4. Espaces topologiques
4.1. Prologue
Le premier but de ce prologue est de réfléchir à ce qui nécessite l’introduction de la topologie générale en plus de la théorie des espaces métriques qui semble bien plus simple.
La première motivation est psychologique. Il s’agit de se concentrer sur les données nécessaires pour parler de continuité. Étant donné un espace métrique et sa distance , il est impossible de reconstituer à partir de la connaissance des fonctions continues partant de ou arrivant dans . La distance contient beaucoup trop d’information qui n’intervient absolument pas dans la notion de continuité. Au contraire deux topologies et sur un ensemble sont égales si et seulement si elles donnent lieu aux mêmes fonctions continues. Mieux, elles sont égales dès que la fonction est continue de dans et de dans . Pour obtenir un tel résultat avec les espaces métriques, il faudrait drastiquement réduire les morphismes utilisés pour les lier de façon bien plus forte à la distance. Ainsi, on peut se limiter aux fonctions -lipschitziennes et retrouver la distance à partir des morphismes.
Cette première motivation ne suffit pas à investir dans des espaces dont la topologie n’est pas métrisable, c’est-à-dire ne provient pas d’une distance. Pour cela, on peut regarder en particulier du côté des espaces de fonctions, disons de dans . La notion la plus immédiate de convergence de suites de fonctions est celle de la convergence simple. Mais on peut montrer qu’il n’existe pas de distance sur l’ensemble des fonctions de dans qui mène à cette notion de suite convergente. La convergence simple voit deux fonctions comme étant proches si elles prennent des valeurs proches en tout point, sans aucune contrainte liant les différents points de la source. Du point de vue de la convergence simple, est vraiment un produit de copies de indexé par . Au fond, le problème est que la catégorie des espaces métriques (avec comme morphismes les fonctions continues) n’admet pas de produits pour des familles non dénombrables d’objets. Un premier objectif de ce chapitre sera donc de construire les produits quelconques d’espaces topologiques et de comprendre leurs suites convergentes. Surtout cette construction sera très systématique et basée sur les propriétés attendues plutôt que sur les détails d’implémentation qui seront complètement cachés par la technologie du chapitre 1.
La motivation suivante provient de la notion de quotient. Nous avons vu dans l’exercice 3.34 que la propriété universelle des quotients caractérise entièrement ces objets. La question analogue en topologie est la suivante : étant donné un espace (métrique ou topologique) et une relation d’équivalence sur , on voudrait un objet initial dans la catégorie dont les objets sont les paires où est un espace (métrique ou topologique) et est une fonction continue compatible avec , c’est-à-dire que . Mieux, on espère que l’ensemble sous-jacent à cet espace initial soit un quotient de par . Cela ne fonctionne pas en général dans la catégorie des espaces métriques, il faut mettre des contraintes très fortes sur la relation d’équivalence. Le lemme suivant montre un exemple simple de ce phénomène : la relation d’équivalence associée à l’action de sur par multiplication.
On notera que l’énoncé ci-dessus et sa démonstration ne font pas intervenir la notion d’espace topologique. Il s’agit d’un problème purement interne à la théorie des espaces métriques.
Nous verrons que ce problème n’existe pas dans la catégorie des espaces topologiques. En fait, il est même possible de faire une construction plus générale : étant donnée n’importe quelle fonction entre deux ensembles, il est possible de pousser n’importe quelle topologie sur pour obtenir une topologie sur caractérisée par une propriété universelle faisant intervenir . De même, on peut tirer n’importe quelle topologie sur pour obtenir une topologie sur .
Toutes ces constructions utiliseront de façon systématique la technologie du chapitre 1. Le point clef est que l’ensemble des topologies sur un ensemble fixé est naturellement un treillis complet. Le chapitre 2 sera utilisé pour comprendre la notion de convergence en topologie générale et donner un point de vue beaucoup plus intuitif sur les notions de parties ouvertes ou fermées, sur l’adhérence et sur l’intérieur.
La dernière motivation provient de la notion de compacité. Le critère de compacité de Riesz assure que les fermés bornés d’un espace vectoriel normé sont compacts seulement si l’espace est de dimension finie. C’est dommage, car la compacité est très utile, par exemple pour assurer qu’une fonction continue à valeur réelle est bornée et atteint ses bornes. Dans ce chapitre, nous étudierons en détail la notion de compacité, en utilisant intensivement le chapitre 2 et nous verrons comment munir des espaces vectoriels de dimension infinie de topologies pour lesquelles on peut récupérer de la compacité. Au passage, nous ferons un peu d’algèbre topologisée, en essayant notamment de généraliser quelques résultats classiques sur les applications linéaires continues entre espaces normés et sur les actions de groupes topologiques.
Dans tout ce chapitre, nous avons également comme objectif de poursuivre l’algébrisation au service de l’intuition. La théorie des filtres sera utilisée systématiquement pour pouvoir raisonner et calculer algébriquement avec les « ensembles des points très proches » d’un point donné. De plus un maximum de constructions seront basées sur l’utilisation de propriétés universelles pour montrer qu’on peut se concentrer sur les propriétés des objets construits plutôt que sur les détails de constructions, comme nous l’avons déjà annoncé pour la topologie produit.
4.2. Treillis des topologies
On rappelle la définition de topologie et de fonction continue.
Une topologie sur un ensemble est une famille de parties de qui est stable par intersection finie et réunion quelconque. Les éléments de cette famille sont dits ouverts et leurs complémentaires sont dits fermés. Un espace topologique est un ensemble muni d’une topologie.
Une fonction entre deux espaces topologiques et est dite continue si l’image réciproque de tout ouvert est ouverte ou, de façon équivalente, si l’image réciproque de tout fermé est fermée. Elle est dite ouverte si l’image directe de tout ouvert est ouverte, et dite fermée si l’image directe de tout fermé est fermée.
Dans la suite, on notera l’ensemble des topologies sur un ensemble . On munit de la relation d’ordre opposée à la relation d’inclusion sur .
En particulier, pour tout , lui-même est ouvert puisque c’est l’intersection du sous-ensemble vide de et est ouvert puisque c’est la réunion du sous-ensemble vide de . En pratique, il est parfois commode de remplacer la condition d’intersection finie par la conjonction équivalente des conditions d’intersection vide (ie. ) et d’intersection binaire (pour tous et dans , ).
Faisons une remarque de vocabulaire et de notations. Un espace topologique est un ensemble muni d’une topologie. La plupart du temps, on emploie la synecdoque « Soit un espace topologique » plutôt que d’écrire « Soit un espace topologique ». Dans ce chapitre, il sera souvent question d’ensembles sur lesquels on n’a pas encore fixé une topologie, ou bien d’ensembles sur lesquels on veut comparer plusieurs topologies. On utilisera donc parfois la forme qui peut paraître un peu pédante, ou bien ou écrira « Soit un espace topologique » puis on utilisera sans commentaire la notation pour désigner la topologie de . On écrira aussi est -continue pour dire qu’elle est continue de muni de la topologie dans muni de la topologie en cas de risque de confusion.
L’inégalité entre deux topologies se lit « est plus fine que ». Cette relation d’ordre peut sembler moins naturelle que la relation d’inclusion, mais nous verrons plus loin qu’elle interagit mieux avec la relation d’ordre sur les filtres (qui n’est pas négociable, car c’est celle qui rend croissante l’inclusion des parties dans les filtres).
Soit , on dit que est la topologie engendrée par . On dit aussi que est une prébase de lorsque (mais nous n’emploierons pas ce vocabulaire qui n’est vraiment utile que dans des approches faisant jouer un rôle majeur à ).
On peut décrire explicitement les ouverts de la topologie engendrée par une famille de parties. On peut montrer que
mais nous n’utiliserons jamais cette description car cela serait vraiment le contraire des méthodes développées dans ce cours.4.3. Images directes et réciproques de topologies
Soit et des ensembles. Soit une fonction. Pour toute topologie sur ,
est une topologie sur . On peut aussi l’écrire : l’image réciproque de par l’application .Au vu de l’observation ci-dessus, on pourrait vouloir simplement définir comme . L’avantage serait de n’utiliser que la structure de treillis complet. Mais il ne serait pas clair que l’inf est atteint.
Un cas particulier de l’observation est que, pour toute topologie sur , est -continue. Ainsi le problème du lemme 4.1.1 n’existe pas dans la théorie des espaces topologiques (on reviendra plus en détail sur cette question dans le corollaire 4.3.7). On retrouve aussi le fait qu’une fonction à valeurs dans un espace topologique grossier est toujours continue puisque est toujours vrai.
Pour conclure la discussion sur le lien entre image directe et continuité, on note deux conséquences immédiates de l’observation 4.3.2. Tout d’abord, il est facile de comprendre quelles sont les fonctions continues à valeurs dans un ensemble muni de la topologie engendrée par un ensemble de parties.
Démonstration : Il s’agit d’une conséquence directe de l’observation 4.3.2 et de l’adjonction entre l’inclusion et :
On notera que le lemme précédent n’est pas symétrique, la topologie engendrée est présente au but de , pas à la source.
L’observation suivante est une conséquence encore plus directe de l’observation 4.3.2 et de la définition de borne inférieure.
L’opération d’image directe d’une topologie est compatible avec la composition et les identités.
Démonstration : Cela découle directement des propriétés de l’image réciproques d’ensembles :
et
On en déduit immédiatement la propriété universelle de la topologie image directe.
