Topologie de la convergence simple et topologie produit

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hdci
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Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 27 Juin 2018, 16:13

Bonjour,
Y a-t-il égalité entre la topologie de la convergence simple et la topologie produit ?

Je me pose cette question après avoir lu différentes "définitions".

Pour camper le paysage : soit l'ensemble des fonctions de est un espace topologique.
peut être vu comme le produit cartésien de avec un facteur par élément de :



Les projecteurs sont alors les applications avec

La topologie initiale sur est alors la topologie produit (la topo la moins fine rendant les projecteurs continus).

La topologie de la convergence simple est, selon ce que j'ai lu, définie soit comme la topo produit, soit comme la topologie définies par les fermés contenant le vide, le tout, et toute partie telle que, pour toute suite d'éléments de , si converge simplement vers alors

Il est facile de montrer que est stable par intersection quelconque et par réunion finie, ce qui caractérise les fermés de la topologie.

Il est facile de montrer que est plus fine que la topologie produit (les projecteurs sont continus dans la topo ).

Mais peut-on montrer que les deux topologies sont égales ? Le fait que j'ai lu deux définitions différentes me fait penser que oui, mais je n'arrive pas à le montrer ; peut-être est-il nécessaire d'avoir d'autres conditions sur ? Lesquelles ?

Merci de vos suggestions
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LB2
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par LB2 » 27 Juin 2018, 20:19

Bonjour hdci,

cela fait longtemps que je n'ai pas fait de topologie, je voudrais éclaircir quelques points "simples" :

Que sont les projecteurs dont tu parles exactement? Dispose-t-on d'une structure d'espace vectoriel sur ?
Est-ce que, pour fixé, l'application est un tel projecteur? En d'autres termes, l'image d'un projecteur est une application constante de dans ?

Elias
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Elias » 27 Juin 2018, 20:41

Salut

En fait LB2, le projecteur c'est plutôt, pour fixé, l'application de dans qui à associe .


La topologie produit sur est celle qui est la plus économique en ouverts rendant toutes ces applications continues (pour tout ). Et n'oublions pas que Y est muni d'une topologie donc on peut parler d'applications continues.

Les ouverts élémentaires ont la tête suivante (où et ouvert de ) : (qui n'est rien d'autre que , en effet, pour que les soient continues, il faut que l'image réciproque de tout ouvert de soit un ouvert de .

Donc si j'ai bien compris hdci, tu voudrais montrer que si F est un fermé pour la topologie de la convergence simple, alors c'est un fermé pour la topologie produit (i.e, est un ouvert pour cette topologie) ?

Je pense qu'il vaut mieux raisonner en terme de convergence plutôt qu'en termes d'ouverts/fermés en montrant qu'une suite de fonction de X dans Y converge pour la topologie produit si et seulement si elle converge simplement.


Rappelons également que si est un espace topologique, et si est une suite de , on dit que converge vers dans si pour tout voisinage de , il existe un tel que

On peut donc traduire tranquillement le fait qu'une suite de converge pour la topologie produit.
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hdci
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 27 Juin 2018, 21:13

[LB2] Non, il n'y a pas de structure d'espace vectoriel, est un simple espace topologique. L'application "projecteur" pour un produit cartésien c'est l'application qui à un élément associe l'une de ses coordonnées.

Donc ici est un ensemble qui peut être vu comme un produit cartésien de ensembles tous égaux à : si on peut écrire et chaque est une coordonnée. Donc est le projecteur tel que .

Ou bien si on reprend le formalisme fonctionnel, .

[Elias] oui, la topologie produit est la "plus économique" : la topologie initiale pour un ensemble d'application est la topologie la moins fine ("la plus économique") qui rend toutes les applications concernées continues.
Et la base d'ouverts de la topologie produit est constituée des cylindres, produit cartésien d'ouverts dont seuls un nombre fini d'entre eux sont distincts de (dans le cas d'un produit fini, c'est équivalent à dire que la base d'ouverts du produit est constitué des produits cartésiens des ouverts des ensembles facteurs du produit cartésien, mais dans le cas infini c'est tout à fait différent).

