Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/TopologyUnreviewed

Théorème de Baire

by Anduril·
40
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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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 EE un espace vectoriel normé complet.

(On pourra prendre EE de dimension finie si la complétude n’est pas familière.)

  1. Montrer qu’une intersection dénombrable d’ouverts denses est dense.
  2. Est-ce nécessairement un ouvert ?
  3. Montrer que si une union dénombrable de fermés est d’intérieur non vide alors l’un de ces fermés est d’intérieur non vide.
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Préliminaire

Les trois énoncés sont faux tels quels pour une famille quelconque : on lira partout dénombrable. En effet R=xR{x}\mathbb{R}=\bigcup_{x\in\mathbb{R}}\{x\} est d’intérieur non vide alors qu’aucun singleton ne l’est, et xR(R{x})=\bigcap_{x\in\mathbb{R}}\bigl(\mathbb{R}\setminus\{x\}\bigr)=\varnothing est une intersection d’ouverts denses qui n’est pas dense. C’est le théorème de Baire ; on note EE un espace de Banach (ou E=RnE=\mathbb{R}^{n}), B(x,r)B(x,r) et B(x,r)\overline{B}(x,r) les boules ouverte et fermée.

1. Une intersection dénombrable d’ouverts denses est dense

Soient (Un)n0(U_n)_{n\geqslant 0} des ouverts denses de EE et G=n0UnG=\bigcap_{n\geqslant 0}U_n. Montrons que GG rencontre tout ouvert non vide VV.

Construction d’une suite de boules emboîtées. Comme U0U_0 est dense, VU0V\cap U_0 est un ouvert non vide : il contient une boule fermée B(x0,r0)\overline{B}(x_0,r_0) avec 0<r010<r_0\leqslant 1. Supposons B(xn,rn)\overline{B}(x_n,r_n) construite. L’ouvert B(xn,rn)Un+1B(x_n,r_n)\cap U_{n+1} est non vide par densité de Un+1U_{n+1}, donc contient une boule fermée B(xn+1,rn+1)\overline{B}(x_{n+1},r_{n+1}) avec
0<rn+1rn2,B(xn+1,rn+1)B(xn,rn)Un+1.0<r_{n+1}\leqslant \frac{r_n}{2},\qquad \overline{B}(x_{n+1},r_{n+1})\subseteq B(x_n,r_n)\cap U_{n+1}.

Convergence. Par construction rn2nr_n\leqslant 2^{-n} et les boules sont emboîtées, donc pour pnp\geqslant n on a xpB(xn,rn)x_p\in \overline{B}(x_n,r_n), d’où xpxn2n\|x_p-x_n\|\leqslant 2^{-n} : la suite (xn)(x_n) est de Cauchy. Par complétude de EE, elle converge vers un xEx\in E. Chaque boule B(xn,rn)\overline{B}(x_n,r_n) étant fermée et contenant xpx_p pour tout pnp\geqslant n, on obtient xB(xn,rn)x\in\overline{B}(x_n,r_n) pour tout nn.

Conclusion. Ainsi xUnx\in U_n pour tout n1n\geqslant 1, et xB(x0,r0)VU0x\in\overline{B}(x_0,r_0)\subseteq V\cap U_0. Donc xVGx\in V\cap G, et GG est dense. \blacksquare

2. Est-ce nécessairement un ouvert ?

Non. Prenons E=RE=\mathbb{R} et (qn)n0(q_n)_{n\geqslant 0} une énumération de Q\mathbb{Q}. Chaque Un=R{qn}U_n=\mathbb{R}\setminus\{q_n\} est ouvert et dense, et
n0Un=RQ.\bigcap_{n\geqslant 0}U_n=\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}.L’ensemble des irrationnels est bien dense, conformément à la question 1, mais son intérieur est vide puisque tout intervalle ouvert contient un rationnel : il est donc très loin d’être ouvert.

On retient qu’une intersection dénombrable d’ouverts est en général seulement un GδG_\delta, et que « dense » ne se conserve qu’à ce prix. Signalons au passage que Q\mathbb{Q} lui-même n’est pas un GδG_\delta de R\mathbb{R} : sinon Q\mathbb{Q} et RQ\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} seraient deux GδG_\delta denses disjoints, et leur intersection, vide, contredirait la question 1.

3. Union dénombrable de fermés d’intérieur non vide

Soient (Fn)n0(F_n)_{n\geqslant 0} des fermés de EE tels que nFn\bigcup_{n}F_n soit d’intérieur non vide. Montrons la contraposée : supposons que tous les FnF_n soient d’intérieur vide.

Posons Un=EFnU_n=E\setminus F_n, qui est ouvert. Dire que Fn˚=\mathring{F_n}=\varnothing équivaut à dire que UnU_n est dense : en effet
Un=E    EFn˚=E    Fn˚=,\overline{U_n}=E\iff E\setminus\mathring{F_n}=E\iff \mathring{F_n}=\varnothing,en utilisant EA=EA˚\overline{E\setminus A}=E\setminus\mathring{A}. La question 1 donne alors la densité de
n0Un=En0Fn,\bigcap_{n\geqslant 0}U_n=E\setminus\bigcup_{n\geqslant 0}F_n,et la même équivalence, lue dans l’autre sens, montre que nFn\bigcup_{n}F_n est d’intérieur vide.

Par contraposition : si nFn\bigcup_n F_n est d’intérieur non vide, alors l’un au moins des FnF_n est d’intérieur non vide. \blacksquare

Remarques
  • La complétude est indispensable. Dans E=QE=\mathbb{Q}, muni de la distance usuelle, les Un=Q{qn}U_n=\mathbb{Q}\setminus\{q_n\} sont ouverts denses et nUn=\bigcap_n U_n=\varnothing. De même Q=n{qn}\mathbb{Q}=\bigcup_n\{q_n\} est une union dénombrable de fermés d’intérieur vide qui remplit tout l’espace. La question 1 est le seul point où elle sert, les deux autres en découlant.
  • Sans complétude mais avec une compacité locale, le résultat subsiste : le théorème de Baire vaut aussi bien pour les espaces métriques complets que pour les espaces localement compacts.
  • Le cas d’une intersection finie d’ouverts denses est élémentaire et ne demande rien : si U,VU,V sont ouverts denses et WW ouvert non vide, alors WUW\cap U est ouvert non vide, donc rencontre VV.
  • La forme 3 est la plus utilisée en pratique, sous le nom de « théorème de Baire ». Elle donne notamment : un espace de Banach de dimension infinie n’a pas de base algébrique dénombrable (sinon il serait union dénombrable de sous-espaces de dimension finie, tous fermés d’intérieur vide) ; le théorème de Banach–Steinhaus ; le théorème de l’application ouverte ; et l’existence de fonctions continues nulle part dérivables.
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