Soit , et des ensembles, et des fonctions. Pour toutes topologies sur et sur , la topologie vérifie
En particulier, on a atteint l’objectif d’avoir une topologie à mettre sur n’importe quel quotient : on prend simplement l’image directe de la topologie de départ par la projection. En combinant la propriété universelle des quotients d’ensembles (exercice 3.34) et le résultat précédent, on obtient :
On veut maintenant transporter les topologies dans l’autre direction, c’est-à-dire définir une opération d’image réciproque de topologie.
Démonstration : Il s’agit d’une conséquence immédiate des définitions et du fait que l’image réciproque des parties commute aux intersections. Soit . On a
Dans le lemme précédent, l’existence de est déduite du théorème de l’application adjointe. Bien sûr, on peut expliciter cette opération : on peut montrer que (simplement en vérifiant que est effectivement une topologie et en utilisant l’adjonction ). Mais cette formule concrète ne nous sera jamais utile, même si elle est psychologiquement rassurante dans le cas où est l’inclusion d’une partie que nous détaillerons dans la remarque 4.3.12.
L’opération d’image directe d’une topologie est compatible avec la composition et les identités.
Démonstration : L’application est adjointe à droite de par construction. Or le lemme 4.3.5 assure que donc le lemme 1.3.7 assure que est également adjoint à droite de donc on conclut par unicité de l’adjoint à droite (lemme 1.3.14).
Montrons maintenant que . Cela découle de l’unité et de la co-unité de et de . En effet on et .
Par adjonction entre image directe et image réciproque, l’observation 4.3.2 devient :
Un cas particulier de l’observation est que, pour toute topologie sur , est -continue. On retrouve aussi le fait qu’une fonction partant d’un espace topologique discret est toujours continue puisque est toujours vrai. On notera aussi qu’une fois l’adjonction disponible, on récupère et automatiquement par le théorème 1.4.16. Ainsi les deux caractérisations de la continuité (observation 4.3.2 et observation 4.3.10) permettent chacune de retrouver la continuité des fonctions depuis un espace discret ou vers un espace grossier.
On déduit immédiatement du lemme 4.3.9 et de l’observation 4.3.10 la propriété universelle de la topologie image réciproque.
Soit , et des ensembles, et des fonctions. Pour toutes topologies sur et sur , la topologie vérifie
Le cas particulier le plus simple de topologie image réciproque est celui de la topologie induite. Si est une partie d’un espace topologique , on peut la munir de où est l’application d’inclusion, c’est-à-dire la restriction de à . Dans ce cas la propriété universelle devient simplement : une fonction est continue pour la topologie induite si et seulement si est continue.
En plus de cette propriété universelle, il est parfois utile d’avoir une description explicite des ouverts. Comme expliqué après le lemme 4.3.8, les ouverts de cette topologie sont les parties de la forme où est un ouvert de . Autrement dit ce sont les intersections d’un ouvert de avec . De même les fermés de sont les intersections d’un fermé de avec . Cette information est parfois utile mais nous ne l’utiliserons jamais dans la suite.
4.4. Filtre des voisinages
Les discussions précédentes donnent un cadre très agréable pour étudier la notion de fonction continue. Mais ce cadre ne permet pas facilement de discuter de continuité en un point ou de suites convergentes. Pour cela nous avons besoin d’une version localisée de la structure topologique.
Soit un espace topologique et un point de . Le filtre des voisinages de est
On vérifie sans peine qu’il s’agit effectivement d’un filtre. Lorsque la topologie utilisée sur n’est pas claire, on écrit .
Comme expliqué dans le chapitre 2, il faut penser à comme l’ensemble généralisé des points qui sont très proches de . Il faut bien garder en tête cette intuition en lisant la suite.
Soit un espace topologique et une partie de .
- est ouvert si et seulement si (pour tout dans , tous les points très proches de sont dans ).
- Dans tous les cas (l’ensemble des dont tous les points proches sont dans ).
- est fermé si et seulement si (pour tout dans , si contient des points très proches de alors est dans ).
- Dans tous les cas (l’ensemble des ayant un point proche dans ).
En particulier la donnée de la fonction détermine entièrement .
Mieux, pour toute paire de topologies et , on a . Autrement dit, l’application est un plongement d’ensembles ordonnés de vers les fonctions de dans (on caractérisera l’image de ce plongement dans la proposition 4.4.4).
Démonstration : On rappelle que, par la remarque 2.2.10, pour tout filtre sur , . Ainsi le premier point dit simplement que est ouvert si et seulement si il est voisinage de chacun de ses points, ce qui est connu. De même le second point est une reformulation directe du fait que l’intérieur de est l’ensemble des points dont est voisinage.
Pour comprendre le troisième point il faut se souvenir de le lemme 2.3.7 qui assure que, pour tout , . Alternativement, on peut contraposer en et utiliser une autre reformulation par le lemme 2.3.7 pour le réécrire en avant d’utiliser le point précédent pour le réécrire « est ouvert ».
La quatrième partie découle du lemme 2.2.8 qui assure que .
Montrons maintenant la caractérisation des inégalités. Supposons , c’est-à-dire que tout ouvert pour est ouvert pour . Soit un point et . On obtient par définition un ouvert pour qui contient et est contenu dans . Comme il est également ouvert pour , . Réciproquement supposons l’inégalité de voisinages. Soit un ouvert de . Montrons que est ouvert de . D’après le premier point, il suffit de montrer que est voisinage de chacun de ses points, ce qui est vrai pour par hypothèse sur puis pour d’après l’hypothèse sur les voisinages.
Les deux exercices suivants permettent de se familiariser avec ces descriptions de l’intérieur et l’adhérence.
Soit un espace topologique, une partie de . Montrer que (on pourra utiliser le lemme 2.3.7).
Soit un espace topologique, une partie de et un ouvert de . Montrer que .
Soit . Montrons que . On calcule
De même, on peut utiliser les voisinages, vus comme parties généralisées de , pour définir les suites convergentes et la continuité en un point.
Soit et des espaces topologiques, et soit un point de .
- On dit qu’une suite converge vers si .
- On dit qu’une fonction est continue en si .
Comme le suggère la terminologie, une fonction est continue si et seulement si elle est continue en tout point. Nous pourrions montrer cela artisanalement dès maintenant mais ce n’est pas nécessaire et ce résultat deviendra trivial après le corollaire 4.4.6.
Soit un ensemble, un espace topologique, une fonction, un filtre sur , un point de et une partie de . On suppose que est non trivial (ie. ), et .
Montrer que la condition est équivalente à .
L’hypothèse signifie, par définition, . Autrement dit, . Par définition de , cela signifie . On a vu en cours (et on peut vérifier directement) que cela est équivalent à .
En déduire que est dans l’adhérence de .
On a vu que est dans l’adhérence de si et seulement si . Or, on a vu dans la question précédente que et, par hypothèse, . Ainsi .
Enfin, on a supposé que donc par l’exercice 2.21. Ainsi et est dans l’adhérence de .
Reformuler ce résultat en termes élémentaires dans le cas où et , puis dans le cas où et où est soit un réel, soit .
Dans le premier cas, on obtient : « si une suite prends ses valeurs dans à partir d’un certain rang et converge vers alors est dans l’adhérence de ». Dans le deuxième cas, on obtient : « si une fonction envoie les réels suffisamment proches de dans et converge vers en alors est dans l’adhérence de ». Dans le cas de , on obtient : « si une fonction envoie les réels suffisamment grands dans et converge vers en alors est dans l’adhérence de ». Dans le cas de , on obtient : « si une fonction envoie les réels suffisamment négatifs dans et converge vers en alors est dans l’adhérence de ».
Puisque la donnée d’une topologie détermine tous les et que la donnée de tous les détermine , il est naturel de se demander si on peut définir la notion de topologie comme la donnée d’une fonction associant à chaque point son filtre des voisinages. Une contrainte évidente est que, pour tout , tout voisinage de doit contenir . Autrement dit, on doit avoir . Mais il y a une contrainte plus subtile qui garantit une sorte de continuité de et qui est très liée au fait que les ouverts sont voisinages de tous leurs points.
Soit un ensemble et une fonction. Il existe une topologie sur telle que si et seulement si les deux conditions suivantes sont satisfaites :
La première condition se lit « tout point est très proche de lui-même » tandis que la seconde se lit « pour tout point , tout voisinage de est également voisinage de tous les points qui sont très proches de ».
Si on suppose la première condition, on peut réécrire la seconde en termes de la définition 2.4.16 :
2bis.
qui se lit « pour tout , les points proches de sont les points proches d’un proche de ».
Démonstration : Supposons d’abord que provient d’une topologie . La première condition est claire puisque qu’elle affirme simplement que, pour tout , tout voisinage de contient . Montrons la seconde condition. Soit et un voisinage de . Montrons que est un voisinage de . Il suffit de montrer qu’il contient un voisinage de . Par définition contient un voisinage ouvert de . Ce convient, car on a bien .
Réciproquement, supposons que vérifie les deux conditions de l’énoncé. On pose . Montrons que est une topologie dont les voisinages sont donnés par . Soit . Montrons que la réunion des éléments de est dans . Soit . Par construction de , on obtient tel que . Comme est dans , on obtient . Comme et que est un filtre, on en déduit .
Supposons maintenant fini et montrons que l’intersection des éléments de est dans . Soit . Pour chaque , on obtient et, puisque , . Comme est un filtre et que est fini, on en déduit .
On notera que nous n’avons encore utilisé aucune des deux conditions portant sur . La formule utilisée pour définit toujours une topologie. L’enjeu est de montrer maintenant que les voisinages pour sont bien donnés par . Soit . Montrons que , par double inégalité.
