Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Théorème de Baire

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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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