L’espace de Cantor

L’espace de Cantor, que l’on noteraC, est l’ensemble de toutes les suites infinies de 0 et de 1 :

C“ t0,1u^N. On ´ecrira les ´el´ements de Csous la forme

α“`

αp0q, αp1q, αp2q, . . .˘ , o`uαpiq P t0,1upour tout iPN.

On a vu au Chapitre 2(Exercice1.2) qu’on d´efinit une distanced surCen posant dpα, αq:“0 et, pour α, β PCdiff´erents,

dpα, βq:“2^´ipα,βq, o`uipα, βq est le plus petit entieriě0 tel que αpiq ‰βpiq.

Dans ce micro-chapitre, on va d´emontrer quelques propri´et´es remarquables de l’es-pace m´etriqueC.

Lemme 1. La convergence dans l’espace C est la convergence “coordonn´ee par coordonn´ee” : une suite pαkq d’´el´ements de C converge vers α PC si et seulement si α_kpiq Ñαpiq pour tout iě0; autrement dit, si pour tout iě0, on a α_kpiq “αpiq `a partir d’un certain rang. En particulier, les “applications coordonn´ees” αÞÑαpiq sont continues sur C.

D´emonstration. On la laisse enexo.

Corollaire. L’espaceC estcompact.

D´emonstration. Comme l’espace `a 2 ´el´ements t0,1u est compact, cela d´ecoule imm´ediatement du lemme et du “Th´eor`eme de Tikhonov d´enombrable” (Th´eor`eme

5.1 du Chapitre4).

Lemme 2. Notons S l’ensemble de toutes les suites finies de 0 et de 1. Pour s“ ps0, . . . , snq, posons Ws :“ α PC; α commence par s(

. Alors lesWs sont ouverts et ferm´es dans C, et ils forment une base pour la topologie de C.

D´emonstration. On a W_s “ α P C; αpiq “ s_i pour i“0, . . . , n(

, donc W_s est ouvert et ferm´e car les applications coordonn´ees α ÞÑ αpiq sont continues de Cdans t0,1u et les singletons ts_iusont ouverts et ferm´es dans t0,1u.

Si O est un ouvert quelconque de C et si α PO, alors on peut trouver un entier n tel que Bpα,2^´nq Ď O. Si on pose s :“ pαp0q, . . . , αpnqq, alors α P W_s, et W_s Ď Bpα,2^´n´1qpar d´efinition de la distanced; doncW_s ĎBpα,2^´nq ĎO. Ainsi, les W_s

forment une base pour la topologie de C.

137

138 7. L’ESPACE DE CANTOR

Corollaire. L’espaceCesttotalement discontinu: les seules parties connexes de C sontH et les singletons.

D´emonstration. Il s’agit de montrer que si A Ď C contient au moins 2 points α ‰β, alorsA n’est pas connexe. Par le lemme, on peut trouversPS tel queαPW_s etβ RWs. Alors WsXA est ouvert et ferm´e dansA, non-vide et diff´erent deA; donc

A n’est pas connexe.

Lemme 3. L’espace Cn’a pas de point isol´e.

D´emonstration. SoitαPC. SiV est un voisinage quelconque deα, on peut trouver une suite finie sPS telle queα PW_s etW_s ĎV. Comme W_s est clairement infini et mˆeme non-d´enombrable (exo), on en d´eduit que tout voisinage V de α est infini ; et

donc que α n’est pas un point isol´e de C.

Remarque. On peut montrer que les 3 propri´et´es topologiques deCqu’on vient de mettre en ´evidencecaract´erisent compl`etementCen tant qu’espace topologique :Tout espace m´etrique compact, totalement discontinu et sans point isol´e est hom´eomorphe

`

a C. La preuve n’est pas du tout hors de port´ee, mais on ne la fera pas.

Proposition. Tout espace m´etriqueXcompl`etement m´etrisable et sans point isol´e contient une “copie” de C, i.e. il existe un compact KĎX hom´eomorphe `a C.

D´emonstration. Soitdune distance d´efinissant la topologie deXet telle quepX, dq soit complet. Comme X n’a pas de point isol´e, il contient au moins 2 points ; et donc, on peut trouver deux ouverts non vides V₀, V₁ ĎX tels queV₀XV₁“ H, avec de plus diampV0q ď ¹₂ et diampV1q ď ¹₂¨On peut faire de mˆeme dansV0 etV1, et ainsi de suite.

