Dans un espace m´etrique, on doit pouvoir caract´eriser la compacit´e, qui est une propri´et´e topologique, avec des suites. C’est ce que dit le th´eor`eme de Bolzano-Weierstrass que nous d´etaillons un peu en vue de pr´eciser la situation dans un espace topologique g´en´eral (cf. Remarque 3.2.4).
Th´eor`eme 3.2.1. Pour une partie A d’un espace m´etrique (X, d), les trois assertions sont ´equivalentes :
i) A est compacte.
ii) Propri´et´e de Bolzano-Weierstrass : Toute partie infinie de A admet un point d’accumulation dans A.
iii) De toute suite (xn)n∈N d’´el´ements de A, on peut extraire une sous-suite
Compacit´e des espaces m´etriques. 49 REMARQUE 3.2.2. Notons que l’on peut exprimer la propri´et´e ii) d’une autre mani`ere en disant que toute suite de A admet une valeur d’adh´erence dans A. Une valeur d’adh´erence d’une suite (xn)n∈N est un point x tel que pour tout
voisinage V ∈ V(x) la suite prennent une infinit´e de fois sa valeur dans V . Cela correspond aux deux possibilit´es : a) L’ensemble {xn, n ∈ N} est fini et
dans ce cas il y a n´ecessairement une valeur qui est prise une infinit´e de fois ; b) L’ensemble {xn, n ∈ N} est infini et on est sous l’hypoth`ese de ii).
Nous aurons besoin d’un r´esultat interm´ediaire pour les espaces m´etriques qui est souvent utile.
Lemme 3.2.3. (Lemme de la maille) Si une partie A d’un espace m´etrique v´erifie iii) et si ∪i∈IOi est un recouvrement d’ouverts de A, alors il existe une
constante ρ > 0 tel que pour tout x ∈ A la boule B(x, ρ) est incluse dans un des Oi :
∀x ∈ X, ∃ix ∈ I, B(x, ρ) ⊂ Oix.
Preuve : Elle se fait par l’absurde. Supposons que pour tout n∈ N, il existe xn ∈ A tel que B(xn,n+11 ) n’est incluse dans aucun des Oi. Par l’hypoth`ese
iii), on peut extraire une sous-suite (xnk)k∈N convergeant dans A. Posons l =
limk∈Nxnk. Comme l appartient `a A, il existe i∈ I tel que l ∈ Oi et comme
Oi est ouvert, il existe ε > 0 tel que B(l, ε) ⊂ Oi. Par d´efinition de la limite
on peut trouver kε tel que d(l, xnk)≤
ε
3 pour k ≥ kε et on peut donc supposer
kε assez grand pour que n 1
kε+1 ≤
ε
3. Mais dans ce cas, on a B(xnkε,
1 nkε+1) ⊂
B(l, ε)⊂ Oi, ce qui contredit la d´efinition de la suite (xn)n∈N. En conclusion,
il existe n0 ∈ N tel que pour tout x ∈ A la boule B(x,n1
0+1) est incluse dans
un des Oi et on prend ρ = n1
0+1.
Preuve du Th´eor`eme 3.2.1 : i)⇒ ii) : Il suffit de d´emontrer qu’une partie d´enombrable de A admet un point d’accumulation dans A. En num´erotant ses ´
el´ements cela revient `a consid´erer une suite de A, (xn)n∈N, telle que xn 6= xm si
n 6= m. La suite d’ensembles donn´ee par Xn={xk, k ≥ n} v´erifie Xn+1⊂ Xn
et en prenant l’adh´erence dans A, Xn+1 A ⊂ Xn A . Ainsi Xn A n∈N est une
suite d´ecroissante de ferm´es non vides du compact A. L’intersection∩n∈NXn A
est non vide et on note x un de ses ´el´ements. Ce point x appartient `a A et est un point d’accumulation de la suite (xn)n∈N : Pour tout voisinage V de x on
peut trouver un terme xn de la suite diff´erent de x qui appartient `a V . Si x
est un terme de la suite, x = xn1, l’appartenance de x `a Xn1+1
A
dit qu’il existe xn ∈ Xn1+1∩ V tandis que x 6∈ Xn1+1. Si x n’est pas un terme de la suite on
peut prendre n1 = 0.
