Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une fibre compacte de trop

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Non. Plus précisément, montrons que si f:R2→Rf:\mathbb{R}^{2}\to\mathbb{R} est continue et si f−1({0})f^{-1}(\{0\}) est compacte, alors ff est bornée inférieurement ou supérieurement, donc non surjective.

Soit ff continue avec K=f−1({0})K=f^{-1}(\{0\}) compacte, et supposons ff surjective. Comme 00 est atteint, K≠∅K\neq\varnothing, et la compacité fournit R>0R>0 tel que K⊆B(0,R)={x:∥x∥<R}K\subseteq B(0,R)=\{x:\|x\|<R\}.
Posons A={x∈R2:∥x∥⩾R}A=\{x\in\mathbb{R}^{2}:\|x\|\geqslant R\}.
L’ensemble AA est connexe. C’est ici que la dimension 22 intervient : deux points de AA se joignent en suivant un arc de cercle de rayon ∥x∥\|x\|, puis un segment radial. En dimension 11, l’ensemble analogue {∣x∣⩾R}\{|x|\geqslant R\} serait au contraire réunion de deux demi-droites disjointes.
ff ne s’annule pas sur AA, puisque KK est contenu dans la boule ouverte B(0,R)B(0,R). Donc f(A)f(A) est une partie connexe de R∖{0}\mathbb{R}\setminus\{0\}, c’est-à-dire contenue dans  ]0,+∞[ \,]0,+\infty[\, ou dans  ]−∞,0[ \,]-\infty,0[\,. Quitte à remplacer ff par −f-f, supposons
f>0sur A.f>0\qquad\text{sur } A .ff est minorée sur le complémentaire. La boule fermée B‾(0,R)\overline{B}(0,R) est compacte et ff y est continue, donc ff y admet un minimum −M-M avec M⩾0M\geqslant 0.
Comme R2=B‾(0,R)∪A\mathbb{R}^{2}=\overline{B}(0,R)\cup A, on obtient ∀x∈R2\forall x\in\mathbb{R}^{2},,f(x)⩾−M.f(x)\geqslant -M .
La valeur −M−1-M-1 n’est donc pas atteinte, contredisant la surjectivité. ■\blacksquare

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