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 𝑋 et sa distance 𝑑, il est impossible de reconstituer 𝑑 à partir de la connaissance des fonctions continues partant de 𝑋 ou arrivant dans 𝑋. La distance contient beaucoup trop d’information qui n’intervient absolument pas dans la notion de continuité. Au contraire deux topologies 𝑇 et 𝑇 sur un ensemble 𝑋 sont égales si et seulement si elles donnent lieu aux mêmes fonctions continues. Mieux, elles sont égales dès que la fonction Id𝑋 est continue de (𝑋,𝑇) dans (𝑋,𝑇) et de (𝑋,𝑇) dans (𝑋,𝑇). 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 1-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 𝑋 (métrique ou topologique) et une relation d’équivalence sur 𝑋, on voudrait un objet initial dans la catégorie dont les objets sont les paires (𝑌,𝑓)𝑌 est un espace (métrique ou topologique) et 𝑓:𝑋𝑌 est une fonction continue compatible avec , c’est-à-dire que 𝑥𝑥,𝑥𝑥𝑓(𝑥)=𝑓(𝑥). Mieux, on espère que l’ensemble sous-jacent à cet espace initial soit un quotient de 𝑋 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.

Lemme 4.1.1
Sur on considère la relation d’équivalence qui, pour chaque réel non nul 𝑡, identifie 𝑥 et 𝑡𝑥 pour chaque 𝑥. Il n’existe pas de distance sur / qui rende continue la projection 𝜋:/.
Démonstration : Supposons qu’une telle distance 𝑑 existe. On considère dans une suite 𝑢 qui tend vers zéro sans jamais s’annuler, disons 𝑢:𝑛1𝑛+1. On notera que le quotient / comporte exactement deux points 𝜋(0) et 𝜋(1) puisque 0 n’est équivalent qu’à lui-même et tous les autres réels sont équivalents entre eux. La suite composée vaut constamment 𝜋(1) donc tend vers 𝜋(1). Par ailleurs la continuité de 𝜋 assure que 𝜋𝑢 tend vers 𝜋(0). Ainsi 𝜋𝑢 possède deux limites distinctes, ce qui est impossible dans un espace métrique.

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 𝑓:𝑋𝑌 entre deux ensembles, il est possible de pousser n’importe quelle topologie sur 𝑋 pour obtenir une topologie sur 𝑌 caractérisée par une propriété universelle faisant intervenir 𝑓. De même, on peut tirer n’importe quelle topologie sur 𝑌 pour obtenir une topologie sur 𝑋.

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.

Définition 4.2.1

Une topologie sur un ensemble 𝑋 est une famille 𝑇 de parties de 𝑋 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 𝑓 entre deux espaces topologiques 𝑋 et 𝑌 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 𝒯︀(𝑋) l’ensemble des topologies sur un ensemble 𝑋. On munit 𝒯︀(𝑋) de la relation d’ordre opposée à la relation d’inclusion sur 𝒫(𝒫(𝑋)).

En particulier, pour tout 𝑇𝒯︀(𝑋), 𝑋 lui-même est ouvert puisque c’est l’intersection du sous-ensemble vide de 𝑇 et est ouvert puisque c’est la réunion du sous-ensemble vide de 𝑇. En pratique, il est parfois commode de remplacer la condition d’intersection finie par la conjonction équivalente des conditions d’intersection vide (ie. 𝑋𝑇) et d’intersection binaire (pour tous 𝑈 et 𝑉 dans 𝑇, 𝑈𝑉𝑇).

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 𝑋 un espace topologique » plutôt que d’écrire « Soit (𝑋,𝑇) 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 (𝑋,𝑇) qui peut paraître un peu pédante, ou bien ou écrira « Soit 𝑋 un espace topologique » puis on utilisera sans commentaire la notation 𝑇𝑋 pour désigner la topologie de 𝑋. On écrira aussi 𝑓:𝑋𝑌 est (𝑇,𝑇)-continue pour dire qu’elle est continue de 𝑋 muni de la topologie 𝑇 dans 𝑌 muni de la topologie 𝑇 en cas de risque de confusion.

Remarque 4.2.2
On vérifie très facilement que la composée de deux fonctions continues est continue. On a donc une catégorie Top des espaces topologiques. Par contre l’inverse d’une bijection continue n’est pas automatiquement continue. Il s’agit d’une différence importante avec des contextes plus algébriques (par exemple l’inverse d’un morphisme de groupes bijectif est automatiquement un morphisme de groupes). L’exemple le plus simple est le suivant. On considère un ensemble 𝑋 ayant au moins deux éléments. Sur 𝑋 on a la topologie 𝑇 pour laquelle toutes les parties sont ouvertes et la topologie 𝑇 pour laquelle seuls et 𝑋 sont ouverts. La fonction Id𝑋 est une bijection continue de (𝑋,𝑇) dans (𝑋,𝑇), mais son inverse n’est pas continu. Le lemme 4.8.8 plus loin donnera une condition suffisante pour éviter ce problème sous des hypothèses de compacité. Un autre exemple plus profond est le théorème d’isomorphisme de Banach qui dit que ce problème n’apparaît pas pour les applications linéaires entre espaces de Banach.

L’inégalité 𝑇𝑇 entre deux topologies se lit « 𝑇 est plus fine que 𝑇 ». 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 𝑃 des parties dans les filtres).

Théorème 4.2.3
Pour tout ensemble 𝑋, 𝒯︀(𝑋) est un treillis complet dont les sup proviennent de 𝒫(𝒫(𝑋))op. En particulier l’inclusion de 𝒯︀(𝑋) dans 𝒫(𝒫(𝑋))op admet un adjoint à droite qu’on notera ·.
Démonstration : D’après corollaire 1.4.18, il suffit de montrer que, pour tout ensemble 𝑆𝒯︀(𝑋) le sup de 𝑆 dans 𝒫(𝒫(𝑋))op, c’est-à-dire l’intersection 𝑇𝑆 des éléments de 𝑆, est une topologie. Les deux vérifications sont immédiates. Montrons par exemple que 𝑇𝑆 est stable par réunion. Soit 𝑈𝑇𝑆. Montrons que 𝐴𝑈𝐴𝑇𝑆. Par définition de 𝑇𝑆, il s’agit de montrer que 𝐴𝑈𝐴 est dans chaque élément de 𝑆. Soit 𝑇𝑆. Comme 𝑇𝑆𝑇, on obtient 𝑈𝑇. Or 𝑇 est une topologie donc est stable par réunion donc 𝐴𝑈𝐴𝑇.

Soit 𝑆𝒫(𝑋), on dit que 𝑆𝒯︀(𝑋) est la topologie engendrée par 𝑆. On dit aussi que 𝑆 est une prébase de 𝑇 lorsque 𝑇=𝑆 (mais nous n’emploierons pas ce vocabulaire qui n’est vraiment utile que dans des approches faisant jouer un rôle majeur à ·).

Exemple 4.2.4
Soit (𝑋,𝑑) un espace métrique. La topologie associée à 𝑑 est la topologie engendrée par les boules de rayon strictement positif.
Remarque 4.2.5

On peut décrire explicitement les ouverts de la topologie engendrée par une famille 𝑆 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.
Lemme 4.2.6
Dans 𝒯︀(𝑋), =𝒫(𝑋) appelée topologie discrète et ={,𝑋} appelée topologie grossière.
Démonstration : La première affirmation est claire, car 𝒫(𝑋) est minimal dans 𝒫(𝒫(𝑋))op et il s’agit d’une topologie donc c’est aussi le minimum de 𝒯︀(𝑋). Pour l’élément maximal, il suffit de remarquer que toute topologie sur 𝑋 doit contenir et 𝑋 et que {,𝑋} est bien une topologie.

4.3. Images directes et réciproques de topologies

Lemme 4.3.1

Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles. Soit 𝑓:𝑋𝑌 une fonction. Pour toute topologie 𝑇 sur 𝑋,

est une topologie sur 𝑌. On peut aussi l’écrire (𝑓)𝑇 : l’image réciproque de 𝑇 par l’application 𝑓:𝒫(𝑌)𝒫(𝑋).
Démonstration : Les vérifications sont immédiates, car 𝑓:𝒫(𝑌)𝒫(𝑋) commute aux intersections et aux réunions.
Observation 4.3.2
Soit (𝑋,𝑇𝑋) et (𝑌,𝑇𝑌) des espaces topologiques. Une fonction 𝑓:𝑋𝑌 est continue si et seulement si 𝑓𝑇𝑋𝑇𝑌. Il n’y a rien à démontrer, on retombe sur la définition usuelle de la continuité simplement en dépliant les définitions de 𝑓𝑇𝑋 et de .

Au vu de l’observation ci-dessus, on pourrait vouloir simplement définir 𝑓𝑇 comme inf{𝑇|𝑓est(𝑇,𝑇)-continue}. 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 𝑇 sur 𝑋, 𝑓:𝑋𝑌 est (𝑇,𝑓𝑇)-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 𝑓𝑇 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.

Lemme 4.3.3
Soit 𝑆 un ensemble de parties d’un ensemble 𝑌 et soit (𝑋,𝑇) un espace topologique. Une fonction 𝑓:𝑋𝑌 est (𝑇,𝑆)-continue si et seulement si 𝑉𝑆,𝑓𝑉𝑇.

Démonstration : Il s’agit d’une conséquence directe de l’observation 4.3.2 et de l’adjonction entre l’inclusion 𝒯︀(𝑋)𝒫(𝒫(𝑋)))op et · :

On notera que le lemme précédent n’est pas symétrique, la topologie engendrée est présente au but de 𝑓, 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.

Observation 4.3.4
Soit 𝑋 et 𝑌 des ensembles. Soit 𝑆𝒯︀(𝑌). Une fonction 𝑓:𝑋𝑌 est (𝑇𝑋,inf𝑆)-continue si et seulement si, pour tout 𝑇 dans 𝑆, 𝑓:𝑋𝑌 est (𝑇𝑋,𝑇)-continue. En effet, 𝑓𝑇𝑋inf𝑆𝑇𝑆,𝑓𝑇𝑋𝑇.

L’opération d’image directe d’une topologie est compatible avec la composition et les identités.

Lemme 4.3.5
Soit 𝑓:𝑋𝑌 et 𝑔:𝑌𝑍. Pour toute topologie 𝑇 sur 𝑋, (𝑔𝑓)𝑇=𝑔𝑓𝑇. De plus Id𝑇=𝑇.

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.

Proposition 4.3.6

Soit 𝑋, 𝑌 et 𝑍 des ensembles, 𝑓:𝑋𝑌 et 𝑔:𝑌𝑍 des fonctions. Pour toutes topologies 𝑇𝑋 sur 𝑋 et 𝑇𝑍 sur 𝑍, la topologie 𝑓𝑇𝑋 vérifie

Démonstration : Fixons 𝑇𝑋 et 𝑇𝑍. On a

En utilisant l’observation 4.3.2 et le lemme 4.3.5.

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 :

Corollaire 4.3.7
Soit 𝑋 un espace topologie et 𝜋:𝑋𝑌 un quotient de 𝑋 par une relation d’équivalence . On munit 𝑌 de la topologie 𝜋𝑇𝑋. La projection 𝜋 est continue et vérifie la propriété universelle suivante. Soit 𝑍 un espace topologique et 𝜑:𝑋𝑍 une fonction continue. Si 𝜑 est compatible avec la relation d’équivalence alors il existe une unique fonction 𝜑_:𝑌𝑍 telle que 𝜑=𝜑_𝜋 et cette fonction 𝜑_ est automatiquement continue.
Cette propriété caractérise (𝑌,𝜑𝑇𝑋,𝜋) modulo unique homéomorphisme compatible avec la projection depuis 𝑋 : si (𝑌,𝑇𝑌) est un autre espace topologique muni d’une application continue 𝜋:𝑋𝑌 vérifiant cette propriété alors il existe un unique homéomorphisme 𝜃:𝑌𝑌 tel que 𝜋𝜃=𝜋.
Démonstration : Il ne reste qu’à vérifier que cette propriété est caractéristique. D’après le théorème 3.3.3, il suffit de montrer que c’est effectivement une propriété universelle, c’est-à-dire la définition d’un objet initial (ou final) dans une catégorie bien choisie. Ici les objets sont les paires (𝑌,𝜋)𝑌 est un espace topologique et 𝜋 est une fonction continue de 𝑋 dans 𝑌 qui est compatible avec . Et un morphisme de (𝑌,𝜋) dans (𝑌,𝜋) est une fonction continue 𝜃:𝑌𝑌 telle que 𝜋𝜃=𝜋.

On veut maintenant transporter les topologies dans l’autre direction, c’est-à-dire définir une opération d’image réciproque de topologie.

Lemme 4.3.8
Pour toute fonction 𝑓:𝑋𝑌, 𝑓:𝒯︀(𝑋)𝒯︀(𝑌) commute aux sup. Ainsi, elle admet un adjoint à droite noté 𝑓:𝒯︀(𝑌)𝒯︀(𝑋) et appelé 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 𝑆𝒯︀(𝑋). On a

Dans le lemme précédent, l’existence de 𝑓 est déduite du théorème de l’application adjointe. Bien sûr, on peut expliciter cette opération : on peut montrer que 𝑓𝑇=(𝑓)𝑇={𝑈𝑋|𝑉𝑇,𝑈=𝑓𝑉} (simplement en vérifiant que (𝑓)𝑇 est effectivement une topologie et en utilisant l’adjonction (𝑓)(𝑓)). Mais cette formule concrète ne nous sera jamais utile, même si elle est psychologiquement rassurante dans le cas où 𝑓 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.

Lemme 4.3.9
Soit 𝑓:𝑋𝑌 et 𝑔:𝑌𝑍. Pour toute topologie 𝑇 sur 𝑍, (𝑔𝑓)𝑇=𝑓𝑔𝑇. De plus Id𝑇=𝑇.

Démonstration : L’application (𝑔𝑓) est adjointe à droite de (𝑔𝑓) par construction. Or le lemme 4.3.5 assure que (𝑔𝑓)=𝑔𝑓 donc le lemme 1.3.7 assure que 𝑓𝑔 est également adjoint à droite de (𝑔𝑓) donc on conclut par unicité de l’adjoint à droite (lemme 1.3.14).

Montrons maintenant que Id𝑇=𝑇. Cela découle de l’unité et de la co-unité de IdId et de Id𝑇=𝑇. En effet on 𝑇Id(Id𝑇)=Id𝑇 et Id𝑇=Id(Id𝑇)𝑇.

Par adjonction entre image directe et image réciproque, l’observation 4.3.2 devient :

Observation 4.3.10
Soit (𝑋,𝑇𝑋) et (𝑌,𝑇𝑌) des espaces topologiques. Une fonction 𝑓:𝑋𝑌 est continue si et seulement si 𝑇𝑋𝑓𝑇𝑌.

Un cas particulier de l’observation est que, pour toute topologie 𝑇 sur 𝑌, 𝑓:𝑋𝑌 est (𝑓𝑇,𝑇)-continue. On retrouve aussi le fait qu’une fonction partant d’un espace topologique discret est toujours continue puisque 𝑓𝑇 est toujours vrai. On notera aussi qu’une fois l’adjonction 𝑓𝑓 disponible, on récupère 𝑓= et 𝑓= 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.

Proposition 4.3.11

Soit 𝑋, 𝑌 et 𝑍 des ensembles, 𝑓:𝑋𝑌 et 𝑔:𝑌𝑍 des fonctions. Pour toutes topologies 𝑇𝑋 sur 𝑋 et 𝑇𝑍 sur 𝑍, la topologie 𝑔𝑇𝑍 vérifie

Démonstration : Fixons 𝑇𝑋 et 𝑇𝑍. On a

En utilisant l’observation 4.3.10 et le lemme 4.3.9.
Remarque 4.3.12

Le cas particulier le plus simple de topologie image réciproque est celui de la topologie induite. Si 𝐴 est une partie d’un espace topologique 𝑋, on peut la munir de 𝜄𝑇𝑋𝜄:𝐴𝑋 est l’application d’inclusion, c’est-à-dire la restriction de Id𝑋 à 𝐴. Dans ce cas la propriété universelle devient simplement : une fonction 𝑓:𝑍𝐴 est continue pour la topologie induite si et seulement si 𝜄𝑓:𝑍𝑋 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 𝜄𝑉𝑉 est un ouvert de 𝑋. Autrement dit ce sont les intersections d’un ouvert de 𝑋 avec 𝐴. De même les fermés de 𝐴 sont les intersections d’un fermé de 𝑋 avec 𝐴. Cette information est parfois utile mais nous ne l’utiliserons jamais dans la suite.

