Chapitre 1 ESPACES TOPOLOGIQUES - Pearson

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Partie I. Topologie
Test 1.3.
Soient (E, T ) un espace topologique, B une
base pour T et A E. Montrer que BA =
ØO A O È BÙ est une base de topologie sur
A. Quelle est la topologie engendrée par BA ?
I.3. Un exemple fondamental : la topologie naturelle d’un espace métrique
Les espaces métriques sont un cas particulier très important d’espaces topologiques. Nous étudierons
leurs propriétés spécifiques dans le chapitre 5. Jusqu’à ce chapitre, nous les utiliserons
souvent comme exemples pour illustrer les définitions abstraites. Ce sont des espaces topologiques
avec des propriétés assez intuitives, ou tout du moins qu’on a l’habitude de manipuler
carlemodèleleplussimpleestR muni de la distance usuelle (voir exemple ci-dessous).
Définition 1.18. (Espace métrique, distance). Soit E un ensemble non vide. Une distance
sur E est une application d de E ¢ E dans R + qui vérifie, pour tout (x, y, z) È E 3 ,
1. d(x, y) =0 si et seulement si x = y ;
2. d(x, y) =d(y, x) ;
3. d(x, z) d(x, y)+d(y, z).
Si d est une distance sur E, le couple (E, d) est appelé espace métrique . La propriété 3 est
« l’inégalité triangulaire ». Elle entraîne l’inégalité suivante, appelée « deuxième inégalité triangulaire
»,
d(x, y) ¡ d(y, z) d(x, z).
Exemple 1.19.
1. Soit E un ensemble. L’application d de E ¢ E dans R + définie par d(x, x) =0etd(x, y) =1
si x y est une distance sur E, dite distance discrète.
2. Sur R, la distance usuelle entre deux réels x et y est donnée par d.(x, y) =x ¡ y. Les
propriétés 1, 2, 3 sont des conséquences directes de la définition de la valeur absolue. On note
souvent (R, .) l’espace métrique (R, d.).
Sur C, la distance usuelle se définit de manière analogue au moyen du module noté aussi ..
3. Sur R et C, on peut définir beaucoup d’autres distances. Par exemple, les applications de la
forme (x, y) f(x) ¡ f(y), oùf est injective, sont des distances.
4. Sur R n , l’application d∞ définie pour tout x =(x1, ..., xn) et y =(y1, .., yn) par d∞(x, y) =
maxi=1..n xi ¡ yi est une distance. Nous verrons dans la suite d’autres exemples de distances
sur R n .
Sur un espace métrique, la donnée d’une distance permet de définir naturellement une topologie
qui est engendrée par des parties particulières de l’espace : les boules.
Définition 1.20. (Boules et sphères). Soient (E, d) un espace métrique, a È E et r È R + .
1. La boule ouverte de centre a et de rayon r est l’ensemble B(a, r) =Øx È E d(x, a) rÙ.
2.Labouleferméedecentrea et de rayon r est l’ensemble Bf(a, r) =Øx È E d(x, a) rÙ.
3. La sphère de centre a et de rayon r est l’ensemble S(a, r) =Øx È E d(x, a) =rÙ.
Exemple 1.21. Sur (R, .), la boule ouverte de centre a È R et de rayon r 0 est l’intervalle
]a ¡ r, a + r[.
Pour plus de détails et de propriétés sur les boules et les sphères, on renvoie au chapitre 5. La
proposition suivante est à la base de toutes les constructions.
Proposition 1.22. Sur un espace métrique (E, d), l’ensemble BO des boules ouvertes est
une base de topologie sur E.