Autrement dit, formellement, si est un ouvert de la base topologique de , alors sont des ouverts de tous égaux à sauf pour un nombre fini d'entre eux.

Ce qui est équivalent à dire que la topologie est engendrée par les est un ouvert de , puisque par intersection finie on retrouve les cylindres de la base topologique.

La démonstration de "une suite converge ssi elle converge simplement" est facile à obtenir, cela revient à montrer qu'une suite dans l'espace produit converge ssi les suites formées par les coordonnées convergent. Et cela montre que les fermés de la topologie produit sont également fermés dans la topo de la convergence simple, donc que la topo convergence simple est plus fine que la topo produit : c'est la réciproque que je souhaite avoir : autrement dit, tout ensemble qui est un fermé pour la topo de la CV simple est-il aussi un fermé pour la topo produit.

On arrive aisément au fait, dans la topo produit, que toute suite dans et ayant une limite a sa limite dans (cela tient à la définition même de la convergence simple), mais ceci ne permet de conclure que est un fermé pour la topo produit que si cette topologie est à base dénombrable de voisinages.

J'ai essayé en supposant que était à base dénombrable de voisinages, mais je n'arrive pas à obtenir cela pour ... et j'espérais également y arriver sans cette contrainte...
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 29 Juin 2018, 13:10

Salut,
Je sais pas où tu a trouvé ta définition de la topologie de la convergence simple (*), mais il me semble bien que ce n'est pas équivalent à ce que tout le monde (par exemple Wiki ici) appelle comme ça, à savoir la topologie produit :

Si on prend , (muni de la topo discrète) et l'ensemble de toutes les projections avec (qui sont bien des éléments de ) alors :

- est "pseudo fermé" au sens de ta définition de la topologie de la convergence simple :
Si on prend une suite d'éléments de qui converge vers un certain alors, par définition de , pour tout il existe un tel que . Si la fonction prend une infinité de fois la même valeur alors on a donc . Sinon, quitte à extraire une sous suite (ce qui ne change pas la limite ), on peut supposer que est injective. On considère alors l'élément défini par : si pour un certain entier pair et sinon. Comme la suite converge simplement vers , en particulier converge vers , mais comme c'est la topo. discrète sur , cela signifie que pour tout suffisamment grand. Mais c'est impossible vu que vaut en alternance 0 et 1.

- n'est pas fermé pour la topologie produit car si on prend un ultrafiltre sur et qu'on considère la fonction , on vérifie facilement que tout ouvert (pour la topo. produit) de contenant contient forcément des projections. Donc est dans l'adhérence de sans pour autant être dans .

(*) Et ça m’intéresserais de le savoir...
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Elias » 29 Juin 2018, 13:32

Je me disais bien aussi que les topologies ne coïncidaient pas mais j'arrivais pas à trouver un contre exemple.

Je ne connaissais pas aussi cette définition de la topologie de la convergence simple mais on la retrouve par exemple dans ce cours: https://www.google.fr/url?sa=t&source=w ... h9BKhzfTON


Après, si on dit souvent que la topologie produit est la "topologie de la convergence simple", c'est sûrement uniquement dans le sens où la convergence d'une suite de fonction pour la topologie produit se traduit par la convergence simple.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 29 Juin 2018, 14:14

A mon avis, le type qui a écrit ça, il s'est emmêlé les pinceaux : ce qui est vrai, c'est que si on a une suite d'élément de , de regarder si elle converge ou pas pour la topologie produit, ça veut très exactement dire qu'on regarde si elle converge simplement ou pas.
Sauf que, comme le dit si bien hcdi ci dessus, si on ne suppose pas qu'on a affaire à une topologie dont les points possèdent un système fondamental dénombrable de voisinage, alors la seule connaissance des suites convergentes n'est pas suffisante pour déterminer la topologie.
Là où le type aurait du se méfier, c'est que dans le B-A-BA de la topo, il y a le fait que la caractérisation séquentielle des fermés c'est pas valable dans le cas général donc d'utiliser comme il le fait cette caractérisation comme définition de la topologie, ben c'est clairement prendre un gros risque...
Modifié en dernier par Ben314 le 04 Nov 2018, 10:25, modifié 2 fois.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 29 Juin 2018, 16:10