Remarque 4.3.13
Soit 𝜑:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques. On munit 𝑋 de la relation d’équivalence associée à 𝜑 (définie par (𝑥,𝑥),𝑥𝑥𝜑(𝑥)=𝜑(𝑥)). On sait que 𝜑 induit une bijection 𝜑_ entre 𝑋/ et im(𝑓). Le corollaire 4.3.7 et la remarque 4.3.12 assurent que cette bijection est continue. Mais ce n’est pas un homéomorphisme en général, même lorsque 𝜑 était déjà bijective (voir la remarque 4.2.2). On dit que 𝜑 est stricte si 𝜑_ est un homéomorphisme, mais nous n’aurons pas l’usage de cette notion ici.

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.

Définition 4.4.1

Soit 𝑋 un espace topologique et 𝑥 un point de 𝑋. Le filtre des voisinages de 𝑥 est

On vérifie sans peine qu’il s’agit effectivement d’un filtre. Lorsque la topologie 𝑇 utilisée sur 𝑋 n’est pas claire, on écrit 𝒩𝑥𝑇.

Comme expliqué dans le chapitre 2, il faut penser à 𝒩𝑥 comme l’ensemble généralisé des points qui sont très proches de 𝑥. Il faut bien garder en tête cette intuition en lisant la suite.

Lemme 4.4.2

Soit 𝑋 un espace topologique et 𝐴 une partie de 𝑋.

  • 𝐴 est ouvert si et seulement si 𝑥𝐴,𝒩𝑥𝑃(𝐴) (pour tout 𝑥 dans 𝐴, tous les points très proches de 𝑥 sont dans 𝐴).
  • Dans tous les cas 𝐴̊={𝑥|𝒩𝑥𝑃(𝐴)} (l’ensemble des 𝑥 dont tous les points proches sont dans 𝐴).
  • 𝐴 est fermé si et seulement si 𝑥,𝒩𝑥𝑃(𝐴)𝑥𝐴 (pour tout 𝑥 dans 𝑋, si 𝐴 contient des points très proches de 𝑥 alors 𝑥 est dans 𝐴).
  • Dans tous les cas 𝐴_={𝑥|𝑓𝑎𝒩𝑥,𝑎𝐴} (l’ensemble des 𝑥 ayant un point proche dans 𝐴).

En particulier la donnée de la fonction 𝑥𝒩𝑥 détermine entièrement 𝑇.

Mieux, pour toute paire de topologies 𝑇 et 𝑇, on a 𝑇𝑇𝑥,𝒩𝑥𝑇𝒩𝑥𝑇. Autrement dit, l’application 𝑇𝒩·𝑇 est un plongement d’ensembles ordonnés de 𝒯︀(𝑋) vers les fonctions de 𝑋 dans (𝑋) (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 𝐹 sur 𝑋, 𝐹𝑃(𝐴)𝐴𝐹. Ainsi le premier point dit simplement que 𝐴 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 𝐴 est l’ensemble des points dont 𝐴 est voisinage.

Pour comprendre le troisième point il faut se souvenir de le lemme 2.3.7 qui assure que, pour tout 𝑥, 𝒩𝑥𝑃(𝐴)𝑈𝒩𝑥,𝑈𝐴. Alternativement, on peut contraposer 𝑥,𝒩𝑥𝑃(𝐴)𝑥𝐴 en 𝑥𝐴,𝒩𝑥𝑃(𝐴)= et utiliser une autre reformulation par le lemme 2.3.7 pour le réécrire en 𝑥𝐴,𝒩𝑥𝑃(𝐴) avant d’utiliser le point précédent pour le réécrire « 𝐴 est ouvert ».

La quatrième partie découle du lemme 2.2.8 qui assure que 𝑓𝑎𝒩𝑥,𝑎𝐴𝑈𝒩𝑥,𝑎𝑈,𝑎𝐴.

Montrons maintenant la caractérisation des inégalités. Supposons 𝑇𝑇, c’est-à-dire que tout ouvert pour 𝑇 est ouvert pour 𝑇. Soit 𝑥 un point et 𝑈𝒩𝑥𝑇. On obtient par définition un ouvert 𝑉 pour 𝑇 qui contient 𝑥 et est contenu dans 𝑈. Comme il est également ouvert pour 𝑇, 𝑈𝒩𝑥𝑇. Réciproquement supposons l’inégalité de voisinages. Soit 𝑈 un ouvert de 𝑇. Montrons que 𝑈 est ouvert de 𝑇. D’après le premier point, il suffit de montrer que 𝑈 est voisinage de chacun de ses points, ce qui est vrai pour 𝑇 par hypothèse sur 𝑈 puis pour 𝑇 d’après l’hypothèse sur les voisinages.

Les deux exercices suivants permettent de se familiariser avec ces descriptions de l’intérieur et l’adhérence.

Exercice 4.41

Soit 𝑋 un espace topologique, 𝐴 une partie de 𝑋. Montrer que (𝐴_)𝑐=𝐴𝑐 (on pourra utiliser le lemme 2.3.7).

Exercice 4.42

Soit 𝑋 un espace topologique, 𝐴 une partie de 𝑋 et 𝑈 un ouvert de 𝑋. Montrer que 𝑈𝐴_𝑈𝐴_.

Soit 𝑥𝑈𝐴_. Montrons que 𝑥𝑈𝐴_. On calcule

De même, on peut utiliser les voisinages, vus comme parties généralisées de 𝑋, pour définir les suites convergentes et la continuité en un point.

Définition 4.4.3

Soit 𝑋 et 𝑌 des espaces topologiques, et soit 𝑥 un point de 𝑋.

  • On dit qu’une suite 𝑢:𝑋 converge vers 𝑥 si 𝑢𝒩𝒩𝑥.
  • On dit qu’une fonction 𝑓:𝑋𝑌 est continue en 𝑥 si 𝑓𝒩𝑥𝒩𝑓(𝑥).

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.

Exercice 4.43

Soit 𝑋 un ensemble, 𝑌 un espace topologique, 𝑓:𝑋𝑌 une fonction, 𝐹 un filtre sur 𝑋, 𝑦 un point de 𝑌 et 𝑉 une partie de 𝑌. On suppose que 𝐹 est non trivial (ie. 𝐹), 𝑓𝐹𝒩𝑦 et 𝑓𝑥𝐹,𝑓(𝑥)𝑉.

  1. Montrer que la condition 𝑓𝑥𝐹,𝑓(𝑥)𝑉 est équivalente à 𝑓𝐹𝑃(𝑉).

    L’hypothèse 𝑓𝑥𝐹,𝑓(𝑥)𝑉 signifie, par définition, {𝑥|𝑓(𝑥)𝑉}𝐹. Autrement dit, 𝑓𝑉𝐹. Par définition de 𝑓𝐹, cela signifie 𝑉𝑓𝑉. On a vu en cours (et on peut vérifier directement) que cela est équivalent à 𝑓𝐹𝑃(𝑉).

  2. En déduire que 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉.

    On a vu que 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉 si et seulement si 𝒩𝑦𝑃(𝑉). Or, on a vu dans la question précédente que 𝑓𝐹𝑃(𝑉) et, par hypothèse, 𝑓𝐹𝒩𝑥. Ainsi 𝑓𝐹𝒩𝑦𝑃(𝑉).

    Enfin, on a supposé que 𝐹 donc 𝑓𝐹 par l’exercice 2.21. Ainsi <𝑓𝐹𝒩𝑦𝑃(𝑉) et 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉.

  3. Reformuler ce résultat en termes élémentaires dans le cas où 𝑋= et 𝐹=𝒩, puis dans le cas où 𝑋= et 𝐹=𝒩𝑥𝑥 est soit un réel, soit ±.

    Dans le premier cas, on obtient : « si une suite 𝑢 prends ses valeurs dans 𝑉 à partir d’un certain rang et converge vers 𝑦 alors 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉 ». Dans le deuxième cas, on obtient : « si une fonction 𝑓 envoie les réels suffisamment proches de 𝑥 dans 𝑉 et converge vers 𝑦 en 𝑥 alors 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉 ». Dans le cas de +, on obtient : « si une fonction 𝑓 envoie les réels suffisamment grands dans 𝑉 et converge vers 𝑦 en + alors 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉 ». Dans le cas de , on obtient : « si une fonction 𝑓 envoie les réels suffisamment négatifs dans 𝑉 et converge vers 𝑦 en alors 𝑦 est dans l’adhérence de 𝑉 ».

Puisque la donnée d’une topologie 𝑇 détermine tous les 𝒩𝑥𝑇 et que la donnée de tous les 𝒩𝑥𝑇 détermine 𝑇, il est naturel de se demander si on peut définir la notion de topologie comme la donnée d’une fonction 𝑁:𝑋(𝑋) associant à chaque point son filtre des voisinages. Une contrainte évidente est que, pour tout 𝑥, tout voisinage de 𝑥 doit contenir 𝑥. Autrement dit, on doit avoir 𝑥,𝑃({𝑥})𝑁(𝑥). Mais il y a une contrainte plus subtile qui garantit une sorte de continuité de 𝑁 et qui est très liée au fait que les ouverts sont voisinages de tous leurs points.

Proposition 4.4.4

Soit 𝑋 un ensemble et 𝑁:𝑋(𝑋) une fonction. Il existe une topologie 𝑇 sur 𝑋 telle que 𝑥,𝑁(𝑥)=𝒩𝑥𝑇 si et seulement si les deux conditions suivantes sont satisfaites :

  1. 𝑥,𝑃({𝑥})𝑁(𝑥)
  2. 𝑥,𝑈𝑁(𝑥),𝑓𝑦𝑁(𝑥),𝑈𝑁(𝑦)

La première condition se lit « tout point est très proche de lui-même » tandis que la seconde se lit « pour tout point 𝑥, tout voisinage de 𝑥 est également voisinage de tous les points qui sont très proches de 𝑥 ».

Si on suppose la première condition, on peut réécrire la seconde en termes de la définition 2.4.16 :

2bis. 𝑥,𝑁(𝑥)=sup𝑦𝑁(𝑥)𝑓𝑁(𝑦)

qui se lit « pour tout 𝑥, les points proches de 𝑥 sont les points proches d’un 𝑦 proche de 𝑥 ».

Démonstration : Supposons d’abord que 𝑁 provient d’une topologie 𝑇. La première condition est claire puisque qu’elle affirme simplement que, pour tout 𝑥, tout voisinage de 𝑥 contient 𝑥. Montrons la seconde condition. Soit 𝑥𝑋 et 𝑈 un voisinage de 𝑥. Montrons que {𝑦|𝑈𝑁(𝑦)} est un voisinage de 𝑥. Il suffit de montrer qu’il contient un voisinage de 𝑥. Par définition 𝑈 contient un voisinage ouvert 𝑉 de 𝑥. Ce 𝑉 convient, car on a bien 𝑦𝑉,𝑈𝑁(𝑦).

Réciproquement, supposons que 𝑁 vérifie les deux conditions de l’énoncé. On pose 𝑇{𝑉|𝑥𝑉,𝑉𝑁(𝑥)}. Montrons que 𝑇 est une topologie dont les voisinages sont donnés par 𝑁. Soit 𝑆𝑇. Montrons que la réunion 𝑈 des éléments de 𝑆 est dans 𝑇. Soit 𝑥𝑈. Par construction de 𝑈, on obtient 𝑉𝑆 tel que 𝑥𝑉. Comme 𝑉 est dans 𝑇, on obtient 𝑉𝑁(𝑥). Comme 𝑉𝑈 et que 𝑁(𝑥) est un filtre, on en déduit 𝑈𝑁(𝑥).

Supposons maintenant 𝑆 fini et montrons que l’intersection 𝑈 des éléments de 𝑆 est dans 𝑇. Soit 𝑥𝑈. Pour chaque 𝑉𝑆, on obtient 𝑥𝑉 et, puisque 𝑉𝑇, 𝑉𝑁(𝑥). Comme 𝑁(𝑥) est un filtre et que 𝑆 est fini, on en déduit 𝑈𝑁(𝑥).

On notera que nous n’avons encore utilisé aucune des deux conditions portant sur 𝑁. La formule utilisée pour 𝑇 définit toujours une topologie. L’enjeu est de montrer maintenant que les voisinages pour 𝑇 sont bien donnés par 𝑁. Soit 𝑥𝑋. Montrons que 𝒩𝑥=𝑁(𝑥), par double inégalité.

Montrons d’abord que 𝒩𝑥𝑁(𝑥). Soit 𝑈𝑁(𝑥). La première condition sur 𝑁 fournit 𝑃({𝑥})𝑁(𝑥), donc on obtient 𝑥𝑈. La seconde condition assure que 𝑉{𝑦|𝑈𝑁(𝑦)} est dans 𝑁(𝑥). Ce 𝑉 contient 𝑥 puisque 𝑈𝑁(𝑥). Montrons qu’il est contenu dans 𝑈. Soit 𝑦𝑉. Par définition de 𝑉, 𝑈𝑁(𝑦) et la première condition appliquée à 𝑦 assure que 𝑦𝑈. Ainsi, on a bien 𝑉𝑈. Montrons que 𝑉 est ouvert, c’est-à-dire 𝑉𝑇. Soit 𝑦𝑉. Montrons que 𝑉𝑁(𝑦). Par définition de 𝑉, 𝑈𝑁(𝑦). La seconde condition appliquée à 𝑦 assure que {𝑧|𝑈𝑁(𝑧)}𝑁(𝑦). Or cet ensemble est exactement 𝑉 par définition de 𝑉.

Montrons maintenant que 𝑁(𝑥)𝒩𝑥. Soit 𝑈𝒩𝑥. Montrons que 𝑈𝑁(𝑥). Par définition des voisinages, on obtient 𝑉𝒩𝑥 ouvert tel que 𝑉𝑈. Or 𝑁(𝑥) est un filtre donc il suffit de montrer que 𝑉𝑁(𝑥). Par définition de 𝑇, 𝑦𝑉,𝑉𝑁(𝑦), et il suffit d’appliquer cela à 𝑥.

Montrons maintenant la reformulation en terme de sup𝑓. On suppose la condition 1. Montrons d’abord que 𝑥,𝑁(𝑥)sup𝑦𝑁(𝑥)𝑓𝑁(𝑦). Soit 𝑥 dans 𝑋. La condition 1 assure que 𝑃({𝑥})𝑁(𝑥) et l’exercice 2.27 assure que sup𝑓 est croissant en les deux arguments donc sup𝑦𝑃({𝑥})𝑓𝑁(𝑥)sup𝑦𝑁(𝑥)𝑓𝑁(𝑥). De plus sup𝑓 étend le sup ordinaire donc sup𝑦𝑃({𝑥})𝑓𝑁(𝑥)=𝑁(𝑥). Ainsi la condition 2bis est équivalente à 𝑥,sup𝑦𝑁(𝑥)𝑓𝑁(𝑥)𝑁(𝑥), c’est-à-dire 𝑥,𝑈𝑁(𝑥),𝑈sup𝑦𝑁(𝑥)𝑓𝑁(𝑥). 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 𝑥𝑋 fixé, associe à toute topologie 𝑇 le filtre 𝒩𝑥𝑇. Pour cela, il est commode de lui trouver un adjoint.

Lemme 4.4.5

Soit 𝑋 un ensemble et 𝑥𝑋. Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋, la fonction de 𝑋 dans (𝑋) définie par

est la fonction voisinage d’une topologie notée 𝑇𝑥(𝐹) et dont les ouverts sont les 𝑈𝑋 tels que 𝑥𝑈 ou 𝑈𝐹. De plus

et, pour toute fonction 𝑓:𝑋𝑌,

(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 𝑁:𝑋(𝑋) la fonction de l’énoncé. Soit 𝑦𝑋 et 𝑈𝑁(𝑦). Comme 𝑃({𝑦})𝑁(𝑦), on a 𝑦𝑈. On distingue selon que 𝑦=𝑥 ou 𝑦𝑥.

Supposons d’abord que 𝑦=𝑥. Il suffit de montrer que 𝑧𝑈,𝑈𝑁(𝑧). Là encore, on distingue selon que 𝑧=𝑥 ou pas. Si 𝑧=𝑥 on a 𝑈𝑁(𝑧) par hypothèse. Sinon 𝑁(𝑧)=𝑃({𝑧}) et donc 𝑈𝑁(𝑧) puisque 𝑧𝑈.

