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Filtres, d’après Bourbaki

Dans le document Topologie et Géométrie (Page 31-37)

1.4 Annexe : Sommaire de topologie

1.4.6 Filtres, d’après Bourbaki

Définition 1.4.49.Unfiltresur un ensembleXest une familleFde parties deX telle que

1.; ̸∈FetX∈F.

2. SiA∈FetB∈F alorsA∩B∈F. 3. SiA∈FetB⊇AalorsB∈F.

La condition 2. ci dessus implique que un filtre est stable par intersection finie.

L’exemple usuel de filtre est lefiltre engendrée par un sous-ensemble non vide de A⊂X:

F(A)={B⊆X|B⊇A}.

D’autres exemples :

1. Dans un espace topologiqueXla familleVxde voisinages d’un pointx∈X est un filtre.

2. Si (xn) est une suite dansXla famille

F={A⊂X| ∃n0N:∀n≥n0xn∈A} (1.4) est un filtre surX. (Cet exemple se généralise facilement aux suites géné-ralisées de Moore-Smith).

Définition 1.4.50.On dit que le filtreF estplus fineque le filtreG, ou queF raffineG, siF⊇G. Dans ce cas on écritF⪰G.

Exemple 1.4.51.Le filtre F ={X} est moins fine que tous les filtres sur l’en-sembleX.

Exemple 1.4.52.Un ensemble Aest ouvert dans un espace topologique X si et seulement si pour toutx∈Ale filtre des voisinagesVx est plus fine que le filtre F(A) engendré parA.

Si (Fi)iI est une famille non vide de filtres sur l’ensembleX, l’intersection

iIFi est un filtre. Ce filtre est la borne inférieure de l’ensemble de filtresFi, (i∈I). On le note

iIFi.

Proposition 1.4.53.Soit S une famille de sous-ensembles de l’ensemble X . Il existe un filtreF contentantS si et seulement si pour toute sous-famille finie {A1, . . . ,An}deS l’intersection A1∩ ··· ∩Anest non vide.

Preuve. La condition est évidemment nécessaire car un filtre est stable par inter-section finie et l’ensemble vide ne peut pas appartenir à un filtre. SoitSla fa-mille formée par les intersection finies de membres deS (en particulierS⊇S).

On pose

F(S) :={A⊆X| ∃B∈SA⊇B}.

Il est immédiat de vérifier queF(S) est un filtre contenantS. ⊓⊔

Définition 1.4.54.Soit (Fi)iI une famille de filtres sur un ensembleX. On dit que les filtres de cette famille sontcompatiblessi pour tout sous-ensemble fini {F1, . . . ,Fn}

iIFil’intersectionF1∩ ··· ∩Fnest non vide.

Exemple 1.4.55.Un sous-ensembleC d’un espace topologiqueXest fermé si et seulement si pour toutx∈Cle filtreVx des voisinages dexest compatible avec le filtreF(C) engendré par l’ensembleC. Cela traduit l’assertion queFest fermé si et seulement si pour toutx∈Cet tout voisinageVdexl’intersectionV∩Cest non vide.

De la Proposition1.4.53on dérive immédiatement le corollaire suivant : Corollaire 1.4.56.Soit(Fi)iIune famille de filtres sur un ensemble X . Il existe un filtreFplus fine de tous les filtres de la famille(Fi)iIsi est seulement si les filtres de cette famille sont compatibles. Dans on pose

iI

Fi=F( ∪

iI

Fi

) . Alors

iIFi⪯F.est la borne supérieure de l’ensemble de filtresFi(i∈I ).

Corollaire 1.4.57.La relation de finesse⪯sur l’ensemble de filtres sur l’ensemble X est inductive : Toute chaîne admet un majorant.

Preuve. Si la famille (Fi)iI est ordonnée totalement par la relation de finesse pour tout sous-ensemble fini {F1, . . . ,Fn}

i∈IFiil existej∈Itel que {F1, . . . ,Fn} Fj. Donc l’intersectionF1∩ ··· ∩Fn est non vide. En conclusion, la famille est compatible et∨

iIFi est un majorant de toutFi. ⊓⊔

Définition 1.4.58.Unultrafiltre sur l’ensemble X est un filtre sur X maximal pour la relation de finesse.

Exemple 1.4.59 (Ultrafiltres triviaux).Pour tout élément x de l’ensemble X le filtre durXdéfini par

Ux={A⊆X|x∈A}

est un ultrafiltre. Ces ultrafiltres sont dittriviaux.