Merci à vous deux pour ces réponses !
Je ne retrouve plus la source dans laquelle j'avais puisé cette "définition de la topo CV simple", mais les notes que j'ai prises ressemblent tellement à ce qu'indique le document d'Elias que je me dis que c'est la même source...
On pourrait s'en tirer en fait en donnant deux définitions, la "topo de la CV simple faible" = topo produit, et la "topo de la CV simple forte" = celle de la définition alternative ; les deux pouvant coïncider sos certaines conditions (sans y avoir réfléchi plus avant, compte tenu des "bases dénombrables de voisinages", ce serait si était dénombrable et à base dénombrable de voisinages, on devrait arriver au fait que est à base dénombrable de voisinages). Et ce n'est plus vrai si n'est pas dénombrable, comme dans le contre-exemple indiqué par Ben314

Un petit point toutefois : je ne suis pas très au fait des filtres & ultrafiltre ; je sais qu'un filtre est un ensemble de partie qui ne contient pas le vide, stable par intersection et qui contient tout sur-ensemble d'un de ses éléments ; et qu'un ultrafiltre est un filtre telle que pour toute partie, la partie ou son complémentaire est dans le filtre (il n'y a pas de filtre strictement plus fin contenant un ultrafiltre). On montre avec l'axiome du choix que tout filtre est inclus dans un ultrafiltre.
Une fois que j'ai dit ceci, mes connaissances s'arrêtent là.

Notamment, que signifie ?
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 29 Juin 2018, 17:54

Les filtres, en fait c'est justement la façon dont il faut généraliser la notion de suites si on veut avoir les même résultat que ceux usuels dans le cas des topologies où tout point admet un système dénombrable de voisinage.
Si tu as une "suite" indexée par un ensemble absolument quelconque , pour pouvoir parler de "limite" de la suite , ce dont tu as besoin, c'est d'un filtre sur .
Sur N, le filtre usuel correspondant aux limites classiques, c'est le "filtre de Frechet" qui correspond à l'ensemble des parties de N cofinies (i.e. de complémentaire fini). Et lorsque l'on parle de suite extraites en fait, ça correspond à prendre un filtre "plus fin" que celui de départ, c'est à dire qui contient plus de parties de que celui de départ.
Ensuite, pour cette relation de "finesse", il existe des éléments maximaux appelés ultrafiltres, mais leur existence est "un peu théorique" vu que, exactement comme celle des idéaux maximaux dans un anneau quelconque, il faut l'axiome du choix pour prouver leur existence (et c'est normal vu que ce sont les filtres et les idéaux, au fond, c'est la même chose). Bref, lorsque tu as un ultrafiltre (non trivial) par exemple sur N, ça correspond intuitivement à un "raffinement maximum" de la notion de suite extraite et par exemple le fait que dans un compact, toute suite admet une sous suite convergente, ben ça se traduit par le fait que, toujours dans un compacte, à travers un ultrafiltre, la limite d'absolument n'importe quelle suite existe (et c'est d'ailleurs une caractérisation générale des compact qui rend bien plus simple la preuve du théorème de Tykhonov "tout produit de compact est compact").

Mais bon, pour en revenir au problème présent, c'est pas la peine de te farcir toute la théorie sur les filtres et ultrafiltre pour montre que F n'est pas fermé pour la topologie produit : il suffit de prendre comme un truc qui "ressemble" à la notion de limite mais qui aurait le bon goût d'exister quelque soit la suite (c'est pour ça que le premier truc qui m'est venu à l'esprit c'est de prendre un ultrafiltre).
Mais vérifie qu'en prenant par exemple si la suite contient une infinité de 1 et sinon, alors mais que par contre, tout ouvertde contenant rencontre .
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 29 Juin 2018, 19:26

Ah, c'est ce que j'avais vu avec les "suites généralisées" : ensemble d'indices muni d'un ordre filtrant - j'aurais dû faire le lien !