Montrons d’abord que . Soit . La première condition sur fournit , donc on obtient . La seconde condition assure que est dans . Ce contient puisque . Montrons qu’il est contenu dans . Soit . Par définition de , et la première condition appliquée à assure que . Ainsi, on a bien . Montrons que est ouvert, c’est-à-dire . Soit . Montrons que . Par définition de , . La seconde condition appliquée à assure que . Or cet ensemble est exactement par définition de .
Montrons maintenant que . Soit . Montrons que . Par définition des voisinages, on obtient ouvert tel que . Or est un filtre donc il suffit de montrer que . Par définition de , , et il suffit d’appliquer cela à .
Montrons maintenant la reformulation en terme de . On suppose la condition 1. Montrons d’abord que . Soit dans . La condition 1 assure que et l’exercice 2.27 assure que est croissant en les deux arguments donc . De plus étend le sup ordinaire donc . Ainsi la condition 2bis est équivalente à , c’est-à-dire . Cette condition est équivalente à la condition 2 d’après l’exercice 2.27.
Nous aurons besoin de plus de propriétés de la fonction qui, pour fixé, associe à toute topologie le filtre . Pour cela, il est commode de lui trouver un adjoint.
Soit un ensemble et . Pour tout filtre sur , la fonction de dans définie par
est la fonction voisinage d’une topologie notée et dont les ouverts sont les tels que ou . De plus
et, pour toute fonction ,
(où l’image directe du membre de gauche est celle des topologies et celle du membre de droite est celle des filtres).Démonstration : Il suffit de vérifier le critère de la proposition 4.4.4. La première condition est claire. Vérifions la seconde. Notons la fonction de l’énoncé. Soit et . Comme , on a . On distingue selon que ou .
Supposons d’abord que . Il suffit de montrer que . Là encore, on distingue selon que ou pas. Si on a par hypothèse. Sinon et donc puisque .
Supposons maintenant que . L’ensemble est alors dans et tous ses points vérifient .
Ainsi la fonction est bien la fonction voisinage d’une topologie . La description annoncée pour les ouverts de cette topologie est claire vu le lemme 4.4.2 qui assure qu’un ensemble est ouvert si et seulement si il est voisinage de chacun de ses points.
Montrons l’adjonction . Soit un filtre et une topologie sur . En utilisant que on calcule
en utilisant que entraîne .
Enfin vérifions que l’interaction annoncée avec les images directes découle directement des définitions. Soit . Montrons que . Soit un filtre sur .
Pour tout dans , la fonction commute aux inf : pour tout ensemble de topologies sur , on a
De plus la fonction commute aux images réciproques : pour toute fonction et toute topologie sur ,
Enfin cette fonction « commute » à l’engendrement : pour tout ensemble de parties de ,
où le du membre de gauche désigne la topologie engendrée et celui du membre de droite désigne le filtre engendré.
Démonstration : La première affirmation découle directement du lemme précédent, car tout adjoint à droite commute aux infs d’après le théorème 1.4.16.
Pour la seconde affirmation on utilise le corollaire 1.3.15 avec le diagramme
où les adjoints à gauche commutent d’après le lemme précédent.
Montrons maintenant la commutation à l’engendrement, qui est très similaire. Notons (resp. ) l’inclusion de (resp. ) dans . Notons l’application de dans lui-même qui envoie tout ensemble de parties de sur . Ainsi on a d’après le lemme 4.4.5. Notons l’application de dans lui-même qui envoie tout ensemble de parties de sur . On vérifie sans peine, mais en prenant garde aux ordres opposés, que est adjoint à droite de . On peut donc invoquer de nouveau le corollaire 1.3.15, en regardant le diagramme suivant.
La description des voisinages pour la topologie image réciproque est particulièrement importante pour la topologie induite sur une partie.
Soit un espace topologie, une partie de et un point de . On note l’inclusion de dans . On a
La première égalité signifie que l’ensemble des points de très proches de est l’image réciproque par de l’ensemble des points de très proches de . La seconde signifie que l’image directe par de l’ensemble des points de très proches de est l’intersection entre l’ensemble des points de très proches de et l’ensemble . Bien sûr, ce sont deux façons de dire exactement la même chose.L’exercice suivant illustre comment ces formules permettent de remplacer la description explicite des ouverts ou des fermés de la topologie induite.
Soit un espace topologique, une partie de et l’inclusion. Montrer est fermée si et seulement si est fermée (on pourra utiliser le lemme 2.4.22). Montrer est ouverte si et seulement si est ouverte.
Supposons que est fermée et montrons que est fermée. Soit un fermé de . Montrons que est fermé. Soit . Comme et est fermé, donc est dans . Puisque la question est à propos de , il est plus clair d’écrire qu’on obtient tel que . Montrons que et donc . On a
Ainsi donc est dans , c’est-à-dire . Réciproquement si est fermée alors est fermé comme image directe de qui est fermé dans .
Supposons que est ouverte et montrons que est ouverte. Soit un ouvert de . Montrons que est ouvert. Soit . Montrons que .
Réciproquement, si est ouverte alors est ouvert comme image directe de qui est fermé dans .
Il faut se méfier que la formule pour les voisinages de la topologie image réciproque dans le corollaire 4.4.6 n’a pas d’analogue pour la topologie image directe dont les voisinages n’ont pas de description agréable.
Cette formule nous permet de revenir comme promis sur la notion de fonction continue en tout point.
Démonstration : Il s’agit d’une combinaison directe de résultats déjà établis :
Pour finir cette discussion des voisinages, notons qu’on peut également parler des voisinages d’une partie.
Soit une partie d’un espace topologique . Le filtre des voisinages de est
On y pense comme l’ensemble des points très proches de . Vu la description des sup dans , ses éléments sont les ensembles dont l’intérieur contient . Autrement dit, admet comme base l’ensemble des ouverts contenant .Démonstration : Le lemme 2.3.7 assure que donc on fixe et on montre que . Supposons donné avec . On a alors
(en utilisant l’exercice 4.42). Réciproquement, supposons . On a par l’exercice 4.41. Donc et .4.5. Espaces séparés
La notion de voisinage permet de définir la notion de séparation. Nous avons vu que, pour tout point d’un espace topologique , joue le rôle de « l’ensemble des points très proches de ». Il est naturel de se demander si un point de peut être très proche de deux points différents. Cela n’arrive jamais dans un espace métrique, mais c’est systématique pour la topologie grossière (en supposant que l’espace contienne au moins deux points).
Vu le lemme 2.3.7, la condition de séparation est équivalente à demander que, pour chaque paire de points et distincts, il existe et tels que . Mais nous n’auront pas besoin de cette reformulation (qu’on pourrait objectivement qualifier d’alambiquée puisqu’elle double le nombre de quantificateurs mis en jeu).
La condition d’espace séparé admet de nombreuses variantes, mais la définition ci-dessus est exactement la condition qui assure l’unicité des limites.
Soit un ensemble, un filtre non trivial sur , un espace topologique séparé, une fonction. Supposons que tende vers et le long de , c’est-à-dire et . Alors .
Cette propriété caractérise les espaces séparés.
Démonstration : Comme , par l’exercice 2.21. Ainsi on a donc .
Réciproquement, supposons que vérifie cette propriété. Soit et tels que . Comme et , l’hypothèse sur assure que .
En fait la situation n’est pas spécifique aux images directes, comme le montrent la définition et l’exercice ci-dessous.
Soit un espace topologique. Montrer que les conditions suivantes sont équivalentes :
est séparé.
Tout filtre non trivial sur converge vers au plus un point.
Supposons séparé. Soit un filtre non trivial sur qui converge vers et . Par définition de la convergence, et . Ainsi . Par hypothèse donc . Par définition de séparé, on en déduit .
Réciproquement, supposons que tout filtre non trivial converge vers au plus un point. Soit et dans tels que est non trivial. Comme , converge vers . De même, il converge vers . Par hypothèse .
4.6. Topologies initiales et topologie produit
L’objectif de cette section est de construire des topologies à partir d’un cahier des charges mettant en jeu une famille de fonctions ayant pour but ou source des espaces topologiques donnés. Par exemple la topologie produit sera construite en utilisant les projections sur les facteurs d’un produit de façon à obtenir la propriété universelle des produits au sens du chapitre 3.
Soit un ensemble et une famille d’espace topologiques indexée par un ensemble . On note la topologie sur chaque . Soit une famille de fonctions de dans les . La topologie initiale associée à est
Dans le contexte de la définition précédente, est l’unique topologie sur qui vérifie la propriété universelle suivante : pour tout espace topologique , toute fonction est continue si et seulement si tous les sont continues.
De plus est le maximum de l’ensemble des topologies sur pour lesquelles toutes les fonctions sont continues.
Par ailleurs, pour tout , .
Soit un ensemble, un filtre sur , une fonction et . On a
En particulier une suite converge vers si et seulement si, pour tout , la suite converge vers .
Démonstration : Le fait que vérifie la propriété annoncée est une combinaison directe de la proposition 4.3.11 et de l’observation 4.3.4. Le fait que les soient continues provient de cette propriété appliquée à et .
Par ailleurs on a
Montrons l’unicité. Supposons que deux topologies et vérifient cette propriété. Montrons que est -continue (et par symétrie des rôles de et on aura aussi l’autre sens et donc ). On a vu que la propriété de assure que chaque est -continue. La propriété de appliquée à et montre que cela entraîne que est -continue.
La formule pour les voisinages est une application directe du corollaire 4.4.6.