Proposition 1.4.60.Pour tout filtreF sur l’ensemble X , il existe un ultrafiltreU tel queF⪯U.

Preuve. Par le corollaire1.4.57on peut appliquer le lemme de Zorn à l’ensemble des filtres surX. On obtiens ainsi un ultrafiltre majorantF. ⊓⊔

Proposition 1.4.61.SoitU un ultrafiltre sur l’ensemble X . Si A et B sont des par-ties de X telles que A∪B∈U, alors soit A∈U soit B∈U.

Preuve. Supposons queA∪B∈Uet queA̸∈U. Il est facile de voir que la famille F={C⊂X|A∪C∈U} est un filtre surX. Ce filtre est plus fine queU. PuisqueU est un ultrafiltre on aF=U, ce qui impliqueB∈U. ⊓⊔

Par récurrence on obtient

Corollaire 1.4.62.SoitUun ultrafiltre sur l’ensemble X . Si A1, A2, . . . , Aksont des parties de X telles que A1∪A2∪···∪Ak∈U, alors une des parties Aiappartient à BU.

Théorème 1.4.63.Un filtreFsur l’ensemble X est un ultrafiltre si et seulement si pour tout partie non vide A⊆X on a soit A∈Fsoit X\A∈F.

Preuve. SiF est un ultrafiltre et A⊆X est une partie non vide, par la proposi-tion1.4.61une et seulement une des partiesAetX\Aest un membre deF,

Supposons queF est un filtre sur l’ensembleX tel que pour tout partie non videA⊆Xon a soitA∈FsoitX\A∈F. SoitUun ultrafiltre contentantF. Alors soitA∈U soitX\A∈U. SiA∈UalorsX\A̸∈Uet in particulierX\A̸i nF, Par hypothèse cela implique queAi nF. DoncU⪯F. ⊓⊔

Proposition 1.4.64.Un filtre sur X est l’intersection de tous les ultrafiltres le conte-nant.

Preuve. SoitU(F) la collection des ultrafiltres contenant le filtreF. Évidemment on a

F⪯

U∈U(F)

U

Supposons queA⊂Xsoit une partie non vide telle queA̸∈F. On poseA=X\A.

SoitF∈F. Puisque on aF̸⊆A,F∩A̸= ;, ce qui implique que le filtreFetF(A) sont compatibles. Le filtreF∨F(A) est contenu dans un filtre maximalU. Du fait queA∈U on tire queA̸∈U(Théorème1.4.63). DoncA̸∈

UU(F)U. ⊓⊔

1.4.6.1 Convergence des filtres dans les espaces topologiques

Définition 1.4.65.On dit que un filtreF sur un espace topologiqueXconverge versx∈X, et on écritx=limF, siFest plus fine du filtre des voisinagesVx:

x=limF ⇐⇒Vx⪯F.

Cette définition généralise la notion de convergence comme le montre l’exemple suivant :

Exemple 1.4.66.SiF est le filtre défini par une suite (xn) (cf. eq. (1.4) alorsx= limFsi et seulement six=limxn.

Définition 1.4.67.On dit quex∈X est unevaleur d’adhérenced’un filtreF sur un espace topologiqueXsi le filtreFest compatible avec le filtre des voisinages Vx: pour toutF∈Fet tout voisinageV dexl’on aV∩F̸= ;.

Remarque 1.4.68.Doncx∈Xest unevaleur d’adhérenced’un filtreFsi et seule-ment si pour toutF∈Fon ax∈F.

Proposition 1.4.69.SiU est un ultrafiltre sur l’espace topologique X et x∈X est une valeur d’adhérence deUalors x=limU.

Preuve. PuisqueVxetU sont compatibles le filtreVx∨U est bien défini et ma-joreU. MaisU est maximal. DoncVx∨U=Uce qui impliqueVx⪯U. ⊓⊔ Théorème 1.4.70.Soit X un espace topologique. Les assertions suivantes sont équivalentes :

1. X est un espace compact.

2. tout filtre sur X admet une valeur d’adhérence.

3. tout ultrafiltre dans X converge.