Supposons maintenant que 𝑦𝑥. L’ensemble 𝑈{𝑥} est alors dans 𝑁(𝑦) et tous ses points 𝑧 vérifient 𝑈𝑁(𝑧).

Ainsi la fonction 𝑁 est bien la fonction voisinage d’une topologie 𝑇𝑥(𝐹). 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 𝑇𝑥(𝑇𝒩𝑥𝑇). Soit 𝐹 un filtre et 𝑇 une topologie sur 𝑋. En utilisant que 𝑦,𝑃({𝑦})𝒩𝑦𝑌 on calcule

en utilisant que 𝑃({𝑥})𝒩𝑥𝑇 entraîne 𝑃({𝑥})𝐹𝒩𝑥𝑇𝐹𝒩𝑥𝑇.

Enfin vérifions que l’interaction annoncée avec les images directes découle directement des définitions. Soit 𝑓:𝑋𝑌. Montrons que 𝑓𝑇𝑥=𝑇𝑓(𝑥)𝑓. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋.

Corollaire 4.4.6

Pour tout 𝑥 dans 𝑋, la fonction 𝑇𝒩𝑥𝑇 commute aux inf : pour tout ensemble 𝑆 de topologies sur 𝑋, on a

De plus la fonction 𝑇𝒩𝑥𝑇 commute aux images réciproques : pour toute fonction 𝑓:𝑋𝑌 et toute topologie 𝑇 sur 𝑌,

Enfin cette fonction « commute » à l’engendrement : pour tout ensemble 𝑆 de parties de 𝑋,

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 𝜄𝒯 (resp. 𝜄) l’inclusion de 𝒯︀(𝑋) (resp. (𝑋)) dans 𝒫(𝒫(𝑋))op. Notons 𝑇𝑥 l’application de 𝒫(𝒫(𝑋))op dans lui-même qui envoie tout ensemble 𝑆 de parties de 𝑋 sur {𝑈|𝑥𝑈ou𝑈𝑆}. Ainsi on a 𝑇𝑥𝜄=𝜄𝒯𝑇𝑥 d’après le lemme 4.4.5. Notons 𝜑𝑥 l’application de 𝒫(𝒫(𝑋))op dans lui-même qui envoie tout ensemble 𝑆 de parties de 𝑋 sur {𝑈𝑆|𝑥𝑈}. On vérifie sans peine, mais en prenant garde aux ordres opposés, que 𝜑𝑥 est adjoint à droite de 𝑇𝑥. 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.

Corollaire 4.4.7

Soit 𝑋 un espace topologie, 𝐴 une partie de 𝑋 et 𝑎 un point de 𝐴. On note 𝜄 l’inclusion de 𝐴 dans 𝑋. On a

La première égalité signifie que l’ensemble des points de 𝐴 très proches de 𝑎 est l’image réciproque par 𝜄 de l’ensemble des points de 𝑋 très proches de 𝑎. La seconde signifie que l’image directe par 𝜄 de l’ensemble des points de 𝐴 très proches de 𝑎 est l’intersection entre l’ensemble des points de 𝑋 très proches de 𝑎 et l’ensemble 𝐴. Bien sûr, ce sont deux façons de dire exactement la même chose.
Démonstration : La première égalité est directement un cas particulier du corollaire précédent. La seconde en découle via l’exercice 2.28 qui assure que, pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋, 𝜄𝜄𝐹=𝐹𝑃(𝜄𝐴)=𝐹𝑃(𝐴).

L’exercice suivant illustre comment ces formules permettent de remplacer la description explicite des ouverts ou des fermés de la topologie induite.

Exercice 4.44

Soit 𝑋 un espace topologique, 𝐴 une partie de 𝑋 et 𝜄:𝐴𝑋 l’inclusion. Montrer 𝐴 est fermée si et seulement si 𝜄 est fermée (on pourra utiliser le lemme 2.4.22). Montrer 𝐴 est ouverte si et seulement si 𝜄 est ouverte.

Supposons que 𝐴 est fermée et montrons que 𝜄 est fermée. Soit 𝐹 un fermé de 𝐴. Montrons que 𝜄𝐹 est fermé. Soit 𝑥𝜄𝐹_. Comme 𝜄𝐹𝐴 et 𝐴 est fermé, 𝜄𝐹_𝐴_=𝐴 donc 𝑥 est dans 𝐴. Puisque la question est à propos de 𝜄, il est plus clair d’écrire qu’on obtient 𝑎𝐴 tel que 𝑥=𝜄(𝑎). Montrons que 𝑎𝐹 et donc 𝑥𝜄𝐹. On a

Ainsi 𝒩𝑎𝑃(𝐹) donc 𝑎 est dans 𝐹_, c’est-à-dire 𝐹. Réciproquement si 𝜄 est fermée alors 𝐴 est fermé comme image directe de 𝐴 qui est fermé dans 𝐴.

Supposons que 𝐴 est ouverte et montrons que 𝜄 est ouverte. Soit 𝑈 un ouvert de 𝐴. Montrons que 𝜄𝑈 est ouvert. Soit 𝑥𝑈. Montrons que 𝒩𝜄(𝑥)𝑃(𝜄𝑈).

Réciproquement, si 𝜄 est ouverte alors 𝐴 est ouvert comme image directe de 𝐴 qui est fermé dans 𝐴.

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.

Lemme 4.4.8
Une fonction 𝑓:𝑋𝑌 entre espaces topologiques est continue si et seulement si elle est 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.

Définition 4.4.9

Soit 𝐴 une partie d’un espace topologique 𝑋. Le filtre des voisinages de 𝐴 est

On y pense comme l’ensemble des points très proches de 𝐴. Vu la description des sup dans (𝑋), ses éléments sont les ensembles dont l’intérieur contient 𝐴. Autrement dit, 𝒩𝐴 admet comme base l’ensemble des ouverts contenant 𝐴.
Lemme 4.4.10
Soit 𝐴 une partie d’un espace topologique 𝑋 et 𝐹 un filtre sur 𝑋. On a 𝐹𝒩𝐴=𝑉𝐹,𝑉_𝐴=.

Démonstration : Le lemme 2.3.7 assure que 𝐹𝒩𝐴=𝑉𝐹,𝑈𝒩𝐴,𝑉𝑈= donc on fixe 𝑉𝐹 et on montre que (𝑈𝒩𝐴,𝑉𝑈=)𝑉_𝐴=. Supposons donné 𝑈𝒩𝐴 avec 𝑉𝑈=. On a alors

(en utilisant l’exercice 4.42). Réciproquement, supposons 𝑉_𝐴=. On a 𝐴(𝑉_)𝑐=𝑉𝑐 par l’exercice 4.41. Donc 𝑉𝑐𝒩𝐴 et 𝑉𝑉𝑐=.

4.5. Espaces séparés

La notion de voisinage permet de définir la notion de séparation. Nous avons vu que, pour tout point 𝑥 d’un espace topologique 𝑋, 𝒩𝑥 joue le rôle de « l’ensemble des points très proches de 𝑥 ». Il est naturel de se demander si un point de 𝑋 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).

Définition 4.5.1
On dit qu’un espace topologique est séparé (ou 𝑇2) si, pour tous points 𝑥 et 𝑦 de cet espace, 𝑥𝑦𝒩𝑥𝒩𝑦=. Autrement dit, si 𝑥 et 𝑦 sont distincts alors il n’existe aucun point à la fois très proche de 𝑥 et très proche de 𝑦. On utilisera aussi la version contraposée 𝒩𝑥𝒩𝑦𝑥=𝑦.

Vu le lemme 2.3.7, la condition de séparation est équivalente à demander que, pour chaque paire de points 𝑥 et 𝑦 distincts, il existe 𝑈𝒩𝑥 et 𝑉𝒩𝑦 tels que 𝑈𝑉=. 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.

Lemme 4.5.2

Soit 𝑋 un ensemble, 𝐹 un filtre non trivial sur 𝑋, 𝑌 un espace topologique séparé, 𝜑:𝑋𝑌 une fonction. Supposons que 𝜑 tende vers 𝑦 et 𝑦 le long de 𝐹, c’est-à-dire 𝜑𝐹𝒩𝑦 et 𝜑𝐹𝒩𝑦. Alors 𝑦=𝑦.

Cette propriété caractérise les espaces séparés.

Démonstration : Comme 𝐹, 𝜑𝐹 par l’exercice 2.21. Ainsi on a <𝜑𝐹𝒩𝑦𝒩𝑦 donc 𝑦=𝑦.

Réciproquement, supposons que 𝑌 vérifie cette propriété. Soit 𝑦 et 𝑦 tels que 𝐹𝒩𝑦𝒩𝑦. Comme Id𝐹𝒩𝑦 et Id𝐹𝒩𝑦, l’hypothèse sur 𝑌 assure que 𝑦=𝑦.

En fait la situation n’est pas spécifique aux images directes, comme le montrent la définition et l’exercice ci-dessous.

Définition 4.5.3
Soit 𝑋 un espace topologique, 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝑥 un point de 𝑋. On dit que 𝐹 converge vers 𝑥 si 𝐹𝒩𝑥.
Exercice 4.45

Soit 𝑋 un espace topologique. Montrer que les conditions suivantes sont équivalentes :

  1. 𝑋 est séparé.

  2. Tout filtre non trivial sur 𝑋 converge vers au plus un point.

Supposons 𝑋 séparé. Soit 𝐹 un filtre non trivial sur 𝑋 qui converge vers 𝑥 et 𝑦. Par définition de la convergence, 𝐹𝒩𝑥 et 𝐹𝒩𝑦. Ainsi 𝐹𝒩𝑥𝒩𝑦. Par hypothèse <𝐹 donc 𝒩𝑥𝒩𝑦. Par définition de 𝑋 séparé, on en déduit 𝑥=𝑦.

Réciproquement, supposons que tout filtre non trivial converge vers au plus un point. Soit 𝑥 et 𝑦 dans 𝑋 tels que 𝒩𝑥𝒩𝑦 est non trivial. Comme 𝒩𝑥𝒩𝑦𝒩𝑥, 𝒩𝑥𝒩𝑦 converge vers 𝑥. De même, il converge vers 𝑦. Par hypothèse 𝑥=𝑦.

Lemme 4.5.4
Une partie d’un espace séparé est toujours séparée.
Démonstration : Cela découle la formule des voisinages pour la topologie image réciproque dans le corollaire 4.4.6. Soit 𝑋 un espace séparé et 𝐴𝑋. Notons 𝜄 l’inclusion de 𝐴 dans 𝑋. Soit 𝑎 et 𝑏 dans 𝐴 tels que 𝒩𝑎𝒩𝑏. On a 𝜄𝒩𝜄(𝑎)𝜄𝒩𝜄(𝑏)=𝜄(𝒩𝜄(𝑎)𝒩𝜄(𝑏)) donc 𝒩𝜄(𝑎)𝒩𝜄(𝑏) et, par séparation de 𝑋, 𝑎=𝑏.

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.

Définition 4.6.1

Soit 𝑋 un ensemble et 𝑌 une famille d’espace topologiques indexée par un ensemble 𝐼. On note 𝑇𝑖 la topologie sur chaque 𝑌𝑖. Soit 𝜑 une famille de fonctions de 𝑋 dans les 𝑌𝑖. La topologie initiale associée à 𝜑 est

Proposition 4.6.2

Dans le contexte de la définition précédente, 𝑇𝜑 est l’unique topologie sur 𝑋 qui vérifie la propriété universelle suivante : pour tout espace topologique 𝑍, toute fonction 𝑓:𝑍𝑋 est continue si et seulement si tous les 𝜑𝑖𝑓 sont continues.

De plus 𝑇𝜑 est le maximum de l’ensemble des topologies sur 𝑋 pour lesquelles toutes les fonctions 𝜑𝑖 sont continues.

Par ailleurs, pour tout 𝑥𝑋, 𝒩𝑥=inf𝑖𝜑𝑖𝒩𝜑𝑖(𝑥).

Soit 𝑍 un ensemble, 𝐹 un filtre sur 𝑍, 𝑔:𝑍𝑋 une fonction et 𝑥𝑋. On a

En particulier une suite 𝑢 converge vers 𝑥 si et seulement si, pour tout 𝑖, la suite 𝜑𝑖𝑢 converge vers 𝜑𝑖(𝑥).

Démonstration : Le fait que 𝑇𝜑 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 𝜑𝑖 soient continues provient de cette propriété appliquée à 𝑍=𝑋 et 𝑔=Id.

Par ailleurs on a

Montrons l’unicité. Supposons que deux topologies 𝑇 et 𝑇 vérifient cette propriété. Montrons que Id𝑋 est (𝑇,𝑇)-continue (et par symétrie des rôles de 𝑇 et 𝑇 on aura aussi l’autre sens et donc 𝑇=𝑇). On a vu que la propriété de 𝑇 assure que chaque 𝜑𝑖 est (𝑇,𝑇𝑖)-continue. La propriété de 𝑇 appliquée à 𝑍=𝑋 et 𝑔=Id montre que cela entraîne que Id est (𝑇,𝑇)-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 𝑍 un ensemble, 𝐹 un filtre sur 𝑍, 𝑔:𝑍𝑋 une fonction et 𝑥 un point de 𝑋. 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.

Corollaire 4.6.3
La catégorie des espaces topologique admet un produit pour toute famille d’objets, l’ensemble sous-jacent à ce produit est le produit des ensembles sous-jacents et les projections sont bien les projections attendues. Le filtre des voisinages d’un point est le produit des filtres des voisinages de ses composantes, au sens de la définition 2.4.24. Une suite à valeurs dans un produit converge si et seulement si toutes ses composantes convergent.
Démonstration : Soit 𝑋 une famille d’espaces topologiques pour Il suffit de munir 𝑖𝑋𝑖 de la topologie initiale associée à la famille des projections.

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 inf𝑖𝜑𝑖𝑇𝑖 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 𝜑𝑖 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 :

Exercice 4.46

Soit 𝑇 et 𝑆 deux familles des topologies sur des ensembles 𝑋 et 𝑌 indexées par un même ensemble 𝐼. En utilisant l’exercice 1.17, montrer que (inf𝑖𝑇𝑖)×(inf𝑖𝑆𝑖)=inf𝑖(𝑇𝑖×𝑆𝑖) où la croix désigne la topologie produit.

Montrer de plus que, pour toute topologie 𝑇𝑋 sur 𝑋, 𝑇𝑋×inf𝑖𝑆𝑖=inf𝑖(𝑇𝑋×𝑆𝑖).

Notons 𝑝1 et 𝑝2 les projections de 𝑋×𝑌 sur 𝑋 et 𝑌 respectivement.

en utilisant que l’image réciproque commute aux infs et l’exercice 1.17.

Soit 𝑇𝑋 une topologie sur 𝑋.

en utilisant l’exercice 1.17.

Exercice 4.47

Soit 𝑋, 𝑌, 𝑍 et 𝑊 des ensembles. Soit 𝑓:𝑋𝑍 et 𝑔:𝑌𝑊 des fonctions. On note 𝑓×𝑔 la fonction de 𝑋×𝑌 dans 𝑍×𝑊 définie par (𝑥,𝑦)(𝑓(𝑥),𝑔(𝑦)). On notera que le diagramme suivant commute, les applications verticales étant les projections.

Soit 𝑇𝑍 une topologie sur 𝑍 et soit 𝑇𝑊 une topologie sur 𝑊. Montrer que

Attention : la formule analogue avec des images directes est fausse en général.

Proposition 4.6.4
Soit 𝑋 un ensemble et 𝑌 une famille d’espaces topologiques indexée par un ensemble 𝐼. Soit 𝜑 une famille de fonction de 𝑋 vers les 𝑌𝑖. On suppose que tous les 𝑌𝑖 sont séparés et que 𝜑 sépare les points : pour tous 𝑥𝑥, il existe 𝑖 tel que 𝜑𝑖(𝑥)𝜑𝑖(𝑥). Alors 𝑋 muni de la topologie initiale pour 𝜑 est séparé. En particulier un produit d’espaces topologiques séparés est séparé.