De fa¸con pr´ecise, en notant comme d’habitude S l’ensemble de toutes les suites finies de 0 et de 1, on construit une famille pVsqsPS d’ouverts non vides de X telle que pour tout sPS, les choses suivantes aient lieu :

r V_s0YV_s1 ĎV_s etV_s0XV_s1“ H;

r diampVsq ď2^´|s|, o`u |s|est la longueur de s.

Si α PCalors l’intersection Ş₈

n“0Vpαp0q,...,αpnqq est non vide et r´eduite `a un point tx<sub>α</sub>u, d’apr`es le th´eor`eme des ferm´es emboˆıt´es. On peut donc poserjpαq:“x_α, ce qui d´efinit une applicationj:CÑX.

L’applicationj:CÑX estcontinue. En effet, soitαPCquelconque. Si V est un voisinage ouvert de jpαq “ xα, alors on peut trouver nPN tel que Vpαp0q,...,αpnqq ĎV car diampVpαp0q,...,αpnqqq Ñ 0 quand n Ñ 8. Si on pose s :“ pαp0q, . . . , αpnqq, alors toute suite β PCqui commence par sest telle que jpβq “x_β PVsĎV ; doncWs est un voisinage ouvert de α tel quejpW_sq ĎV.

L’applicationjest de plusinjective. En effet, siα ‰β, soitnle plus petit indice tel que α_n‰β_n. AlorsVpαp0q,...,αpnqqXVpβp0q,...,βpnqq “ H, et donc jpαq “x_α ‰x_β “jpβq puisque xα PVpαp0q,...,αpnqq et xβ PVpβp0q,...,βpnqq.

Comme Cest compact, on peut maintenant conclure que K :“jpCq ĎX est un

compact hom´eomorphe `a C.

Exemple. Soit j:CÑRl’application d´efinie par jpαq:“

8

ÿ

i“0

2αpiq 3^i`1 ¨

7. L’ESPACE DE CANTOR 139

Alors j est injective et continue, donc C₃ :“ jpCq Ď R est hom´eomorphe `a C. L’en-semble C3 s’appelle l’ensemble triadique de Cantor. Il est contenu dans r0,1s et contient 0 et 1.

D´emonstration. La s´erie d´efinissant jpαq converge normalement sur C, donc uni-form´ement. Comme les applications coordonn´eesαÞÑαpiqsont continues, on en d´eduit que l’application j est continue.

Comme j est injective et que Cest compact, j est un hom´eomorphisme deCsur C₃ “jpCq. Le fait quet0,1u ĎC₃ Ď r0,1sest laiss´e en exo.

Exercice. On d´efinit une suite de ferm´es L_n Ď r0,1s de la mani`ere suivante : L0 “ r0,1s, L1 “ r0,1{3s Y r2{3,1s, L2 “ r0,1{9s Y r2{9,1{3s Y r2{3,7{9s Y r8{9,1s, et ainsi de suite (A chaque ´<sup>`</sup> etape, on coupe en 3 les intervalles d´ej`a construits et on enl`eve l’intervalle du milieu.) Montrer que C₃ “ Ş

ně0

L_n.

On vient de voir que l’espace de Cantor est contenu dans tout espace raisonnable-ment “touffu”. Le th´eor`eme suivant va dans l’autre sens : il montre que C est d’une certaine fa¸con “plus gros” que n’importe quel espace m´etrique compact.

Th´eor`eme. Tout espace m´etrique compact est image continue de C. Autrement dit : si K est un espace m´etrique compact, alors il existe une surjection continue φ:CK.

Dans la preuve de ce th´eor`eme, on aura besoin du lemme suivant, int´eressant pour lui mˆeme.

Lemme. Si F est un ferm´e deC, il existe une r´etraction continue deCsur F, i.e. une application continue r:CÑF telle que rpβq “β pour tout βPF.

Preuve du lemme. Soit dla distance surCd´efinie par dpα, βq:“

140 7. L’ESPACE DE CANTOR

La fonction d est continue sur CˆC par convergence normale de la s´erie et par continuit´e des applications coordonn´ees. (En fait, il n’est pas tr`es difficile de montrer que d d´efinit la topologie de C.) En particulier, si α P C est fix´e, la fonction β ÞÑ dpα, βq est continue sur le compact F; donc il existe au moins 1 point β PF tel que dpα, βq soit minimale. De plus, comme l’applicationCQεÞÑř₈

i“0 εi

3ⁱ estinjective (cf la preuve concernant l’ensemble triadique de Cantor), on voit que si α est fix´e, alors

dpα, βq “dpα, β¹q ùñ |βpiq ´αpiq| “ |β¹piq ´αpiq| pour toutiPN ùñ β “β¹. Donc, pour toutαPC, il existeexactement 1 pointβ PFtel quedpα, βqsoit minimale.