Preuve. 1. =⇒ 2. Supposons queXest compact. Alors pour toute famille d’en-sembles fermés (Fi)iI ayant la propreté d’intersection finie8 on a ∩

iIFi ̸=

;. Soit F un filtre sur X. Pour tout sous-ensemble fini {F1, . . . ,Fk}⊆F on a F1∩ ··· ∩Fk ̸= ;et a fortiori F1∩ ··· ∩Fk ̸= ;. La famille d’ensembles fermés {F|F ∈F} a donc la propreté de l’intersection finie. Donc il existex∈

F∈FF. Par la remarque1.4.68, le pointxest une valeur d’adhérence du filtreF .

8. On dit que une famille (Fi)iIa la propreté de l’intersection finie si pour tout sous-famille finie {Fi1, . . . ,Fik} l’intersectionFi1∩ ··· ∩Fikest non vide.

2. =⇒ 3. Un ultrafiltre qui admet une valeur d’adhérence converge vers cette valeur.

3. =⇒ 1. Supposons que tout ultrafiltre dansX converge et soitS =(Fi)iI une famille d’ensembles fermés ayant la propreté d’intersection finie. Par la Pro-position 1.4.53 il existe un filtreF contenant la familleS et par la Proposi-tion1.4.60un ultrafiltreU plus fine queF. Soitx=limU. Pour toutV ∈Vx et pour toutU∈U, on aV∩U̸= ;carVx⪯U. En particulier pour toutV ∈Vx et pour toutFi∈S, on aV∩Fi̸= ;. Cela implique quex∈Fi=Fipour toutFi∈S. Doncx∈

iIFi̸= ;. ⊓⊔

1.4.6.2 Image directe des filtres

Définition 1.4.71.Soitf :X→Y et soitFun filtre surX, On pose fF={A⊂Y |f1(Y)∈F}.

Il est immédiat de vérifier quefF est un filtre surY qu’on appelle l’image di-recte du filtreFparf.

Lemme 1.4.72.L”image directe d’un ultrafiltre par une application est un ultra-filtre.

Preuve. Soitf:X→Y une application et soitU un ultrafiltre surX. SoitA⊆Y. Soitf1(A)∈U soitf1(Y\A)=X\f1(A)∈U, par le Théorème1.4.63. Donc soitA∈fU soitY\A∈fU. Par ce même théorèmefUest un ultrafiltre. ⊓⊔ Lemme 1.4.73.Soient f :X→Y une application continue entre espaces topolo-gique etFun filtre sur X qui converge vers x∈X . Alors le filtre fFimage directe converge vers f(x).

Preuve. SoitA∈Vf(x). Puisquef est continuef−1(A) est un voisinage dex; autre-ment ditf−1(A)∈Vx⪯F. Par définition cela signifieA∈fF. DoncVf(x)⪯fF.

1.4.6.3 Filtres dans les produits et le Théorème de Tykhonov Théorème 1.4.74.Soient(Xi)iIdes espaces topologiques et pj:∏

iIXi→Xj, j∈ I , les projections canoniques définies sur le produit topologique de ces espaces. Soit F un filtre sur

iIXi. Le filtreF converge dans

iIXi si et seulement si pour tout i∈I le filtre(pi)Fconverge dans Xi.

Preuve. Puisque les projections canoniques sont continue, le lemme précédent montre que la condition est nécessaire. Supposons donc que pour touti ∈I le filtre (pi)F converge dansXi versxi ∈Xi. Par définition cela signifie queVxi (pi)F, ou bien que pour toutVivoisinage dexi on api1(Vi)∈F.

On posex=(xi)iI

iIXi. Pour tout voisinageVdexdans∏

iIXiil existe {i1, . . . ,ik}⊆Iet voisinagesVj dexijdansXij,j=1, . . . ,k, tel que

V⊇pi1

1 (V1)∩ ··· ∩pi1

k (Vk)∈F. DoncVx∈F. ⊓⊔

Théorème 1.4.75 (Théorème de Tykhonov).Le produit topologique d’espaces com-pact est comcom-pact.

Preuve. SoitUun ultrafiltre surX=

iIXi, où (Xi)iIest une famille d’espaces topologiques compact. Notonspi:X→Xi,i∈I, les projections canoniques. On a alors que (pi)U est un ultrafiltre dans Xi (lemme1.4.72). Par la compacité deXi et le Théorème1.4.70l’ultrafiltre (pi)U converge versxi ∈X. Cela étant vrai pour outi ∈I, l’ultrafiltreU converge dansX, par le Théorème précédent.

Encore par le Théorème1.4.70on conclut queXest compact. ⊓⊔

Chapitre 2

Relèvements

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