜀/2. Par hypothèse sur 𝑣 appliquée à 𝜀/2>0 et 𝑛, |𝑣𝑛−𝑙′|<𝜀/2. On a

Les propriétés des quantificateurs généralisées assurent que le raisonnement ci-dessus est correct.

L’exercice précédent utilise une définition de limite qui utilise un peu les filtres, mais fait toujours apparaître des quantificateurs. Afin de reformuler les notions de limite purement en termes de filtres, nous avons vu dans le prologue qu’il faut également une notion d’image directe d’un filtre par une fonction.

Lemme 2.2.12

Soit 𝜑:𝑋→𝑌 une fonction et 𝐹 un filtre sur 𝑋. L’ensemble

est un filtre sur 𝑌. On l’appelle l’image directe de 𝐹 par 𝜑.
Démonstration : Les trois vérifications sont immédiates. On a 𝜑∗𝑌=𝑋 et 𝑋∈𝐹 puisque 𝐹 est un filtre donc 𝑌∈𝜑∗𝐹. Soit 𝑈 et 𝑉 dans 𝜑∗𝐹. Par définition, cela signifie que 𝜑∗𝑈∈𝐹 et 𝜑∗𝑉∈𝐹. Or 𝐹 est un filtre donc 𝜑∗𝑈∩𝜑∗𝑉∈𝐹, c’est dire 𝜑∗(𝑈∩𝑉)∈𝐹 et donc 𝑈∩𝑉∈𝜑∗𝐹. Soit 𝑈∈𝜑∗𝐹 et 𝑉 contenant 𝑈. On a donc 𝜑∗𝑈∈𝐹 et 𝜑∗𝑈⊆𝜑∗𝑉 car l’image réciproque est croissante. Comme 𝐹 est un filtre, on en déduit 𝜑∗𝑉∈𝐹, c’est-à-dire 𝑉∈𝜑∗𝐹. □

On vérifie sans peine que l’image directe d’un filtre principal 𝑃(𝐴) par une fonction 𝜑 est le filtre principal 𝑃(𝜑∗𝐴). On a donc étendu la notion d’image directe d’une partie.

Vérifions qu’on peut effectivement utiliser cette définition pour parler de limite comme annoncé dans le prologue de ce chapitre.

Lemme 2.2.13

Soit 𝑢:ℕ→𝑋 une suite dans un espace topologique 𝑋 et soit 𝑥 un point de 𝑋. On a

Dans le lemme précédent, il est vraiment important de se convaincre que la formulation en termes de filtre est la version intuitive (𝑢 envoie les très grands entiers parmi les points très proches de 𝑥) et la définition usuelle de limite est la version compliquée.

Démonstration : Il suffit de déplier toutes les définitions : celle de la relation d’ordre sur les filtres, celle l’image directe et celles des filtres en jeux. On a 𝑢∗𝒩∞≤𝒩𝑥 si et seulement si, pour tout voisinage 𝑈 de 𝑥, 𝑢∗𝑈 contient un rayon [𝑁,+∞[. Autrement dit, pour tout tel 𝑈, il existe 𝑁 tel que ∀𝑛∈[𝑁,+∞[, 𝑢𝑛∈𝑈. □

On verra plus loin que toutes les notions usuelles de limites rentrent dans ce cadre, en variant simplement les filtres en jeu, mais pour cela il nous faudra étendre la notion d’intersection de 𝒫(𝑋) à ℱ(𝑋) dans la section suivante.

Avant cela, notons que la démonstration précédente ne fait intervenir aucune des conditions de la définition de filtre. Comme pour la définition des quantificateurs généralisés, on pourrait définir l’image directe généralisée d’une famille quelconque de parties. Mais les contraintes définissant les filtres garantissent de bonnes propriétés comme nous allons le voir tout de suite.

Exercice 2.20

Soit 𝐹 un filtre sur un ensemble 𝑋. Montrer que, pour toute fonction constante 𝜑:𝑋→𝑌 de valeur 𝑦0, on a 𝜑∗𝐹≤𝑃({𝑦0}), c’est-à-dire que l’image directe de n’importe quel filtre est contenue dans {𝑦0} vu comme filtre. Montrer qu’il y a même égalité dès que 𝐹 n’est pas 𝑃(∅) (on pourra raisonner par contraposition).

Par définition de la relation d’ordre sur les filtres, il s’agit de montrer que, pour toute partie 𝑈 de 𝑌, 𝑈∈𝑃({𝑦0})⇒𝑈∈𝜑∗𝐹. Soit 𝑈 une partie de 𝑌. Supposons 𝑈∈𝑃({𝑦0}), c’est-à-dire 𝑦0∈𝑈. Montrons que 𝑈∈𝜑∗𝐹, c’est-à-dire 𝜑∗𝑈∈𝐹. Comme 𝜑 vaut partout 𝑦0, et que 𝑦0∈𝑈, on obtient 𝜑∗𝑈=𝑋 qui est bien dans 𝐹, car 𝐹 est un filtre.

Montrons maintenant que, si 𝐹 n’est pas 𝑃(∅), alors on a également l’inégalité 𝑃({𝑦0})≤𝜑∗𝐹 (et donc l’égalité annoncée). Comme toutes les parties de 𝑋 contiennent ∅, 𝑃(∅) est la collection de toutes les parties de 𝑋.

Par contraposition, il suffit de montre que la négation de 𝑃({𝑦0})≤𝜑∗𝐹 implique 𝐹=𝑃(∅). Supposons donc qu’on ait 𝑉⊆𝑌 tel que 𝑉∈𝜑∗𝐹, mais 𝑉∉𝑃({𝑦0}). On a donc 𝜑∗𝑉∈𝐹 et 𝑦0∉𝑉. Ainsi ∅ est dans 𝐹 et comme 𝐹 est un filtre, toutes les parties de 𝑋 sont dans 𝐹.

L’exercice précédent ne fait intervenir qu’une seule des conditions définissant les filtres. Pour finir ce tour d’horizon des propriétés élémentaires des filtres, vérifions l’énoncé contenu dans le prologue concernant la compatibilité entre la définition du quantificateur universel généralisé et celle de l’image directe. Cette fois les deux autres conditions de filtre vont être nécessaires.

Lemme 2.2.14
Soit 𝜑 et 𝜓 des fonctions entre deux ensembles 𝑋 et 𝑌. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋. Si ∀𝑓𝑥∈𝐹,𝜑(𝑥)=𝜓(𝑥) alors 𝜑∗𝐹=𝜓∗𝐹. Cela se lit « si 𝜑 et 𝜓 coïncident sur la partie généralisée 𝐹 alors 𝐹 a même image directe par 𝜑 et 𝜓 ».

En particulier si deux suites coïncident sur les grands entiers et que l’une converge vers un point 𝑥 alors l’autre aussi.

Démonstration : Supposons ∀𝑓𝑥∈𝐹,𝜑(𝑥)=𝜓(𝑥) et montrons que 𝜑∗𝐹=𝜓∗𝐹. Vu la symétrie de la situation, il suffit de montrer que 𝜑∗𝐹≤𝜓∗𝐹. Soit 𝑉∈𝜓∗𝐹. Montrons que 𝜑∗𝑉∈𝐹. On a 𝜓∗𝑉∈𝐹. On a également {𝑥|𝜑(𝑥)=𝜓(𝑥)}∈𝐹. Or 𝐹 est un filtre donc 𝜓∗𝑉∩{𝑥|𝜑(𝑥)=𝜓(𝑥)}∈𝐹. De plus

Ainsi 𝜑∗𝑉 contient un élément de 𝐹 donc est dans 𝐹 puisque 𝐹 est un filtre. □

Comme annoncé dans le prologue de ce chapitre, la définition de filtre, la définition des quantificateurs généralisés associés et la définition d’image directe d’un filtre par une fonction permettent de manipuler de façon unifiée les énoncés du type « pour tout entier assez grand » et de parler de limite de façon très intuitive. Mais cette théorie élémentaire peut paraître un peu ad hoc et elle n’est que le tout début de l’histoire. Les sections suivantes vont se reposer sur le chapitre précédent pour bâtir une théorie beaucoup plus vaste et mieux motivée d’un point de vue théorique.

2.3. Structure de treillis complet

Nous avons vu que 𝑃:𝒫(𝑋)→ℱ(𝑋) permet de voir toute partie ordinaire comme une partie généralisée, c’est-à-dire un filtre. Voyons maintenant comment aller dans l’autre sens. Au passage, nous récupérerons l’injectivité de 𝑃 (qu’on peut aussi vérifier directement) et de l’aide pour la suite.

Définition 2.3.1
Le noyau d’un filtre 𝐹 est la partie (pas généralisée) 𝐾(𝐹)≔⋂𝑈∈𝐹𝑈.
Lemme 2.3.2
L’application 𝐾:ℱ(𝑋)→𝒫(𝑋) est adjointe à droite de 𝑃. De plus 𝐾∘𝑃=Id𝒫(𝑋). En particulier 𝑃 est injective.

Démonstration : Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝐴 une partie de 𝑋. On a

De plus 𝐾(𝑃(𝐴))=⋂𝑈∈𝑃(𝐴)𝑈=⋂𝑈⊇𝐴𝑈=𝐴. □
Théorème 2.3.3

La relation d’ordre sur 𝒫(𝒫(𝑥))op restreinte à ℱ(𝑋) définit une structure de treillis complet avec les mêmes sup.

L’application 𝑃:𝒫(𝑋)→ℱ(𝑋) est un plongement d’ensembles ordonnés qui commute aux infimums des parties finies et à tous les supremums.

En particulier, pour toutes parties 𝐴 et 𝐵 de 𝑋,

Le minimum ⊥ de ce treillis complet est 𝑃(∅), le filtre de toutes les parties de 𝑋 et son maximum ⊤ est 𝑃(𝑋), le filtre ne contenant que la partie 𝑋.

Ce théorème justifie en particulier le choix de la relation d’ordre sur ℱ(𝑋) qui peut sembler étrange a priori : c’est celui qui fait de 𝑃 un plongement d’ensembles ordonnés.

Démonstration : Le corollaire 1.4.14 assure que, pour obtenir la structure de treillis complet, il suffit de montrer que, pour tout 𝑆⊆ℱ(𝑋), le sup de 𝑆 pris dans 𝒫(𝒫(𝑋))op est un filtre. Soit 𝑆⊆ℱ(𝑋). Le sup de 𝑆 dans 𝒫(𝒫(𝑋))op est l’intersection des éléments de 𝑆. Il est immédiat de vérifier qu’il s’agit d’un filtre.

Montrons que 𝑃 est un plongement d’ensembles ordonnés. Soit 𝐴 et 𝐵 des parties de 𝑋. On a

Cette dernière condition est clairement impliquée par 𝐴⊆𝐵. La réciproque est vraie également en spécialisant la condition à 𝑈=𝐵.

Pour montrer que 𝑃 commute aux sups, il suffit de noter que le lemme 2.3.2 lui fournit un adjoint à droite et permet donc d’appliquer le théorème 1.4.16. En particulier 𝑃(⊥)=𝑃(sup∅)=sup𝑃∗∅=sup∅=⊥ donc on obtient bien que le minimum de ℱ(𝑋) est 𝑃(⊥), c’est-à-dire 𝑃(∅).

Il reste à montrer que 𝑃 commute aux inf des parties finies. Par récurrence immédiate, il suffit de traiter le cas de la partie vide et des réunions de deux parties. L’inf de la partie vide dans un treillis est le maximum par la remarque 1.4.10. Il s’agit donc de montrer que 𝑃(𝑋) est un élément maximal dans ℱ(𝑋). Cela découle clairement de la remarque 2.2.10 et de la définition de filtre.

