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Cours · Bac+5 (ingénieur/expert)

Topologie

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Espaces topologiques

Non commencé

Définitions

Espace topologique (X,T)(X, \mathcal{T}) : T\mathcal{T} stable par union quelconque, intersection finie, contient ,X\emptyset, X. Ouvert, fermé, adhérence, intérieur. Continuité : f1(U)f^{-1}(U) ouvert pour UU ouvert. Séparation (T0T_0, T1T_1, Hausdorff T2T_2 : points distincts ont voisinages disjoints).

Métrique induit topologie : d(x,y)<rd(x,y) < r. Homéomorphisme : bijection continue réciproque continue. Sous-espace, produit, quotient topologiques.

Espace topologique : ouverts axiomatiques. Continuité, voisinages, séparation (Hausdorff). Métrisable \Rightarrow topologie d'une distance.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • iIUiT;k=1nUkT\bigcup_{i \in I} U_i \in \mathcal{T} \quad ; \quad \bigcap_{k=1}^n U_k \in \mathcal{T}
  • f continue f1(U) ouvert pour tout ouvert Uf \text{ continue } \Leftrightarrow f^{-1}(U) \text{ ouvert pour tout ouvert } U
  • A={F:AF,F fermeˊ}\overline{A} = \bigcap \{F : A \subset F, F \text{ fermé}\}
  • UX ouvert xU, r,B(x,r)U (meˊtrique)U \subset X \text{ ouvert } \Leftrightarrow \forall x \in U,\ \exists r, B(x,r) \subset U \text{ (métrique)}

Exemples

Exemple 1

Topologie usuelle de R\mathbb R.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Ouverts = réunions d'intervalles ouverts : métrique |\cdot|. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Topologie métrique standard.

Exemple 2

Hausdorff.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Deux points distincts séparés par ouverts disjoints ; métrique \Rightarrow Hausdorff. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Espaces métriques sont Hausdorff.

À retenir

Compacité

Non commencé

Définitions

Compact : tout recouvrement ouvert admet sous-recouvrement fini. Équivalent en métrique séparée : fermé + borné (Heine-Borel Rn\mathbb{R}^n). Compact \Rightarrow fermé (séparé) ; image continue compacte = compact. Séquentiellement compact (métrique) : suite admet sous-suite convergente.

Théorème de Tychonoff : produit compacts compact. Utilisation : existence extrema, théorèmes fixed point (Brouwer sur boule compacte).

Compacité topologique : tout recouvrement ouvert a un sous-recouvrement fini. Dans Rn\mathbb R^n : fermé borné. Image continue d'un compact = compact.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • K compact  tout recouv. ouvert a sous-recouv. finiK \text{ compact } \Leftrightarrow \text{ tout recouv. ouvert a sous-recouv. fini}
  • KRn fermeˊ borneˊ K compactK \subset \mathbb{R}^n \text{ fermé borné } \Leftrightarrow K \text{ compact}
  • f:KY continue, K compact f(K) compactf : K \to Y \text{ continue, } K \text{ compact } \Rightarrow f(K) \text{ compact}
  • iIKi compact (Tychonoff)\prod_{i \in I} K_i \text{ compact (Tychonoff)}

Exemples

Exemple 1

Heine-Borel.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) KRnK\subset\mathbb R^n compact \Leftrightarrow fermé borné. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Heine-Borel.

Exemple 2

Extrema.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) ff continue sur compact à valeurs réelles : atteint min et max. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Extrema atteints.

À retenir

Connexité

Non commencé

Définitions

Connexe : impossible partitionner en deux ouverts non vides. Composante connexe = plus grand connexe contenant un point. Path-connexe : tout couple points relié par chemin continu. Path-connexe \Rightarrow connexe (réciproque fausse en général).

Arc-connexe (Hausdorff) : chemin injectif. Applications : théorème domaine connexe (fonction holomorphe), degrés topologiques. Rn{0}\mathbb{R}^n \setminus \{0\} path-connexe pour n2n \geq 2.

Connexité : impossible d'écrire X=UVX=U\cup V ouverts disjoints non vides. Intervalles de R\mathbb R = connexes. Image continue d'un connexe = connexe (TVI généralisé).

Connexité par arcs \Rightarrow connexité.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • X connexe ¬U,V ouverts disjoints non vides, X=UVX \text{ connexe } \Leftrightarrow \neg\exists U,V \text{ ouverts disjoints non vides, } X = U \sqcup V
  • f:XY continue, X connexe f(X) connexef : X \to Y \text{ continue, } X \text{ connexe } \Rightarrow f(X) \text{ connexe}
  • Path-connexe  connexe\text{Path-connexe } \Rightarrow \text{ connexe}
  • Rn{0} path-connexe (n2)\mathbb{R}^n \setminus \{0\} \text{ path-connexe } (n \geq 2)

Exemples

Exemple 1

R{0}\mathbb R\setminus\{0\} connexe ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Non : ],0[]0,+[]{-}\infty,0[\cup]0,+\infty[. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Non connexe.

Exemple 2

TVI via connexité.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) f([a,b])f([a,b]) connexe dans R\mathbb R = intervalle : contient toutes valeurs intermédiaires. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

TVI = connexité de l'image.

À retenir