Montrons que la caractérisation de la convergence en découle. Soit un ensemble, un filtre sur , une fonction et un point de . On a
en utilisant la propriété universelle de l’inf, l’adjonction entre image directe et image réciproque et la compatibilité entre image directe et composition.
On verra dans l’exercice 4.48 comment obtenir également des coproduits par une méthode tout à fait analogue. L’exemple 4.11.12 discutera d’autres topologies initiales qui interviennent en analyse fonctionnelle.
On notera que la définition de la topologie initiale combine les deux opérations que nous avons construites en utilisant la technologie du chapitre 1 : l’inf sur les topologies et l’image réciproque. Bien sûr, on pourrait expliciter les ouverts de la topologie initiale. Mais l’approche suivie ici montre que ce serait complètement inutile, en plus d’être assez effrayant (par exemple dans le cas de la topologie produit).
La plupart des sources « définissent » la topologie initiale comme étant « la topologie la moins fine rendant les continues », c’est-à-dire comme le max apparaissant dans la proposition 4.6.2 en étant souvent d’une pudeur remarquable sur l’existence de ce max. Cette pudeur atteint en général un sommet lorsqu’il s’agit de discuter du critère de convergence des suites.
L’utilisation des lemmes précédents pour établir la propriété universelle ci-dessus cache un peu la simplicité de la démonstration basée uniquement sur la définition de borne inférieure, la caractérisation de la continuité en terme d’image directe et réciproque de topologies, l’adjonction entre ces deux opérations et la compatibilité de l’image directe avec la composition :
Soit et deux familles des topologies sur des ensembles et indexées par un même ensemble . En utilisant l’exercice 1.17, montrer que où la croix désigne la topologie produit.
Montrer de plus que, pour toute topologie sur , .
Notons et les projections de sur et respectivement.
en utilisant que l’image réciproque commute aux infs et l’exercice 1.17.
Soit une topologie sur .
en utilisant l’exercice 1.17.
Soit , , et des ensembles. Soit et des fonctions. On note la fonction de dans définie par . On notera que le diagramme suivant commute, les applications verticales étant les projections.
Soit une topologie sur et soit une topologie sur . Montrer que
Attention : la formule analogue avec des images directes est fausse en général.
Démonstration : Soit et des points distincts de . Montrons que . L’hypothèse sur fournit tel que . Comme est séparé, on obtient . On calcule ensuite en utilisant la proposition 4.6.2 et l’exercice 1.17 :
donc .On peut reformuler la condition de séparation en termes de la diagonale dans .
Démonstration : On sait que, pour tout et , donc le résultat est une conséquence directe de la dernière question de l’exercice 2.30 :
En particulier les fonctions continues à valeurs dans un espace séparé vérifient le principe d’extension des égalités :
Cet exercice construit la topologie finale associée à une famille d’applications et en déduit l’existence de coproduits dans la catégorie des espaces topologiques.
Soit une famille d’espaces topologiques et soit une famille de fonctions à valeurs dans un ensemble . Montrer qu’il existe une unique topologie sur vérifiant la propriété universelle suivante : pour tout espace topologique et toute fonction , est continue si et seulement si . Cette topologie est appelée topologie finale associée à .
C’est exactement la même chose que l’argument vu pour la topologie initiale, mais en renversant toutes les flèches (y compris les inégalités).
Supposons que et sont deux solutions. Montrons que . Vu la symétrie de la situation, il suffit de montrer que , ou encore que l’identité de est continue de vers . Vu l’hypothèse sur , il suffit de montrer que, pour tout , est continue de dans . Cette condition est garantie par l’hypothèse sur appliquée à puisque est continue de dans .
Montrons maintenant l’existence. Là encore on suit le chemin utilisé pour la topologie initiale.
donc la topologie convient.
Montrer que la catégorie des espaces topologiques admet de coproduits pour toutes les familles d’objets.
Soit une famille d’espaces topologiques. Les ensembles sous-jacents admettent comme coproduit la réunion disjointe avec les inclusions évidentes. Cet ensemble muni de la topologie finale associée à la famille convient.
4.7. Adhérence et extension par continuité
Pour tout espace topologique , l’opération d’adhérence est une fonction croissante de dans . On va donc bien sûr l’étendre en fonction de dans . Une fois n’est pas coutume, on utilisera également son extension en fonction de dans .
Soit un espace topologique. Les fonctions adhérence et intérieur, de dans lui-même, sont croissantes. Leurs extensions en fonction de dans lui-même par le corollaire 2.4.12 sont aussi appelées adhérence et intérieur, avec la même notation. Un filtre sur est dit fermé si , et ouvert si .
On note l’extension de la fonction adhérence en fonction de dans . D’après le corollaire 2.4.12, on a donc le diagramme
où le rectange commute, , et , mais en général. Pour tout filtre sur , les éléments de sont appelés valeurs d’adhérence de . La formule explicite du théorème 2.4.6 devient ici .
Soit un espace topologique et un filtre sur .
Montrer que puis montrer que est fermé si et seulement si .
On sait que, pour toute partie de , . Comme l’extension aux filtres est croissante, on obtient . Ainsi
Cette dernière condition implique la condition annoncée. En effet, soit . Montrons qu’il existe fermé et contenu dans . Par la condition, on obtient tel que . Mais donc et convient. L’autre implication est claire.- Montrer que puis montrer que est ouvert si et seulement si .
Le début est complètement analogue à la première question et montre la première équivalence ci-dessous :
Cette dernière condition implique la condition annoncée. En effet, soit . La condition appliquée à donne dont la prémisse est vraie puisque convient. La réciproque est claire.
Soit une fonction continue entre espaces topologiques. Pour tout filtre sur ,
- et il y a égalité si est de plus fermée (voir la définition 4.2.1)
Démonstration : Montrons d’abord l’analogue de la première inégalité sur les parties. Soit une partie de . On sait que donc par adjonction on en déduit . Or est fermé et est continue donc est fermé. On a donc et on utilise de nouveau l’adjonction pour avoir . Si est fermée alors est fermé et contient donc on obtient l’autre inégalité. Dans les deux cas, la version sur les filtres en découle immédiatement puisqu’il s’agit d’une inégalité ou égalité entre composées de fonction croissante étendue aux filtres.
Montrons maintenant l’inclusion sur les valeurs d’adhérence. Le corollaire 2.4.12 assure que . En appliquant cela à on obtient
Le cas d’égalité dans la seconde inégalité du lemme précédant est plus subtil et fera l’objet de la section 4.10.
Le lemme suivant donne deux façons alternatives de penser aux valeurs d’adhérence d’un filtre.
Soit un filtre sur un espace topologique , et un point de . Les propriétés suivantes sont équivalentes :
- qui se lit « intersecte l’ensemble des points qui sont proches de ».
- qui se lit « le singleton est inclus dans l’adhérence de la partie généralisée ».
Démonstration : En utilisant la définition 4.7.1 et ses rappels sur le théorème 2.4.6 et son corollaire 2.4.12 on obtient
La notion de valeur d’adhérence est liée à celle de filtre convergent introduite dans la définition 4.5.3.
Démonstration : Dans les deux cas, on utilise la seconde caractérisation du lemme 4.7.3.
Soit non trivial qui converge vers un point . On a donc et donc est valeur d’adhérence de .
Si on suppose que est un ultrafiltre ayant comme valeur d’adhérence alors force puisque est un ultrafiltre. Ainsi, on a bien .
Par construction, la définition de valeur d’adhérence d’un filtre généralise la notion d’adhérence d’une partie : pour toute partie , . Le lemme suivant montre qu’elle généralise également la notion de valeur d’adhérence d’une suite.
On remarquera que l’énoncé précédent ne dit pas que les limites des suites extraites sont les seules valeurs d’adhérence de ni que toute valeur d’adhérence de est une limite de suite. En effet, ces deux énoncés sont faux en général. Il est important de comprendre pourquoi ces subtilités n’apparaissent pas dans le cadre des espaces métriques. Pour cela, on a besoin de deux définitions.
On dit que est à base dénombrable s’il admet une base qui est une partie dénombrable.
On dit qu’un espace topologique est à base dénombrable de voisinages si chacun de ses filtres de voisinages est à base dénombrable.
Lorsqu’un filtre sur un ensemble admet une base dénombrable, on peut toujours supposer qu’il s’agit de l’image d’une fonction , quitte à utiliser comme valeur pour certains entiers.
Dans cet exercice, on explore le lien entre valeur d’adhérence et suites pour les filtres à base dénombrable. Soit un ensemble.
Montrer que si est un espace métrique alors tout point admet une base dénombrable de voisinages.
Les boules centrées au point et de rayon conviennent.Soit un filtre sur . Montrer que si admet une base dénombrable alors il admet une base décroissante.
Soit une base de . On définit par . Il s’agit d’une suite décroissante. Montrons que c’est une base de . Chaque est voisinage de , car c’est une intersection finie de voisinages de . Soit . Par hypothèse, on obtient tel que . On a .
Dans la suite de cet exercice, on suppose muni d’une topologie. Soit une partie de et un élément de l’adhérence de . Montrer que si est à base dénombrable alors il existe une suite d’éléments de qui tend vers .
La question précédente fournit une base décroissante pour . Par hypothèse donc le lemme 2.3.7 assure que tous les sont non vides. L’axiome du choix permet donc de construire telle que . Montrons que convient. On sait déjà que est à valeurs dans , il suffit donc de montrer qu’elle tend vers . Soit un voisinage de . Montrons qu’il existe tel que . Comme est une base , on obtient tel que . Montrons que convient. Soit . On a , et est décroissante donc .Soit une suite et . On suppose que est à base dénombrable et que est valeur d’adhérence de . Montrer qu’il existe une sous-suite de qui tend vers (cette question est plus difficile que les autres).