Soit 𝐴 et 𝐵 des parties de 𝑋. Montrons que 𝑃(𝐴∩𝐵)=𝑃(𝐴)∧𝑃(𝐵). Comme 𝑃 est croissante, on sait déjà par lemme 1.4.15 que 𝑃(𝐴∩𝐵)≤𝑃(𝐴)∧𝑃(𝐵). Ainsi 𝑃(𝐴∩𝐵) est un minorant de {𝑃(𝐴),𝑃(𝐵)}. On veut montrer que c’est le plus grand. Soit 𝐹 un minorant de {𝑃(𝐴),𝑃(𝐵)}. On a donc 𝐹≤𝑃(𝐴), c’est-à-dire 𝐴∈𝐹 d’après la remarque 2.2.10. De même on obtient 𝐵∈𝐹. Or 𝐹 est un filtre donc 𝐴∩𝐵∈𝐹, ce qu’une ultime application de la remarque 2.2.10 transforme en 𝐹≤𝑃(𝐴∩𝐵). □

Corollaire 2.3.4
L’inclusion de ℱ(𝑋) dans 𝒫(𝒫(𝑋))op admet un adjoint à droite ⟨·⟩:𝒫(𝒫(𝑋))op→ℱ(𝑋). On dit que l’image d’une famille 𝑆 de parties de 𝑋 est le filtre engendré par 𝑆.
Démonstration : Par construction de la structure de treillis complet sur ℱ(𝑋), l’inclusion commute au sup donc le théorème 1.4.16 assure l’existence de ⟨·⟩. □
Remarque 2.3.5
On peut être provisoirement déçu que 𝑃 ne commute pas à tous les inf, mais, en fait, on peut montrer que cette propriété entrainerait immédiatement la surjectivité de 𝑃 (le lemme 2.4.8 prouvera cela) et donc nous n’aurions rien ajouté à 𝒫(𝑋).
Remarque 2.3.6
Le filtre ⊥∈ℱ(𝑋) sera appelé filtre trivial sur 𝑋. Certains livres excluent ce cas dans la définition de filtre. Il s’agit d’un archaïsme qui visait à ne pas avoir à ajouter d’hypothèse de non-trivialité dans certains énoncés, mais faisait perdre la structure de treillis et tout ce que nous verrons dans la section suivante.
Exercice 2.21

On fixe un ensemble 𝑋.

  1. Montrer directement que ⟂≔𝑃(∅) est bien un minimum de l’ensemble des filtres sur 𝑋. Montrer que, pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋, 𝐹=⟂ si et seulement si ∅∈𝐹. Notez qu’on pense vraiment à ⊥ comme étant « la partie vide de 𝑋 vue comme filtre sur 𝑋 » mais noter ce filtre ∅ prêterait à confusion puisqu’il n’est pas vide en tant que partie de l’ensemble des parties de 𝑋.

    Le point crucial est que 𝑃(∅) est l’ensemble de toutes les parties de 𝑋 puisque, pour tout 𝐴∈𝒫(𝑋), ∅⊆𝐴.

    Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋. Montrons que 𝑃(∅)≤𝐹. Soit 𝑈∈𝐹. On a bien 𝑈∈𝑃(∅).

    Montrons maintenant qu’il y a égalité si et seulement si ∅∈𝐹. Supposons 𝐹=𝑃(∅). On a ∅∈𝐹. Réciproquement si ∅∈𝐹 alors toute partie de 𝑋 est dans 𝐹, car elle contient ∅ qui est dans 𝐹.

  2. Montrer que, pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋 et toute fonction 𝜑:𝑋→𝑌, 𝜑∗𝐹=⊥⇔𝐹=⊥.

    On utilise la caractérisation de la question précédente et la définition de l’image directe :

Dans la démonstration du théorème précédent, les inf de ℱ(𝑋) étaient offerts par le théorème 1.4.11. Nous verrons dans l’exercice 2.23 que la description explicite de ces infs est assez pénible pour les parties infinies, et elle ne nous servira jamais. Par contre, les infs binaires sont faciles à expliciter et cette explicitation est parfois la méthode de démonstration la plus efficace.

Lemme 2.3.7

Soit 𝐹 et 𝐺 des filtres sur un ensemble 𝑋.

  1. Le filtre 𝐹∧𝐺 est l’ensemble des intersections d’un élément de 𝐹 et d’un élément de 𝐺 :

  2. En particulier (vu l’exercice 2.21),

  3. Soit 𝐴 une partie de 𝑋. Les trois énoncés suivants sont équivalents :

    1. 𝐹∧𝑃(𝐴)=⊥
    2. 𝐹≤𝑃(𝐴ᶜ)
    3. ∃𝐴′∈𝐹,𝐴∩𝐴′=∅
  4. Si 𝐵 est une base de 𝐺 alors 𝐹∧𝐺=⊥⇔∃𝑉∈𝐵,𝐹∧𝑃(𝑉)=⊥.

Démonstration : Montrons d’abord que la famille de parties 𝐼 annoncée est bien un filtre.

On a bien 𝑋∈𝐼 comme intersection de 𝑋∈𝐹 et 𝑋∈𝐺. Soit 𝑈=𝑉∩𝑊 avec 𝑉∈𝐹 et 𝑊∈𝐺. Soit 𝑈′ tel que 𝑈⊆𝑈′. Montrons que 𝑈′ est dans 𝐼. On pose 𝑉′=𝑉∪𝑈′ et 𝑊′=𝑊∪𝑈′. On a 𝑉′∈𝐹, car 𝑉′ contient 𝑉, et 𝑊′∈𝐺 car 𝑊′ contient 𝑊. De plus,

Montrons maintenant la stabilité par intersection. Soit 𝑉 et 𝑉′ dans 𝐹. Soit 𝑊 et 𝑊′ dans 𝐺. L’intersection (𝑉∩𝑊)∩(𝑉′∩𝑊′) est dans 𝐼, car on peut la réécrire (𝑉∩𝑉′)∩(𝑊∩𝑊′).

Ainsi 𝐼 est bien un filtre. Montrons que c’est un inf de {𝐹,𝐺}. Montrons d’abord qu’il s’agit d’un minorant, c’est-à-dire que 𝐼≤𝐹 et 𝐼≤𝐺. Soit 𝑈∈𝐹. Comme 𝐺 est un filtre, 𝑋∈𝐺. Et 𝑈=𝑈∩𝑋 est dans 𝐼. De même, on montre que 𝐼≤𝐹. Montrons maintenant que 𝐼 est le plus grand minorant de {𝐹,𝐺}. Soit 𝐻 un autre minorant. Montrons que 𝐻≤𝐼. Soit 𝑈∈𝐼. Par définition de 𝐼, on obtient 𝑉∈𝐹 et 𝑊∈𝐺 tels que 𝑈=𝑉∩𝑊. Comme 𝐻≤𝐹, on obtient 𝑉∈𝐻. Comme 𝐻≤𝐺, on obtient 𝑊∈𝐻. Comme 𝐻 est un filtre, on conclut que 𝑉∩𝑊∈𝐻.

Soit 𝐴 une partie de 𝑋. Montrons que les trois conditions énoncées sont équivalentes.

Enfin montrons le critère en terme d’une base 𝐵 de 𝐹. On a vu que 𝐹∧𝐺=⊥⇔∃𝑉∈𝐺,∃𝑈∈𝐹,𝑈∩𝑉=∅. Par définition des bases et croissance de 𝑉↦𝑈∩𝑉, la condition de droite est équivalente à ∃𝑉∈𝐵,∃𝑈∈𝐹,𝑈∩𝑉=∅. Le résultat précédent permet de reformuler cela en la condition annoncée. □

Comme promis après le lemme 2.2.13, la structure de treillis sur les filtres permet de traiter toutes les notions usuelles de limites. Par exemple, étant donné un nombre réel 𝑥0, on peut définir 𝒩𝑥0+=𝒩𝑥0∧𝑃([𝑥0,+∞[), l’ensemble généralisé des réels très proches de 𝑥0 et supérieures à 𝑥0. On lit cette définition comme l’intersection généralisée de l’ensemble généralisé 𝒩𝑥0 des réels très proches de 𝑥0 et l’ensemble ordinaire [𝑥0,+∞[ vu comme ensemble généralisé via 𝑃. On a alors, pour toute fonction 𝑓:ℝ→ℝ,

L’exercice suivant vérifie qu’on obtient également une démonstration intuitive d’une version très générale de l’unicité des limites dans ℝ, comme annoncé dans le prologue de ce chapitre.

Exercice 2.22

  Soit 𝑥1 et 𝑥2 des nombres réels.

  1. Montrer que si 𝒩𝑥1∧𝒩𝑥2≠⊥ alors 𝑥1=𝑥2 (on le lit « s’il existe des points qui sont à la fois très proches de 𝑥1 et de 𝑥2 alors 𝑥1=𝑥2 »).

    Supposons que 𝒩𝑥1∧𝒩𝑥2≠⊥. Montrons que 𝑥1=𝑥2. Il suffit de montrer que ∀𝜀>0,|𝑥2−𝑥1|≤𝜀. Soit 𝜀>0. Le lemme 2.3.7 assure que, pour tout 𝑈∈𝒩𝑥1 et 𝑉∈𝒩𝑥2, 𝑈∩𝑉≠∅. En particulier, [𝑥1−𝜀/2,𝑥1+𝜀/2]∩[𝑥2−𝜀/2,𝑥2+𝜀/2]≠∅ donc |𝑥2−𝑥1|≤𝜀 par inégalité triangulaire.
  2. Soit 𝑋 un ensemble, 𝐹 un filtre non trivial sur 𝑋 et 𝜑:𝑋→ℝ une fonction. Montrer que si 𝜑∗𝐹≤𝒩𝑥1 et 𝜑∗𝐹≤𝒩𝑥2 alors 𝑥1=𝑥2.

    Supposons 𝜑∗𝐹≤𝒩𝑥1 et 𝜑∗𝐹≤𝒩𝑥2. L’exercice 2.21 et l’hypothèse 𝐹≠⊥ assurent que 𝜑∗𝐹≠⊥. On en déduit que ⊥<𝜑∗𝐹≤𝒩𝑥1∧𝒩𝑥2. La première question en déduit que 𝑥1=𝑥2.
Lemme 2.3.8

Le treillis des filtres sur un ensemble 𝑋 est distributif : pour tous filtres 𝐹, 𝐺 et 𝐻 sur 𝑋,

Démonstration : On a vu dans l’exercice 1.6 que l’inégalité (𝐹∧𝐺)∨(𝐹∧𝐻)≤𝐹∧(𝐺∨𝐻) est vraie dans tous les treillis. Montrons donc 𝐹∧(𝐺∨𝐻)≤(𝐹∧𝐺)∨(𝐹∧𝐻). Soit 𝑈∈(𝐹∧𝐺)∨(𝐹∧𝐻). Montrons que 𝑈∈𝐹∧(𝐺∨𝐻). On sait que le sup dans ℱ(𝑋) provient de 𝒫(𝒫(𝑋))op donc 𝑈∈𝐹∧𝐺 et 𝑈∈𝐹∧𝐻. Le lemme 2.3.7 fournit 𝑉 et 𝑉′ dans 𝐹, 𝑊 dans 𝐺 et 𝑆 dans 𝐻 tels que 𝑈=𝑉∩𝑊=𝑉′∩𝑆. On calcule alors (𝑉∩𝑉′)∩(𝑊∪𝑆)=𝑈 où 𝑉∩𝑉′∈𝐹 et 𝑊∪𝑆∈𝐺∨𝐻 donc 𝑈∈𝐹∧(𝐺∨𝐻).

L’autre formule de distributivité découle de celle que nous venons de démontrer. Il s’agit d’un fait général pour tous les treillis. En effet, pour des éléments 𝑥, 𝑦 et 𝑧 d’un treillis dans lequel ∧ distribue sur ∨, on peut calculer :

□

La distributivité du lemme précédent contribue à rapprocher les filtres des parties ordinaires, même sans rien utiliser d’autre. Par exemple, il est clair intuitivement (et facile à démontrer) que, étant donné trois parties 𝐴, 𝐵 et 𝐶 d’un ensemble 𝑋, si 𝐴⊆𝐵∪𝐶 alors 𝐴=(𝐴∩𝐵)∪(𝐴∩𝐶). Montrons que l’énoncé analogue est vrai dans tout treillis distributif (il est amusant de réfléchir à ce que cela dit dans le cas de ℕ muni de la relation de divisibilité).