Démonstration : Soit 𝑥 et 𝑥 des points distincts de 𝑋. Montrons que 𝒩𝑥𝒩𝑥=. L’hypothèse sur 𝜑 fournit 𝑖𝐼 tel que 𝜑𝑖(𝑥)𝜑𝑖(𝑥). Comme 𝑌𝑖 est séparé, on obtient 𝒩𝜑𝑖(𝑥)𝒩𝜑𝑖(𝑥)=. On calcule ensuite en utilisant la proposition 4.6.2 et l’exercice 1.17 :

donc 𝒩𝑥𝒩𝑥=.

On peut reformuler la condition de séparation en termes de la diagonale Δ={(𝑥,𝑥)𝑋×𝑋|𝑥=𝑥} dans 𝑋×𝑋.

Lemme 4.6.5
Un espace topologique est séparé si et seulement si sa diagonale est fermée.

Démonstration : On sait que, pour tout 𝑥 et 𝑥, 𝒩(𝑥,𝑥)=𝒩𝑥×𝒩𝑥 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 :

Lemme 4.6.6
Soit 𝑋 un espace topologique, 𝑌 un espace topologique séparé et 𝑓 et 𝑔 des fonctions continues de 𝑋 dans 𝑌. L’ensemble des points où 𝑓 et 𝑔 coïncident est un fermé de 𝑋. En particulier si elles sont égales sur une partie dense alors elles sont égales partout.
Démonstration : L’ensemble d’égalité 𝐸 est l’image réciproque de la diagonale de 𝑌 qui est fermée d’après le lemme 4.6.5 par 𝑥(𝑓(𝑥),𝑔(𝑥)) qui est continue. Si 𝐸 contient 𝐴 dense, on a 𝑋=𝐴_𝐸_=𝐸 donc 𝐸=𝑋.
Exercice 4.48

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.

  1. Soit (𝑋𝑖,𝑇𝑖)𝑖𝐼 une famille d’espaces topologiques et soit (𝜑𝑖:𝑋𝑖𝑌)𝑖𝐼 une famille de fonctions à valeurs dans un ensemble 𝑌. Montrer qu’il existe une unique topologie sur 𝑌 vérifiant la propriété universelle suivante : pour tout espace topologique 𝑍 et toute fonction 𝑓:𝑌𝑍, 𝑓 est continue si et seulement si 𝑖,𝑓𝜑𝑖est continue. Cette topologie est appelée topologie finale associée à 𝜑.

    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 𝑇 et 𝑇 sont deux solutions. Montrons que 𝑇=𝑇. Vu la symétrie de la situation, il suffit de montrer que 𝑇𝑇, ou encore que l’identité de 𝑌 est continue de (𝑌,𝑇) vers (𝑌,𝑇). Vu l’hypothèse sur 𝑇, il suffit de montrer que, pour tout 𝑖, Id𝜑𝑖 est continue de 𝑋𝑖 dans (𝑌,𝑇). Cette condition est garantie par l’hypothèse sur 𝑇 appliquée à 𝑍=(𝑌,𝑇) puisque Id est continue de (𝑌,𝑇) dans (𝑌,𝑇).

    Montrons maintenant l’existence. Là encore on suit le chemin utilisé pour la topologie initiale.

    donc la topologie sup𝑖[(𝜑𝑖)𝑇𝑖] convient.

  2. Montrer que la catégorie des espaces topologiques admet de coproduits pour toutes les familles d’objets.

    Soit 𝑋 une famille d’espaces topologiques. Les ensembles sous-jacents admettent comme coproduit la réunion disjointe 𝑖𝑋𝑖 avec les inclusions 𝑗𝑖 évidentes. Cet ensemble muni de la topologie finale associée à la famille 𝑗 convient.

4.7. Adhérence et extension par continuité

Pour tout espace topologique 𝑋, l’opération d’adhérence est une fonction croissante de 𝒫(𝑋) dans 𝒫(𝑋). On va donc bien sûr l’étendre en fonction de (𝑋) dans (𝑋). Une fois n’est pas coutume, on utilisera également son extension en fonction de (𝑋) dans 𝒫(𝑋).

Définition 4.7.1

Soit 𝑋 un espace topologique. Les fonctions adhérence et intérieur, de 𝒫(𝑋) dans lui-même, sont croissantes. Leurs extensions en fonction de (𝑋) dans lui-même par le corollaire 2.4.12 sont aussi appelées adhérence et intérieur, avec la même notation. Un filtre 𝐹 sur 𝑋 est dit fermé si 𝐹_=𝐹, et ouvert si 𝐹̊=𝐹.

On note va l’extension de la fonction adhérence en fonction de (𝑋) dans 𝒫(𝑋). D’après le corollaire 2.4.12, on a donc le diagramme

où le rectange commute, va𝑃=·_, et 𝐾·_=va, mais 𝑃va·_ en général. Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋, les éléments de va(𝐹) sont appelés valeurs d’adhérence de 𝐹. La formule explicite du théorème 2.4.6 devient ici va(𝐹)=𝑈𝐹𝑈_.

Exercice 4.49

Soit 𝑋 un espace topologique et 𝐹 un filtre sur 𝑋.

  1. Montrer que 𝐹𝐹_ puis montrer que 𝐹 est fermé si et seulement si 𝑈𝐹,𝑉𝐹,𝑉fermé et𝑉𝑈.

    On sait que, pour toute partie 𝐴 de 𝑋, 𝐴𝐴_. Comme l’extension aux filtres est croissante, on obtient 𝐹𝐹_. Ainsi

    Cette dernière condition implique la condition annoncée. En effet, soit 𝑈𝐹. Montrons qu’il existe 𝑉𝐹 fermé et contenu dans 𝑈. Par la condition, on obtient 𝑊𝐹 tel que 𝑊_𝑈. Mais 𝑊𝑊_ donc 𝑊_𝐹 et 𝑉=𝑊_ convient. L’autre implication est claire.
  2. Montrer que 𝐹̊𝐹 puis montrer que 𝐹 est ouvert si et seulement si 𝑈𝐹,𝑈̊𝐹.

    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 𝑈𝐹. La condition appliquée à 𝑉=𝑈̊ donne (𝑊𝐹,𝑊̊𝑈̊)𝑈̊𝐹 dont la prémisse est vraie puisque 𝑊=𝑈 convient. La réciproque est claire.
Lemme 4.7.2

Soit 𝑓:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques. Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋,

  • 𝑓𝐹_𝑓𝐹_ et il y a égalité si 𝑓 est de plus fermée (voir la définition 4.2.1)
  • 𝑓va(𝐹)va(𝑓𝐹).

Démonstration : Montrons d’abord l’analogue de la première inégalité sur les parties. Soit 𝐴 une partie de 𝑋. On sait que 𝑓𝐴𝑓𝐴_ donc par adjonction 𝑓𝑓 on en déduit 𝐴𝑓𝑓𝐴_. Or 𝑓𝐴_ est fermé et 𝑓 est continue donc 𝑓𝑓𝐴_ est fermé. On a donc 𝐴_𝑓𝑓𝐴_ et on utilise de nouveau l’adjonction pour avoir 𝑓𝐴_𝑓𝐴_. Si 𝑓 est fermée alors 𝑓𝐴_ est fermé et contient 𝑓𝐴 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 𝑓𝐾𝐾𝑓. En appliquant cela à 𝐹_ 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.

Lemme 4.7.3

Soit 𝐹 un filtre sur un espace topologique 𝑋, et 𝑥 un point de 𝑋. Les propriétés suivantes sont équivalentes :

  1. 𝑥va(𝐹)
  2. 𝐹𝒩𝑥 qui se lit « 𝐹 intersecte l’ensemble des points qui sont proches de 𝑥 ».
  3. 𝑃({𝑥})𝐹_ qui se lit « le singleton {𝑥} est inclus dans l’adhérence de la partie généralisée 𝐹 ».

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.

Lemme 4.7.4
Soit 𝐹 un filtre non trivial sur un espace topologique 𝑋. Pour tout 𝑥 dans 𝑋, si 𝐹 converge vers 𝑥 alors 𝑥 est valeur d’adhérence de 𝐹. Si 𝐹 est un ultrafiltre alors la réciproque est vraie.

Démonstration : Dans les deux cas, on utilise la seconde caractérisation du lemme 4.7.3.

Soit 𝐹 non trivial qui converge vers un point 𝑥. On a 𝐹𝒩𝑥 donc 𝐹𝒩𝑥=𝐹 et 𝐹 donc 𝑥 est valeur d’adhérence de 𝐹.

Si on suppose que 𝐹 est un ultrafiltre ayant 𝑥 comme valeur d’adhérence alors <𝐹𝒩𝑥𝐹 force 𝐹𝒩𝑥=𝐹 puisque 𝐹 est un ultrafiltre. Ainsi, on a bien 𝐹𝒩𝑥.

Par construction, la définition de valeur d’adhérence d’un filtre généralise la notion d’adhérence d’une partie : pour toute partie 𝐴, va(𝑃(𝐴))=𝑃(𝐴_). Le lemme suivant montre qu’elle généralise également la notion de valeur d’adhérence d’une suite.

Lemme 4.7.5
Pour toute suite 𝑢:𝑋, si 𝑥 est valeur d’adhérence de la suite 𝑢, c’est-à-dire s’il existe 𝜑: strictement croissante telle que 𝑢𝜑 tende vers 𝑥, alors 𝑥 est valeur d’adhérence de 𝑢𝒩.
Démonstration : Soit 𝑢 une suite dans 𝑋, 𝑥 un point de 𝑋 et 𝜑: une extraction (en fait supposer que 𝜑 tend vers l’infini en l’infini suffirait). On suppose (𝑢𝜑)𝒩𝒩𝑥. Comme 𝜑𝒩𝒩 et que 𝑢 est croissante, on obtient (𝑢𝜑)𝒩𝑢𝒩. De plus 𝒩 donc (𝑢𝜑)𝒩 et donc <(𝑢𝜑)𝒩𝑢𝒩𝒩𝑥.

On remarquera que l’énoncé précédent ne dit pas que les limites des suites extraites sont les seules valeurs d’adhérence de 𝑢𝒩 ni que toute valeur d’adhérence de 𝑃(𝐴) 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.

Définition 4.7.6

On dit que 𝐹 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 𝑋 admet une base dénombrable, on peut toujours supposer qu’il s’agit de l’image d’une fonction 𝐵:𝒫(𝑋), quitte à utiliser 𝑋 comme valeur pour certains entiers.

Exercice 4.50

Dans cet exercice, on explore le lien entre valeur d’adhérence et suites pour les filtres à base dénombrable. Soit 𝑋 un ensemble.

  1. Montrer que si 𝑋 est un espace métrique alors tout point admet une base dénombrable de voisinages.

    Les boules centrées au point et de rayon 1/(𝑛+1) conviennent.
  2. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋. Montrer que si 𝐹 admet une base dénombrable alors il admet une base 𝐵:𝒫(𝑋) décroissante.

    Soit 𝑉:𝒫(𝑋) une base de 𝐹. On définit 𝐵:𝒫(𝑋) par 𝑛𝑘𝑛𝑉𝑘. Il s’agit d’une suite décroissante. Montrons que c’est une base de 𝒩𝑥. Chaque 𝐵𝑛 est voisinage de 𝑥, car c’est une intersection finie de voisinages de 𝑥. Soit 𝑈𝒩𝑥. Par hypothèse, on obtient 𝑛 tel que 𝑉𝑛𝑈. On a 𝐵𝑛𝑉𝑛𝑈.

  3. Dans la suite de cet exercice, on suppose 𝑋 muni d’une topologie. Soit 𝐴 une partie de 𝑋 et 𝑥 un élément de l’adhérence de 𝐴. Montrer que si 𝒩𝑥 est à base dénombrable alors il existe une suite d’éléments de 𝐴 qui tend vers 𝑥.

    La question précédente fournit une base décroissante 𝐵:𝒫(𝑋) pour 𝒩𝑥. Par hypothèse 𝒩𝑥𝑃(𝐴) donc le lemme 2.3.7 assure que tous les 𝐵𝑛𝐴 sont non vides. L’axiome du choix permet donc de construire 𝑢:𝑋 telle que 𝑛,𝑢𝑛𝐵𝑛𝐴. Montrons que 𝑢 convient. On sait déjà que 𝑢 est à valeurs dans 𝐴, il suffit donc de montrer qu’elle tend vers 𝑥. Soit 𝑈 un voisinage de 𝑥. Montrons qu’il existe 𝑁 tel que 𝑛𝑁,𝑢𝑛𝑈. Comme 𝐵 est une base 𝒩𝑥, on obtient 𝑁 tel que 𝐵𝑁𝑈. Montrons que 𝑁 convient. Soit 𝑛𝑁. On a 𝑢𝑛𝐵𝑛, 𝑛𝑁 et 𝐵 est décroissante donc 𝑢𝑛𝐵𝑁𝑈.
  4. Soit 𝑢:𝑋 une suite et 𝑥𝑋. On suppose que 𝒩𝑥 est à base dénombrable et que 𝑥 est valeur d’adhérence de 𝑢𝒩. Montrer qu’il existe une sous-suite de 𝑢 qui tend vers 𝑥 (cette question est plus difficile que les autres).

    Soit 𝑉:𝒫(𝑋) une base décroissante de voisinages de 𝑥 fournit par l’hypothèse sur 𝑥 et la question précédente.

    L’hypothèse de valeur d’adhérence signifie que, pour tous 𝑊𝑢𝒩 et 𝑈𝒩𝑥, 𝑊𝑈. En particulier pour tous 𝑁 et 𝑛 dans , 𝑢([𝑁,[)𝑉𝑛. On en déduit par récurrence l’existence de 𝜑: strictement croissante telle que 𝑛,(𝑢𝜑)𝑛𝑉𝑛. Montrons que 𝑢𝜑 tend vers 𝑥. Soit 𝑈 un voisinage de 𝑥. On veut 𝑁 tel que 𝑛𝑁,(𝑢𝜑)𝑛𝑈. Comme 𝑉 est une base, on obtient 𝑁 tel que 𝑉𝑁𝑈. Montrons que ce 𝑁 convient. Soit 𝑛𝑁. On sait que (𝑢𝜑)𝑛𝑉𝑛. Or 𝑉 est décroissante donc 𝑉𝑛𝑉𝑁𝑈 donc (𝑢𝜑)𝑛𝑈

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 𝑢 à valeurs dans un espace métrique n’est pas l’adhérence de son image 𝑢. C’est l’adhérence de 𝑢𝒩, l’image par 𝑢 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

Définition 4.7.7
On dit qu’un espace topologique est 𝑇3 si tous ses filtres de voisinages sont fermés. Autrement dit, via l’exercice 4.49, si tout voisinage contient un voisinage fermé. On dit qu’il est régulier s’il est de plus séparé. En particulier les espaces métriques sont réguliers.
Théorème 4.7.8

Soit 𝑋, 𝑌 et 𝑍 des espaces topologiques, 𝑖:𝑋𝑌, 𝑓:𝑋𝑍 et 𝜑:𝑌𝑍

Si

  • 𝑍 est 𝑇3
  • l’image de 𝑖 est dense dans 𝑌
  • 𝑦,𝑓𝑖𝒩𝑦𝒩𝜑(𝑦)

alors 𝜑 est continue.

Si de plus

  • 𝑍 est séparé
  • 𝑖𝑇𝑌=𝑇𝑋
  • 𝑓 est continue

alors 𝜑𝑖=𝑓. On notera que toutes les conditions sur 𝑖 sont vraies en particulier si 𝑖 est l’inclusion d’un sous-ensemble dense de 𝑌 muni de la topologie induite (mais l’énoncé général ci-dessus ne fait aucune hypothèse d’injectivité de 𝑖).

Démonstration : On suppose la première série de conditions. On commence par observer que l’hypothèse que 𝑖𝑋 est dense se reformule en 𝑦,𝑖𝒩𝑦 d’après l’exercice 2.28 qui assure que 𝑦,𝑖𝑖𝒩𝑦=𝒩𝑦𝑃(𝑖𝑋) et l’exercice 2.21 qui assure que 𝑦,𝑖𝑖𝒩𝑦𝑖𝒩𝑦. En particulier, l’hypothèse 𝑦,𝑓𝑖𝒩𝑦𝒩𝜑(𝑦) assure que, pour tout 𝑦, 𝜑(𝑦) est valeur d’adhérence de 𝑓𝑖𝒩𝑦, ce que le lemme 4.7.3 reformule en 𝑃({𝜑(𝑦)})𝑓𝑖𝒩𝑦_.

