Voisinage (mathématiques) - Définition

Introduction

En mathématiques, la notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité, qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En revanche, pour les propriétés locales comme la continuité en un point ou la limite, le formalisme des voisinages est souvent plus simple.

Voisinage dans un espace topologique

Dans un espace topologique, un voisinage d'un point est un sous-ensemble contenant un ouvert contenant ce point. Soit un espace topologique et un point de . Notons alors l'ensemble des voisinages de . Nous pouvons alors remarquer que :

1. (donc )
2. 
3. 
4. 

Nous venons de démontrer que les voisinages de forment un filtre sur pour l'inclusion. On peut de plus remarquer que (comme un ouvert est voisinage de chacun de ses points) :

et

(on retrouve donc que )

Base de voisinages

L'ensemble des voisinages d'un point est vaste. L'analyse des filtres pour l'inclusion nous indique qu'il nous suffit de connaître une base de filtre pour définir cet ensemble de voisinages. La définition, déduite directement du concept de base de filtre, est donc la suivante : Une base de voisinages d'un point d'un ensemble est une famille non vide de sous-ensembles de contenant tous et telle que toute intersection de deux éléments de contienne un élément de .

Un voisinage de est alors tout sous-ensemble de E contenant un élément de .

Topologie définie à partir des voisinages

La section précédente montre que les axiomes de la topologie définissent les voisinages en chaque point. On peut alors définir axiomatiquement l'ensemble des voisinages. Cette définition nous permet de définir une topologie.

Soit un ensemble. Une application de dans notée forme un ensemble de voisinages si et seulement si:

1. est un filtre sur pour l'inclusion
2. et

Considérons alors l'ensemble des parties de qui sont voisinages de chacun de leurs points. Cet ensemble forme une topologie.

Exemples

Le cas des entiers positifs

Il est possible de compléter avec la valeur . Si on associe à cet espace le filtre de Fréchet, contenant tous les complémentaires des ensembles finis qui contiennent la valeur . Alors possède un ensemble de voisinages. On peut alors définir la limite d'une suite à valeur dans ou . Cette suite converge vers la valeur quand tend vers si et seulement si:

Le cas des nombres réels

Dans l'ensemble des réels, on définit les voisinages d'un réel a de la manière suivante:

• est un voisinage de si et seulement s'il existe un réel strictement positif tel que . Les intervalles cités forment une base de filtre pour les voisinages du point . C'est un cas particulier des espaces métriques traités en exemple et démontré à la suite de cette section.

Exprimons alors les notions de limite et de continuité pour une fonction définie sur un sous ensemble des nombres réels dans un espace topologique.

Soit un élément de l'adhérence de et un élément de . Dire que la fonction a pour limite au point , c'est dire que pour tout voisinage il existe strictement supérieur à tel que l'image de l'intersection de l'intervalle avec est incluse dans . Ou encore:

La continuité en si est un élément du domaine de définition de s'exprime de la manière suivante:

Dans le cas des fonctions réelles de la variable réelle, on obtient:

Pour la continuité on a:

Extension de la droite réelle

Il est possible d'étendre la droite réelle avec les valeurs et . on définit alors leurs voisinages:

• Voisinage de  : V est un voisinage de si et seulement s'il existe un réel M tel que
• Voisinage de  : V est un voisinage de si et seulement s'il existe un réel M tel que

Remarque: On peut remarquer que la droite réelle étendue avec les voisinages précédents forme bien une topologie. En revanche cette topologie n'est pas déduite de la distance usuelle. En effet, les points limites de la droite réelle n'ont pas de distance vis à vis des autres points.

Dans le cas des fonctions réelles de la variable réelle, on obtient:

Espace métrique

Tout espace métrique est muni d'une topologie déduite. En effet, soit un espace métrique, soit un point de et un réel strictement positif. L'ensemble des boules ouvertes de centre et de rayon forment une base de filtre pour l'inclusion. Considérons alors l'ensemble tous les filtres générés par cette base de filtre. Montrons alors que forment un ensemble de voisinages. Par construction un ensemble est élément de si et seulement s'il existe une boule ouverte de centre et de rayon strictement positif, contenue dans .

• est un filtre pour l'inclusion par construction.
• Tout élément de contient car il contient une boule centrée sur et de rayon strictement positif.
• Enfin soit un élément de . Alors il existe un réel tel que la boule ouverte de centre et de rayon soit incluse dans . Soit alors un élément de cette boule. est à une distante de avec strictement plus petit que par définition de la boule. L'inégalité triangulaire nous garantit que la boule ouverte de centre et de rayon est incluse dans la boule de centre et de rayon .

Nous venons de démontrer que les axiomes des ensembles de voisinages sont bien satisfaits, ce qui montre que l'application de dans définit bien un ensemble de voisinages. Les ouverts sont alors les ensembles tel que pour tout point de il existe une boule ouverte de centre incluse dans .

Exprimons alors les notions de limite et de continuité pour une fonction définie sur dans un espace métrique. On note (resp. ) la distance dans (resp. dans ).

Soit un élément de l'adhérence de et un élément de . Dire que la fonction a pour limite au point , c'est dire que pour tout strictement supérieur à , il existe strictement supérieur à , tel que l'intersection l'image de la boule ouverte de centre et de rayon avec , est incluse dans la boule ouverte de centre et de rayon , Ou encore:

La continuité en si est un élément du domaine de définition de s'exprime de la manière suivante:

L'ensemble est un voisinage de l'ensemble si et seulement si est un voisinage de tous les points de .

est appelé voisinage uniforme de l'ensemble si et seulement s'il existe un rayon strictement positif tel que, pour tout de , la boule ouverte de centre et de rayon est incluse dans .

Exemple : dans l'ensemble des réels muni de la distance issue de la valeur absolue, l'ensemble défini par :

est un voisinage de l'ensemble des entiers naturels, mais n'est pas un voisinage uniforme de celui-ci.

Topologie faible

Il existe des topologies qui ne sont pas associées à des espaces métriques. La topologie faible en est un exemple.