Soit une base décroissante de voisinages de fournit par l’hypothèse sur et la question précédente.
L’hypothèse de valeur d’adhérence signifie que, pour tous et , . En particulier pour tous et dans , . On en déduit par récurrence l’existence de strictement croissante telle que . Montrons que tend vers . Soit un voisinage de . On veut tel que . Comme est une base, on obtient tel que . Montrons que ce convient. Soit . On sait que . Or est décroissante donc donc
Pour conclure sur le lien entre valeur d’adhérence de suites et de filtres, il faut noter que, même dans le cas des espaces métriques, la bonne notion est celle donnée par les filtres. En effet, l’ensemble des valeurs d’adhérence d’une suite à valeurs dans un espace métrique n’est pas l’adhérence de son image . C’est l’adhérence de , l’image par de « l’ensemble des très grands entiers naturels ».
La notion d’adhérence d’un filtre joue un rôle crucial dans la définition suivante qui donne le cadre naturel du théorème d’extension par continuité
Soit , et des espaces topologiques, , et
Si
- est
- l’image de est dense dans
alors est continue.
Si de plus
- est séparé
- est continue
alors . On notera que toutes les conditions sur sont vraies en particulier si est l’inclusion d’un sous-ensemble dense de muni de la topologie induite (mais l’énoncé général ci-dessus ne fait aucune hypothèse d’injectivité de ).
Démonstration : On suppose la première série de conditions. On commence par observer que l’hypothèse que est dense se reformule en d’après l’exercice 2.28 qui assure que et l’exercice 2.21 qui assure que . En particulier, l’hypothèse assure que, pour tout , est valeur d’adhérence de , ce que le lemme 4.7.3 reformule en .
Soit dans . Montrons que est continue en en calculant
Supposons maintenant de plus la deuxième série d’hypothèses. Soit dans . Montrons que . Comme est séparé, il suffit de montrer que . On sait déjà que par la première série d’hypothèses. L’hypothèse que et le corollaire 4.4.6 assurent que . Ainsi la continuité de en se reformule en , ce qui montre que .
Soit une application entre espaces topologiques telle que et l’image de est dense. Soit une fonction continue à valeurs dans un espace topologique régulier. On suppose que . Alors il existe une unique fonction continue telle que .
On notera que, dans le cas où est l’inclusion d’une partie de , l’hypothèse se lit « pour tout , admet une limite lorsque tend vers en restant dans ».
Les hypothèses du corollaire couvrent par exemple le cas où est l’inclusion du complémentaire d’un point dans et admet une limite (épointée) en ce point, ou bien le cas où est l’inclusion d’une partie dense dans un espace métrique, est uniformément continue et est complet (en fait, dans ce cas, on peut même montrer que est uniformément continue).
4.8. Compacité
Cette section aborde l’étude de la notion cruciale de compacité. La profondeur de cette notion apparaitra dès le début par l’abondance de définitions équivalentes. De plus le point de vue des filtres y est particulièrement puissant.
Soit un espace topologique et une partie de . Les conditions suivantes sont équivalentes.
Propriété de sous-recouvrement fini, dite de Borel-Lebesgue : Pour tout ensemble d’ouvert de ,
Propriété d’intersection finie non vide : Pour tout ensemble de fermés de ,
- Propriété de Bolzano-Weirstraß : Tout filtre non trivial admet une valeur d’adhérence qui appartient à (toute « partie généralisée contenue dans » admet une valeur d’adhérence dans ).
- Propriété de Bolzano-Weirstraß pour les ultrafiltres : Tout ultrafiltre converge vers un point de (tout « singleton généralisé de est proche d’un point ordinaire de »).
Propriété de distributivité : Pour tout filtre sur ,
(« l’ensemble des ensembles de points proches d’un point de se comporte comme un ensemble fini dans la distributivité de l’inf sur le sup »). On notera que est le filtre des voisinages de , mais l’écrire ainsi cache la distributivité.Principe de récurrence : pour tout prédicat sur , si
alors .
Démonstration : Nous allons montrer les implications et équivalences du diagramme suivant.
6 ⇒ 1). Supposons le principe de récurrence et montrons la propriété de Borel-Lebesgue. Soit un ensemble d’ouverts qui recouvrent . Soit le prédicat qui associe à tout l’énoncé « il existe fini tel que ». Notre objectif est et nous avons supposé 5) donc il suffit de vérifier les quatre conditions sur . Pour i), convient. Pour ii), soit tels que . L’hypothèse fournit qui convient également pour . Pour iii), soit et tels que et , ce qui fournit pour et pour . La réunion convient pour . Pour iv), soit . Comme recouvre on obtient tel que . Montrons que convient. Comme est ouvert, donc . De plus car convient.
1 ⇒ 2) est un simple passage au complémentaire pour passer des ouverts aux fermés et une contraposition (en utilisant également que, pour toute partie de , ).
2 ⇒ 3). Supposons la propriété d’intersection finie non vide et montrons Bolzano-Weirstraß. Soit un filtre non trivial. Montrons que l’ensemble des valeurs d’adhérence de n’est pas vide. Le lemme 4.7.3 assure que cet ensemble est . Par hypothèse il suffit de montrer que toute intersection finite dans cette famille est non vide. Or, pour chaque , donc et donc toute intersection finie de tels ensembles est dans . Comme n’est pas trivial, .
3 ⇒ 4) provient directement du lemme 4.7.4 qui assure qu’un ultrafiltre ayant une valeur d’adhérence converge (en n’oubliant pas que, par définition, un ultrafiltre n’est jamais trivial).
4 ⇒ 3). Supposons que tout ultrafiltre sur converge. Soit un filtre non trivial sur . Le théorème 2.5.6 fournit un ultrafiltre tel que . Par hypothèse sur , on obtient tel que . On a alors et donc est valeur d’adhérence de .
6 ⇒ 5) Supposons le principe de récurrence et montrons la propriété de distributivité. Soit un filtre sur . Comme la fonction est croissante, le lemme 1.4.15 assure que . Montrons que notre hypothèse assure l’autre inégalité. Soit . On considère le prédicat sur qui à toute partie associe l’énoncé . Notre but est de montrer . Vérifions donc les quatre conditions du principe de récurrence. i) La condition est vraie, car et contient toutes les parties. ii) Soit tels que . On a et donc . iii) Soit et tels que et . On a . Et une partie est élément d’un sup d’ensemble de filtres si et seulement si elle est élément de tous ces filtres (cela fait partie du théorème 2.3.3) donc on a . iv) Soit . Comme , le lemme 2.3.7 fournit et tels que . En particulier donc contient ouvert. Montrons que convient. Il est dans donc dans . Montrons que , c’est-à-dire . On sait que et ∈ donc il suffit de montrer que , c’est-à-dire , ce qui est vraie car est ouvert.
5 ⇒ 3) Supposons maintenant la distributivité et montrons la propriété de Bolzano-Weirstraß. Soit non trivial. Supposons par l’absurde . On a alors
ce qui est absurde.
3 ⇒ 6) Supposons la propriété de Bolzano-Weirstraß et montrons le principe de récurrence. Soit un prédicat sur vérifiant les quatre propriétés listées. On pose . Les trois premières propriétés de assurent exactement que est un filtre. On veut montrer , c’est-à-dire ou encore (en utilisant le lemme 2.3.7). Supposons par l’absurde que . Notre hypothèse 3) fournit . L’hypothèse iv) sur fournit tel que , c’est-à-dire ou encore . On a donc , ce qui contredit .
Si une partie d’un espace topologique vérifie une des conditions équivalentes de la proposition 4.8.1, on dit que est quasi-compact. Si de plus est séparé (pour la topologie induite), on dit que est compact.
On dit qu’un espace est (quasi-)compact s’il l’est en tant que partie de lui-même.
Dans le cas de l’espace entier, les conditions de la proposition 4.8.1 se simplifient comme dans l’énoncé suivant.
Un espace topologique est quasi-compact si et seulement si l’un des conditions équivalentes suivantes est vraie.
Pour tout ensemble d’ouvert de ,
Pour tout ensemble de fermés de ,
- Tout filtre non trivial sur admet une valeur d’adhérence.
- Tout ultrafiltre sur est convergent.
Pour tout filtre sur ,
On a le principe de récurrence suivant sur : pour tout prédicat sur , si
alors .
L’existence de nombreuses définitions équivalentes montre déjà la richesse de la notion de compacité. Dans chaque situation demandant de montrer ou d’utiliser de la compacité, il faut choisir la condition la plus adaptée au problème, même si bien sûr l’équivalence des conditions assure qu’on peut toujours s’en sortir. Un autre thème classique est que les conditions en termes de valeur d’adhérence de filtres permettent de généraliser les démonstrations utilisant les suites des espaces métriques aux espaces topologiques généraux. Nous allons maintenant voir des exemples illustrant ces thèmes.
Commençons par un exemple qui se prête bien à l’utilisation des recouvrements par des ouverts ou à celles des filtres.
Démonstration : Soit une fonction continue entre espaces topologiques. Soit une partie quasi-compacte. Montrons que est quasi-compacte.
On commence par une démonstration via les recouvrements ouverts. Soit un recouvrement ouvert de . Comme est continue, est une famille d’ouverts. En utilisant l’unité de l’adjonction et le fait que commute aux unions et est croissante, on calcule
donc recouvre . Comme est quasi-compacte, on obtient finie telle que . En utilisant que l’image directe commute aux unions et la co-unité de l’adjonction , on calcule
donc la restriction de à recouvre .
