Soit un espace vectoriel normé complet.
(On pourra prendre de dimension finie si la complétude n’est pas familière.)
- Montrer qu’une intersection dénombrable d’ouverts denses est dense.
- Est-ce nécessairement un ouvert ?
- Montrer que si une union dénombrable de fermés est d’intérieur non vide alors l’un de ces fermés est d’intérieur non vide.
Solutions
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Préliminaire
Les trois énoncés sont faux tels quels pour une famille quelconque : on lira partout dénombrable. En effet est d’intérieur non vide alors qu’aucun singleton ne l’est, et est une intersection d’ouverts denses qui n’est pas dense. C’est le théorème de Baire ; on note un espace de Banach (ou ), et les boules ouverte et fermée.
1. Une intersection dénombrable d’ouverts denses est dense
Soient des ouverts denses de et . Montrons que rencontre tout ouvert non vide .
Construction d’une suite de boules emboîtées. Comme est dense, est un ouvert non vide : il contient une boule fermée avec . Supposons construite. L’ouvert est non vide par densité de , donc contient une boule fermée avec
Convergence. Par construction et les boules sont emboîtées, donc pour on a , d’où : la suite est de Cauchy. Par complétude de , elle converge vers un . Chaque boule étant fermée et contenant pour tout , on obtient pour tout .
Conclusion. Ainsi pour tout , et . Donc , et est dense.
2. Est-ce nécessairement un ouvert ?
Non. Prenons et une énumération de . Chaque est ouvert et dense, et
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 , et que « dense » ne se conserve qu’à ce prix. Signalons au passage que lui-même n’est pas un de : sinon et seraient deux denses disjoints, et leur intersection, vide, contredirait la question 1.
3. Union dénombrable de fermés d’intérieur non vide
Soient des fermés de tels que soit d’intérieur non vide. Montrons la contraposée : supposons que tous les soient d’intérieur vide.
Posons , qui est ouvert. Dire que équivaut à dire que est dense : en effet
en utilisant . La question 1 donne alors la densité de
et la même équivalence, lue dans l’autre sens, montre que est d’intérieur vide.
Par contraposition : si est d’intérieur non vide, alors l’un au moins des est d’intérieur non vide.
Remarques
- La complétude est indispensable. Dans , muni de la distance usuelle, les sont ouverts denses et . De même 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 sont ouverts denses et ouvert non vide, alors est ouvert non vide, donc rencontre .
- 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.
