Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Connexité par arcs de la frontière d’un convexe

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Solution by visitor · FR

On note C˚\mathring{C} l’intérieur de CC, C‾\overline{C} son adhérence et ∂C=C‾∖C˚\partial C=\overline{C}\setminus\mathring{C} sa frontière. Rappelons que C‾\overline{C} est convexe dès que CC l’est : si xk→xx_k\to x et yk→yy_k\to y avec xk,yk∈Cx_k,y_k\in C, alors (1−t)xk+tyk∈C(1-t)x_k+ty_k\in C converge vers (1−t)x+ty(1-t)x+ty.

La démonstration se scinde selon que CC est ou non d’intérieur vide, la seconde seule exigeant un travail.

Lemme 1. Soit CC convexe, a∈C˚a\in\mathring{C} et b∈C‾b\in\overline{C}. Alors [a,b[ ⊆C˚[a,b[\,\subseteq\mathring{C}.

Preuve. Soit r>0r>0 avec B(a,r)⊆CB(a,r)\subseteq C, et t∈[0,1[t\in[0,1[. Posons c=(1−t)a+tbc=(1-t)a+tb et ρ=(1−t)r2>0\rho=\frac{(1-t)r}{2}>0. Comme b∈C‾b\in\overline{C}, on peut choisir b′∈Cb'\in C tel que t∥b−b′∥<ρt\|b-b'\|<\rho. Pour ∥h∥<ρ\|h\|<\rho, écrivons
c+h=(1−t)[a+h+t(b−b′)1−t]⏟=:a′+t b′.c+h=(1-t)\underbrace{\left[a+\frac{h+t(b-b')}{1-t}\right]}_{=:a'}+t\,b' .Or ∥a′−a∥⩽∥h∥+t∥b−b′∥1−t<2ρ1−t=r\|a'-a\|\leqslant\frac{\|h\|+t\|b-b'\|}{1-t}<\frac{2\rho}{1-t}=r, donc a′∈B(a,r)⊆Ca'\in B(a,r)\subseteq C. Ainsi c+hc+h est combinaison convexe de a′∈Ca'\in C et b′∈Cb'\in C, donc appartient à CC. D’où B(c,ρ)⊆CB(c,\rho)\subseteq C et c∈C˚c\in\mathring{C}. □\square

Lemme 2. Si CC est convexe d’intérieur non vide, alors C‾˚=C˚\mathring{\overline{C}}=\mathring{C}, et par conséquent ∂C=∂C‾\partial C=\partial\overline{C}.

Preuve. L’inclusion C˚⊆C‾˚\mathring{C}\subseteq\mathring{\overline{C}} est claire. Réciproquement, soient b∈C‾˚b\in\mathring{\overline{C}} et a∈C˚a\in\mathring{C} ; si b=ab=a c’est fini. Sinon, il existe ε>0\varepsilon>0 tel que b′′=b+ε(b−a)∈C‾b''=b+\varepsilon(b-a)\in\overline{C}. Alors
b=ε1+ε a+11+ε b′′b=\frac{\varepsilon}{1+\varepsilon}\,a+\frac{1}{1+\varepsilon}\,b''est un point de [a,b′′[[a,b''[, donc b∈C˚b\in\mathring{C} par le lemme 1. Enfin ∂C‾=C‾∖C‾˚=C‾∖C˚=∂C\partial\overline{C}=\overline{C}\setminus\mathring{\overline{C}}=\overline{C}\setminus\mathring{C}=\partial C. □\square

Cas 1 : C˚=∅\mathring{C}=\varnothing
Alors, directement, ∂C=C‾∖C˚=C‾\partial C=\overline{C}\setminus\mathring{C}=\overline{C}, qui est convexe, donc connexe par arcs : deux points sont joints par le segment qui les relie, paramétré par t↦(1−t)x+tyt\mapsto(1-t)x+ty. □\square

Cas 2 : C˚≠∅\mathring{C}\neq\varnothing
Quitte à translater, supposons 0∈C˚0\in\mathring{C}. Posons K=C‾K=\overline{C} : c’est un convexe fermé borné, donc compact (EE est de dimension finie), avec 0∈K˚0\in\mathring{K}, et ∂C=∂K\partial C=\partial K par le lemme 2. Il suffit donc de montrer que ∂K\partial K est connexe par arcs. Fixons r,R>0r,R>0 tels que B(0,r)⊆K⊆B(0,R)B(0,r)\subseteq K\subseteq B(0,R).