On note ce point rpαq. Par d´efinition, on a rpβq “ β pour tout β P F. De plus, le graphe de l’application r :CÑ F est ferm´e dans CˆF, car pour pα, βq PCˆF on a l’´equivalence

rpαq “β ðñ @β¹ PF : dpα, βq ďdpα, β¹q.

Donc le graphe de r est compact puisque CˆF est compact ; et donc r est continue

d’apr`es le Lemme du graphe compact.

Preuve du th´eor`eme. Soit K un espace m´etrique compact quelconque. Grˆace au Lemme 4, il suffit de montrer qu’il existe un ferm´e F ĎC et une surjection continue s “F K. En effet, comme il existe une r´etraction continue r : CÑ F (qui est en particulier une surjection continue), on obtiendra alors une surjection continueφ:CK en posant simplement φ:“s˝r.

Comme tout espace m´etrique compact,K est s´eparable et donc la topologie de K poss`ede une base d´enombrableB“ pV_iqiPN. Pour construire une surjection continue de C surK, l’id´ee de base est l’observation suivante : on peut “coder” tout point x PK par une sous-suite de la suite pV_iq; de fa¸con pr´ecise, si x PK, alors txu “Ş

iPIpxqV_i, o`uIpxq:“ tiPN; xPViu.

Pour tout iPN, on posera

Eip0q:“KzVi et Eip1q:“Vi. Par d´efinition,E_ip0q etE_ip1qsont des ferm´es deK.

Fait 1. Pour toutαPC, l’ensembleE_α:“Ş

iPNE_i` αpiq˘

contient au plus 1 point.

Preuve du Fait 1. Soient x et x¹ deux points de K tels que x‰x¹. Comme B est une base pour la topologie deK, on peut trouveriPN tel quexPV_i etx¹ RV_i. Alors xRE_α siαpiq “0, etx¹RE_α siαpiq “1 ; doncE_α ne peut pas contenir les 2 points x

et x¹.

Fait 2. L’ensembleF :“ tαPC; Eα ‰ Huest un ferm´e deC.

Preuve du Fait 2. Par d´efinition, on a l’´equivalence suivante pour toutαPC: αPF ðñ DxPK : xPE_α.

CommeK est compact, il suffit donc, d’apr`es le Lemme4.7du Chapitre4, de montrer que l’ensemble

E :“ pα, xq PCˆK; xPEα

(

est un ferm´e deCˆK. (Si on pr´ef`ere ne pas utiliser ce Lemme4.7, on peut aussi dire ceci : si E est ferm´e dansCˆK, alors il est compact car CˆK est compact ; et doncF est ferm´e en tant qu’image d’un compact par une application continue.)

7. L’ESPACE DE CANTOR 141

Maintenant, la d´efinition de E_α montre que pour tout pα, xq P CˆK, on a l’´equivalence suivante :

pα, xq PE ðñ @iPN : `

αpiq “0 et xPE_ip0q˘

ou `

αpiq “1 et xPE_ip1q˘ . Autrement dit,

E“č

iPN

E_i,

o`u, pouriPN: E_i :“

!

pα, xq PCˆK; `

αpiq “0 et xPE_ip0q˘

ou `

αpiq “1 et xPE_ip1q˘) . Comme l’application αÞÑαpiq est continue sur Cet que les ensemblesEip0q etEip1q sont des ferm´es deK, on voit que chaque ensemble E_i est un ferm´e de CˆK. DoncE

est ´egalement ferm´e.

Fait 3. Pour tout α P F, notons spαq l’unique point de l’ensemble E_α. Alors l’application s:F ÑK est surjective et continue.

Preuve du Fait 3. Le graphe de l’applicationsest pr´ecis´ement l’ensembleE intro-duit dans la preuve du Fait 2. On a vu que E est un ferm´e de CˆK. Donc E est compact car FˆK est compact ; et donc sest continue d’apr`es le Lemme du graphe compact.