Comme intermède, voyons comment démontrer cela à l’aide de suites en supposant que et sont des espaces métriques. Soit une suite. Montrons que admet une valeur d’adhérence. La définition de et l’axiome du choix permettent d’obtenir une suite telle que . Comme est compacte, on obtient une extraction telle que converge vers une limite dans . La continuité de assure alors que converge vers qui est bien dans .
Voyons maintenant comment adapter le paragraphe précédent au cas général en remplaçant les suites par des filtres. Soit un filtre sur tel que . Montrons qu’il existe tel que . Le filtre n’est pas trivial car (en utilisant le lemme 2.4.22 et l’hypothèse ). L’hypothèse sur et la remarque 4.8.3 fournissent donc . Ce convient, car est continue donc le lemme 4.7.2 assure (la deuxième inclusion vient de la co-unité de et de la croissante de ).
On notera une différence avec l’utilisation des suites : il n’y a pas d’analogue du choix arbitraire de la suite relevant dans . Dans le cas des filtres, le filtre est là sans se poser de questions.
Voyons maintenant un exemple dans lequel la condition sur les familles de fermées est particulièrement naturelle à utiliser, mais où de nouveau la condition sur les valeurs d’adhérence de filtres permet d’écrire une variante de la démonstration via les suites.
Démonstration : Soit un espace topologique un fermé de et un quasi-compact de . Le lemme 4.5.4 assure qu’une partie d’un espace séparé est séparée donc il reste à comprendre la quasi-compacité de . Il est commode de passer par la propriété d’intersection finie non vide. Soit une famille de fermés de indexée par un ensemble . On suppose que, pour tout fini, . On peut réécrire cette condition comme . Comme est fermé, les sont également fermés donc la compacité de assure que , et on peut ressortir de la grande intersection pour conclure.
Comme intermède, voyons la démonstration séquentielle utilisable dans les espaces métriques. Soit une suite. Montrons que admet une sous-suite qui converge dans . La (quasi-)compacité de fournit une extraction et tels que tend vers . Comme est fermé et que est à valeurs dans , on obtient .
Voyons maintenant comme les filtres permettent d’adapter cette démonstration au cas général. Soit un filtre sur tel que . Montrons que admet une valeur d’adhérence dans . On a et . La quasi-compacité de fournit .
La démonstration par les filtres est plus simple que celle par les suites, car la notion de valeur d’adhérence d’un filtre est plus simple que celle de suite extraite et plus directement liée à l’adhérence des parties. En effet, la notion de valeur d’adhérence d’une suite n’est pas équivalente à celle de valeur d’adhérence de l’image de cette suite.
Une des raisons principales qui font inclure la séparation dans la définition de la compacité est le résultat suivant.
Dans le résultat précédent, il faut une hypothèse sur . Par exemple si est grossier et contient au moins deux points, tout singleton est quasi-compact mais pas fermé.
Les trois lemmes précédents ont le corollaire suivant qui est souvent très commode (on rappelle que la remarque 4.2.2 assure qu’une bijection continue entre espaces topologiques n’est pas nécessairement un homéomorphisme).
Comme dernier exemple d’utilisation de la propriété de Bolzano-Weirstraß, montrons le lemme suivant.
Dans la démonstration de la proposition 4.8.1, la condition 4) n’a permis d’atteindre les autres conditions que via le théorème 2.5.6 et donc l’axiome du choix. Cette condition joue donc un rôle particulièrement puissant. L’exemple le plus célèbre dans lequel on ne peut pas se passer de cette puissance est la démonstration suivante.
Le principe de récurrence semble de nature assez différente des autres conditions, mais nous avons vu qu’il est facile de le relier aux conditions de Borel-Lebesgue et Bolzano-Weirstraß (les autres implications avec ces deux conditions sont d’ailleurs faciles à montrer directement). On peut aussi noter que la première condition est presque toujours redondante, la seule exception étant le cas où est vide. Mais, en pratique, elle ne coûte jamais rien à vérifier.
Voyons tout de suite un exemple de situation dans laquelle ce principe de récurrence est le plus commode à utiliser lorsqu’on sait qu’un espace est quasi-compact (cette condition est toujours utilisée lorsqu’on sait qu’un espace est quasi-compact, pas pour montrer qu’un espace est quasi-compact).
Démonstration : On note le prédicat sur qui à tout associe l’énoncé « il existe tel que toute boule centrée en un point de et de rayon au plus est dans un des ». Nous voulons montrer que par récurrence sur les parties de qui est compact. Vérifions les quatre conditions.
- est clair : n’importe que convient.
- Soit tels que . L’hypothèse sur fournit un qui convient également pour .
- Soit et tels que et . L’hypothèse sur fournit , l’hypothèse sur fournit et convient pour .
- Soit . Comme recouvre , on obtient tel que . Comme est ouvert, on obtient tel que . Montrons que convient. On a bien . Pour montrer , montrons que convient. Soit et . L’inégalité triangulaire assure que est contenue dans donc dans .
Le but de cet exercice est de démontrer le théorème de Heine-Cantor en utilisant le principe de récurrence pour les parties d’un espace compact. Soit et deux espaces métriques. On suppose que est compact. Soit une fonction continue de dans . On veut montrer que est uniformément continue. On fixe et considère le prédicat sur les parties de qui associe à l’énoncé
Montrer que ce prédicat vérifie les conditions du principe de récurrence et conclure.
La conclusion souhaitée est . Comme est compact, il suffit de vérifier que satisfait les quatre hypothèses du principe de récurrence.
On a , car convient. Soit et des parties de . Supposons et . L’hypothèse fournit un qui convient pour dans donc convient aussi pour dans . Le fait que ces deux premières vérifications soient triviales est typique dans l’application de cette méthode. On attend ensuite une petite augmentation du contenu pour la troisième vérification et le cœur de l’affaire pour la quatrième.
Supposons et et montrons . Ces hypothèses fournissent et respectivement, et convient pour .
Montrons maintenant la dernière condition. Soit . La continuité de en fournit tel que . On pose . Il s’agit d’un voisinage de . Montrons que . Montrons que convient. Soit tels que . Comme , . De plus , donc on a également . Et donc .
Comparer avec la démonstration correspondante via le principe de sous-recouvrement fini.
Par rapport à une démonstration utilisant la propriété de Borel-Lebesgue, le paragraphe précédent est commun aux deux approches. Ensuite la démonstration basée sur Borel-Lebesgue recouvrirait par des munis d’un , extrairait un sous-recouvrement fini, utiliserait le minimum de l’ensemble des correspondant, et conclurait avec plus ou moins de détails selon l’humeur (plutôt moins en général). On voit que la démonstration de l’implication de Borel-Lebesgue vers le principe de récurrence abstrait la partie rébarbative de l’argument. Le cœur de la démonstration, la partie qui dépend vraiment de l’objectif spécifique, reste bien sûr présent dans les deux preuves.
Les parties quasi-compactes d’un espace topologique permettent de définir un filtres des points lointains, sans utiliser de relation d’ordre.
Soit un espace topologique. L’ensemble des complémentaires des parties quasi-compact de est filtrant. Ainsi l’ensemble des qui contient le complémentaire d’une partie quasi-compacte est un filtre sur (lemme 2.2.6). On l’appelle le filtre cocompact de et on le note (cette notation n’est pas universelle). On y pense comme la partie généralisée des points de qui sont lointains.
Ce filtre est trivial si et seulement si est quasi-compact.
Démonstration : Cet ensemble n’est pas vide car il contient puisque est quasi-compact. Soit et quasi-compacts. On a et est quasi-compact par le lemme 4.8.9 donc on a bien un ensemble filtrant.
Par l’exercice 2.21, est trivial si et seulement si , c’est-à-dire s’il existe quasi-compact tel que . Or la seule partie dont le complémentaire est inclus dans est .
Le lemme suivant généralise le fait que si une suite converge vers un point alors est quasi-compact.
Dans le cas des fonctions continues entre espaces séparés, le fait d’envoyer les points lointains sur des points lointains est équivalentes à demander que l’image réciproque d’un compact est compact.
Soit une fonction continue entre espaces topologiques séparés. On a
Démonstration : Par construction des filtres de points lointains, . L’adjonction et le fait que l’image réciproque commute aux complémentaires permettent de réécrire en .
Supposons cette condition . Soit un compact de . Montrons que est compact dans . Par hypothèse, on obtient compact tel que . Comme et sont séparés, et sont fermés d’après le lemme 4.8.7. Comme est continue est fermé. Donc est un fermé inclus dans un compact donc un compact d’après le lemme 4.8.6.
Réciproquement supposons que les images réciproques des compacts sont compacts. Soit compact. Par hypothèse, convient.
L’étude de cette condition se poursuivra dans la section 4.10.
4.9. Espaces localement compacts
L’exemple crucial à garder en tête est fourni par le critère de compacité de Riesz : un espace vectoriel normé sur ou est localement compact si et seulement si il est de dimension finie. Ceci dit ce n’est pas la seule obstruction à être localement compact. Par exemple , muni de la topologie induite par celle de , n’est pas localement compact. En effet, toute partie d’intérieur non vide peut y être partitionnée en une infinité d’ouverts, en utilisant une suite strictement croissante d’irrationnels dans et en utilisant les ouverts . Cela contredit la propriété de Borel-Lebesgue.
Dans la définition ci-dessus, le fait d’insister sur la séparation de est traditionnel, mais pas complètement universel (il est donc prudent d’utiliser le pléonasme « localement compact séparé » pour éviter toute ambigüité). Cette condition est cruciale dans le lemme 4.9.2.