Soit 𝑦 dans 𝑌. Montrons que 𝜑 est continue en 𝑦 en calculant

Supposons maintenant de plus la deuxième série d’hypothèses. Soit 𝑥 dans 𝑋. Montrons que 𝜑(𝑖(𝑥))=𝑓(𝑥). Comme 𝑍 est séparé, il suffit de montrer que 𝒩𝜑(𝑖(𝑥))𝒩𝑓(𝑥). On sait déjà que 𝑓𝑖𝒩𝑖(𝑥)𝒩𝜑(𝑖(𝑥)) par la première série d’hypothèses. L’hypothèse que 𝑖𝑇𝑍=𝑇𝑋 et le corollaire 4.4.6 assurent que 𝒩𝑥=𝑖𝒩𝑖(𝑥). Ainsi la continuité de 𝑓 en 𝑥 se reformule en 𝑓𝑖𝒩𝑖(𝑥)𝒩𝑓(𝑥), ce qui montre que 𝒩𝜑(𝑖(𝑥))𝒩𝑓(𝑥)𝑓𝒩𝑥>.

Corollaire 4.7.9

Soit 𝑖:𝑋𝑌 une application entre espaces topologiques telle que 𝑖𝑇𝑌=𝑇𝑋 et l’image de 𝑖 est dense. Soit 𝑓:𝑋𝑍 une fonction continue à valeurs dans un espace topologique régulier. On suppose que 𝑦𝑌,𝑧𝑍,𝑓𝑖𝒩𝑦𝒩𝑧. Alors il existe une unique fonction continue 𝜑:𝑌𝑍 telle que 𝜑𝑖=𝑓.

On notera que, dans le cas où 𝑖 est l’inclusion d’une partie de 𝑌, l’hypothèse se lit « pour tout 𝑦, 𝑓(𝑥) admet une limite 𝑧 lorsque 𝑥 tend vers 𝑦 en restant dans 𝑋 ».

Démonstration : Sous ces hypothèses, on choisit une fonction 𝜑:𝑌𝑍 telle que 𝑦,𝑓𝑖𝒩𝑦𝒩𝜑(𝑦) (on peut invoquer l’axiome du choix ici, mais comme 𝑍 est séparé et que les 𝑖𝒩𝑦 sont non triviaux, il n’y a qu’un seul 𝑧 qui convient pour chaque 𝑦). Le théorème 4.7.8 montre que 𝜑 est continue et vérifie 𝜑𝑖=𝑓. La contrainte 𝜑𝑖=𝑓 entraîne l’unicité via le lemme 4.6.6, car l’image de 𝑖 est dense et 𝑍 est séparé.

Les hypothèses du corollaire couvrent par exemple le cas où 𝑖 est l’inclusion du complémentaire d’un point dans 𝑌 et 𝑓 admet une limite (épointée) en ce point, ou bien le cas où 𝑖 est l’inclusion d’une partie dense dans un espace métrique, 𝑓 est uniformément continue et 𝑌 est complet (en fait, dans ce cas, on peut même montrer que 𝜑 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.

Proposition 4.8.1

Soit 𝑋 un espace topologique et 𝐴 une partie 𝐴 de 𝑋. Les conditions suivantes sont équivalentes.

  1. Propriété de sous-recouvrement fini, dite de Borel-Lebesgue : Pour tout ensemble 𝑆 d’ouvert de 𝑋,

  2. Propriété d’intersection finie non vide : Pour tout ensemble 𝑆 de fermés de 𝑋,

  3. Propriété de Bolzano-Weirstraß : Tout filtre non trivial 𝐹𝑃(𝐴) admet une valeur d’adhérence qui appartient à 𝐴 (toute « partie généralisée contenue dans 𝐴 » admet une valeur d’adhérence dans 𝐴).
  4. Propriété de Bolzano-Weirstraß pour les ultrafiltres : Tout ultrafiltre 𝐹𝑃(𝐴) converge vers un point de 𝐴 (tout « singleton généralisé de 𝐴 est proche d’un point ordinaire de 𝐴 »).
  5. Propriété de distributivité : Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋,

    (« l’ensemble des ensembles de points proches d’un point de 𝐴 se comporte comme un ensemble fini dans la distributivité de l’inf sur le sup »). On notera que sup𝑎𝐴𝒩𝑎 est le filtre 𝒩𝐴 des voisinages de 𝐴, mais l’écrire ainsi cache la distributivité.
  6. Principe de récurrence : pour tout prédicat 𝑝 sur 𝒫(𝑋), si

    1. 𝑝()
    2. 𝑈𝑉,𝑝(𝑉)𝑝(𝑈)
    3. 𝑈,𝑉,𝑝(𝑈)et𝑝(𝑉)𝑝(𝑈𝑉)
    4. 𝑎𝐴,𝑈𝒩𝑎𝑃(𝐴),𝑝(𝑈)

    alors 𝑝(𝐴).

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 𝑆 un ensemble d’ouverts qui recouvrent 𝐴. Soit 𝑝 le prédicat qui associe à tout 𝐵𝑋 l’énoncé « il existe 𝑆𝑆 fini tel que 𝐵𝑈𝑆𝑈 ». Notre objectif est 𝑝(𝐴) et nous avons supposé 5) donc il suffit de vérifier les quatre conditions sur 𝑝. Pour i), 𝑆= convient. Pour ii), soit 𝑈𝑉 tels que 𝑝(𝑉). L’hypothèse 𝑝(𝑉) fournit 𝑆 qui convient également pour 𝑈. Pour iii), soit 𝑈 et 𝑉 tels que 𝑝(𝑈) et 𝑝(𝑉), ce qui fournit 𝑆 pour 𝑈 et 𝑆 pour 𝑉. La réunion 𝑆𝑆 convient pour 𝑈𝑉. Pour iv), soit 𝑥𝐴. Comme 𝑆 recouvre 𝐴 on obtient 𝑈𝑆 tel que 𝑥𝑈. Montrons que 𝑈 convient. Comme 𝑈 est ouvert, 𝑈𝒩𝑥 donc 𝑈𝒩𝑥𝑃(𝐴). De plus 𝑝(𝑈) car 𝑆={𝑈} 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 𝐵 de 𝑋, 𝐴𝐵𝐴𝐵𝑐=).

2 ⇒ 3). Supposons la propriété d’intersection finie non vide et montrons Bolzano-Weirstraß. Soit 𝐹 un filtre non trivial. Montrons que l’ensemble des valeurs d’adhérence de 𝐹 n’est pas vide. Le lemme 4.7.3 assure que cet ensemble est 𝑈𝐹𝑈_. Par hypothèse il suffit de montrer que toute intersection finite dans cette famille est non vide. Or, pour chaque 𝑈𝐹, 𝑈𝑈_ donc 𝑈_𝐹 et donc toute intersection finie de tels ensembles est dans 𝐹. Comme 𝐹 n’est pas trivial, 𝐹.

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 𝑋 converge. Soit 𝐹 un filtre non trivial sur 𝑋. Le théorème 2.5.6 fournit un ultrafiltre 𝐺 tel que 𝐺𝐹. Par hypothèse sur 𝑋, on obtient 𝑥 tel que 𝐺𝒩𝑥. On a alors <𝐺=𝐺𝒩𝑥𝐹𝒩𝑥 et donc 𝑥 est valeur d’adhérence de 𝐹.

6 ⇒ 5) Supposons le principe de récurrence et montrons la propriété de distributivité. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋. Comme la fonction 𝐺𝐹𝐺 est croissante, le lemme 1.4.15 assure que 𝐹sup𝑎𝐴𝒩𝑎sup𝑎𝐴(𝐹𝒩𝑎). Montrons que notre hypothèse assure l’autre inégalité. Soit 𝑊sup𝑎𝐴(𝐹𝒩𝑎). On considère le prédicat 𝑝 sur 𝒫(𝑋) qui à toute partie 𝑈 associe l’énoncé 𝑊𝐹sup𝑎𝑈𝒩𝑎. Notre but est de montrer 𝑝(𝐴). Vérifions donc les quatre conditions du principe de récurrence. i) La condition 𝑝() est vraie, car 𝐹sup𝑎𝒩𝑎=𝐹= et contient toutes les parties. ii) Soit 𝑈𝑉 tels que 𝑝(𝑉). On a sup𝑎𝑈𝒩𝑎sup𝑎𝑉𝒩𝑎 et 𝑊sup𝑎𝑉𝒩𝑎 donc 𝑝(𝑈). iii) Soit 𝑈 et 𝑉 tels que 𝑝(𝑈) et 𝑝(𝑉). On a sup𝑎𝑈𝑉𝒩𝑎=(sup𝑎𝑈𝒩𝑎)(sup𝑎𝑉𝒩𝑎). 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 𝑝(𝑈𝑉). iv) Soit 𝑎0𝐴. Comme 𝑊𝐹sup𝑎𝑈𝒩𝑎, le lemme 2.3.7 fournit 𝑆𝐹 et 𝑇sup𝑎𝑈𝒩𝑎 tels que 𝑊=𝑆𝑇. En particulier 𝑇𝒩𝑎0 donc contient 𝑇𝒩𝑎0 ouvert. Montrons que 𝑇 convient. Il est dans 𝒩𝑎0 donc dans 𝒩𝑎0𝑃(𝐴). Montrons que 𝑝(𝑇), c’est-à-dire 𝑊𝐹sup𝑎𝑇𝒩𝑎. On sait que 𝑆𝑇𝑊 et 𝑆𝐹 donc il suffit de montrer que 𝑇sup𝑎𝑇𝒩𝑎, c’est-à-dire 𝑎𝑇,𝑇𝒩𝑎, ce qui est vraie car 𝑇 est ouvert.

5 ⇒ 3) Supposons maintenant la distributivité et montrons la propriété de Bolzano-Weirstraß. Soit 𝐹𝑃(𝐴) non trivial. Supposons par l’absurde 𝑎𝐴,𝐹𝒩𝑎=. On a alors

ce qui est absurde.

3 ⇒ 6) Supposons la propriété de Bolzano-Weirstraß et montrons le principe de récurrence. Soit 𝑝 un prédicat sur 𝒫(𝑋) vérifiant les quatre propriétés listées. On pose 𝐹={𝑈𝑋|𝑝(𝑈)}. Les trois premières propriétés de 𝑝 assurent exactement que 𝐹 est un filtre. On veut montrer 𝑝(𝐴), c’est-à-dire 𝐴𝑐𝐹 ou encore 𝐹𝑃(𝐴)= (en utilisant le lemme 2.3.7). Supposons par l’absurde que 𝐹𝑃(𝐴). Notre hypothèse 3) fournit 𝑥va(𝐹𝑃(𝐴))𝐴. L’hypothèse iv) sur 𝑝 fournit 𝑈𝒩𝑥𝑃(𝐴) tel que 𝑝(𝑈), c’est-à-dire 𝑈𝐹 ou encore 𝐹𝑃(𝑈𝑐). On a donc 𝒩𝑥𝑃(𝐴)𝐹𝑃(𝑈)𝑃(𝑈𝑐)=, ce qui contredit 𝑥va(𝐹𝑃(𝐴)).

Définition 4.8.2

Si une partie 𝐴 d’un espace topologique 𝑋 vérifie une des conditions équivalentes de la proposition 4.8.1, on dit que 𝐴 est quasi-compact. Si de plus 𝐴 est séparé (pour la topologie induite), on dit que 𝐴 est compact.

On dit qu’un espace 𝑋 est (quasi-)compact s’il l’est en tant que partie de lui-même.

Remarque 4.8.3
La propriété de Bolzano-Weirstraß admet la variante suivante qui est parfois plus commode. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋. Si 𝐴 est quasi-compact et 𝐹𝑃(𝐴) alors va(𝐹)𝐴. En effet, on peut appliquer la propriété de Bolzano-Weirstraß à 𝐹𝑃(𝐴) pour obtenir va(𝐹𝑃(𝐴))𝐴. Or la fonction va est croissante par construction donc va(𝐹𝑃(𝐴))va(𝐹).

Dans le cas de l’espace entier, les conditions de la proposition 4.8.1 se simplifient comme dans l’énoncé suivant.

Corollaire 4.8.4

Un espace topologique 𝑋 est quasi-compact si et seulement si l’un des conditions équivalentes suivantes est vraie.

  1. Pour tout ensemble 𝑆 d’ouvert de 𝑋,

  2. Pour tout ensemble 𝑆 de fermés de 𝑋,

  3. Tout filtre non trivial sur 𝑋 admet une valeur d’adhérence.
  4. Tout ultrafiltre sur 𝑋 est convergent.
  5. Pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋,

  6. On a le principe de récurrence suivant sur 𝒫(𝑋) : pour tout prédicat 𝑝 sur 𝒫(𝑋), si

    1. 𝑝()
    2. 𝑈𝑉,𝑝(𝑉)𝑝(𝑈)
    3. 𝑈,𝑉,𝑝(𝑈)et𝑝(𝑉)𝑝(𝑈𝑉)
    4. 𝑥,𝑈𝒩𝑥,𝑝(𝑈)

    alors 𝑝(𝑋).

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.

Lemme 4.8.5
L’image directe d’une partie quasi-compacte par une application continue est quasi-compact.

Démonstration : Soit 𝑓:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques. Soit 𝐴𝑋 une partie quasi-compacte. Montrons que 𝑓𝐴 est quasi-compacte.

On commence par une démonstration via les recouvrements ouverts. Soit 𝑈:𝐼𝒫(𝑌) un recouvrement ouvert de 𝑓𝐴. Comme 𝑓 est continue, 𝑓𝑈:𝐼𝒫(𝑋) est une famille d’ouverts. En utilisant l’unité de l’adjonction 𝑓𝑓 et le fait que 𝑓 commute aux unions et est croissante, on calcule

donc 𝑓𝑈 recouvre 𝐴. Comme 𝐴 est quasi-compacte, on obtient 𝐼𝐼 finie telle que 𝐴𝑖𝐼𝑓𝑈𝑖. En utilisant que l’image directe commute aux unions et la co-unité de l’adjonction 𝑓𝑓, on calcule

donc la restriction de 𝑈 à 𝐼 recouvre 𝑓𝐴.

Comme intermède, voyons comment démontrer cela à l’aide de suites en supposant que 𝑋 et 𝑌 sont des espaces métriques. Soit 𝑣:𝑓𝐴 une suite. Montrons que 𝑣 admet une valeur d’adhérence. La définition de 𝑓𝐴 et l’axiome du choix permettent d’obtenir une suite 𝑢:𝐴 telle que 𝑣=𝑓𝑢. Comme 𝐴 est compacte, on obtient une extraction 𝜑 telle que 𝑢𝜑 converge vers une limite 𝑎 dans 𝐴. La continuité de 𝑓 assure alors que 𝑣𝜑 converge vers 𝑓(𝑎) qui est bien dans 𝑓𝐴.

Voyons maintenant comment adapter le paragraphe précédent au cas général en remplaçant les suites par des filtres. Soit 𝐺 un filtre sur 𝑌 tel que <𝐺𝑃(𝑓𝐴). Montrons qu’il existe 𝑎𝐴 tel que 𝑓(𝑎)va(𝐺). Le filtre 𝑃(𝐴)𝑓𝐺 n’est pas trivial car 𝑓(𝑃(𝐴)𝑓𝐺)=𝑃(𝑓𝐴)𝐺=𝐺 (en utilisant le lemme 2.4.22 et l’hypothèse 𝐺𝑃(𝑓𝐴)). L’hypothèse sur 𝐴 et la remarque 4.8.3 fournissent donc 𝑎va(𝑓𝐺)𝐴. Ce 𝑎 convient, car 𝑓 est continue donc le lemme 4.7.2 assure 𝑓va(𝑓𝐺)va(𝑓𝑓𝐺)va(𝐺) (la deuxième inclusion vient de la co-unité de 𝑓𝑓 et de la croissante de va).

On notera une différence avec l’utilisation des suites : il n’y a pas d’analogue du choix arbitraire de la suite 𝑢 relevant 𝑣 dans 𝐴. Dans le cas des filtres, le filtre 𝑃(𝐴)𝑓𝐺 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.

Lemme 4.8.6
L’intersection d’une partie fermée et d’une partie (quasi-)compacte est (quasi-)compacte. En particulier un fermé dans un espace (quasi-)compact est (quasi-)compact.