Soit x P K quelconque, et soit α P C d´efini comme suit : αpiq “ 0 si x P V_i et αpiq “ 1 si x R Vi. Par d´efinition, on a x P Eipαpiq˘

pour tout iP N; donc x P Eα, autrement dit αPF etx“spαq. Donc l’applications est surjective.

Par les Faits 2 et 3, la preuve du th´eor`eme est maintenant termin´ee.

Voici une cons´equence spectaculaire du th´eor`eme qu’on vient de d´emontrer.

Corollaire1. SiK est un compact convexed’un espace vectoriel norm´eE, alors il existe une surjection continue de l’intervalle r0,1ssur K.

D´emonstration. Soit C₃ Ď r0,1s l’ensemble triadique de Cantor. Comme C₃ est hom´eomorphe `a C, on peut trouver une surjection continue φ : C<sub>3</sub> Ñ K. On va prolonger φen une application continue Φ d´efinie surr0,1set encore `a valeurs dansK.

L’application Φ :r0,1s ÑK sera alors surjective puisque φl’est d´ej`a, donc elle fera le travail.

Comme C₃ est un ferm´e de r0,1s contenant 0 et 1, l’ensemble r0,1szC₃ est un ouvert de r0,1scontenu danss0,1r; doncr0,1szC3 est un ouvert deR. Par cons´equent, r0,1szC₃ est r´eunion d’une famille (d´enombrable) d’intervalles ouverts deux `a deux disjoints sa<sub>i</sub>, b<sub>i</sub>r, `a savoir les composantes connexes der0,1szC₃, dont les extr´emit´esa_i et bi appartiennent n´ecessairement `a C3 (exo). On d´efinit alors Φ : r0,1s Ñ E de la fa¸con suivante : Φptq ”φptqsur C₃ (donc en particulier en tous les pointsa_i, b_i), et Φ est affine sur chaque intervalle rai, bis.

Montrons que Φ est `a valeurs dans K. Comme Φ”φsur C<sub>3</sub>, il suffit de montrer que Φptq PK pour touttP r0,1szC3; ce qui n’est pas difficile : le point tappartient `a un certain intervalle sa_i, b_ir, donc test combinaison convexe de a_i et b_i, donc Φptq est combinaison convexe de Φpa_iq et Φpb_iq car Φ est affine sur ra_i, b_is, et donc Φptq P K car Φpaiq “φpaiq et Φpbiq “φpbiq appartiennent `a K (qui est suppos´e convexe).

La continuit´e de Φ “se voit bien”, mais il faut l’´ecrire soigneusement. Comme la restriction de Φ `a chaque intervalle ouvert sai, bir est continue (car affine), on voit

142 7. L’ESPACE DE CANTOR

que Φ est continue en tout point de l’ouvert r0,1szC₃ (micro-exo). Donc il suffit de montrer que Φ est continue en tout point t0 P C3. On va supposer que 0 ă t0 ă 1 (l’adaptation aux cast0“0 ett0 “1 est laiss´ee enexo). Soit εą 0 quelconque. Comme Φ_|C3 “ φ est continue, on peut trouver η ą 0 tel que }Φptq ´Φpt₀q} ď ε pour tout t P C3 tel que |t´t0| ă η. Comme 0 ă t0 ă 1, le point t0 n’est ni “isol´e `a gauche”

ni “isol´e `a droite” dans C<sub>3</sub> (exo). Donc on peut trouver α, β PC<sub>3</sub> tels que t<sub>0</sub>´η ă α ăt<sub>0</sub> ăβ ăt<sub>0</sub>`η. Choisissons alors δ ą 0 tel que rt₀´δ, t₀`δs Ď rα, βs. Comme δ ďη, on a}Φptq ´Φpt0q} ďεpour touttPC3 tel que|t´t0| ăδ. Montrons qu’on a

´

egalement }Φptq ´Φpt₀q} ďεpour tout tP r0,1szC₃ v´erifiant |t´t₀| ďδ. Par le choix de δ, on a α ďtďβ. Commeα et β appartiennent `aC3, on en d´eduit que le point t appartient `a un intervalle sa_i, b_iravec αďa_i ăb_i ďβ, puisquesa_i, b_irest enti`erement contenu dansr0,1szC3. Commeai etbi sont dansC3, on a donc}Φpaiq ´Φpt0q} ďεet }Φpb<sub>i</sub>q ´Φpt<sub>0</sub>q} ďε. Mais Φptq est combinaison convexe de Φpa<sub>i</sub>q et de Φpb<sub>i</sub>q puisque Φ est affine sur ra<sub>i</sub>, b<sub>i</sub>s; donc on a aussi }Φptq ´Φpt<sub>0</sub>q} ď εpar convexit´e de la boule B`

Φpt₀q, ε˘

. Ainsi, on a trouv´e un “δ de continuit´e” pour Φ associ´e `aε.