Démonstration : Soit un point de et un voisinage de . On veut montrer que contient un voisinage compact de . Sans perte de généralité, on peut supposer que est ouvert. Par hypothèse, on obtient compact (mais pas contenu dans a priori). On pose . Comme est fermé et compact, est compact par le lemme 4.8.6.
Il suffit de trouver tel que puisqu’on aura alors qui sera un voisinage compact de disjoint de donc inclus dans . D’après le lemme 4.4.10, il s’agit donc de montrer que . La quasi-compacité de assure la condition de distributivité . Or, puisque et est séparé, on a pour tout dans . Donc le sup est trivial aussi.
Un des avantages des espaces localement compact est qu’ils sont faciles à compactifier, en ajoutant simplement un point. Dans cette construction on utilisera que notre définition d’espace localement compact suppose la séparation. Sans cette condition, il faudrait se restreindre aux compacts fermés dans la définition du filtre des points lointains (et la construction serait moins intéressante de toute façon).
Soit un espace topologique séparé. Le compactifié d’Alexandrov de est l’ensemble où désigne un point qui n’est pas dans . On note l’inclusion de dans . La fonction définie par
est la fonction voisinage d’une topologie sur . La première équation se lit « les points proches de dans sont les points proches de dans ». La deuxième équation se lit « les points proches de dans sont et les points de qui sont lointains ».Démonstration : Il s’agit de vérifier les conditions de la proposition 4.4.4. Montrons d’abord que . Soit . La proposition 4.4.4 appliquée à la topologie de assure que . On applique la fonction croissante à cette inégalité et on utilise que « commute à » pour obtenir . Le cas de est clair par définition du sup.
Montrons maintenant que . Soit et . On a donc . La remarque 2.4.18 montre que est équivalent à la condition analogue sur . Voyons maintenant le cas de . Soit . Par définition, et . Ainsi, on obtient quasi-compact tel que . Comme est séparé, est fermé donc est ouvert donc voisinage de chacun de ses points. On en déduit que , et .
Soit un espace topologique.
- Si n’est pas quasi-compact alors est dense dans .
- L’espace est quasi-compact.
- Si est localement compact alors est séparé (et donc compact).
Démonstration : Dans cette démonstration, on utilisera plusieurs fois que commute aux infs car est injective (ce qui suffit d’après le lemme 2.4.23).
Supposons que n’est pas quasi-compact et montrons que est dense dans . Le seul point qui n’est pas dans est . Il suffit donc de vérifier que . Or . Le lemme 4.8.12 assure que n’est pas trivial (et donc son image par non plus d’après l’exercice 2.21).
La quasi-compacité de est un cas particulier du lemme 4.8.14 puisque est continue et par construction.
Supposons maintenant que est localement compact. Soit et deux points distincts de . Comme est séparé, donc . Il reste à montrer que, pour tout , . Soit . Comme est localement compact, on obtient un voisinage de compact. Ainsi est un voisinage de qui n’intersecte pas qui est un voisinage de , donc par le lemme 2.3.7.
Soit une fonction continue entre espaces topologiques et . On suppose que est localement compact et que est séparé. Si alors il existe une fonction continue et telle que . Si n’est pas compact, cette fonction est unique : c’est l’extension de qui envoie sur .
Si est compacte et est injective et d’image alors est un homéomorphisme. En particulier les conclusions du lemme 4.9.4 caractérisent modulo unique homéomorphisme.
Démonstration : Si n’est pas compact, le lemme 4.9.4 assure que est dense dans donc l’unicité de découle de sa continuité, de et du fait que est séparé via le lemme 4.6.6. Il suffit donc de montrer (dans tous les cas) que l’extension envoyant sur est continue. Montrons d’abord la continuité en tout point de . Soit . On a . Montrons maintenant la continuité en .
où la dernière ligne utilise que et sont tous deux inférieurs à .
Supposons maintenant que est compacte et est injective et d’image Dans ce cas est bijective de vers et c’est donc un homéomorphisme d’après le lemme 4.8.8.
Démonstration : Notons l’inclusion de dans . L’extension proposée est l’extension de au sens de la proposition 4.9.5. Il suffit donc de montrer que . Or par hypothèse sur et définition de .
Supposons maintenant que est un homéomorphisme. En particulier est également localement compact donc est compact d’après le lemme 4.9.4 et on conclut par la seconde partie de la proposition 4.9.5.
4.10. Applications propres
Dans cette section, on étudie les fonctions continues propres, c’est-à-dire qui « tendent vers l’infini en l’infini ». Cette condition est importante par exemple dans l’étude des actions de groupes continues ou bien dans l’étude des familles d’espaces topologiques paramétrées par un espace topologique. La version naïve de cette condition à l’infini est de demander que l’image réciproque de tout compact soit compacte, comme dans le lemme 4.8.15. Mais cette condition est trop faible si l’espace d’arrivée n’a pas suffisamment de parties compactes. La définition 4.10.6 donnera la bonne condition dans le cas général et le lemme 4.4.2 donnera plusieurs façons de caractériser les applications propres, selon qu’on suppose ou pas que l’espace d’arrivée a suffisamment de compacts.
Mais d’abord, nous allons éclaircir la condition « avoir suffisamment de parties compactes ». La définition est un peu technique, mais elle assure des propriétés très agréables. Les deux exemples à garder en tête sont les espaces métriques et les espaces localement compacts (voir le lemme 4.10.4 et le lemme 4.10.5).
Soit un espace topologique. On dit que est compactement engendré si sa topologie est la topologie finale associée à l’inclusion de ses parties quasi-compactes :
où est l’inclusion de dans .
Vu la co-unité de l’adjonction entre image directe et image réciproque et la définition du sup, cette condition équivaut à , c’est-à-dire
ou encore à la condition analogue avec des fermés à la place des ouverts.
Dans la définition, on peut remarquer que est vu comme partie de donc peut être dit de façon moins concise comme « est ouvert dans muni de la topologie induite ».
L’idée de cette définition est de demander que les parties quasi-compactes de suffisent à explorer la topologie de . Nous allons voir deux exemples : dans le premier les compacts qui interviennent sont les images de suites convergentes et leurs limites, dans le second ce sont les voisinages compacts.
Soit un espace topologique. Une partie de est dite séquentiellement ouverte si toute suite qui converge vers un point de est à valeurs dans à partir d’un certain rang : . Montrer qu’une partie de est séquentiellement ouverte si et seulement si son complémentaire est séquentiellement fermé. Montrer que les ouverts sont séquentiellement ouverts et que est séquentiel si et seulement si la réciproque est vraie.
Supposons que est séquentiellement ouverte et montrons que est séquentiellement fermé. Soit une suite d’éléments de qui converge vers . Montrons que . Supposons que . Comme est séquentiellement ouvert, on obtient tel que , ce qui contredit .
Réciproquement, supposons que est séquentiellement fermé. Montrons que est séquentiellement ouvert. Soit une suite d’éléments de qui converge vers . Supposons par l’absurde que . On peut alors construire par récurrence strictement croissante telle que . Comme tend vers , tend vers . Comme est séquentiellement fermé, , ce qui est absurde.
Montrons maintenant que les ouverts sont séquentiellement ouverts. Soit un ouvert. Par définition est fermé et nous avons vu que cela implique que est séquentiellement fermé. D’après le paragraphe précédent, cela implique que est séquentiellement ouvert.
Tous ces résultats se combinent clairement pour montrer qu’un espace est séquentiel si et seulement si ses ouverts séquentiels sont ouverts.
Démonstration : Soit un espace topologique localement compact. En particulier est séparé donc les parties quasi-compactes de sont ses parties compactes et elles sont fermées. Montrons que est compactement engendré. Soit une partie de telle que, pour tout compact dans , est fermé. Montrons que est fermé. Soit . Montrons que . Comme est localement compact, on obtient un voisinage compact de . Comme est séparé, le lemme 4.8.7 assure que est fermé et donc l’exercice 4.44 assure que est fermée. On a donc . Or
donc on a bien .Après ces préliminaires sur les espaces compactement engendrés, on peut revenir à l’objectif principal de cette section qui est l’étude des applications propres.
On dit qu’une application continue entre deux espaces topologiques et est propre si, pour tout filtre sur , .
D’après le lemme 4.7.2, l’inclusion est vraie pour toute fonction continue donc la condition ajoutée est que toute valeur d’adhérence de est l’image par d’une valeur d’adhérence de .
Soit une fonction continue entre espaces topologiques. Les conditions suivantes sont équivalentes :
- est propre
- pour tout ultrafiltre sur , toute limite de est image par d’une limite de .
- est fermée et .
Si ces conditions sont satisfaites alors
Si de plus est séparé et compactement engendré alors 4. est également équivalent à 1., 2. et 3.
Démonstration : Comme expliqué dans la définition, la condition propre équivaut à . Montrons l’équivalence avec la condition sur les ultrafiltres. Supposons propre. La condition sur les ultrafiltres en découle immédiatement puisque, d’après le lemme 4.7.4 les valeurs d’adhérence d’un ultrafiltre sont ses limites. Réciproquement supposons la condition sur les ultrafiltres. Montrons que est propre. Soit un filtre sur et une valeur d’adhérence de . On a par le lemme 2.4.22 donc par l’exercice 2.21. Le théorème 2.5.6 fournit un ultrafiltre tel que . On a donc . Notre hypothèse fournit donc tel que et . Ce convient, car donc , et n’est pas trivial, car c’est un ultrafiltre.