Démonstration : Soit 𝑋 un espace topologique 𝐴 un fermé de 𝑋 et 𝐾 un quasi-compact de 𝑋. Le lemme 4.5.4 assure qu’une partie d’un espace séparé est séparée donc il reste à comprendre la quasi-compacité de 𝐾𝐴. Il est commode de passer par la propriété d’intersection finie non vide. Soit 𝐶 une famille de fermés de 𝑋 indexée par un ensemble 𝐼. On suppose que, pour tout 𝐼𝐼 fini, (𝐾𝐴)𝑖𝐼𝐶𝑖. On peut réécrire cette condition comme 𝐾𝑖𝐼(𝐴𝐶𝑖). Comme 𝐴 est fermé, les 𝐴𝐶𝑖 sont également fermés donc la compacité de 𝐾 assure que 𝐾𝑖𝐼(𝐴𝐶𝑖), et on peut ressortir 𝐴 de la grande intersection pour conclure.

Comme intermède, voyons la démonstration séquentielle utilisable dans les espaces métriques. Soit 𝑢:𝐾𝐴 une suite. Montrons que 𝑢 admet une sous-suite qui converge dans 𝐾𝐴. La (quasi-)compacité de 𝐾 fournit une extraction 𝜑 et 𝑥𝐾 tels que 𝑢𝜑 tend vers 𝑥. Comme 𝐴 est fermé et que 𝑢𝜑 est à valeurs dans 𝐴, on obtient 𝑥𝐴.

Voyons maintenant comme les filtres permettent d’adapter cette démonstration au cas général. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 tel que <𝐹𝑃(𝐾𝐴). Montrons que 𝐹 admet une valeur d’adhérence dans 𝐾𝐴. On a <𝐹𝑃(𝐾) et 𝐹𝑃(𝐴). La quasi-compacité de 𝐾 fournit 𝑥𝐾va(𝐹)𝐾va(𝑃(𝐴))=𝐾𝐴_=𝐾𝐴.

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.

Lemme 4.8.7
Soit 𝐴 une partie quasi-compacte d’un espace topologique 𝑋. Si 𝑋 est séparé alors 𝐴 est fermée.
Démonstration : Soit 𝑥𝐴_. Montrons que 𝑥𝐴. Par hypothèse, 𝒩𝑥𝑃(𝐴) est non trivial. La quasi-compacité de 𝐴 et la remarque 4.8.3 fournissent donc une valeur d’adhérence 𝑎𝐴 pour ce filtre. En particulier 𝒩𝑥𝒩𝑎 et, puisque 𝑋 est séparé, 𝑥=𝑎. Ainsi 𝑥𝐴.

Dans le résultat précédent, il faut une hypothèse sur 𝑋. Par exemple si 𝑋 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).

Lemme 4.8.8
Soit 𝑓:𝑋𝑌 une bijection continue entre espaces topologiques. Si 𝑋 est quasi-compact et 𝑌 est séparé alors 𝑓 est un homéomorphisme (et donc a posteriori 𝑋 et 𝑌 sont tous deux compacts).
Démonstration : Il s’agit de montrer que 𝑓1 est continue. Soit 𝐹 un fermé de 𝑋. On a (𝑓1)𝐹=𝑓𝐹. Or 𝐹 est quasi-compact dans 𝑋 par le lemme 4.8.6 donc 𝑓𝐹 est quasi-compact dans 𝑌 par le lemme 4.8.5. Comme 𝑌 est séparé, le lemme 4.8.7 assure que 𝑓𝐹 est fermé.

Comme dernier exemple d’utilisation de la propriété de Bolzano-Weirstraß, montrons le lemme suivant.

Lemme 4.8.9
Une réunion finie de parties quasi-compactes est quasi-compacte (en particulier est quasi-compact).
Démonstration : Par récurrence immédiate il suffit de traiter le cas de et des réunions binaires. Soit 𝑋 un espace topologique. Montrons que est quasi-compact dans 𝑋. Comme il n’y a pas de filtre non trivial inférieur à 𝑃(), il n’y a rien à démontrer. Soit 𝐾1 et 𝐾2 quasi-compacts. Montrons que 𝐾1𝐾2 est quasi-compact. Soit 𝐹 un filtre tel que <𝐹𝑃(𝐾1𝐾2). Le lemme 2.3.9 assure que 𝐹=(𝐹𝑃(𝐾1))(𝐹𝑃(𝐾2)) donc l’un de ces filtres est non trivial. Vu la symétrie de la situation, on peut supposer que c’est 𝐹𝑃(𝐾1). Comme 𝐾1 est quasi-compact, on obtient une valeur d’adhérence de 𝐹 qui est dans 𝐾1 et donc dans 𝐾1𝐾2.

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.

Théorème 4.8.10
Un produit d’espaces (quasi-)compacts est (quasi-)compact.
Démonstration : Nous avons déjà vu dans le proposition 4.6.4 qu’un produit d’espaces séparés est séparé. Il suffit donc de montrer qu’un produit d’espaces 𝑋𝑖 quasi-compacts est quasi-compact. On utilise la caractérisation par les ultrafiltres dans le corollaire 4.8.4. Soit 𝐹 un ultrafiltre sur 𝑖𝑋𝑖. On note 𝑝 la famille des projections. Pour chaque 𝑖, l’exercice 2.31 assure que (𝑝𝑖)𝐹 est un ultrafiltre sur 𝑋𝑖 et donc l’hypothèse de quasi-compacité fournit 𝑥𝑖 tel que (𝑝𝑖)𝐹𝒩𝑥𝑖. L’axiome du choix permet de choisir d’un coup de tels 𝑥𝑖 pour obtenir 𝑥𝑖𝑋𝑖. Montrons que ce 𝑥 convient. Comme, par adjonction, 𝑖,𝐹(𝑝𝑖)𝒩𝑥𝑖, on obtient 𝐹inf𝑖(𝑝𝑖)𝒩𝑥𝑖=𝒩𝑥, où la dernière égalité provient de la proposition 4.6.2.

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 𝑝() est presque toujours redondante, la seule exception étant le cas où 𝑋 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).

Proposition 4.8.11
Soit 𝑋 un espace métrique compact et 𝑈:𝐼𝒫(𝑋) une famille d’ouverts recouvrant 𝑋. Il existe 𝜀>0 tel que toute boule de rayon au plus 𝜀 est contenu dans un des 𝑈𝑖.

Démonstration : On note 𝑝 le prédicat sur 𝒫(𝑋) qui à tout 𝐴𝑋 associe l’énoncé « il existe 𝜀>0 tel que toute boule centrée en un point de 𝐴 et de rayon au plus 𝜀 est dans un des 𝑈𝑖 ». Nous voulons montrer que 𝑝(𝑋) par récurrence sur les parties de 𝑋 qui est compact. Vérifions les quatre conditions.

  1. 𝑝() est clair : n’importe que 𝜀>0 convient.
  2. Soit 𝑈𝑉 tels que 𝑝(𝑉). L’hypothèse sur 𝑉 fournit un 𝜀 qui convient également pour 𝑈.
  3. Soit 𝑈 et 𝑉 tels que 𝑝(𝑈) et 𝑝(𝑉). L’hypothèse sur 𝑈 fournit 𝜀, l’hypothèse sur 𝑉 fournit 𝜀 et min(𝜀,𝜀) convient pour 𝑈𝑉.
  4. Soit 𝑥𝑋. Comme 𝑈 recouvre 𝑋, on obtient 𝑖 tel que 𝑥𝑈𝑖. Comme 𝑈𝑖 est ouvert, on obtient 𝛿>0 tel que 𝐵𝛿(𝑥)𝑈𝑖. Montrons que 𝑈=𝐵𝛿2(𝑥) convient. On a bien 𝑈𝒩𝑥. Pour montrer 𝑝(𝑈), montrons que 𝜀=𝛿2 convient. Soit 𝑦𝑈 et 𝑟𝜀. L’inégalité triangulaire assure que 𝐵𝑟(𝑦) est contenue dans 𝐵𝛿(𝑥) donc dans 𝑈𝑖.
Exercice 4.51

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 𝑋 et 𝑌 deux espaces métriques. On suppose que 𝑋 est compact. Soit 𝑓 une fonction continue de 𝑋 dans 𝑌. On veut montrer que 𝑓 est uniformément continue. On fixe 𝜀>0 et considère le prédicat 𝑝 sur les parties de 𝑋×𝑋 qui associe à 𝑈 l’énoncé

  1. Montrer que ce prédicat vérifie les conditions du principe de récurrence et conclure.

    La conclusion souhaitée est 𝑝(𝑋×𝑋). Comme 𝑋×𝑋 est compact, il suffit de vérifier que 𝑝 satisfait les quatre hypothèses du principe de récurrence.

    On a 𝑝(), car 𝛿=42 convient. Soit 𝑈 et 𝑉 des parties de 𝑋×𝑋. Supposons 𝑝(𝑉) et 𝑈𝑉. L’hypothèse fournit un 𝛿 qui convient pour (𝑥,𝑥) dans 𝑉 donc convient aussi pour (𝑥,𝑥) dans 𝑈. 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 𝑝(𝑈) et 𝑝(𝑉) et montrons 𝑝(𝑈𝑉). Ces hypothèses fournissent 𝛿 et 𝛿 respectivement, et min(𝛿,𝛿) convient pour 𝑈𝑉.

    Montrons maintenant la dernière condition. Soit (𝑥,𝑥)𝑋×𝑋. La continuité de 𝑓 en 𝑥 fournit 𝜂>0 tel que 𝑧𝑋,𝑑(𝑥,𝑧)<𝜂𝑑(𝑓(𝑥),𝑓(𝑧))<𝜀/2. On pose 𝑈=𝐵(𝑥,𝜂/2)×𝐵(𝑥,1). Il s’agit d’un voisinage de (𝑥,𝑥). Montrons que 𝑝(𝑈). Montrons que 𝛿=𝜂/2 convient. Soit (𝑢,𝑣)𝑈 tels que 𝑑(𝑢,𝑣)<𝜂/2. Comme 𝑢𝐵(𝑥,𝜂/2)𝐵(𝑥,𝜂), 𝑑(𝑓(𝑥),𝑓(𝑢))<𝜀/2. De plus 𝑑(𝑥,𝑣)𝑑(𝑥,𝑢)+𝑑(𝑢,𝑣)𝜂, donc on a également 𝑑(𝑓(𝑥),𝑓(𝑣))<𝜀/2. Et donc 𝑑(𝑓(𝑢),𝑓(𝑣))<𝜀.

  2. 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 𝑋×𝑋 par des 𝑈(𝑥,𝑥) munis d’un 𝛿(𝑥,𝑥), extrairait un sous-recouvrement fini, utiliserait le minimum de l’ensemble des 𝛿 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.

Lemme 4.8.12

Soit 𝑋 un espace topologique. L’ensemble des complémentaires des parties quasi-compact de 𝑋 est filtrant. Ainsi l’ensemble des 𝑈𝑋 qui contient le complémentaire d’une partie quasi-compacte est un filtre sur 𝑋 (lemme 2.2.6). On l’appelle le filtre cocompact de 𝑋 et on le note 𝐹𝑋 (cette notation n’est pas universelle). On y pense comme la partie généralisée des points de 𝑋 qui sont lointains.

Ce filtre est trivial si et seulement si 𝑋 est quasi-compact.

Démonstration : Cet ensemble n’est pas vide car il contient 𝑋 puisque est quasi-compact. Soit 𝐾1 et 𝐾1 quasi-compacts. On a 𝐾0𝑐𝐾1𝑐=(𝐾0𝐾1)𝑐 et 𝐾0𝐾1 est quasi-compact par le lemme 4.8.9 donc on a bien un ensemble filtrant.

Par l’exercice 2.21, 𝐹𝑋 est trivial si et seulement si 𝐹𝑋, c’est-à-dire s’il existe 𝐾 quasi-compact tel que 𝐾𝑐. Or la seule partie dont le complémentaire est inclus dans est 𝑋.

Exemple 4.8.13
Sur muni de la topologie discrète, le filtre cocompact est 𝒩 du chapitre 2. Sur muni de la topologie usuelle on obtient 𝒩𝒩+.

Le lemme suivant généralise le fait que si une suite 𝑢:𝑌 converge vers un point 𝑦0 alors 𝑢{𝑦0} est quasi-compact.

Lemme 4.8.14
Soit 𝑓:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques et 𝑦0𝑌. Si 𝑓𝐹𝑋𝒩𝑦0 alors 𝑓𝑋{𝑦0} est quasi-compact.
Démonstration : Soit 𝐹 un filtre non trivial sur 𝑌 tel que 𝐹𝑃(𝑓𝑋{𝑦0}). Montrons que 𝐹 admet une valeur d’adhérence dans 𝑓𝑋{𝑦0}. D’après le lemme 2.3.9, on a 𝐹=(𝐹𝑃(𝑓𝑋))(𝐹𝒩𝑦0) donc un de ces deux filtres est non trivial. Si 𝐹𝒩𝑦0 l’est, c’est terminé, car 𝑦0 convient. Supposons donc que 𝐹𝒩𝑦0= et 𝐹𝑃(𝑓𝑋). Il suffit de montrer qu’il existe 𝐾 quasi-compact dans 𝑋 tel que 𝐹𝑃(𝑓𝐾). En effet, 𝑓 est continue donc 𝑓𝐾 est quasi-compact par le lemme 4.8.5 (et 𝑓𝐾𝑓𝑋). Comme 𝑓𝐹𝑋𝒩𝑦0 par hypothèse, 𝐹𝑓𝐹𝑋𝐹𝒩𝑦0= donc 𝐹𝑓𝐹𝑋=. Or les 𝑓(𝐾𝑐) forment une base de 𝑓𝐹𝑋 par définition et par le corollaire 2.4.12, donc le lemme 2.3.7 fournit 𝐾 quasi-compact tel que 𝐹𝑃((𝑓(𝐾𝑐))𝑐). Comme on a également 𝐹𝑃(𝑓𝑋), on obtient 𝐹𝑃(𝑓𝑋(𝑓(𝐾𝑐))𝑐). Or 𝑓𝑋(𝑓(𝐾𝑐))𝑐𝑓𝐾 (cette affirmation n’a rien à voir avec la topologie de 𝑋 ou 𝑌) donc 𝐾 convient.

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.

Lemme 4.8.15

Soit 𝑓:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques séparés. On a

Démonstration : Par construction des filtres de points lointains, 𝑓𝐹𝑋𝐹𝑌𝐾𝑌,𝐾compact𝐿𝑋,𝐿est compact et𝑓𝐿𝑐𝐾𝑐. L’adjonction 𝑓𝑓 et le fait que l’image réciproque commute aux complémentaires permettent de réécrire 𝑓𝐿𝑐𝐾𝑐 en 𝐾𝑓𝐿.

Supposons cette condition 𝐾𝑌,𝐾compact𝐿𝑋,𝐿est compact et𝐾𝑓𝐿. Soit 𝐾 un compact de 𝑌. Montrons que 𝑓𝐾 est compact dans 𝑋. Par hypothèse, on obtient 𝐿𝑋 compact tel que 𝐾𝑓𝐿. Comme 𝑋 et 𝑌 sont séparés, 𝐾 et 𝐿 sont fermés d’après le lemme 4.8.7. Comme 𝑓 est continue 𝑓𝐿 est fermé. Donc 𝐾 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 𝐾𝑌 compact. Par hypothèse, 𝐿𝑓𝐾 convient.

L’étude de cette condition se poursuivra dans la section 4.10.

4.9. Espaces localement compacts

Définition 4.9.1
Un espace topologique 𝑋 est localement compact s’il est séparé et, pour tout point 𝑥 de 𝑋, tout voisinage de 𝑥 contient un voisinage compact de 𝑥 (c’est-à-dire que 𝑋 est à base de voisinages 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 𝐴 d’intérieur non vide peut y être partitionnée en une infinité d’ouverts, en utilisant une suite strictement croissante 𝑢 d’irrationnels dans 𝐴_ et en utilisant les ouverts ]𝑢𝑛,𝑢𝑛+1[𝐴. Cela contredit la propriété de Borel-Lebesgue.

Dans la définition ci-dessus, le fait d’insister sur la séparation de 𝑋 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.

Lemme 4.9.2
Soit 𝑋 un espace topologique séparé. Pour que 𝑋 soit localement compact, il suffit que tout point admette un voisinage compact.