Lemme 2.3.9
Soit 𝑍 un treillis distributif (par exemple 𝒫(𝑋) ou ℱ(𝑋) pour un ensemble 𝑋). Soit 𝑎, 𝑏 et 𝑐 dans 𝑍. Si 𝑎≤𝑏∨𝑐 alors 𝑎=(𝑎∧𝑏)∨(𝑎∧𝑐).
Démonstration : Comme 𝑎≤𝑏∨𝑐, on a 𝑎=𝑎∧(𝑏∨𝑐) puis l’hypothèse de distributivité donne le résultat annoncé. □

Cependant, il est important de noter que, contrairement au cas des 𝒫(𝑋), la distributivité ne s’étend pas aux ensembles infinis (on verra par exemple dans la proposition 4.8.1 que la compacité d’une partie d’un espace topologique est équivalente à une condition de distributivité).

Pour finir cette section, on peut se convaincre par l’exercice suivant que la description explicite des infs dans ℱ(𝑋) est vraiment peu agréable. Cet exercice ne sera jamais utilisé dans la suite.

Exercice 2.23

Soit 𝑋 un ensemble. Dans cet exercice, on montre de façon élémentaire explicite que ℱ(𝑋) est un treillis complet en construisant à la main des infimums. Soit 𝑆 un ensemble de filtres sur 𝑋.

  1. Montrer que

    est un filtre sur 𝑋 et que ce filtre est borne inférieure de 𝑆.

    Notons 𝐺 l’ensemble de parties ainsi défini. Montrons qu’il s’agit d’un filtre.

    Soit 𝑈 et 𝑊 des parties de 𝑋 telles que 𝑈∈𝐺 et 𝑈⊆𝑊. On obtient 𝑆′⊆𝑆 fini et 𝑉:𝑆'→𝒫(𝑋) tels que 𝑈=⋂𝑠′∈𝑆′𝑉𝑠′ et ∀𝑠′∈𝑆′,𝑉𝑠′∈𝑠′. Montrons que 𝑉∈𝐺. Montrons que 𝑆′ convient. On considère 𝑉':𝑆'→𝒫(𝑋) défini par 𝑠↦𝑉𝑠∪𝑊. Montrons que 𝑉′ convient.

    Soit 𝑈 et 𝑊 des parties de 𝑋 telles que 𝑈∈𝐺 et 𝑊∈𝐺. Montrons que 𝑈∩𝑊∈𝐺. On obtient 𝑆′⊆𝑆 fini et 𝑉:𝑆'→𝒫(𝑋) tels que 𝑈=⋂𝑠∈𝑆′𝑉𝑠 et ∀𝑠∈𝑆′,𝑉𝑠∈𝑠. On obtient 𝑆″⊆𝑆 fini et 𝑉':𝑆''→𝒫(𝑋) tels que 𝑊=⋂𝑠∈𝑆″𝑉𝑠′ et ∀𝑠∈𝑆″,𝑉𝑠′∈𝑠. On pose 𝑆‴=𝑆′∪𝑆″ qui est une partie finie de 𝑆. On étend 𝑉 et 𝑉′ à 𝑆‴ en envoyant tout nouvel élément sur 𝑋 entier. En particulier, on conserve ∀𝑠∈𝑆′,𝑉𝑠∈𝑠 et ∀𝑠∈𝑆″,𝑉𝑠′∈𝑠, car 𝑋 est dans tous les filtres. On définit 𝑉'':𝑆'''→𝒫(𝑋) qui envoie 𝑠 sur 𝑉𝑠∩𝑉𝑠′. Soit 𝑠∈𝑆‴. Comme 𝑉𝑠∈𝑠 et 𝑉𝑠′∈𝑠 et 𝑠 est un filtre, 𝑉𝑠″∈𝑠.

    Montrons que 𝑋∈𝐺. La partie 𝑆′=∅ convient. La définition de 𝑉 ne coûte rien, car 𝑆′=∅, et l’intersection sur la famille vide est bien 𝑋 entier.

    Ainsi 𝐺 est bien un filtre sur 𝑋. Montrons qu’il est borne inférieure de 𝑆. Soit 𝐹 un filtre. Supposons d’abord que 𝐹 minore 𝑆 et montrons 𝐹≤𝐺. Soit 𝑈∈𝐺. Montrons que 𝑈∈𝐹. On obtient 𝑆′⊆𝑆 fini et 𝑉:𝑆'→𝒫(𝑋) tels que 𝑈=⋂𝑠∈𝑆′𝑉𝑠 et ∀𝑠∈𝑆′,𝑉𝑠∈𝑠. Pour chaque 𝑠∈𝑆′, comme 𝐹≤𝑠, 𝑉𝑠∈𝐹. Comme 𝐹 est un filtre, il est stable par intersection finie donc 𝑈∈𝐹. Réciproquement, supposons maintenant 𝐹≤𝐺 et montrons que 𝐹 minore 𝑆. Soit 𝑠∈𝑆. Montrons que 𝐹≤𝑠. Soit 𝑈∈𝑠. Montrons que 𝑈∈𝐹. Vu l’hypothèse 𝐹≤𝐺, il suffit de montrer que 𝑈∈𝐺. On pose 𝑆′={𝑠}, qui est bien une partie finie de 𝑆 et on considère la fonction 𝑉:𝑆'→𝒫(𝑋) qui envoie 𝑠 sur 𝑈. Cette fonction convient bien.

  2. Écrire une version plus simple de la définition précédente dans le cas où 𝑆 est filtrante.

    Montrons que dans ce cas le filtre 𝐺 précédent est la réunion 𝐻 des éléments de 𝑆.

    Attention, en général la réunion d’une famille de filtres n’est pas un filtre. C’est une situation tout à fait analogue au cas des sous-groupes (ou des sous-espaces vectoriels). En général une réunion de sous-groupes n’est pas un groupe, mais cela fonctionne pour une famille filtrante à droite non vide (dans le cas des sous-groupes la relation d’ordre est l’inclusion donc ce sont les parties non vides filtrantes à droite qui fonctionnent).

    Il y a deux façons de procéder. Vu l’unicité de la borne inférieure et le fait que 𝐻 est borne inférieure de 𝑆 dans 𝒫(𝒫(𝑋))op, il suffit de montrer que 𝐻 est un filtre. On peut vérifier cela en utilisant l’hypothèse sur 𝑆.

    On peut aussi procéder de façon directe en montrant 𝐺=𝐻 par double inégalité. Montrons que 𝐺≤𝐻. Soit 𝑈∈𝐻. Montrons que 𝑈∈𝐺. Par définition de 𝐻, on obtient 𝑠∈𝑆 tel que 𝑈∈𝑠. Comme 𝐺 minore 𝑆, 𝐺≤𝑠 et donc 𝑈∈𝐺. Montrons maintenant que 𝐺≥𝐻. Soit 𝑈∈𝐺. Montrons que 𝑈∈𝐻. On obtient 𝑆′⊆𝑆 fini et 𝑉:𝑆'→𝒫(𝑋) tels que 𝑈=⋂𝑠∈𝑆′𝑉𝑠 et ∀𝑠∈𝑆′,𝑉𝑠∈𝑠. Comme 𝑆 est filtrante et que 𝑆′ est fini, on obtient 𝑠0∈𝑆 qui minore 𝑆′ (noter que l’hypothèse 𝑆 non vide ne sert ici que dans le cas où 𝑆′ est vide). Montrons que 𝑈∈𝑠0. Comme 𝑠0 est un filtre et 𝑆′ est fini, il suffit de montrer que chaque 𝑉𝑠 est dans 𝑠0, ce qui découle du fait que 𝑠0 minore 𝑆′.

2.4. Image directe et image réciproque d’un filtre

Dans la section 2.2, nous avons défini de façon complètement ad hoc la notion d’image directe d’un filtre par une application. Cette définition nous a permis de reformuler les notions usuelles de limite de façon plus intuitive, mais on aimerait une motivation plus intrinsèque de la définition. On veut également étendre la notion d’image réciproque et établir plus de propriétés de ces opérations. Toutes les propriétés fondamentales de ces extensions sont contenues dans l’énoncé suivant. Les nombreuses autres propriétés s’en déduisent.

Théorème 2.4.1

Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction entre deux ensembles. Il existe une unique paire de fonctions adjointes 𝑓∗:ℱ(𝑋)→ℱ(𝑌) et 𝑓∗:ℱ(𝑌)→ℱ(𝑋) qui étende la paire 𝑓∗:𝒫(𝑋)→𝒫(𝑌) et 𝑓∗:𝒫(𝑌)→𝒫(𝑋) :

De même 𝑓! (de l’exemple 1.4.17) s’étend de façon unique en préservant l’adjonction avec 𝑓∗.

En particulier toutes ces extensions sont croissantes.

De plus elles sont compatibles avec les applications identité  :

et avec la composition

Dans cet énoncé, l’unicité est un peu subtile. En effet, demander la condition d’extension ne suffit pas à obtenir l’unicité : la condition d’adjonction est cruciale. Par exemple, on pourrait définir 𝑓#:ℱ(𝑋)→ℱ(𝑌) comme étant 𝑃∘𝑓∗∘𝐾 où 𝐾 est l’application noyau du lemme 2.3.2 et on aurait bien 𝑓#∘𝑃=𝑃∘𝑓∗ puisque 𝐾∘𝑃=Id.

Comme promis, cet énoncé permet d’énoncer et de démontrer les 4096 lemmes du prologue de ce chapitre.

Corollaire 2.4.2
Soit 𝑋, 𝑌 et 𝑍 des ensembles, 𝐹∈ℱ(𝑋), 𝐺∈ℱ(𝑌), 𝐻∈ℱ(𝑍), 𝜑:𝑋→𝑌 et 𝜓:𝑌→𝑍. Si 𝜑∗𝐹≤𝐺 et 𝜓∗𝐺≤𝐻 alors (𝜓∘𝜑)∗𝐹≤𝐻.

Démonstration : Supposons 𝜑∗𝐹≤𝐺 et 𝜓∗𝐺≤𝐻. On calcule

□

La démonstration précédente illustre un thème majeur : une fois la théorie en place, de nombreuses démonstrations se transforment en purs calculs ne faisant intervenir aucun quantificateur. Il faut comparer cela avec les démonstrations de cas particuliers de ce corollaire vues en L1.

Exercice 2.24

Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction entre deux ensembles et 𝐹 un filtre sur 𝑋. Nous avons vu dans l’exercice 2.21 que 𝑓∗𝐹=⊥⇔𝐹=⊥. Donner une démonstration utilisant le théorème 2.4.1 plutôt que la construction explicite de 𝑓∗. On pourra utiliser que, pour tout élément 𝑧 d’un ensemble ordonné ayant un minimum, 𝑧=⊥⇔𝑧≤⊥.

Une première possibilité est de repasser par 𝒫(𝑋) et 𝒫(𝑌) :

Mais on peut aussi raccourcir en déduisant 𝑓∗⊥=⊥ du fait que 𝑓∗ admet un adjoint à droite donc commute aux sup et ⊥=sup∅. On notera que cet argument fournit également directement l’implication 𝐹=∅⇒𝑓∗𝐹=∅ puisque 𝑓∗ admet un adjoint à droite.

Nous allons donner deux démonstrations indépendantes du théorème 2.4.1. La première sera une démonstration concrète définissant explicitement les applications 𝑓∗, 𝑓∗ et 𝑓! et vérifiant à la main la commutativité des diagrammes et les relations d’adjonction. La seconde démonstration déduira le théorème d’une propriété universelle des filtres. Cette propriété universelle permet d’étendre abstraitement de nombreuses autres propriétés de 𝒫(𝑋) à ℱ(𝑋) et sera utilisée systématiquement dans la suite. De plus la construction abstraite se généralise bien mieux (en particulier à la notion de complétion projective d’une catégorie).

Approche concrète

Dans cette approche du théorème 2.4.1, on donne des formules explicites pour l’image directe et l’image réciproque d’un filtre comme ensembles de parties. Bien sûr, il faut vérifier que ces formules définissent des filtres (comme nous l’avons déjà fait pour l’image directe), avant de vérifier les propriétés annoncées.

Lemme 2.4.3

Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une application entre ensembles.

  • Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋,

    est un filtre sur 𝑌.

    Pour tout 𝑈∈𝐹, 𝑓∗𝑈∈𝑓∗𝐹 (mais les éléments de 𝑓∗𝐹 ne sont pas tous de cette forme).

  • Pour tout filtre 𝐺 sur 𝑌,

    est un filtre sur 𝑋. De plus, pour tout 𝑈⊆𝑋, 𝑈∈𝑓∗𝐺⇔∃𝑉∈𝐺,𝑓∗𝑉⊆𝑈.