ii)⇒ iii) : Compte tenu de la Remarque 3.2.2, la suite (xn)n∈N admet une
valeur d’adh´erence l ∈ A. Pour tout k ∈ N, on peut trouver nk ∈ N tel
que d(l, xnk) <
1
{B(l, 1
k+1), k ∈ N} forme une base de voisinages de l.
iii)⇒ i) : Si ∪i∈IOi est un recouvrement d’ouverts de A. D’apr`es le Lemme de
la maille (3.2.3), on peut trouver ρ > 0 tel que
∀x ∈ A, ∃ix ∈ I, B(x, ρ) ⊂ Oix.
On construit la suite (xn)n∈M⊂N par r´ecurrence :
– x0 ∈ A
– Si ∪nk=1B(xk, ρ) ne recouvre pas A, on prend xn+1 dans A\ ∪nk=1B(xk, ρ).
Dans le cas contraire, on s’arrˆete et M = {0, . . . , n}.
L’ensemble d’indices M est n´ecessairement fini. En effet dans le cas contraire on a construit une suite (xn)n∈N telle que d(xn, xm) ≥ ρ pour m 6= n. En
extrayant une sous-suite (xnk)k∈N convergeant vers l ∈ A on obtient pour k
assez grand ρ≤ d(xnk+1, xnk)≤ d(xnk+1, l) + d(xnk, l) ≤ ρ 3 + ρ 3 = 2ρ 3 , ce qui est impossible pour ρ > 0.
Donc l’ensemble M est fini et on a A⊂ ∪j∈MB(xj, ρ)⊂ ∪j∈MOixj.
REMARQUE 3.2.4. a) Pour i)⇒ ii), on n’a pas besoin de la structure m´etrique. La propri´et´e de Bolzano-Weierstrass est vraie pour tout espace topolo- gique compact. En revanche ii)⇒iii) n´ecessite l’existence d’une base de voisinages d´enombrable : Pour que le point d’accumulation soit effective- ment la limite d’une sous-suite, on a besoin de cette propri´et´e des espaces m´etriques. Enfin l’implication iii)⇒i) repose sur le Lemme de la maille (3.2.3) qui se formule explicitement avec une distance.
b) Une cons´equence du Th´eor`eme est que le Lemme de la maille s’applique `a tout espace m´etrique compact.
c) Ce th´eor`eme a une g´en´eralisation compl`ete pour des espaces topologiques quelconques reposant encore sur la notion de filtre.
Corollaire 3.2.5. Tout espace m´etrique compact est s´eparable.
Preuve : Soit (X, d) un espace m´etrique compact. Pour tout n ∈ N, l’union ∪x∈XB(x,n+11 ) est un recouvrement d’ouverts de X. On peut donc en extraire
un sous recouvrement fini ∪Nn
k=0B(xk,n, 1
n+1). L’ensemble
{xk,n, k∈ {0, . . . , Nn}, n ∈ N}
est alors un ensemble dense d´enombrable dans X.
Nous terminons ce paragraphe par l’exemple sans lequel toutes ces notions n’auraient pas vraiment d’int´erˆet.
Propri´et´es des compacts. 51 Th´eor`eme 3.2.6. (Heine-Borel-Lebesgue) Tout intervalle ferm´e born´e de R, [a, b], a, b∈ R, est compact.
Preuve : On utilise la propri´et´e iii) du Th´eor`eme 3.2.1. Soit (xn)n∈N une
suite de [a, b], on va extraire une sous-suite convergente par une m´ethode de dichotomie. On construit la suite de couple ((ak, bk))k∈N par r´ecurrence :
– a0 = a et b0 = b
– On pose ck = ak+b2 k. Si il existe un nombre infini d’indices n tels que xn ∈
[ak, ck] on prend ak+1 = ak et bk+1 = ck. Sinon on prend ak+1 = ck et
bk+1 = bk.
On a form´e ainsi deux suites adjacentes (ak)k∈N et (bk)k∈N telles que pour
tout k∈ N il existe xnk ∈ [ak, bk]. Une cons´equence de la propri´et´e de la borne
sup´erieure est que deux suites adjacentes convergent et ont mˆeme limite. Cette limite est aussi limite de la sous-suite (xnk)k∈N.