Définissons la jauge de Minkowski. Posons, pour x∈Ex\in E, p(x)=inf⁡{t>0 : x∈tK}p(x)=\inf\{t>0\ :\ x\in tK\}.
Trois propriétés, toutes élémentaires :

  • Encadrement. Si t>∥x∥/rt>\|x\|/r alors x/t∈B(0,r)⊆Kx/t\in B(0,r)\subseteq K, donc p(x)⩽∥x∥/rp(x)\leqslant\|x\|/r ; et x∈tKx\in tK entraîne ∥x∥⩽tR\|x\|\leqslant tR, donc p(x)⩾∥x∥/Rp(x)\geqslant\|x\|/R. Ainsi
    ∥x∥R ⩽ p(x) ⩽ ∥x∥r,\frac{\|x\|}{R}\ \leqslant\ p(x)\ \leqslant\ \frac{\|x\|}{r},et en particulier p(x)>0p(x)>0 pour x≠0x\neq 0.
  • Sous-linéarité. p(λx)=λp(x)p(\lambda x)=\lambda p(x) pour λ>0\lambda>0 est immédiat ; et si x∈sKx\in sK, y∈tKy\in tK, la convexité donne x+ys+t=ss+t⋅xs+ts+t⋅yt∈K\frac{x+y}{s+t}=\frac{s}{s+t}\cdot\frac{x}{s}+\frac{t}{s+t}\cdot\frac{y}{t}\in K, d’où p(x+y)⩽p(x)+p(y)p(x+y)\leqslant p(x)+p(y). On en déduit ∣p(x)−p(y)∣⩽max⁡(p(x−y),p(y−x))⩽∥x−y∥/r|p(x)-p(y)|\leqslant\max\bigl(p(x-y),p(y-x)\bigr)\leqslant\|x-y\|/r : la jauge est continue.
  • Lecture de KK. On a K={p⩽1}K=\{p\leqslant 1\} : l’inclusion directe est claire, et si p(x)⩽1p(x)\leqslant 1, il existe tk→p(x)t_k\to p(x) avec x/tk∈Kx/t_k\in K, donc x/tk→x/p(x)∈Kx/t_k\to x/p(x)\in K par fermeture, puis x=p(x)⋅xp(x)+(1−p(x))⋅0∈Kx=p(x)\cdot\frac{x}{p(x)}+\bigl(1-p(x)\bigr)\cdot 0\in K par convexité (le cas x=0x=0 étant trivial). La continuité de pp donne alors K˚={p<1}\mathring{K}=\{p<1\}, d’où ∂K={x∈E : p(x)=1}\partial K=\{x\in E\ :\ p(x)=1\}.

Notons S={u∈E:∥u∥=1}S=\{u\in E:\|u\|=1\} et posons
φ: S⟶∂K,u⟼up(u),ψ: ∂K⟶S,x⟼x∥x∥.\varphi:\ S\longrightarrow\partial K,\quad u\longmapsto\frac{u}{p(u)},\qquad\qquad \psi:\ \partial K\longrightarrow S,\quad x\longmapsto\frac{x}{\|x\|}.Ces deux applications sont bien définies et continues. Par homogénéité de pp :
p(φ(u))=p(u)p(u)=1,ψ(φ(u))=u/p(u)∥u∥/p(u)=u,φ(ψ(x))=x/∥x∥p(x)/∥x∥=xp(x)=x.p\bigl(\varphi(u)\bigr)=\frac{p(u)}{p(u)}=1,\qquad \psi\bigl(\varphi(u)\bigr)=\frac{u/p(u)}{\|u\|/p(u)}=u,\qquad \varphi\bigl(\psi(x)\bigr)=\frac{x/\|x\|}{p(x)/\|x\|}=\frac{x}{p(x)}=x .Donc φ\varphi est un homéomorphisme de SS sur ∂K\partial K.

L’ensemble E∖{0}E\setminus\{0\} est connexe par arcs, car n⩾2n\geqslant 2 : soient a,ba,b non nuls ; s’ils ne sont pas colinéaires, le segment [a,b][a,b] évite 00. La projection radiale x↦x/∥x∥x\mapsto x/\|x\| étant continue et surjective de E∖{0}E\setminus\{0\} sur SS, la sphère est image continue d’un connexe par arcs, donc connexe par arcs.

Ainsi ∂C=∂K=φ(S)\partial C=\partial K=\varphi(S) est homéomorphe à SS, donc connexe par arcs. ■\blacksquare

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