Corollaire 2. Il existe une surjection continue de l’intervalle r0,1ssur le carr´e r0,1s ˆ r0,1s; autrement dit, il existe un chemin γ :r0,1s Ñ R² dont l’image remplit tout un carr´e. Un tel chemin est souvent appel´e une courbe de Peano.

D´emonstration. On applique le Corollaire 1 avec K:“ r0,1s ˆ r0,1s ĎR². Autre preuve. On va d´emontrer le Corollaire 2 directement, sans faire appel au th´eor`eme. Pour cela, on a besoin des deux faits suivants.

Fait 1. L’espaceC est hom´eomorphe `aCˆC.

Preuve du Fait 1. Pour tout α P C, notons α⁰ et α¹ les ´el´ements de C d´efinis par α⁰ :“ pαp0q, αp2q, αp4q,¨ ¨ ¨ q et α¹ :“ pαp1q, αp3q, αp5q,¨ ¨ ¨ q. Il est assez clair que l’application α ÞÑ pα⁰, α¹q est une bijection de C sur CˆC, et facile de v´erifier que

c’est un hom´eomorphisme (exo).

Fait 2. Il existe une surjection continue deCsurr0,1s.

Preuve du Fait 2. C’est un cas tr`es particulier du th´eor`eme, qui se d´emontre `a la main. Soit s:CÑRl’application d´efinie par

spαq:“

8

ÿ

i“0

αpiq 2^i`1¨

L’application s est bien d´efinie et continue par convergence normale de la s´erie et continuit´e des applications α ÞÑ αpiq. Il est assez clair que s est `a valeurs dans r0,1s (micro-exo). Enfin,sest surjective deCsurr0,1scar tout nombre r´eelxP r0,1sadmet

un “d´eveloppement en base 2”.

En appliquant le Fait 2 puis le Fait 1 et en se souvenant que Cest hom´eomorphe

`

a C3, on voit (exo) qu’il existe une surjection continue φ : C3 Ñ r0,1s ˆ r0,1s. En raisonnant comme dans la preuve du Corollaire 1, on montre alors que φ se prolonge en une surjection continue Φ :r0,1s Ñ r0,1s ˆ r0,1s.

Exercice. Le but de ce long exercice est de montrer que tout espace m´etrique compact totalement discontinu et sans point isol´e est hom´eomorphe `aC. Dans ce qui suit, on fixe un tel espace m´etriquepK, dq.

7. L’ESPACE DE CANTOR 143

(1) Montrer que tout point x P K poss`ede une base de voisinages form´ee d’en-sembles ouverts ferm´es. (Utiliser le Corollaire6.8du Chapitre5.)

(2) D´eduire de (1) que si V ĎK est ouvert ferm´e et si εą0 est donn´e, alors V est r´eunion d’un nombre fini d’ensembles ouverts ferm´es deux `a deux disjoints de diam`etre ďε.

(3) Montrer que siW ĎK est un ouvert ferm´e non-vide alors, pour toutkPN^˚, on peut partitionnerW enk ouverts ferm´es non-vides.

(4) En utilisant (2) et (3), montrer que siV ĎK est un ouvert ferm´e non-vide et siεą0 est donn´e, alors, pour tout entierN assez grand, on peut partitionner V en 2^N ouverts ferm´es non-vides de diam`etreďε.

(5) On noteS l’ensemble de toutes les suites finies de 0 et de 1 (y compris la suite vide _∅). Montrer qu’on peut construire une famille pV_sqsPS d’ouverts ferm´es non-vides deK de sorte que les choses suivantes aient lieu :

r V_∅ “K;

r V_s0XV_s1“ H etV_s0YV_s1“V_s pour toutsPS;

r diam`

V_s˘

Ñ0 quand|s| Ñ 8.

(6) D´emontrer le r´esultat annonc´e.

Dans le document Topologie des espaces m´etriques Licence de Math´ematiques, 3`eme ann´ee (Page 137-143)