Montrons maintenant l’équivalence de 1 et 3. Supposons que est propre. Le lemme 4.10.7 et la compacité des singletons assurent que est à fibres quasi-compactes (ie ). Il reste donc à voir que est fermée. Soit un fermé de . On calcule
donc est fermée.
Réciproquement, supposons la condition 3 et montrons que est propre. Soit et . Montrons qu’il existe tel que . Notons l’inclusion de dans . Il suffit de montrer que est non triviale puisque alors la quasi-compacité de fournit une valeur d’adhérence de dans et (en effet puisque c’est vrai sur les parties). Pour montrer , il suffit de montrer que . Or
Nous avons déjà vu dans le lemme 4.10.7 que la propreté de implique la condition 4. Il reste à voir que la réciproque est vraie en supposant que soit séparé et compactement engendré. On suppose donc la propriété 4 et on montre la propriété 3. Les singletons étant quasi-compacts, il suffit de montrer que est fermé. Soit un fermé de . Montrons que est fermé. Soit un quasi-compact de , montrons que est fermé. Par hypothèse, est quasi-compact. Comme est fermé, est également quasi-compact par le lemme 4.8.6. Son image par continue est donc quasi-compacte par le lemme 4.8.5, donc fermée par le lemme 4.8.7 puisque est séparé. Or donc est bien fermée, car est continue et .
4.11. Algèbre topologisée
Cette dernière partie de chapitre est consacrée aux structures algébriques munies d’une topologie compatible. Le but principal est d’étudier les espaces vectoriels munis d’une topologie ne provenant pas d’une norme (ni même d’une distance) afin de récupérer de la compacité. Mais, au passage, nous verrons également qu’un certain nombre de propriétés bien connues des espaces vectoriels normés sont en fait bien plus générales. Comme d’habitude, la généralité n’est pas un but en soi, elle vise à mieux comprendre ce qui fait fonctionner les choses.
Un groupe topologique est un groupe muni d’une topologie telle que la multiplication et l’inversion sont des fonctions continues.
Un anneau topologique est un anneau muni d’une topologie telle que l’addition, la soustraction et la multiplication sont des fonctions continues.
Un corps topologique est un corps muni d’une topologie qui en fait un anneau topologique et telle que l’inversion est continue (sur le complémentaire de zéro).
Un module topologique est un groupe topologique (additif) qui est un module sur un anneau topologique et tel que la multiplication scalaire est continue.
Un espace vectoriel topologique est un groupe topologique (additif) qui est un espace vectoriel sur un corps topologique et tel que la multiplication scalaire est continue.
Il est bien connu qu’une application linéaire entre espaces vectoriels normés est continue si (et seulement si) elle est continue en zéro. Montrons que ce résultat n’a rien à voir avec les espaces vectoriels ou les normes. La clef est que, dans un groupe topologique, les voisinages de tous les points sont liés par les translations (disons à gauche) et que les morphismes de groupes commutent aux translations. Les translations sont continues puisque la multiplication est continue. Et l’inverse d’une translation est donc est un homéomorphisme. Nous aurons besoin d’un résultat général sur les homéomorphismes.
Nous pouvons maintenant démontrer le critère de continuité annoncé.
Démonstration : Supposons que est continue en , c’est-à-dire puisque . Soit . Montrons que est continue en . Comme est un morphisme de groupes, on a et on peut utiliser le corollaire précédent pour calculer
en utilisant que est croissante.On se concentre maintenant sur le cas des espaces vectoriels topologiques (evt). Il est bien connu qu’une application linéaire entre espaces vectoriels normés est continue dès qu’elle est bornée sur la boule unité. Pour montrer que cela n’a rien à voir avec les normes, il faut définir une notion d’ensemble borné dans un evt.
Soit un corps topologique et un -evt. On dit qu’une partie de est bornée (au sens de von Neumann) si
où .Il faut se méfier du fait que le lemme précédent n’est pas une équivalence. En général, il peut n’y avoir aucun voisinage borné de zéro dans un evt.
L’objectif suivant est de montrer que la topologie initiale associée à une famille d’applications linéaires à valeur dans des evt est une topologie d’evt. Nous allons décomposer cela en deux petits lemmes concernant les ingrédients entrant dans la définition de la topologie initiale (inf et image réciproque) précédés d’un lemme général simplifiant ce genre de résultats.
Démonstration : Montrons la continuité de l’addition. On utilise la caractérisation en terme d’image réciproque de topologie. On a
Montrons de même la continuité de la multiplication scalaire. On a
Démonstration : Montrons d’abord que l’addition est continue, en utilisant l’observation 4.3.10 et l’exercice 4.46.
Montrons maintenant que la multiplication scalaire est continue, en utilisant l’observation 4.3.10 et l’exercice 1.17.
On peut maintenant assembler les morceaux pour obtenir le résultat promis.
Soit un evt. On note l’espace vectoriel des formes linéaires continues sur .
La topologie initiale associée à la famille des éléments de est appelée topologie faible sur . La proposition 4.6.2 assure qu’une suite converge vers un élément pour cette topologie si et seulement si, pour toute forme linéaire continue sur , converge vers .
Remarque : dans le cas où est ou et où est un evn de dimension finie, la topologie faible sur est en fait la topologie usuelle. Ainsi cette construction n’a d’intérêt qu’en dimension infinie. En effet, on sait que muni de la topologie de la norme est homéomorphe à muni de la topologie produit et que toutes les formes linéaires sur sont continues pour cette topologie. Donc il suffit de montrer que la topologie initiale associée aux formes linéaires sur est la topologie produit, autrement dit la topologie initiale associée aux projections sur les facteurs. Montrons que ces deux topologies vérifient la même propriété universelle de la proposition 4.6.2. Soit un espace topologique et une fonction. Montrons que
L’inclusion de la gauche vers la droite est claire, car les sont des formes linéaires. Pour la réciproque on utilise que tout est combinaison linéaire des , et qu’une combinaison linéaire de fonctions continues à valeurs dans est continue.
- La topologie initiale associée à la famille des évaluations pour est appelée topologie faible- sur . La proposition 4.6.2 assure qu’une suite converge vers un élément pour cette topologie si et seulement si, pour tout , converge vers . Là encore, cette notion n’a d’intérêt qu’en dimension infinie.
Soit , muni de sa topologie usuelle. Soit et des -evt.
Montrer que toute forme linéaire continue est faiblement continue, c’est-à-dire continue de muni de sa topologie faible dans .
Cette propriété est garantie, car la topologie faible est la topologie initiale associée aux formes linéaires continues sur . En effet, la fonction est faiblement continue et la propriété universelle de la topologie initiale assure que tous les sont continues.
Il est également instructif de démontrer ce fait à partir de la construction de la topologie faible par le calcul suivant :
Soit une application linéaire continue de dans . Montrer que est faiblement continue, c’est-à-dire continue de muni de sa topologie faible dans muni de sa topologie faible.
Par propriété universelle de la topologie faible sur , il suffit de montrer que est continue pour toute forme linéaire sur qui est continue (pour la topologie forte de ). Or est continue pour la topologie forte sur , comme composition de fonctions continue. La première question assure que est également continue pour la topologie faible.
On veut maintenant tenir la promesse de récupérer de la compacité en dimension infinie. Pour cela, nous aurons besoin de la définition suivante.
Soit une partie d’un evt sur un corps normé . L’ensemble polaire de est
On note le corps des réels ou des complexes, muni de sa topologie usuelle. L’ensemble polaire de tout voisinage de l’origine dans un -evt est compact pour la topologie faible-.
En particulier la boule unité du dual d’un -evn est compacte pour la topologie faible-. On en déduit que tout fermé borné pour la topologie de la norme sur est compact pour la topologie faible-.
Attention : ce théorème n’affirme pas qu’on obtient des espaces localement compacts, car les ensembles compacts obtenus ne sont pas des voisinages de l’origine pour la topologie concernée.
Démonstration : Soit un voisinage de l’origine dans un -evt . Montrons d’abord que est fermé. Notons l’ensemble des fonctions de dans muni de la topologie de la convergence simple, c’est-à-dire la topologie initiale pour la famille des évaluations . En particulier chaque est continue. Par définition, la topologie faible sur est la topologie de vue comme partie de . Pour chaque et dans et dans , est fermé dans , car c’est l’image réciproque de par l’application qui est continue puisque les évaluations, la soustraction et la multiplication scalaire sont continues.
De même pour chaque , est fermé.
Ainsi il suffit de montrer que
L’inclusion de dans cet ensemble est clair, car la première intersection équivaut à la linéarité et la seconde correspond directement à la définition de la polaire. Il ne reste qu’à voir que la continuité est automatique, ce qui découle du lemme 4.11.7 puisque est un voisinage de l’origine dans et la deuxième intersection assure que est bornée par sur .
Affirmation : .
Démonstration : Soit . La fonction est continue de dans et donc on obtient tel que . Montrons que convient. Soit . Comme on a et donc .
En utilisant l’affirmation et l’axiome du choix, on obtient une fonction telle que . Ainsi, en voyant comme produit de copies de indexées par , on a qui est compact par Tychonov (théorème 4.8.10). Puisque est fermé dans un compact, il est compact par le lemme 4.8.6.
Dans ce théorème, l’hypothèse que est ou est inutilement restrictive. En examinant la démonstration, on peut se convaincre qu’on utilise qu’il s’agit d’un corps muni d’une valeur absolue non triviale (au sens où il existe un élément dont la norme n’est ni 0 ni 1) et pour lequel les boules fermées sont compactes. Cela fonctionnerait par exemple avec les nombres -adiques.