Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/TopologyUnreviewed

La continuité sans les ε\varepsilon ?

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50
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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soit f:RmRmf: \mathbb{R}^m \rightarrow \mathbb{R}^m qui transforme tout compact en compact et tout connexe en connexe.
ff est-elle nécessairement continue ?

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Solutions

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Oui, ff est nécessairement continue.

Supposons ff discontinue en aa : il existe ε>0\varepsilon>0 et une suite xkax_k\to a, avec xkax_k\neq a, telle que
f(xk)f(a)εpour tout k.\|f(x_k)-f(a)\|\geqslant\varepsilon\qquad\text{pour tout }k .Pour j1j\geqslant 1, posons Sj=kj[xk,a]S_j=\bigcup_{k\geqslant j}[x_k,a]. Cet ensemble est connexe, tous les segments contenant aa ; il est compact, car borné et fermé, donc n’est adhérent qu’à la réunion finie des segments de longueur δ\geqslant\delta, qui est fermée. Enfin
diam(Sj)2supkjxkaj0.\operatorname{diam}(S_j)\leqslant 2\sup_{k\geqslant j}\|x_k-a\|\xrightarrow[j\to\infty]{}0 .Fixons ρ0=ε/2\rho_0=\varepsilon/2 et ρj=ρ0(11j)\rho_j=\rho_0\bigl(1-\tfrac1j\bigr), suite strictement croissante vers ρ0\rho_0, avec ρj<ρ0\rho_j<\rho_0 pour tout jj.

L’image f(Sj)f(S_j) est connexe et contient f(a)f(a), à distance 0<ρj0<\rho_j de lui-même, ainsi que f(xj)f(x_j), à distance ε>ρj\geqslant\varepsilon>\rho_j. Une partie connexe rencontrant la boule ouverte B(f(a),ρj)B\bigl(f(a),\rho_j\bigr) et l’ouvert complémentaire de la boule fermée rencontre nécessairement la sphère, faute de quoi ces deux ouverts la sépareraient. Il existe donc
yjSjavecf(yj)f(a)=ρj.y_j\in S_j\qquad\text{avec}\qquad \bigl\|f(y_j)-f(a)\bigr\|=\rho_j .Comme yjSjy_j\in S_j et aSja\in S_j, on a yjadiam(Sj)0\|y_j-a\|\leqslant\operatorname{diam}(S_j)\to 0, donc yjay_j\to a.

Posons enfin K={yj:j1}{a}K=\{y_j:j\geqslant 1\}\cup\{a\}, qui est compact. Les f(yj)f(y_j) vivent dans un compact , donc une sous-suite converge vers un cc vérifiant cf(a)=limρji=ρ0\|c-f(a)\|=\lim\rho_{j_i}=\rho_0.
Ainsi cf(a)c\neq f(a), et cf(yj)c\neq f(y_j) pour tout jj puisque ρjρ0\rho_j\neq\rho_0. Donc cf(K)c\notin f(K) alors que cf(K)c\in\overline{f(K)} : l’ensemble f(K)f(K) n’est pas fermé, donc pas compact, contredisant l’hypothèse. \blacksquare

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