    En particulier, pour tout 𝑉∈𝐺, 𝑓∗𝑉∈𝑓∗𝐺 (mais les éléments de 𝑓∗𝐺 ne sont pas tous de cette forme).

  • Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋,

    est un filtre sur 𝑌.

Démonstration : Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝐺 un filtre sur 𝑌. On peut montrer que 𝑓∗𝐹 et 𝑓∗𝐺 sont des filtres en utilisant exactement la même structure de démonstration, car 𝑓∗ et 𝑓! agissant sur les parties sont des adjoints à droite, ce qui implique qu’ils sont croissants, envoient ⊤ sur ⊤ et commutent aux intersections (bien sûr, nous avons déjà montré que la formule pour 𝑓∗ définit un filtre dans la section 2.2 mais ici nous recherchons une approche plus systématique).

Voyons le cas de 𝑓∗. Comme 𝑓∗⊤=⊤ et ⊤∈𝐹, on obtient ⊤∈𝑓∗𝐹 (dans 𝒫(𝑋), ⊤=𝑋 et dans 𝒫(𝑌), ⊤=𝑌). Soit 𝑉⊆𝑊⊆𝑌. Supposons 𝑉∈𝑓∗𝑋, c’est-à-dire 𝑓∗𝑉∈𝐹. Comme 𝑓∗ est croissante, on obtient 𝑓∗𝑉⊆𝑓∗𝑊 et donc 𝑓∗𝑊∈𝐹, c’est-à-dire 𝑊∈𝑓∗𝐹. Soit 𝑉 et 𝑊 dans 𝑓∗𝐹. Comme 𝑓∗ est un adjoint à droite, 𝑓∗(𝑉∩𝑊)=𝑓∗𝑊∩𝑓∗𝑊∈𝐹.

Montrons maintenant que, pour tout 𝑈∈𝐹, 𝑓∗𝑈∈𝑓∗𝐹. Soit 𝑈∈𝐹. Par co-unité de 𝑓∗⊣𝑓∗ on a 𝑈⊆𝑓∗𝑓∗𝑈 donc 𝑓∗𝑓∗𝑈∈𝐹, c’est-à-dire 𝑓∗𝑈∈𝑓∗𝐹. Cependant, les éléments de 𝑓∗𝐹 ne sont pas tous de cette forme. Par exemple, 𝑌 est toujours dans 𝑓∗𝐹, mais n’est pas nécessairement l’image d’une partie de 𝑋 par 𝑓.

Le même raisonnement en utilisant 𝑓∗⊣𝑓! montre que, pour tout 𝑉∈𝐺, 𝑓∗𝑉∈𝑓∗𝐺. Cependant les éléments de 𝑓∗𝐺 ne sont pas nécessairement de cette forme. Par exemple, si 𝑋={𝑎,𝑏}, 𝑌={𝑐,𝑑} et 𝑓=(𝑥↦𝑐) alors 𝑓∗𝑃({𝑑})=⊥ contient {𝑏} qui n’est l’image réciproque d’aucune partie de 𝑌. Les mêmes propriétés de 𝑓! sur les parties montrent également directement que 𝑓!𝐹 est un filtre.

Montrons maintenant la formule alternative pour 𝑓∗𝐺. On procède par double inclusion. Soit 𝑈∈𝑓∗𝐺. Montrons qu’il existe 𝑉∈𝐺 tel que 𝑓∗𝑉⊆𝑈. Montrons que 𝑓!𝑈 convient. On sait qu’il est dans 𝐺 par définition de 𝑓∗𝐺 et hypothèse sur 𝑈. De plus 𝑓∗𝑓!𝑈⊆𝑈 par co-unité de 𝑓∗⊣𝑓!. Réciproquement, soit 𝑉∈𝐺 et 𝑈 tel que 𝑓∗𝑉⊆𝑈. Montrons que 𝑈∈𝑓∗𝐺. On a vu que 𝑓∗𝑉∈𝑓∗𝐺 et 𝑓∗𝐺 est un filtre donc 𝑈∈𝑓∗𝐺. □

On peut maintenant démontrer le théorème 2.4.1.

Démonstration : Montrons que les opérations définies dans le lemme 2.4.3 commutent avec 𝑃. Les ingrédients de la démonstration sont simplement la définition de 𝑃 et les adjonctions 𝑓∗⊣𝑓∗ et 𝑓∗⊣𝑓! entre 𝒫(𝑋) et 𝒫(𝑌).

On commence par 𝑓∗∘𝑃=𝑃∘𝑓∗. Soit 𝑈⊆𝑋. Soit 𝑉⊆𝑌. On a

Montrons maintenant que 𝑓∗∘𝑃=𝑃∘𝑓∗. Soit 𝑉⊆𝑌. Soit 𝑈⊆𝑋. On a

Vérifions maintenant la propriété d’adjonction 𝑓∗⊣𝑓∗ entre ℱ(𝑋) et ℱ(𝑌). Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝐺 un filtre sur 𝑌. Montrons que 𝑓∗𝐹≤𝐺⇔𝐹≤𝑓∗𝐺. On montre les deux implications. Supposons 𝑓∗𝐹≤𝐺 et montrons que 𝐹≤𝑓∗𝐺. Soit 𝑈∈𝑓∗𝐺. Montrons que 𝑈∈𝐹. Par définition de 𝑓∗𝐺, on a 𝑓!𝑈∈𝐺. Comme on a supposé 𝑓∗𝐹≤𝐺, on en déduit 𝑓!𝑈∈𝑓∗𝐹, c’est-à-dire 𝑓∗𝑓!𝑈∈𝐹. Or 𝑓∗𝑓!𝑈⊆𝑈 par co-unité de l’adjonction 𝑓∗⊣𝑓! donc 𝑈∈𝐹.

Réciproquement, supposons 𝐹≤𝑓∗𝐺 et montrons que 𝑓∗𝐹≤𝐺. Soit 𝑉∈𝐺. Montrons que 𝑉∈𝑓∗𝐹, c’est-à-dire 𝑓∗𝑉∈𝐹. Comme 𝑉∈𝐺, 𝑓∗𝑉∈𝑓∗𝐺. Or on a supposé 𝐹≤𝑓∗𝐺 donc 𝑓∗𝑉∈𝐹.

Montrons maintenant que les définitions du lemme 2.4.3 sont les seules possibles. Il suffit de montrer l’unicité de l’extension de 𝑓∗ puisque cette extension a au plus un adjoint à gauche et un adjoint à droite d’après le lemme 1.3.14. Pour cela la clef est la remarque 2.2.10 et l’hypothèse qu’il existe une extension de 𝑓! qui est adjointe à droite de l’extension de 𝑓∗.

Soit 𝐺 un filtre sur 𝑌 et 𝑈⊆𝑋. On a :

Dans le calcul ci-dessus, il est crucial d’avoir un adjoint à droite de la fonction qu’on cherche à caractériser. La même stratégie permet également de retrouver directement la définition de 𝑓∗ sur les filtres.

Les compatibilités avec l’identité et la composition découlent directement des propriétés analogues avant extension. Par exemple, étant donnés 𝑓:𝑋→𝑌, 𝑔:𝑌→𝑍 et 𝐹∈ℱ(𝑋), on calcule

□

Approche abstraite

Nous allons maintenant redémontrer le théorème 2.4.1 d’une façon plus abstraite qui met en valeur la nature profonde du lien entre parties d’un ensemble 𝑋 et filtres sur 𝑋.

Le point de départ est l’observation que les bornes inférieures dans 𝒫(𝑋) ne sont pas adaptées à nos objectifs. Par exemple, on voudrait pouvoir définir pour 𝑥 dans un espace topologique

mais cela ne donne pas le bon résultat (dans un espace métrique par exemple, cela donne toujours {𝑥}). L’idée est de remplacer les intersections de 𝒫(𝑋) par des intersections « formelles » qui « ne vérifient aucune relation ».

Pour préciser cette idée qui peut sembler très vague, il est utile de faire une analogie avec la notion d’algèbre de polynômes. Partant d’un anneau commutatif 𝑅, on obtient la 𝑅-algèbre 𝑅[𝑋] des polynômes à coefficient dans 𝑅 en ajoutant un élément « formel » 𝑋 qui engendre 𝑅[𝑋] et ne vérifie aucune relation au-delà de celles qui sont imposées par la définition de 𝑅-algèbre. On peut contraster cela avec le passage de ℝ à ℂ qui ajoute un élément formel 𝑖, mais en imposant la relation 𝑖²=−1 qui ne découle absolument pas de la définition de ℝ-algèbre. Il est crucial de comprendre que cette absence de relation vérifiée par 𝑋 s’incarne dans la propriété universelle de la paire (𝑅[𝑋],𝑋) : pour toute autre paire (𝐴,𝑎) où 𝐴 est une 𝑅-algèbre et 𝑎∈𝐴, il existe un unique morphisme ev𝑎:𝑅[𝑋]→𝐴 de 𝑅-algèbre qui envoie 𝑋 sur 𝑎 (ce morphisme est appelé évaluation en 𝑎, il envoie ∑𝑖𝑐𝑖𝑋𝑖 sur ∑𝑖𝑐𝑖𝑎𝑖). Si 𝑋 vérifiait des relations dans 𝑅[𝑋], il n’y aurait pas existence sans imposer de relation à 𝑎. Si 𝑋 n’engendrait pas 𝑅[𝑋] comme 𝑅-algèbre, alors il n’y aurait pas unicité. Comme toutes les propriétés universelles, cette propriété caractérise 𝑅[𝑋] modulo unique isomorphisme. Plus précisément, on a le résultat suivant :

Lemme 2.4.4
Soit 𝐵 une 𝑅-algèbre et 𝑏∈𝐵. On suppose que, pour toute 𝑅-algèbre 𝐴 et tout 𝑎∈𝐴, il existe un unique morphisme de 𝑅-algèbre de 𝐵 vers 𝐴 qui envoie 𝑏 sur 𝑎. Ainsi il existe un unique morphisme de 𝑅–algèbre de 𝐵 vers 𝑅[𝑋] qui envoie 𝑏 sur 𝑋 et c’est un isomorphisme.
Démonstration : L’hypothèse sur 𝐵 fournit directement un unique morphisme 𝜑:𝐵→𝑅[𝑋] tel que 𝜑(𝑏)=𝑋. Montrons qu’il s’agit d’un isomorphisme. La propriété universelle de 𝑅[𝑋] fournit un morphisme de 𝑅-algèbres 𝜓:𝑅[𝑋]→𝐵 qui envoie 𝑋 sur 𝑏. Montrons que 𝜓∘𝜑=Id𝐵. L’unicité dans la propriété universelle de 𝐵 appliquée à 𝐴=𝐵 et 𝑎=𝑏 assure qu’il n’y a qu’un morphisme de 𝑅-algèbre de 𝐵 dans 𝐵 qui envoie 𝑏 sur 𝑏. Or Id𝐵 et 𝜓∘𝜑 ont tous deux cette propriété. Donc 𝜓∘𝜑=Id𝐵. De même, on montre que 𝜑∘𝜓=Id𝑅[𝑋] en utilisant l’unicité dans la propriété universelle de 𝑅[𝑋] appliquée à 𝐴=𝑅[𝑋] et 𝑎=𝑋. □

Avant d’énoncer la propriété analogue pour les filtres, il convient de préciser quelles intersections sont visées. Dans le cas de 𝒩+∞∈ℱ(ℕ) ou de 𝒩𝑥0∈ℱ(ℝ) il s’agit d’intersections de familles décroissantes de parties. Ces familles sont 𝑁↦[𝑁,+∞[ quand 𝑁 augmente dans le premier cas, et 𝜀↦]𝑥0−𝜀,𝑥0+𝜀[ quand 𝜀 décroit vers 0 dans le second. Dans le cas général, il n’y a pas d’ensemble ordonné pouvant naturellement servir à fournir des paramètres. De plus les parties qui nous intéressent vraiment ne sont pas seulement les ]𝑥0−𝜀,𝑥0+𝜀[, mais tous les voisinages de 𝑥0. Pour ces raisons, la bonne contrainte est celle de partie filtrante introduite dans la définition 2.2.5.

Les fonctions qui joueront le rôle des morphismes de 𝑅-algèbres dans notre analogie polynômiale sont celles qui vérifient la condition suivante.