Démonstration : Soit 𝑥 un point de 𝑋 et 𝑈 un voisinage de 𝑥. On veut montrer que 𝑈 contient un voisinage compact de 𝑥. Sans perte de généralité, on peut supposer que 𝑈 est ouvert. Par hypothèse, on obtient 𝐾0𝒩𝑥 compact (mais pas contenu dans 𝑈 a priori). On pose 𝐾1=𝐾0𝑈𝑐. Comme 𝑈𝑐 est fermé et 𝐾0 compact, 𝐾1 est compact par le lemme 4.8.6.

Il suffit de trouver 𝑉𝒩𝑥 tel que 𝑉_𝐾1= puisqu’on aura alors 𝑉_𝐾0 qui sera un voisinage compact de 𝑥 disjoint de 𝑈𝑐 donc inclus dans 𝑈. D’après le lemme 4.4.10, il s’agit donc de montrer que 𝒩𝑥𝒩𝐾1=. La quasi-compacité de 𝐾1 assure la condition de distributivité 𝒩𝑥𝒩𝐾1=sup𝑦𝐾1(𝒩𝑥𝒩𝑦). Or, puisque 𝑥𝐾1 et 𝑋 est séparé, on a 𝒩𝑥𝒩𝑦= pour tout 𝑦 dans 𝐾1. 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).

Lemme 4.9.3

Soit 𝑋 un espace topologique séparé. Le compactifié d’Alexandrov de 𝑋 est l’ensemble 𝑋_𝑋{} désigne un point qui n’est pas dans 𝑋. On note 𝑗 l’inclusion de 𝑋 dans 𝑋_. La fonction 𝒩:𝑋_(𝑋_) définie par

est la fonction voisinage d’une topologie sur 𝑋_. La première équation se lit « les points proches de 𝑥 dans 𝑋_ sont les points proches de 𝑥 dans 𝑋 ». La deuxième équation se lit « les points proches de dans 𝑋_ sont et les points de 𝑋 qui sont lointains ».

Démonstration : Il s’agit de vérifier les conditions de la proposition 4.4.4. Montrons d’abord que 𝑃({·})𝒩. Soit 𝑥𝑋. La proposition 4.4.4 appliquée à la topologie de 𝑋 assure que 𝑃({𝑥})𝒩𝑥. On applique la fonction croissante 𝑗 à cette inégalité et on utilise que 𝑗 « commute à 𝑃 » pour obtenir 𝑃({𝑗(𝑥)})𝒩𝑗(𝑥). Le cas de est clair par définition du sup.

Montrons maintenant que 𝑧𝑋_,𝑈𝒩𝑧,𝑓𝑤𝒩𝑧,𝑈𝒩𝑤. Soit 𝑥𝑋 et 𝑈𝒩𝑗(𝑥). On a donc 𝑗𝑈𝒩𝑥. La remarque 2.4.18 montre que 𝑓𝑤𝒩𝑗(𝑥),𝑈𝒩𝑤 est équivalent à la condition analogue sur 𝑗𝑈. Voyons maintenant le cas de . Soit 𝑈𝒩. Par définition, 𝑈 et 𝑗𝑈𝐹𝑋. Ainsi, on obtient 𝐾𝑋 quasi-compact tel que 𝐾𝑐𝑗𝑈. Comme 𝑋 est séparé, 𝐾 est fermé donc 𝐾𝑐 est ouvert donc voisinage de chacun de ses points. On en déduit que 𝑤𝑗(𝐾𝑐){},𝑈𝒩𝑤, et 𝑗(𝐾𝑐){}𝒩.

Lemme 4.9.4

Soit 𝑋 un espace topologique.

  1. Si 𝑋 n’est pas quasi-compact alors 𝑋 est dense dans 𝑋_.
  2. L’espace 𝑋_ est quasi-compact.
  3. Si 𝑋 est localement compact alors 𝑋_ est séparé (et donc compact).

Démonstration : Dans cette démonstration, on utilisera plusieurs fois que 𝑗 commute aux infs car 𝑗 est injective (ce qui suffit d’après le lemme 2.4.23).

Supposons que 𝑋 n’est pas quasi-compact et montrons que 𝑗𝑋 est dense dans 𝑋_. Le seul point qui n’est pas dans 𝑗𝑋 est . Il suffit donc de vérifier que 𝒩𝑃(𝑗𝑋). Or 𝒩𝑃(𝑗𝑋)𝑗𝐹𝑋𝑗𝑃(𝑋)=𝑗(𝐹𝑋𝑃(𝑋))=𝑗𝐹𝑋. Le lemme 4.8.12 assure que 𝐹𝑋 n’est pas trivial (et donc son image par 𝑗 non plus d’après l’exercice 2.21).

La quasi-compacité de 𝑋_ est un cas particulier du lemme 4.8.14 puisque 𝑗 est continue et 𝑗𝐹𝑋𝒩 par construction.

Supposons maintenant que 𝑋 est localement compact. Soit 𝑥 et 𝑦 deux points distincts de 𝑋. Comme 𝑋 est séparé, 𝒩𝑥𝒩𝑦= donc 𝒩𝑗(𝑥)𝒩𝑗(𝑦)=𝑗𝒩𝑥𝑗𝒩𝑦=𝑗(𝒩𝑥𝒩𝑦)=. Il reste à montrer que, pour tout 𝑥𝑋, 𝒩𝑗(𝑥)𝒩=. Soit 𝑥𝑋. Comme 𝑋 est localement compact, on obtient un voisinage 𝐾 de 𝑥 compact. Ainsi 𝑗𝐾 est un voisinage de 𝑗(𝑥) qui n’intersecte pas 𝐾𝑐{} qui est un voisinage de , donc 𝒩𝑗(𝑥)𝒩= par le lemme 2.3.7.

Proposition 4.9.5

Soit 𝜑:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques et 𝑦0𝑌. On suppose que 𝑋 est localement compact et que 𝑌 est séparé. Si 𝜑𝐹𝑋𝒩𝑦0 alors il existe une fonction continue 𝜑_:𝑋_𝑌 et telle que 𝜑_𝑗=𝜑. Si 𝑋 n’est pas compact, cette fonction est unique : c’est l’extension de 𝜑 qui envoie sur 𝑦0.

Si 𝑌 est compacte et 𝜑 est injective et d’image 𝑌{𝑦0} alors 𝜑_ est un homéomorphisme. En particulier les conclusions du lemme 4.9.4 caractérisent (𝑋_,𝑗) modulo unique homéomorphisme.

Démonstration : Si 𝑋 n’est pas compact, le lemme 4.9.4 assure que 𝑗𝑋 est dense dans 𝑋_ donc l’unicité de 𝜑_ découle de sa continuité, de 𝜑_𝑗=𝜑 et du fait que 𝑌 est séparé via le lemme 4.6.6. Il suffit donc de montrer (dans tous les cas) que l’extension envoyant sur 𝑦0 est continue. Montrons d’abord la continuité en tout point de 𝑗𝑋. Soit 𝑥𝑋. On a 𝜑_𝒩𝑗(𝑥)=𝜑_𝑗𝒩𝑥=(𝜑_𝑗)𝒩𝑥=𝜑𝒩𝑥𝒩𝜑(𝑥)=𝒩𝜑_(𝑗(𝑥)). Montrons maintenant la continuité en .

où la dernière ligne utilise que 𝜑𝐹𝑋 et 𝑃({𝑦0}) sont tous deux inférieurs à 𝒩𝑦0.

Supposons maintenant que 𝑌 est compacte et 𝜑 est injective et d’image 𝑌{𝑦0} Dans ce cas 𝜑_ est bijective de 𝑋_ vers 𝑌 et c’est donc un homéomorphisme d’après le lemme 4.8.8.

Exemple 4.9.6
L’inverse 𝜑 de la projection stéréographique est une bijection continue entre 𝑛 et le complémentaire d’un point 𝑁 dans 𝕊𝑛.
De plus 𝜑𝐹𝑛𝒩𝑁. On en déduit que 𝜑 s’étend en homéomorphisme de 𝑛_ vers 𝕊𝑛.
Corollaire 4.9.7
Soit 𝜑:𝑋𝑌 une application continue entre espaces topologiques. Si 𝑋 est localement compact, 𝑌 séparé et 𝜑𝐹𝑋𝐹𝑌 alors l’application 𝜑_ qui étend 𝜑 par 𝜑_()= est continue. Si 𝜑 est un homéomorphisme alors 𝜑_ est un homéomorphisme.

Démonstration : Notons 𝑗 l’inclusion de 𝑌 dans 𝑌_. L’extension proposée est l’extension de 𝑗𝜑 au sens de la proposition 4.9.5. Il suffit donc de montrer que (𝑗𝜑)𝐹𝑋𝒩. Or (𝑗𝜑)𝐹𝑋=𝑗(𝜑𝐹𝑋)𝑗𝐹𝑌𝒩 par hypothèse sur 𝜑 et définition de 𝒩.

Supposons maintenant que 𝜑 est un homéomorphisme. En particulier 𝑌 est également localement compact donc 𝑌_ 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).

Définition 4.10.1

Soit 𝑋 un espace topologique. On dit que 𝑋 est compactement engendré si sa topologie est la topologie finale associée à l’inclusion de ses parties quasi-compactes :

𝜄𝐾 est l’inclusion de 𝐾 dans 𝑋.

Vu la co-unité de l’adjonction entre image directe et image réciproque et la définition du sup, cette condition équivaut à 𝑇𝑋sup𝐾𝑋qc(𝜄𝐾)𝜄𝐾𝑇𝑋, 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 𝜄𝐾𝑈 est 𝐾𝑈 vu comme partie de 𝐾 donc 𝜄𝐾𝑈ouvert peut être dit de façon moins concise comme « 𝐾𝑈 est ouvert dans 𝐾 muni de la topologie induite ».

L’idée de cette définition est de demander que les parties quasi-compactes de 𝑋 suffisent à explorer la topologie de 𝑋. 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.

Définition 4.10.2
Soit 𝑋 un espace topologique. Une partie 𝐴 de 𝑋 est dite séquentiellement fermée si toute limite d’une suite d’éléments de 𝐴 est dans 𝐴. On notera que toute partie fermée est séquentiellement fermée. On dit que 𝑋 est un espace topologique séquentiel si la réciproque est vraie : toute partie séquentiellement fermée est fermée.
Exemple 4.10.3
Tout espace métrique est séquentiel.
Exercice 4.52

Soit 𝑋 un espace topologique. Une partie 𝐴 de 𝑋 est dite séquentiellement ouverte si toute suite 𝑢:𝑋 qui converge vers un point 𝑎 de 𝐴 est à valeurs dans 𝐴 à partir d’un certain rang : 𝑓𝑛𝒩,𝑢𝑛𝐴. Montrer qu’une partie de 𝑋 est séquentiellement ouverte si et seulement si son complémentaire est séquentiellement fermé. Montrer que les ouverts sont séquentiellement ouverts et que 𝑋 est séquentiel si et seulement si la réciproque est vraie.

Supposons que 𝐴 est séquentiellement ouverte et montrons que 𝐴𝑐 est séquentiellement fermé. Soit 𝑢 une suite d’éléments de 𝐴𝑐 qui converge vers 𝑥𝑋. Montrons que 𝑥𝐴𝑐. Supposons que 𝑥𝐴. Comme 𝐴 est séquentiellement ouvert, on obtient 𝑛 tel que 𝑢𝑛𝐴, ce qui contredit 𝑢𝑛𝐴𝑐.

Réciproquement, supposons que 𝐴 est séquentiellement fermé. Montrons que 𝐴𝑐 est séquentiellement ouvert. Soit 𝑢 une suite d’éléments de 𝑋 qui converge vers 𝑥𝐴𝑐. Supposons par l’absurde que 𝑁,𝑛,𝑢𝑛𝐴𝑐. On peut alors construire par récurrence 𝜑: strictement croissante telle que 𝑛,𝑢𝜑(𝑛)𝐴. Comme 𝑢 tend vers 𝑥, 𝑢𝜑 tend vers 𝑥. Comme 𝐴 est séquentiellement fermé, 𝑥𝐴, ce qui est absurde.

Montrons maintenant que les ouverts sont séquentiellement ouverts. Soit 𝑈 un ouvert. Par définition 𝑈𝑐 est fermé et nous avons vu que cela implique que 𝑈𝑐 est séquentiellement fermé. D’après le paragraphe précédent, cela implique que 𝑈 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.

Lemme 4.10.4
Tout espace séquentiel est compactement engendré. En particulier tout espace métrique est compactement engendré.
Démonstration : Soit 𝑋 un espace séquentiellement fermé. Soit 𝐴 une partie de 𝑋 telle que, pour tout quasi-compact 𝐾 de 𝑋, 𝜄𝐾𝐴 est fermé. Montrons que 𝐴 est fermé. Par hypothèse sur 𝑋, il suffit de montrer que 𝐴 est séquentiellement fermé. Soit 𝑢 une suite d’éléments de 𝐴 qui converge vers 𝑥𝑋. Montrons que 𝑥𝐴. D’après le lemme 4.8.14, 𝐾𝑢{𝑥} est quasi-compact. Ainsi 𝜄𝐾𝐴 est fermé dans 𝐾. Or il contient 𝑢 qui est dense dans 𝐾 puisque 𝑢 tend vers 𝑥. Donc 𝑥𝜄𝐾𝐴, c’est-à-dire 𝑥𝐴.
Lemme 4.10.5
Tout espace topologique localement compact est compactement engendré.

Démonstration : Soit 𝑋 un espace topologique localement compact. En particulier 𝑋 est séparé donc les parties quasi-compactes de 𝑋 sont ses parties compactes et elles sont fermées. Montrons que 𝑋 est compactement engendré. Soit 𝐴 une partie de 𝑋 telle que, pour tout 𝐾 compact dans 𝑋, 𝜄𝐾𝐴 est fermé. Montrons que 𝐴 est fermé. Soit 𝑥𝐴_. Montrons que 𝑥𝐴. Comme 𝑋 est localement compact, on obtient un voisinage compact 𝐾 de 𝑥. Comme 𝑋 est séparé, le lemme 4.8.7 assure que 𝐾 est fermé et donc l’exercice 4.44 assure que 𝜄𝐾 est fermée. On a donc 𝑥𝐾̊𝐴_. Or

donc on a bien 𝑥𝐴.

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.

Définition 4.10.6

On dit qu’une application continue 𝑓 entre deux espaces topologiques 𝑋 et 𝑌 est propre si, pour tout filtre 𝐹 sur 𝑋, va(𝑓𝐹)=𝑓va(𝐹).

D’après le lemme 4.7.2, l’inclusion 𝑓va(𝐹)va(𝑓𝐹) est vraie pour toute fonction continue donc la condition ajoutée est que toute valeur d’adhérence de 𝑓𝐹 est l’image par 𝑓 d’une valeur d’adhérence de 𝐹.

Lemme 4.10.7
Soit 𝑓:𝑋𝑌 une application propre entre espaces topologiques. Pour tout 𝐾𝑌 quasi-compact, 𝑓𝐾 est quasi-compact.
Démonstration : Soit 𝐾𝑌 quasi-compact. Montrons que 𝑓𝐾 est quasi-compact. Soit 𝐹 un filtre non trivial sur 𝑋 tel que 𝐹𝑃(𝑓𝐾). Montrons que 𝐹 admet une valeur d’adhérence dans 𝑓𝐾. Comme 𝑓 étend 𝑓 et et 𝑓𝑓, on a 𝑓𝐹𝑃(𝐾) et 𝑓𝐹 est non trivial par l’exercice 2.21. La quasi-compacité de 𝐾 fournit donc 𝑦𝐾 qui est valeur d’adhérence de 𝑓𝐹. Puisque 𝑓 est propre, on obtient 𝑥𝑋 tel que 𝑓(𝑥)=𝑦 et 𝑥 est valeur d’adhérence de 𝐹. Comme 𝑓(𝑥)=𝑦, 𝑥𝑓𝐾.
Proposition 4.10.8

Soit 𝑓:𝑋𝑌 une fonction continue entre espaces topologiques. Les conditions suivantes sont équivalentes :

  1. 𝑓 est propre
  2. pour tout ultrafiltre 𝐹 sur 𝑋, toute limite de 𝑓𝐾 est image par 𝑓 d’une limite de 𝐹.
  3. 𝑓 est fermée et 𝑦𝑌,𝑓{𝑦}est quasi-compact.