Définition 2.4.5

Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction entre treillis complets. On dit que 𝑓 commute aux infs filtrants si, pour tout 𝑆⊆𝑋,

On montrera dans le lemme 2.4.9 que cette condition est plus forte que celle d’être croissante, mais elle est plus faible que le fait de commuter avec tous les infs (c’est-à-dire d’être un adjoint à droite).

On peut maintenant énoncer le théorème majeur de cette section.

Théorème 2.4.6

Soit 𝑍 un treillis complet. Soit 𝜑:𝒫(𝑋)→𝑍 une application croissante. Il existe une unique fonction 𝜑_:ℱ(𝑋)→𝑍 telle que

  • 𝜑_ étend 𝜑 : 𝜑_∘𝑃=𝜑
  • 𝜑_ commute aux infs filtrants.

On a la formule « explicite »

et l’inégalité 𝜑_≥𝜑∘𝐾, où 𝐾 est l’adjoint à droite de 𝑃. De plus la fonction 𝜑↦𝜑_ est croissante.

Comme dans le cas des polynômes, l’unicité de 𝜑_ signifie que ℱ(𝑋) est engendré en un sens par l’image de 𝑃 (l’énoncé précis sera le lemme 2.4.8) et l’existence de 𝜑_ correspond à l’affirmation vague que les infs filtrants dans ℱ(𝑋) ne vérifient aucune « relation » qui nécessiterait d’ajouter des hypothèses sur 𝜑.

Comme dans le cas des polynômes, nous pouvons déjà noter que la propriété universelle exprimée dans le théorème caractérise (ℱ(𝑋),𝑃).

Exercice 2.25

Soit 𝑋 un ensemble et 𝑌 un treillis complet muni d’une fonction croissante 𝜌:𝒫(𝑋)→𝑌 vérifiant la propriété universelle des filtres : pour tout treillis complet 𝑍 et tout 𝜑:𝒫(𝑋)→𝑍 croissante, il existe un unique 𝜑_:𝑌→𝑍 qui commute aux infs filtrants et vérifie 𝜑_∘𝜌=𝜑. Montrer qu’il existe un unique isomorphisme d’ensembles ordonnés 𝜓:𝑌→ℱ(𝑋) tel que 𝜓∘𝜌=𝑃.

La propriété universelle de 𝑌 appliquée à la fonction croissante 𝑃 fournit une unique fonction 𝜓:𝑌→ℱ(𝑋) commutant aux infs filtrants telle que 𝜓∘𝜌=𝑃. En particulier, cela assure l’unicité annoncée, car tout isomorphisme d’ensemble ordonné commute aux infs filtrants.

De même la propriété universelle des filtres appliquée à la fonction croissante 𝜌 fournit 𝜃:ℱ(𝑋)→𝑌 qui commute aux infs filtrants et vérifie 𝜃∘𝑃=𝜌.

Dans le diagramme ci-dessus, les deux petits triangles commutent donc le grand triangle aussi : (𝜓∘𝜃)∘𝑃=𝑃. De plus 𝜓∘𝜃 commute aux infs filtrants. Donc l’unicité dans la propriété universelle des filtres appliquée à la fonction croissante 𝑃 assure que 𝜓∘𝜃=Idℱ(𝑋). On montre de même que 𝜃∘𝜓=Id𝑌.

Pour démontrer ce théorème, nous aurons besoin d’un certain nombre de lemmes, à la fois portant sur les parties filtrantes en général et sur notre situation spécifique.

Lemme 2.4.7
L’image directe d’une partie filtrante par une application croissante est filtrante.
Démonstration : Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction croissante entre ensembles ordonnés. Soit 𝐴⊆𝑋 filtrante. Montrons que 𝑓∗𝐴 est filtrante. Soit 𝑦 et 𝑦′ dans 𝑓∗𝐴. Par définition de l’image directe, on obtient 𝑎 et 𝑎′ dans 𝐴 tels que 𝑦=𝑓(𝑎) et 𝑦′=𝑓(𝑎′). Comme 𝐴 est filtrante, on obtient 𝑎″ dans 𝐴 inférieur à 𝑎 et 𝑎′. Comme 𝑓 est croissante 𝑓(𝑎″) est inférieur à 𝑦 et 𝑦′, et 𝑓(𝑎″) est bien dans 𝑓∗𝐴. □

Voici maintenant l’énoncé d’engendrement promis, analogue au fait que tout polynôme s’écrit de façon unique comme somme de monômes.

Lemme 2.4.8

Tout filtre 𝐹 est « tautologiquement » un inf filtrant de filtres principaux :

Démonstration : Par définition des filtres, 𝐹 vu comme partie de 𝒫(𝑋) est filtrant. Comme 𝑃 est croissante, le lemme 2.4.7 assure que {𝑃(𝑈);𝑈∈𝐹} est filtrante.

Il reste à voir que 𝐹 est bien un inf de cette partie de ℱ(𝑋). Soit 𝐹′ un filtre sur 𝑋.

□

Exercice 2.26

Montrer que tout filtre sur un ensemble fini est principal.

Soit 𝑋 un ensemble fini et 𝐹 un filtre sur 𝑋. Le lemme 2.4.8 assure que 𝐹=inf𝑈∈𝐹𝑃(𝑈). Or le théorème 2.3.3 assure que 𝑃 commute aux infs finis donc

Comme promis, le fait de commuter aux infs filtrants est un renforcement de la condition de croissance.

Lemme 2.4.9
Toute fonction qui commute aux infs filtrants est croissante.
Démonstration : C’est le même argument que dans la démonstration du théorème 1.4.16. Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une telle fonction. Soit 𝑥 et 𝑥′ dans 𝑋 tels que 𝑥≤𝑥′. L’ensemble {𝑥,𝑥′} est filtrant et inf{𝑥,𝑥′}=𝑥 donc 𝑓(𝑥)=inf{𝑓(𝑥),𝑓(𝑥′)} et donc 𝑓(𝑥)≤𝑓(𝑥′). □
Lemme 2.4.10

Soit 𝑋 un ensemble ordonné. Soit 𝑌 et 𝑍 deux treillis complets. Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction croissante et 𝑔:𝑌→𝑍 une fonction qui commute aux infs filtrants. Pour tout 𝐴⊆𝑋,

Démonstration : Soit 𝐴⊆𝑋 filtrante. Comme 𝑓∗ est croissante, le lemme 2.4.7 assure que 𝑓∗𝐴 est filtrante.

On calcule ensuite

□

Nous avons vu dans la section précédente que, par construction, les sups dans ℱ(𝑋) proviennent de 𝒫(𝒫(𝑋))op mais pas les infs. Cependant les infs filtrants proviennent de 𝒫(𝒫(𝑋))op.

Lemme 2.4.11
L’inclusion de ℱ(𝑋) dans 𝒫(𝒫(𝑋))op commute aux inf filtrants : pour toute partie filtrante 𝑆 de ℱ(𝑋), inf𝑆=⋃𝐹∈𝑆𝐹 (en particulier, on a alors inf(𝑆)=⊥⇔⊥∈𝑆).

Démonstration : Comme la réunion est un inf dans 𝒫(𝒫(𝑋))op, il suffit de montrer qu’il s’agit d’un filtre.

Elle contient 𝑋, car 𝑆 n’est pas vide et chacun de ses éléments contient 𝑋.

Soit 𝑈∈⋃𝐹∈𝑆𝐹 et 𝑉⊇𝑈. Par définition de la réunion, on obtient 𝐹0∈𝑆 tel que 𝑈∈𝐹0. Comme 𝐹0 est un filtre et 𝑈⊆𝑉, on en déduit 𝑉∈𝐹0 et donc 𝑉∈⋃𝐹∈𝑆𝐹.

Soit 𝑈 et 𝑉 dans ⋃𝐹∈𝑆𝐹. Par définition de la réunion, on obtient 𝐹0 et 𝐹1 dans 𝑆 tels que 𝑈∈𝐹0 et 𝑉∈𝐹1. Comme 𝑆 est filtrante, on obtient 𝐹2∈𝑆 inférieur à 𝐹0 et 𝐹1. On a donc 𝑈∈𝐹2 et 𝑉∈𝐹2 et donc 𝑈∩𝑉∈𝐹2 et enfin 𝑈∩𝑉∈⋃𝐹∈𝑆𝐹.

La caractérisation de inf(𝑆)=⊥ découle alors directement de l’exercice 2.21. □

Nous avons maintenant tous les ingrédients pour démontrer la propriété universelle des filtres.

Démonstration : Montrons d’abord l’unicité. Soit 𝜑_ une extension comme dans l’énoncé. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋. On a vu dans le théorème 2.3.3 que 𝑃 est croissante et supposé que 𝜑_ commute aux infs filtrants. On peut donc calculer

qui ne dépend que de 𝜑 et 𝐹.

Pour l’existence, la voie est claire : il faut vérifier que la fonction 𝜑_ définie par la formule ci-dessus convient.

Montrons qu’elle étend 𝜑. Soit 𝑉∈𝒫(𝑋).

Montrons maintenant que 𝜑_ commute aux infs filtrants. Soit 𝑆⊆ℱ(𝑋) une partie filtrante.

Montrons que 𝜑_≥𝜑∘𝐾. Comme 𝜑_∘𝑃=𝜑, on obtient 𝜑∘𝐾=𝜑_∘𝑃∘𝐾≤𝜑_ en utilisant l’inégalité de co-unité 𝑃∘𝐾≤Id et le fait que 𝜑_ est croissante.

Montrons que 𝜑↦𝜑_ est croissante. Soit 𝜑 et 𝜓 deux fonctions de 𝒫(𝑋) dans 𝑍. Supposons 𝜑≤𝜓. Montrons que 𝜑_≤𝜓_. Soit 𝐹∈ℱ(𝑋). On veut inf𝑈∈𝐹𝜑(𝑈)≤inf𝑈∈𝐹𝜓(𝑈). Il suffit de montrer que inf𝑈∈𝐹𝜑(𝑈) minore les valeurs de 𝜓 sur 𝐹. Soit 𝑈0∈𝐹. On a inf𝑈∈𝐹𝜑(𝑈)≤𝜑(𝑈0)≤𝜓(𝑈0) puisque 𝜑≤𝜓. □

Corollaire 2.4.12

Soit 𝑓:𝒫(𝑋)→𝒫(𝑌) une fonction croissante. Il existe une unique extension 𝑓̂:ℱ(𝑋)→ℱ(𝑌) qui commute aux infs filtrants. On a la formule « explicite »

De façon encore plus explicite, pour tout filtre 𝐹 et toute base 𝐵 de 𝐹, 𝑓∗𝐵 est une base de 𝑓̂(𝐹).

De plus cette extension est liée à 𝑓_:ℱ(𝑋)→𝒫(𝑋) par 𝑓_=𝐾∘𝑓̂, où 𝐾 est l’adjoint à droite de 𝑃. En particulier 𝑓∘𝐾≤𝐾∘𝑓̂.

La fonction 𝑓↦𝑓̂ est croissante.

De plus, Id𝒫(𝑋)̂=Idℱ(𝑋) et, pour toute fonction 𝑔:𝒫(𝑌)→𝒫(𝑍), on a 𝑔∘𝑓̂=𝑔̂∘𝑓̂.

Enfin, pour tout 𝑉∈𝒫(𝑌) l’extension de la fonction constante de valeur 𝑉 est la fonction constante de valeur 𝑃(𝑉).

Démonstration : Pour l’existence et l’unicité de 𝑓̂, il suffit d’appliquer le théorème à la fonction croissante 𝑃∘𝑓. La formule explicite du théorème donne également directement la formule explicite ici. Montrons maintenant la formule en terme de bases. Soit 𝐹 un filtre et 𝐵 une base de 𝐹. Soit 𝑉 un partie de 𝑌. On a

et cette condition est clairement impliquée par ∃𝑈∈𝐵,𝑓(𝑈)⊆𝑉 puisque les éléments de 𝐵 sont dans 𝐹. Réciproquement, soit 𝑈∈𝐹 tel que 𝑓(𝑈)⊆𝑉. Comme 𝐵 est une base de 𝐹, on obtient 𝑈′∈𝐵 tel que 𝑈′⊆𝑈. Comme 𝑓 est croissante, 𝑓(𝑈′)⊆𝑓(𝑈) et 𝑈′ convient.

La formule 𝐾∘𝑓̂=𝑓_ provient de l’unicité dans le théorème 2.4.6 et du lemme 2.3.2 qui assure que 𝐾 est un adjoint à droite, donc commute aux infs, et que 𝐾∘𝑃=Id. En effet ces propriétés assurent que 𝐾∘𝑓̂ commutent aux infs filtrants et (𝐾∘𝑓̂)∘𝑃=𝐾∘𝑃∘𝑓=𝑓. On en déduit 𝑓∘𝐾≤𝐾∘𝑓̂ puisque 𝑓_≥𝑓∘𝐾 d’après le théorème 2.4.6.

La croissance de 𝑓↦𝑓̂ découle immédiatement de la croissance dans le théorème puisque composer à gauche par la fonction croissante 𝑃 est une opération croissante.

Comme Idℱ(𝑋) commute aux inf filtrants et Idℱ(𝑋)∘𝑃=𝑃∘Id𝒫(𝑋), l’unicité de l’extension assure que Id𝒫(𝑋)̂=Idℱ(𝑋).

Montrons maintenant la formule de composition. On utilise le diagramme suivant.

On sait que les deux petits rectangles commutent, donc le grand rectangle commute. De plus 𝑔̂∘𝑓̂ commute aux inf filtrants donc l’unicité de l’extension assure 𝑔̂∘𝑓̂=𝑔∘𝑓̂.

La formule d’extension des fonctions constantes est claire : elle fait bien commuter le diagramme et toute fonction constante commute aux infs filtrants. □

Corollaire 2.4.13
Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles. Soit 𝑙:𝒫(𝑋)→𝒫(𝑌) et 𝑟:𝒫(𝑌)→𝒫(𝑋) des applications adjointes. Les extensions 𝑙̂ et 𝑟̂ fournies par le corollaire 2.4.12 forment également une adjonction.
Démonstration : On sait que 𝑙̂ et 𝑟̂ commutent aux inf filtrants donc sont croissantes par le lemme 2.4.9. D’après le lemme 1.3.10, il suffit de montrer les inégalité d’unité et de co-unité. Ce même lemme assure ces inégalités pour 𝑙 et 𝑟. La propriété de croissance et la compatibilité aux identités et aux compositions dans le corollaire 2.4.12 terminent le travail. □

Le corollaire 2.4.12 et le corollaire 2.4.13 démontrent clairement le théorème 2.4.1.

Remarque 2.4.14
La formule liant les extensions aux bases de filtres et le critère d’inégalité du lemme 2.2.6 permettent de retrouver directement les définitions les plus élémentaires de limites. Par exemple, soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction entre espaces métriques, 𝑥∈𝑋 et 𝑦∈𝑌. Les filtres 𝒩𝑥 et 𝒩𝑦 admettent les boules ouvertes de rayon strictement positif centrées en 𝑥 et 𝑦 comme bases. On en déduit que 𝑓∗𝒩𝑥≤𝒩𝑦 si et seulement si ∀𝜀>0,∃𝛿>0,𝑓∗(𝐵𝛿(𝑥))⊆𝐵𝜀(𝑦).
Remarque 2.4.15
La propriété universelle des filtres permet aussi d’expliquer l’origine des quantificateurs généralisés. En effet, on peut munir l’ensemble ℰ des énoncés de la relation d’implication, ce qui en fait un treillis complet. L’infimum d’un ensemble 𝑆 d’énoncés est l’énoncé ∃𝑒∈𝑆,𝑒 et son supremum est l’énoncé ∀𝑒∈𝑆,𝑒. Étant donné un ensemble 𝑋 et un prédicat 𝑝 sur 𝑋, la fonction de 𝒫(𝑋) dans ℰ qui envoie 𝑈 sur l’énoncé ∃𝑥∈𝑈,𝑝(𝑥) est croissante. La formule concrète de la propriété universelle assure que l’extension aux filtres de cette fonction envoie bien tout filtre 𝐹 sur l’énoncé ∃𝑓𝑥∈𝐹,𝑝(𝑥). De même la fonction de 𝒫(𝑋) dans ℰop qui envoie 𝑈 sur l’énoncé ∀𝑥∈𝑈,𝑝(𝑥) est croissante et on retrouve l’extension qui envoie tout filtre 𝐹 sur l’énoncé ∀𝑓𝑥∈𝐹,𝑝(𝑥).

Dans le même esprit, on a la construction suivante qui sera utile de façon occasionnelle en topologie.

Définition 2.4.16
Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles et 𝐺:𝑋→ℱ(𝑌) une fonction. L’extension à ℱ(𝑋) de la fonction 𝜑:𝒫(𝑋)→ℱ(𝑌) qui envoie 𝑈 sur sup𝑥∈𝑈𝐺(𝑥) est appelée supremum indexé par un filtre et notée 𝐹↦sup𝑥∈𝐹𝑓𝐺(𝑥). On y pense comme une réunion de parties généralisées indexée par une partie généralisée.

L’exercice suivant vérifie que cette définition a bien un sens et démontre des propriétés de cette opération qui montrent comment elle étend l’opération de réunion de parties indexée par une partie.

Exercice 2.27

Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles et 𝐺:𝑋→ℱ(𝑌) une fonction. On note 𝜑 la fonction de 𝒫(𝑋) dans ℱ(𝑌) qui envoie 𝑈 sur sup𝑥∈𝑈𝐺(𝑥).

  1. Montrer que 𝜑 est croissante, de sorte que l’on peut effectivement lui appliquer la propriété universelle des filtres pour obtenir 𝐹↦sup𝑥∈𝐹𝑓𝐺(𝑥).

    Cela découle directement du lemme 1.4.8 qui assure que la fonction sup d’un treillis complet est croissante.
  2. Montrer que, pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋, 𝐹=sup𝑥∈𝐹𝑓𝑃({𝑥}) (on pourra commencer par réfléchir à l’analogue de cette formule pour les parties de 𝑋).

    Dans ce cas 𝐺(𝑥)=𝑃({𝑥}) et la fonction 𝜑 n’est autre que 𝑃:𝒫(𝑋)→ℱ(𝑋) puisque 𝑃 commute aux sups et, pour tout 𝑈∈𝒫(𝑋), 𝑈=sup𝑥∈𝑈{𝑥}. De plus on sait que l’extension de 𝑃 est l’identité puisque Id∘𝑃=𝑃 et Id commute aux infs filtrants. Alternativement, on peut utiliser la description concrète de sup𝑓 (toujours en utilisant la formule 𝑈=sup𝑥∈𝑈{𝑥}).
  3. Montrer que la fonction (𝐹,𝐺)↦sup𝑥∈𝐹𝑓𝐺(𝑥) est croissante en les deux arguments.

    Le fait que l’opération est croissante en 𝐹 est offert par la propriété universelle (elle commute même aux infs filtrants). Le fait qu’elle est croissante en 𝐺 provient du fait que si 𝐺≤𝐺′ alors on vérifie facilement que 𝜑≤𝜑′, où 𝜑′:𝑈↦sup𝑥∈𝑈𝐺′(𝑥). La croissance du processus d’extension fournit alors le résultat voulu.
  4. En utilisant que, pour tout ensemble 𝑍, l’inclusion de ℱ(𝑍) dans 𝒫(𝒫(𝑍))op commute aux infs filtrants et aux sup, montrer que, pour toute partie 𝑉 de 𝑌,

    En déduire que, pour tout prédicat 𝑝 sur 𝑌,

    Soit 𝑉 une partie de 𝑌. On a

    Le corollaire est terme de quantificateur universel généralisé est immédiat par définition.
  5. Soit 𝑍 un treillis complet et 𝜑:ℱ(𝑌)→𝑍 une fonction qui commute aux infs filtrants. Montrer que 𝜑(sup𝑥∈𝐹𝑓𝐺(𝑥))≥sup𝑥∈𝐹𝑓𝜑(𝐺(𝑥)). Montrer que si de plus 𝜑 commute aux sups alors il y a égalité (c’est donc le cas en particulier si 𝜑=𝑓∗ ou 𝜑=𝑔∗ pour 𝑓:𝑌→𝑌′ ou 𝑔:𝑌′→𝑌).

    On sait que 𝐹 est une partie filtrante de 𝒫(𝑋) et que 𝑈↦sup𝑥∈𝑈𝐺(𝑥) est croissante donc {sup𝑥∈𝑈𝐺(𝑥);𝑈∈𝐹} est une partie filtrante de ℱ(𝑌) par le lemme 2.4.7, et son inf est sup𝑥∈𝐹𝑓𝐺(𝑥) par construction. Par ailleurs 𝜑 est croissante donc, pour tout 𝑈, 𝜑(sup𝑥∈𝑈𝐺(𝑥))≥sup𝑥∈𝑈𝜑(𝐺(𝑥)) par le lemme 1.4.15. On a donc

    La seule inégalité dans le calcul ci-dessus provient de ∀𝑈,𝜑(sup𝑥∈𝑈𝐺(𝑥))≥sup𝑥∈𝑈𝜑(𝐺(𝑥)) qui est une famille d’égalités si 𝜑 commute aux sups.

On pourrait de même introduire une opération inf𝑓 en étendant 𝑈↦inf𝑥∈𝑈𝐺(𝑥) qui est croissante de 𝒫(𝑋) dans ℱ(𝑌)op, mais nous n’en aurons pas l’usage.

L’unicité dans la propriété universelle des filtres permet également d’étendre facilement des propriétés de 𝒫(𝑋) à ℱ(𝑋). Voici un exemple :

Lemme 2.4.17
Soit 𝜑:𝑋→𝑌 une fonction injective. On a 𝜑∗∘𝜑∗=Idℱ(𝑋).
Démonstration : L’énoncé analogue pour 𝒫(𝑋) est ∀𝐴⊆𝑋,𝜑∗𝜑∗𝐴=𝐴, qu’on peut démontrer directement. Ainsi 𝜑∗∘𝜑∗=Id𝒫(𝑋) et donc 𝜑∗∘𝜑∗̂=Id𝒫(𝑋)̂. On utilise ensuite la compatibilité de l’extension avec la composition et l’identité dans le corollaire 2.4.12 pour obtenir la relation annoncée puisque les images directe et réciproque par 𝜑 sur les filtres sont les extensions de leurs versions sur les parties. □

On peut également appliquer cette technique aux quantificateurs généralisés en utilisant la remarque 2.4.15.

Remarque 2.4.18
Soit 𝜑:𝑋→𝑌 une fonction. Pour tous prédicat 𝑝 sur 𝑌 et filtre 𝐹 sur 𝑋, on a (∀𝑓𝑦∈𝜑∗𝐹,𝑝(𝑦))⇔∀𝑓𝑥∈𝐹,𝑝(𝜑(𝑥)). Pour tous prédicat 𝑞 sur 𝑋 et filtre 𝐺 sur 𝑌, on a (∀𝑓𝑥∈𝜑∗𝐺,𝑞(𝑥))⇔∀𝑓𝑦∈𝐺,∀𝑥∈𝜑∗{𝑦},𝑞(𝑥). En effet, les énoncés analogues pour les parties sont clairs. Bien sûr, on peut également démontrer ces énoncés de façon très directe en utilisant les descriptions explicites de 𝜑∗𝐹 et 𝜑∗𝐺.

Pour généraliser cette technique de démonstration, nous aurons besoin d’étendre des fonctions définies sur des produits d’ensembles de parties. La démonstration est un peu fastidieuse et sa lecture n’est vraiment pas indispensable.

Proposition 2.4.19

Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles et soit 𝑍 un treillis complet. Pour toute fonction croissante 𝜑:𝒫(𝑋)×𝒫(𝑌)→𝑍, il existe une unique fonction 𝜑_:ℱ(𝑋)×ℱ(𝑌)→𝑍 telle que

commute et 𝜑_ commute aux infs filtrants par rapport aux deux variables. Concrètement, on a la formule

De plus 𝜑↦𝜑_ est croissante.

Enfin, pour toutes fonctions croissantes 𝛼:𝒫(𝑋′)→𝒫(𝑋) et 𝛽:𝒫(𝑌′)→𝒫(𝑌), on a 𝜑∘(𝛼×𝛽)_=𝜑_∘(𝛼̂×𝛽̂) où 𝛼̂ et 𝛽̂ sont les extensions provenant du corollaire 2.4.12.