Si ces conditions sont satisfaites alors

Si de plus 𝑌 est séparé et compactement engendré alors 4. est également équivalent à 1., 2. et 3.

Démonstration : Comme expliqué dans la définition, la condition 𝑓 propre équivaut à 𝐹,va(𝑓𝐹)𝑓va(𝐹). Montrons l’équivalence avec la condition sur les ultrafiltres. Supposons 𝐹 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 𝑓 est propre. Soit 𝐹 un filtre sur 𝑋 et 𝑦 une valeur d’adhérence de 𝑓𝐹. On a 𝑓𝐹𝒩𝑦=𝑓(𝐹𝑓𝒩𝑦) par le lemme 2.4.22 donc 𝐹𝑓𝒩𝑦 par l’exercice 2.21. Le théorème 2.5.6 fournit un ultrafiltre 𝐺 tel que 𝐺𝐹𝑓𝒩𝑦. On a donc 𝑓𝐺𝑓(𝐹𝑓𝒩𝑦)=𝑓𝐹𝒩𝑦𝒩𝑦. Notre hypothèse fournit donc 𝑥 tel que 𝐺𝒩𝑥 et 𝑓(𝑥)=𝑦. Ce 𝑥 convient, car 𝐺𝐹𝑓𝒩𝑦𝐹 donc 𝐺𝐹𝒩𝑥, et 𝐺 n’est pas trivial, car c’est un ultrafiltre.

Montrons maintenant l’équivalence de 1 et 3. Supposons que 𝑓 est propre. Le lemme 4.10.7 et la compacité des singletons assurent que 𝑓 est à fibres quasi-compactes (ie 𝑦,𝑓{𝑦}est qc). Il reste donc à voir que 𝑓 est fermée. Soit 𝐴 un fermé de 𝑋. On calcule

donc 𝑓𝐴_ est fermée.

Réciproquement, supposons la condition 3 et montrons que 𝑓 est propre. Soit 𝐹(𝑋) et 𝑦va(𝑓𝐹). Montrons qu’il existe 𝑥va(𝐹) tel que 𝑓(𝑥)=𝑦. Notons 𝜄 l’inclusion de 𝑓({𝑦}) dans 𝑋. Il suffit de montrer que 𝜄𝐹_ est non triviale puisque alors la quasi-compacité de 𝑓({𝑦}) fournit une valeur d’adhérence de 𝐹_ dans 𝑓({𝑦}) et va(𝐹_)=va(𝐹) (en effet 𝐹__=𝐹_ puisque c’est vrai sur les parties). Pour montrer 𝜄𝐹_, il suffit de montrer que 𝑓𝜄𝜄𝐹_. Or

Nous avons déjà vu dans le lemme 4.10.7 que la propreté de 𝑓 implique la condition 4. Il reste à voir que la réciproque est vraie en supposant que 𝑌 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 𝑓 est fermé. Soit 𝐴 un fermé de 𝑋. Montrons que 𝑓𝐴 est fermé. Soit 𝐾 un quasi-compact de 𝑌, montrons que 𝜄𝐾𝑓𝐴 est fermé. Par hypothèse, 𝑓𝐾 est quasi-compact. Comme 𝐴 est fermé, 𝐴𝑓𝐾 est également quasi-compact par le lemme 4.8.6. Son image par 𝑓 continue est donc quasi-compacte par le lemme 4.8.5, donc fermée par le lemme 4.8.7 puisque 𝑌 est séparé. Or 𝑓(𝐴𝑓𝐾)=𝑓𝐴𝐾 donc 𝜄𝐾𝑓𝐴 est bien fermée, car 𝜄𝐾 est continue et 𝜄𝐾(𝑓𝐴𝐾)=𝜄𝐾𝑓𝐴.

Remarque 4.10.9
Une lecture attentive du dernier paragraphe de la démonstration précédente montre que l’hypothèse de séparation de 𝑌 est plus forte que nécessaire. Nous avons seulement besoin de savoir que l’image continue d’un quasi-compact est toujours fermé dans 𝑌. Les espaces vérifiant cette propriété sont appelés faiblement séparés. Il n’est pas du tout évident que cette propriété soit vraiment plus faible que la séparation, mais c’est vrai. La catégorie des espaces topologiques faiblement séparés et compactement engendrés a de nombreuses bonnes propriétés, mais cela dépasse le cadre de ce cours.

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.

Définition 4.11.1

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 𝐿𝑔:𝑔 sont continues puisque la multiplication est continue. Et l’inverse d’une translation 𝐿𝑔 est 𝐿𝑔1 donc 𝐿𝑔 est un homéomorphisme. Nous aurons besoin d’un résultat général sur les homéomorphismes.

Lemme 4.11.2
Soit 𝑋 et 𝑌 des espaces topologiques et :𝑋𝑌 un homéomorphisme. Pour tout 𝑥 dans 𝑋, 𝒩𝑥=𝒩(𝑥).
Démonstration : Comme ¹ est continue en (𝑥), on obtient ¹𝒩(𝑥)𝒩𝑥. En appliquant à cette inégalité, on obtient 𝒩(𝑥)𝒩𝑥. Comme est continue en 𝑥 on a également 𝒩𝑥𝒩(𝑥) et on conclut par antisymétrie.
Corollaire 4.11.3
Dans un groupe topologique, pour tout 𝑔 on a 𝒩𝑔=(𝐿𝑔)𝒩1𝐿𝑔 est la translation à gauche par 𝑔.

Nous pouvons maintenant démontrer le critère de continuité annoncé.

Lemme 4.11.4
Un morphisme de groupes 𝜑:𝐺𝐻 entre deux groupes topologiques est continue si (et seulement si) il est continue en 1. Bien sûr si la loi de groupe de 𝐺 est noté additivement alors il faut lire « continue en 0 ».

Démonstration : Supposons que 𝜑 est continue en 1, c’est-à-dire 𝜑𝒩1𝒩1 puisque 𝜑(1)=1. Soit 𝑔𝐺. Montrons que 𝜑 est continue en 𝑔. Comme 𝜑 est un morphisme de groupes, on a 𝜑𝐿𝑔=𝐿𝜑(𝑔)𝜑 et on peut utiliser le corollaire précédent pour calculer

en utilisant que (𝐿𝜑(𝑔)) 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.

Définition 4.11.5

Soit 𝐾 un corps topologique et 𝐸 un 𝐾-evt. On dit qu’une partie 𝐴 de 𝐸 est bornée (au sens de von Neumann) si

𝑡𝑉={𝑥𝐸|𝑣𝑉,𝑥=𝑡𝑣}.
Exemple 4.11.6
Soit 𝐸 un 𝐾-evn, avec 𝐾=ou. Une partie 𝐴 de 𝐸 est bornée au sens de von Neumann si et seulement si elle est bornée au sens des espaces métriques. En effet si 𝐴𝐵𝑟(0) pour un certain rayon 𝑟 et 𝑉 est un voisinage de 0 alors 𝑉 contient 𝐵𝜀(0) pour un certain 𝜀>0 et 𝑡=𝑟𝜀 convient. Réciproquement si 𝐴 est borné au sens de von Neumann alors on obtient 𝑡 tel que 𝐴𝑡𝐵1(0)=𝐵|𝑡|(0) et donc 𝐴 est borné.
Lemme 4.11.7
Soit 𝐸 et 𝐹 des evt et 𝜑:𝐸𝐹 une application linéaire. Si 𝜑 est bornée sur un voisinage de 0 alors 𝜑 est continue.
Démonstration : Soit 𝑉 un voisinage de zéro. Supposons que 𝜑𝑉 est borné. Montrons que 𝜑 est continue. D’après le lemme 4.11.4 il suffit de montrer que 𝜑 est continue en zéro. Soit 𝑊𝒩0𝐹. Comme 𝜑𝑉 est borné, on obtient 𝑡𝐾× tel que 𝜑(𝑉)𝑡𝑊. Comme 𝜑 est linéaire, on peut récrire cette inclusion comme 𝜑(1𝑡𝑉)𝑊 ou encore 1𝑡𝑉𝜑𝑊 par adjonction. Or 1𝑡𝑉𝒩0𝐸, car 𝑥1𝑡𝑥 est un homéomorphisme qui envoie 0 sur 0. Donc 𝜑𝑊𝒩0𝐸.

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.

Lemme 4.11.8
Pour montrer qu’un espace vectoriel 𝐸 sur un corps topologique 𝐾 est un evt, il suffit de montrer que l’addition et la multiplication scalaire sont continues.
Démonstration : La négation peut s’écrire ()=(·)(𝑥(1,𝑥)) et la multiplication scalaire est continue.
Lemme 4.11.9
Soit 𝐾 un corps topologique et 𝐸 et 𝐹 des 𝐾-espaces vectoriels. Pour toute fonction linéaire 𝑓:𝐸𝐹 et toute topologie 𝑇 d’evt sur 𝐹, 𝑓𝑇 est une topologie d’evt sur 𝐸.

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

Lemme 4.11.10
Soit 𝐾 un corps topologique et 𝐸 un 𝐾-espace vectoriel. Pour toute famille 𝑇 de topologies d’evt sur 𝐸, inf𝑖𝑇𝑖 est aussi une topologie d’evt.

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.

Proposition 4.11.11
Soit 𝐾 un corps topologique, 𝐸 un 𝐾-ev et 𝐹 une famille de 𝐾-evt indexée par un ensemble 𝐼. Soit 𝜑 une famille d’applications linéaires de 𝐸 dans les 𝐹𝑖. La topologie initiale 𝑇𝜑 est une topologie de 𝐾-evt sur 𝐸.
Démonstration : Il s’agit de la concaténation des deux lemmes précédents.
Exemple 4.11.12

Soit 𝐸 un evt. On note 𝐸 l’espace vectoriel des formes linéaires continues sur 𝐸.

  • La topologie initiale associée à la famille des éléments 𝜆:𝐸𝐾 de 𝐸 est appelée topologie faible sur 𝐸. La proposition 4.6.2 assure qu’une suite 𝑢:𝐸 converge vers un élément 𝑒 pour cette topologie si et seulement si, pour toute forme linéaire continue 𝜆 sur 𝐸, 𝜆(𝑢𝑛) converge vers 𝜆(𝑒).

    Remarque : dans le cas où 𝐾 est ou et où 𝐸 est un evn de dimension finie, la topologie faible sur 𝐸 est en fait la topologie usuelle. Ainsi cette construction n’a d’intérêt qu’en dimension infinie. En effet, on sait que 𝐸 muni de la topologie de la norme est homéomorphe à 𝐾𝑛 muni de la topologie produit et que toutes les formes linéaires sur 𝐾𝑛 sont continues pour cette topologie. Donc il suffit de montrer que la topologie initiale associée aux formes linéaires sur 𝐾𝑛 est la topologie produit, autrement dit la topologie initiale associée aux projections 𝑝𝑖 sur les facteurs. Montrons que ces deux topologies vérifient la même propriété universelle de la proposition 4.6.2. Soit 𝑍 un espace topologique et 𝑓:𝑍𝐸 une fonction. Montrons que

    L’inclusion de la gauche vers la droite est claire, car les 𝑝𝑖 sont des formes linéaires. Pour la réciproque on utilise que tout 𝜆 est combinaison linéaire des 𝑝𝑖, et qu’une combinaison linéaire de fonctions continues à valeurs dans 𝐾 est continue.

  • La topologie initiale associée à la famille des évaluations ev𝑥:𝐸𝐾 pour 𝑥𝐸 est appelée topologie faible- sur 𝐸. La proposition 4.6.2 assure qu’une suite 𝜆:𝐸 converge vers un élément 𝜇 pour cette topologie si et seulement si, pour tout 𝑥𝐸, 𝜆𝑛(𝑥) converge vers 𝜇(𝑥). Là encore, cette notion n’a d’intérêt qu’en dimension infinie.
Exercice 4.53

Soit 𝕂=ou, muni de sa topologie usuelle. Soit 𝐸 et 𝐹 des 𝕂-evt.

  1. Montrer que toute forme linéaire continue 𝜆𝐸 est faiblement continue, c’est-à-dire continue de 𝐸 muni de sa topologie faible dans 𝕂.

    Cette propriété est garantie, car la topologie faible est la topologie initiale associée aux formes linéaires continues sur 𝐸. En effet, la fonction Id𝐸 est faiblement continue et la propriété universelle de la topologie initiale assure que tous les 𝜆Id sont continues.

    Il est également instructif de démontrer ce fait à partir de la construction de la topologie faible par le calcul suivant :

  2. Soit 𝜑 une application linéaire continue de 𝐸 dans 𝐹. Montrer que 𝜑 est faiblement continue, c’est-à-dire continue de 𝐸 muni de sa topologie faible dans 𝐹 muni de sa topologie faible.

    Par propriété universelle de la topologie faible sur 𝐹, il suffit de montrer que 𝜇𝜑 est continue pour toute forme linéaire 𝜇 sur 𝐹 qui est continue (pour la topologie forte de 𝐹). Or 𝜇𝜑 est continue pour la topologie forte sur 𝐸, comme composition de fonctions continue. La première question assure que 𝜇𝜑 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.

Définition 4.11.13

Soit 𝑉 une partie d’un evt 𝐸 sur un corps normé 𝐾. L’ensemble polaire de 𝑉 est

Exemple 4.11.14
Soit 𝐸 un evn. L’ensemble polaire de la boule unité fermée autour de zéro dans 𝐸 est la boule unité fermée pour la norme duale sur 𝐸.
Théorème 4.11.15

On note 𝐾 le corps des réels ou des complexes, muni de sa topologie usuelle. L’ensemble polaire de tout voisinage de l’origine dans un 𝐾-evt est compact pour la topologie faible-.

En particulier la boule unité du dual d’un 𝐾-evn est compacte pour la topologie faible-. On en déduit que tout fermé borné pour la topologie de la norme sur 𝐸 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 𝑉 un voisinage de l’origine dans un 𝐾-evt 𝐸. Montrons d’abord que 𝑉𝑜 est fermé. Notons 𝐺 l’ensemble des fonctions de 𝐸 dans 𝐾 muni de la topologie de la convergence simple, c’est-à-dire la topologie initiale pour la famille des évaluations ev𝑥:𝐺𝐾. En particulier chaque ev𝑥 est continue. Par définition, la topologie faible sur 𝐸 est la topologie de 𝐸 vue comme partie de 𝐺. Pour chaque 𝑥 et 𝑦 dans 𝐸 et 𝜆 dans 𝐾, {𝑓:𝐸𝐾|𝑓(𝑘𝑥+𝑦)=𝑘𝑓(𝑥)+𝑓(𝑦)} est fermé dans 𝐺, car c’est l’image réciproque de {0𝐾} par l’application ev𝑘𝑥+𝑦𝑘ev𝑥ev𝑦 qui est continue puisque les évaluations, la soustraction et la multiplication scalaire sont continues.

De même pour chaque 𝑣𝑉, {𝑓:𝐸𝐾||𝑓(𝑣)|1} est fermé.

Ainsi il suffit de montrer que

L’inclusion de 𝑉o 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 𝑉 est un voisinage de l’origine dans 𝐸 et la deuxième intersection assure que 𝑓 est bornée par 1 sur 𝑉.

Affirmation : 𝑥𝐸,𝑀,𝜆𝑉o,|𝜆(𝑥)|𝑀.

Démonstration : Soit 𝑥𝐸. La fonction 𝜑𝑥:𝑘𝑘𝑥 est continue de 𝐾 dans 𝐸 et 𝑉𝒩0 donc on obtient 𝜀>0 tel que 𝐵𝜀(0𝐾)𝜑𝑥𝑉. Montrons que 𝑀=1𝜀 convient. Soit 𝜆𝑉o. Comme 𝜀𝑥𝑉 on a |𝜆(𝜀𝑥)|1 et donc |𝜆(𝑥)|𝑀.

En utilisant l’affirmation et l’axiome du choix, on obtient une fonction 𝑀:𝐸 telle que 𝑥𝐸,𝜆𝑉o,|𝜆(𝑥)|𝑀(𝑥). Ainsi, en voyant 𝐺 comme produit de copies de 𝐾 indexées par 𝐸, on a 𝑉o𝑥𝐸𝐵_𝑀(𝑥)(0𝐾) qui est compact par Tychonov (théorème 4.8.10). Puisque 𝑉o est fermé dans un compact, il est compact par le lemme 4.8.6.

Dans ce théorème, l’hypothèse que 𝐾 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 𝑝-adiques.