Démonstration : Montrons d’abord l’unicité (et la formule concrète au passage). Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝐺 un filtre sur 𝑌. On montre sans peine que {(𝑈,𝑉)|𝑈∈𝐹et𝑉∈𝐺} est une partie filtrante, donc son image par 𝑃×𝑃 également, et l’inf de cette image est (𝐹,𝐺). Ainsi on a nécessairement

Pour démontrer l’existence, on peut vérifier que la fonction définie par cette formule fait commuter le diagramme et commute aux infs filtrant en les deux variables. Il est possible de le faire directement en suivant la stratégie de la démonstration du théorème 2.4.6.

Une méthode plus satisfaisante en principe, mais assez laborieuse en pratique, consiste à utiliser deux fois le théorème 2.4.6 pour démontrer l’existence. Cela demande de jongler un peu entre les fonctions de deux variables et les fonctions à valeur dans des ensembles de fonctions, ainsi qu’avec l’ordre des arguments. En effet, on peut voir 𝜑 comme fonction 𝜑1 de 𝒫(𝑋) dans l’ensemble 𝒫(𝑌)→𝑍 des fonctions de 𝒫(𝑌) dans 𝑍, avec 𝜑1=(𝑈↦(𝑉↦𝜑(𝑈,𝑉))) (on dit que 𝜑1 est obtenue à partir de 𝜑 par curryfication1). Comme vu dans l’exercice 1.7, 𝒫(𝑌)→𝑍 est un treillis complet et l’inf d’un ensemble de 𝑆 de fonctions est la fonction 𝑉↦inf𝑓∈𝑆𝑓(𝑉). Le théorème 2.4.6 appliqué à 𝜑1 fournit donc 𝜑1_:ℱ(𝑋)→(𝒫(𝑌)→𝑍). Ensuite, on peut échanger les arguments pour obtenir 𝜑1_𝑒:𝒫(𝑌)→(ℱ(𝑋)→𝑍) définie comme 𝑉↦(𝐹↦𝜑1_(𝐹)(𝑉)). Cette nouvelle fonction est également à valeurs dans un treillis complet donc on peut lui appliquer le théorème 2.4.6 pour obtenir 𝜑1_𝑒_:ℱ(𝑌)→(ℱ(𝑋)→𝑍). Il ne reste alors qu’à échanger l’ordre des arguments et décurryfier pour obtenir 𝜑_ définie comme (𝐹,𝐺)↦𝜑1_𝑒_(𝐺)(𝐹).

Montrons que 𝜑_∘(𝑃×𝑃)=𝜑. Soit 𝑈∈𝒫(𝑋) et 𝑉∈𝒫(𝑌). On calcule

Montrons que 𝜑_ commute aux infs filtrants en la seconde variable. Soit 𝑇 une partie filtrante de ℱ(𝑌) et soit 𝐹∈ℱ(𝑋). On calcule

Montrons que 𝜑_ commute aux infs filtrants en la première variable, ce qui demande un peu plus de patience. Soit 𝑆 une partie filtrante de ℱ(𝑋) et soit 𝐺∈ℱ(𝑌). On calcule patiemment

Alternativement, on peut utiliser la formule concrète du théorème pour montrer que le 𝜑_ que nous venons de construire est bien donné par la formule établissant l’unicité. Cela montre que la construction est en fait symétrique : on peut échanger les rôles de 𝑋 et 𝑌 dans le paragraphe et obtenir la même fonction qui cette fois commute clairement aux infs filtrant en l’autre variable.

Le fait que 𝜑↦𝜑_ est croissante découle directement de l’énoncé analogue dans le théorème 2.4.6. La compatibilité avec la composition découle comme d’habitude de l’unicité. □

Comme d’habitude, on peut appliquer cet énoncé à une fonction de la forme 𝑃∘𝜑 pour obtenir le corollaire suivant.

Corollaire 2.4.20

Soit 𝑋, 𝑌 et 𝑍 des ensembles. Pour toute fonction croissante 𝜑:𝒫(𝑋)×𝒫(𝑌)→𝒫(𝑍), il existe une unique fonction 𝜑̂:ℱ(𝑋)×ℱ(𝑌)→ℱ(𝑍) telle que

commute et 𝜑̂ commute aux infs filtrants par rapport aux deux variables. De plus 𝜑↦𝜑̂ est croissante.

Enfin cette procédure d’extension est compatible avec celle du corollaire 2.4.12 :

  • pour toutes fonctions croissantes 𝛼:𝒫(𝑋′)→𝒫(𝑋) et 𝛽:𝒫(𝑌′)→𝒫(𝑌), on a 𝜑∘(𝛼×𝛽)̂=𝜑̂∘(𝛼̂×𝛽̂) :

  • pour toutes fonctions croissantes 𝛼:𝒫(𝑋)→𝒫(𝑌) et 𝛽:𝒫(𝑋)→𝒫(𝑌′), on a 𝜑∘(𝛼,𝛽)̂=𝜑̂∘(𝛼̂,𝛽̂) :

Exemple 2.4.21
La fonction d’intersection binaire (𝐴,𝐵)↦𝐴∩𝐵 de 𝒫(𝑋)×𝒫(𝑋) dans 𝒫(𝑋) s’étend en (𝐹,𝐺)↦𝐹∧𝐺 puisqu’on a vu que 𝑃 commute aux infs finis dans le théorème 2.3.3 et que l’exercice 1.17 assure que (𝐹,𝐺)↦𝐹∧𝐺 commute à tous les infs en les deux variables. On peut montrer que 𝐴∪𝐵 s’étend en (𝐹,𝐺)↦𝐹∨𝐺. Là aussi la commutation avec 𝑃 est déjà connue, mais la commutation aux infs filtrants demande à être vérifiée soigneusement en utilisant le lemme 2.4.11. Comme nous n’aurons pas besoin de ce résultat, cette vérification est omise.

L’énoncé suivant peut sembler obscur à première lecture mais il sera souvent utile dans la suite.

Lemme 2.4.22

Soit 𝜑:𝑋→𝑌 une fonction. Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋 et tout filtre 𝐺 sur 𝑌, on a

Démonstration : On peut vérifier directement l’énoncé analogue pour des parties 𝐴 de 𝑋 et 𝐵 de 𝑌. De plus, les deux membres sont des composées de fonctions croissantes en une ou deux variables. En effet

et

Le corollaire 2.4.20 et l’exemple 2.4.21 assurent que ces fonctions s’étendent en 𝜑∗∘∧∘(Id×𝜑∗) et ∧∘(𝜑∗×Id) et respectivement, ce qui démontre le lemme. □
Lemme 2.4.23
Soit 𝜑:𝑋→𝑌 une fonction injective. Pour tous filtres 𝐹 et 𝐹′ sur 𝑋, 𝜑∗(𝐹∧𝐹′)=𝜑∗𝐹∧𝜑∗𝐹′.
Démonstration : L’énoncé analogue pour les parties est bien connu (et facile à vérifier directement) : 𝜑∗∘∩=∩∘(𝜑∗×𝜑∗) où les 𝜑∗ sont l’image directe des parties. Le corollaire 2.4.20 et l’exemple 2.4.21 assurent que ces fonctions s’étendent en 𝜑∗∘∧ et ∧∘(𝜑∗×𝜑∗) où les 𝜑∗ sont l’image directe des filtres, ce qui démontre le lemme. □
Exercice 2.28

Soit 𝜑:𝑋→𝑌 une fonction. Montrer que, pour tout filtre 𝐺 sur 𝑌, 𝜑∗𝜑∗𝐺=𝐺∧𝑃(𝜑∗𝑋).

L’énoncé analogue pour les parties est ∀𝐵⊆𝑌,𝜑∗𝜑∗𝐵=𝐵∩𝜑∗𝑋, qu’on peut démontrer directement. Le passage aux filtres se fait comme dans le lemme 2.4.22 après avoir écrit 𝐵∩𝜑∗𝑋=[∩∘(Id,(𝐵↦𝜑∗𝑋))](𝐵). En effet l’exemple 2.4.21 montre que ∩ s’étend en ∧ et le corollaire 2.4.12 assure que la fonction constante 𝐵↦𝜑∗𝑋 s’étend en 𝐹↦𝑃(𝜑∗𝑋).

Cet énoncé se combine avec le lemme 2.4.17 pour obtenir l’exercice suivant qui sera utile dans un chapitre ultérieur.

Exercice 2.29

Soit 𝑋 un ensemble et 𝐴 une partie de 𝑋. On note 𝜄 l’inclusion de 𝐴 dans 𝑋. Montrer que 𝜄∗ induit un isomorphisme d’ensembles ordonnés entre ℱ(𝐴) et {𝐹∈ℱ(𝑋)|𝐹≤𝑃(𝐴)} d’inverse 𝜄∗.

Le lemme 2.4.17 assure que 𝜄∗∘𝜄∗=Id. En particulier 𝜄∗ est injective. Montrons que son image est bien incluse dans {𝐹∈ℱ(𝑋)|𝐹≤𝑃(𝐴)}. Soit 𝐺 un filtre sur 𝐴. Par adjonction, l’énoncé 𝜄∗𝐺≤𝑃(𝐴) équivaut à 𝐺≤𝜄∗𝑃(𝐴). Or 𝜄∗𝑃(𝐴)=𝑃(𝜄∗𝐴)=⊤ donc on a bien 𝜄∗𝐺≤𝑃(𝐴).

Réciproquement, soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 tel que 𝐹≤𝑃(𝐴). Montrons que 𝐹=𝜄∗𝜄∗𝐹. D’après l’exercice 2.28, on a 𝜄∗𝜄∗𝐹=𝐹∧𝑃(𝜄∗𝐴)=𝐹∧𝑃(𝐴). Mais 𝐹≤𝑃(𝐴) donc 𝐹∧𝑃(𝐴)=𝐹. Ainsi l’image de 𝜄∗ est bien l’ensemble annoncé et 𝜄∗∘𝜄∗=Id sur cet ensemble.

En plus d’étendre aux filtres des résultats bien connus pour les parties, on peut utiliser le corollaire 2.4.20 pour étendre des opérations. Par exemple le produit de parties s’étend en produit de filtres et l’exercice suivant étudie cette opération.

Exercice 2.30

Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles. On note 𝑝 la projection de 𝑋×𝑌 sur 𝑋 et 𝑞 la projection de 𝑋×𝑌 sur 𝑌. On étend l’opération de produit de parties ×:𝒫(𝑋)×𝒫(𝑌)→𝒫(𝑋×𝑌) en opération ×:ℱ(𝑋)×ℱ(𝑌)→ℱ(𝑋×𝑌) par le corollaire 2.4.20. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝐺 un filtre sur 𝑌.

  1. Montrer que 𝐹×𝐺=𝑝∗𝐹∧𝑞∗𝐺.

    L’analogue de cette formule est valable pour les parties. C’est clair géométriquement et on peut le démontrer en calculant

    De plus le membre de droite est l’application à (𝐴,𝐵) de la composée (𝑝∗×𝑞∗)∘∩ qui s’étend bien en (𝑝∗×𝑞∗)∘∧.
  2. Montrer que

    (on pourra utiliser le lemme 2.4.11 pour montrer que le membre de droite est l’application à (𝐹,𝐺) d’une fonction qui commute aux infs filtrants dans les deux variables).

    Là encore le cas des parties est clair : pour 𝐴⊆𝑋 et 𝐵⊆𝑌 on a

    Et le membre de gauche de la formule annoncée est clairement l’extension aux filtres de son analogue sur les parties. Le membre de droite nécessite un peu plus de prudence car il n’est pas complètement évident qu’il commute aux infs filtrants en les deux variables. C’est clair si on fixe 𝐺 puisqu’on obtient alors 𝐹↦𝐹 ou 𝐹↦⊥ selon la valeur de 𝐺. Mais lorsqu’on fixe 𝐹, il faut utiliser que le lemme 2.4.11 assure que l’inf d’une partie filtrante de ℱ(𝑌) est trivial si et seulement si cette partie contient le filtre trivial.
  3. Montrer que 𝐹×𝐺=⊥⇔(𝐹=⊥ou𝐺=⊥).

    On sait que l’image directe de filtre est triviale si et seulement si ce filtre est trivial. Donc

    Alternative : Montrons les deux implications. Supposons d’abord que 𝐹×𝐺=⊥. On obtient alors 𝑝∗(𝐹×𝐺)=𝑝∗⊥=⊥. On discute selon que 𝐺=⊥ ou 𝐺≠⊥. Dans le premier cas la conclusion est claire. Dans le deuxième cas, la question précédente assure que 𝐹=⊥. Réciproquement, supposons 𝐹=⊥ou𝐺=⊥. Vu la symétrie de la situation, on peut supposer que 𝐹=⊥. On calcule alors 𝐹×𝐺=𝑝∗⊥∧𝑞∗𝐺=⊥∧𝑞∗𝐺=⊥.

  4. On note Δ={(𝑥,𝑥′)∈𝑋×𝑋|𝑥=𝑥′} la diagonale de 𝑋. Montrer que pour tous filtres 𝐹 et 𝐹′ sur 𝑋, (𝐹×𝐹′)∧𝑃(Δ)=⊥⇔𝐹∧𝐹′=⊥.

    L’énoncé correspondant sur les parties est clair : pour toutes parties 𝐴 et 𝐴′ de 𝑋, (𝐴×𝐴′)∩Δ=∅⇔𝐴∩𝐴′=∅. Ainsi les fonctions de 𝒫(𝑋)×𝒫(𝑋) dans ℰ qui envoient (𝐴,𝐴′) sur les énoncés (𝐴×𝐴′)∩Δ=∅ et 𝐴∩𝐴′=∅ sont égales. Leurs extensions à ℱ(𝑋)×ℱ(𝑋) le sont donc aussi.

La première question de l’exercice précédent suggère la définition suivante.

Définition 2.4.24
Soit (𝑋𝑖)𝑖∈𝐼 une famille d’ensembles et (𝐹𝑖)𝑖∈𝐼 des filtres sur les 𝑋𝑖. On note 𝑝𝑖 les projections du produit des 𝑋𝑖. Le produit des 𝐹𝑖 est le filtre ∏𝑖𝐹𝑖≔inf𝑖𝑝𝑖∗𝐹𝑖.

2.5. Ultrafiltres

On a vu que les filtres sur un ensemble 𝑋 sont des généralisations des parties de 𝑋. L’ensemble 𝑋 lui-même s’injecte dans les parties de 𝑋 par l’application singleton 𝑥↦{𝑥}. Son image est caractérisée par une propriété de minimalité : les singletons sont les parties non vides minimales. Cette propriété de minimalité reste vraie dans ℱ(𝑋) mais elle ne caractérise plus les singletons : il existe des singletons généralisés.

Définition 2.5.1
Soit 𝑋 un ensemble ordonné. Un élément 𝑥0 de 𝑋 est dit minimal si, ∀𝑥≤𝑥0,𝑥=𝑥0.

Il ne faut pas confondre cette notion avec la notion d’élément minimum qui est beaucoup plus forte. En particulier un ensemble ordonné a au plus un élément minimum alors qu’il peut avoir de nombreux éléments minimaux. Il y a deux exemples à garder en tête ici. On a déjà vu celui des singletons dans 𝒫(𝑋)∖{∅}. L’autre exemple est celui des entiers naturels premiers qui sont minimaux pour la relation de divisibilité sur ℕ∖{0,1}.

Définition 2.5.2
Un ultrafiltre sur un ensemble 𝑋 est un singleton généralisé de 𝑋, c’est-à-dire un filtre minimal parmi les filtres non triviaux.

Comme dans le cas des nombres premiers, on peut caractériser les ultrafiltres par un énoncé de type « lemme de Gauß ».

Définition 2.5.3

Un filtre 𝐹 sur un ensemble 𝑋 est premier si, pour toutes parties 𝐴 et 𝐵 de 𝑋,

Lemme 2.5.4
Un filtre 𝐹 est un ultrafiltre si et seulement si il est non trivial et premier.

Démonstration : Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋.

Supposons d’abord que 𝐹 est un ultrafiltre et montrons qu’il est premier. Soit 𝐴 et 𝐵 des parties de 𝑋 telles que 𝐴∪𝐵∈𝐹. Autrement dit 𝐹≤𝑃(𝐴∪𝐵) par la remarque 2.2.10. Supposons par l’absurde que ni 𝐴 ni 𝐵 ne soient dans 𝐹. On a alors non(𝐹≤𝑃(𝐴)) et donc2 𝐹∧𝑃(𝐴)<𝐹. Par minimalité de 𝐹, on en déduit que 𝐹∧𝑃(𝐴)=⊥. De même, on obtient 𝐹∧𝑃(𝐵)=⊥. Par ailleurs le théorème 2.3.3 et le lemme 2.3.8 assurent que

ce qui est absurde car un ultrafiltre est non trivial (par définition).

Réciproquement, supposons que 𝐹 est premier et non trivial et montrons qu’il s’agit d’un ultrafiltre. Soit 𝐺 un filtre sur 𝑋 tel que ⊥<𝐺≤𝐹. Montrons que 𝐺=𝐹. Il suffit de montrer que 𝐹≤𝐺. Soit 𝑈∈𝐺. Montrons que 𝑈∈𝐹. On a 𝑈∪𝑈ᶜ=𝑋∈𝐹 et 𝐹 est premier donc 𝑈∈𝐹 ou 𝑈ᶜ∈𝐹. Montrons que le second cas ne peut pas arriver. Supposons 𝑈ᶜ∈𝐹. Comme 𝐺≤𝐹 on en déduit 𝑈ᶜ∈𝐺 et donc ∅=𝑈∩𝑈ᶜ∈𝐺, ce qui contredit ⊥<𝐺. □

Une grande partie de la puissance de la notion d’ultrafiltre provient d’un lemme/axiome très général qui en garantira l’existence.

Axiome 2.5.5
Soit 𝑍 un ensemble ordonné. Si toute partie totalement ordonnée de 𝑍 admet un minorant (resp. un majorant) alors 𝑍 admet un élément minimal (resp. maximal).

Il faut penser à cet énoncé comme à un principe de récurrence très patiente. On commence avec la partie vide de 𝑍. Comme elle est totalement ordonnée, l’hypothèse nous fournit 𝑧0 (qui minore la partie vide…). Si 𝑧0 est minimal alors c’est gagné. Sinon on obtient 𝑧1 tel que 𝑧1<𝑧0. Si 𝑧1 est minimal c’est gagné. Sinon on obtient 𝑧2<𝑧1. Par récurrence ordinaire (pas spécialement patiente), on trouve soit un élément minimal soit une suite 𝑧:ℕ→𝑍 strictement décroissante. L’image 𝑧∗ℕ de cette suite est une partie totalement ordonnée de 𝑍. L’hypothèse nous fournit un minorant 𝑤0 de 𝑧∗𝑆. Et on continue ainsi (très patiemment). L’axiome de Zorn affirme que ce processus finit par s’arrêter. On peut le démontrer à partir de l’axiome du choix (on notera que le processus décrit ci-dessus nécessite effectivement de faire beaucoup de choix).

Théorème 2.5.6
Pour tout filtre 𝐹 non trivial, il existe un ultrafiltre 𝑈 tel que 𝑈≤𝐹. Cela se lit « toute partie généralisée non vide contient un singleton généralisé ».

Démonstration : Soit 𝐹 un filtre non trivial. On pose 𝑍≔{𝐺∈ℱ(𝑋)|⊥<𝐺≤𝐹}. On veut un élément minimal de 𝑍. Montrons que 𝑍 vérifie les conditions du lemme de Zorn (axiome 2.5.5).

Soit 𝑆 une partie totalement ordonnée de ℱ(𝑋). On peut supposer que 𝑆 n’est pas vide, car sinon 𝐹 minore 𝑆. Ainsi 𝑆 est filtrante. Montrons que l’infimum de 𝑆 dans ℱ(𝑋) est un minorant de 𝑆 dans 𝑍. Montrons que inf𝑆≤𝐹. Comme 𝑆≠∅, on obtient un élément 𝐺 de 𝑆. En particulier 𝐺∈𝑍 et on a inf𝑆≤𝐺≤𝐹. De plus inf𝑆 n’est pas trivial sinon le lemme 2.4.11 et le fait que 𝑆 est filtrante assureraient que ⊥∈𝑆, ce qui contredirait l’hypothèse 𝑆⊆𝑍. □

Exercice 2.31

Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction. Montrer que l’image directe par 𝑓 d’un singleton dans 𝑋 est un singleton dans 𝑌. On veut maintenant le résultat analogue pour les « singletons généralisés ». Soit 𝐹 un ultrafiltre sur 𝑋. Montrer que l’image directe par 𝑓 de 𝐹 est un ultrafiltre sur 𝑌.

La version avec des singletons est claire, car 𝑓∗{𝑥}={𝑓(𝑥)}. Soit 𝑓:𝑋→𝑌 une fonction et 𝐹 un ultrafiltre sur 𝑋. Montrons que 𝑓∗𝐹 est un ultrafiltre. Le lemme 2.5.4 assure qu’il suffit de montrer que 𝑓∗𝐹 est non trivial et premier.

L’exercice 2.21 assure que 𝑓∗𝐹 n’est pas trivial. Montrons qu’il est premier. Soit 𝐴 et 𝐵 des parties de 𝑌 telles que 𝐴∪𝐵∈𝑓∗𝐹. On a donc 𝑓∗(𝐴∪𝐵)∈𝐹, c’est-à-dire 𝑓∗𝐴∪𝑓∗𝐵∈𝐹. Comme 𝐹 est premier, 𝑓∗𝐴∈𝐹 ou 𝑓∗𝐵∈𝐹, c’est-à-dire 𝐴∈𝑓∗𝐹 ou 𝐵∈𝑓∗𝐹.

Exercice 2.32

Soit 𝐹 un filtre sur un ensemble 𝑋. Montrer que 𝐹 est le sup de l’ensemble des ultrafiltres inférieurs à 𝐹 (cet exercice est plus difficile que les autres). Quel est l’énoncé analogue pour une partie de 𝑋 ?

On veut montrer que 𝐹 est le sup de l’ensemble 𝑆≔{𝐺∈UF(𝐹)|𝐺≤𝐹}. Il s’agit clairement d’un majorant de cet ensemble. Montrons que c’est le plus petit. Soit 𝐻 un majorant de 𝑆, montrons que 𝐹≤𝐻. Soit 𝑈 ∈ 𝐻. Montrons que 𝑈∈𝐹. Supposons par l’absurde 𝑈∉𝐹.

Montrons d’abord que 𝐹∧𝑃(𝑈𝑐) est non trivial. Supposons 𝐹∧𝑃(𝑈𝑐)=⊥. On obtient alors 𝑉∈𝐹 tel que 𝑉∩𝑈𝑐=∅. Autrement dit 𝑉⊆𝑈, ce qui contredit l’hypothèse 𝑈∉𝐹.

Le lemme de l’ultrafiltre fournit un ultrafiltre 𝐺≤𝐹∧𝑃(𝑈𝑐). Comme 𝐺≤𝐹, l’hypothèse sur 𝐻 assure que 𝐺≤𝐻 et donc 𝑈∈𝐺. Comme 𝐺≤𝑃(𝑈𝑐), 𝑈𝑐∈𝐺. Ainsi ∅=𝑈∩𝑈𝑐∈𝐺, ce qui est absurde, car tout ultrafiltre est non trivial, par définition.

L’énoncé analogue pour les parties est que toute partie est la réunion des singletons qu’elle contient. On notera que l’énoncé qu’on vient de démontrer peut être vu comme une reformulation du lemme de l’ultrafiltre. On a utilisé ce lemme dans la démonstration. Et l’énoncé implique facilement le lemme, car si 𝐹 est non trivial alors 𝑆 ne saurait être vide puisque sup∅=⊥.

  1. 1en hommage au logicien Haskell Curry.
  2. 2Il faut se méfier ici, car la négation de 𝐹≤𝑃(𝐴) n’est pas 𝑃(𝐴)<𝐹. On utilise ici la contraposée de l’implication 𝐹∧𝑃(𝐴)=𝐹⇒𝐹≤𝑃(𝐴) pour obtenir 𝐹∧𝑃(𝐴)≠𝐹 puis on conclut par le fait que 𝐹∧𝑃(𝐴)≤𝐹.