Le second exemple ( ssi infinité de 1) est plus parlant ; je vais prendre un peu de temps pour bien creuser cela, mais j'entrevois déjà la preuve.

Merci !
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 29 Juin 2018, 19:49

Non, en fait je viens de regarder de plus près et j'ai dit une connerie : ça marche pas avec le qui donne 1 si la suite contient une infinité de 1 : si on prend deux suites contenant toute les deux une infinité de 1, ça veut pas dire qu'il existe une projection avec laquelle elle donne toute les deux 1.

Donc il faut bien prendre pour f la limite suivant un ultrafiltre si on veut que ça existe quelque soit la suite et qu'on puisse trouver des projection qui coïncide avec f sur un nombre quelconque fixé (et fini) de suites de X.
Comme la preuve fait appel a un ultrafiltre, pour s'en passer, il y a peut-être une autre voie d'approche pour montrer que F n'est pas fermé en utilisant la compacité : comme Y={0,1} (muni de la topo discrète) est compact, le théorème de Tychonoff nous dit que est compact donc, si F était un fermé de , il devrait être compact.
Reste à montrer que c'est faux soit à l'aide d'un recouvrement d'ouvert bien senti, soit à l'aide d'une fonction continue de dans je sais pas quoi telle que l'image de F ne soit pas compact.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 30 Juin 2018, 15:52

Exact ! La démonstration que je commençais à entrevoir fonctionne pour un cylindre simple (produit cartésien de tous les Y sauf un : il y a toujours une projection dans l'ouvert), mais ne fonctionne plus pour l'intersection (il suffit de prendre deux suites qui alternent les 1 et les 0 en désynchronisé, les projections qui sont dans l'un des cylindres simples sont toutes différentes de celles qui sont dans l'autre... et l'intersection n'en contient aucune...)

A suivre...
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 30 Juin 2018, 21:22

Effectivement, avec la compacité, c'est très facile : si pour tout , on note la suite entièrement nulle sauf le -ième terme qui vaut 1, alors et est un ouvert de .
Sauf que le seul et unique élément de contenu dans , c'est donc l'ensemble des forme un recouvrement d'ouvert de dont on ne peut pas extraire de recouvrement fini : n'est pas compact.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 30 Juin 2018, 23:32

Merci Ben, j'ai enfin la réponse à ma question !

Tout le truc c'est de ne pas se perdre dans les différentes notions et notations : entre projection sur une suite, projection de la topologie produit, etc. on a vite fait de s'y perdre. Voici une reformulation pour être sûr que j'ai bien compris.

Les éléments de sont des suites. Si , on peut aussi écrire

On note les applications de telles que et on considère l'ensemble : c'est l'ensemble des projections de l'ensemble des suites sur l'ensemble support

Par ailleurs, est l'ensemble des fonctions de et c'est aussi un produit cartésien : , que l'on munit de la topologie produit.

La topologie produit est la moins fine rendant les projections continues : pour , notons la projection correspondant à la coordonnée d'indice : concrètement, on a donc

On fait alors les constats suivants.
  • est un "fermé" au sens de la définition "toute suite d'éléments de convergeant simplement a sa limite simple dans (cf. un message un peu plus haut),
  • on cherche à montrer que F n'est pas fermé dans la topologie produit.
  • Comme est compact, le théorème de Tychonov dit que est compact
  • Soient alors les suites où \delta_{i,j} est le symbole de Kronecker (vaut 1 si , 0 sinon) : les sont des éléments de , donc des indices du produit cartésien .
  • Comme est continue, et comme est un ouvert de , l'ensemble est un ouvert de .
  • Cet ensemble est exactement
  • Comme par ailleurs, , on a et .
  • Cela montre que ne contient qu'un seul élément de qui est (autrement dit, la topologie induite sur F est la topologie discrète)
  • A l'évidence, et c'est un recouvrement infini, toute extraction finie ne contient qu'un nombre fini de ...
  • ce qui permet d'en déduire que n'est pas compact car n'est pas fermé.

A noter, "une partie est compacte ssi elle est fermée" seulement dans le cas des espaces séparés me semble-t-il (pour la topologie grossière, toute partie stricte non vide est compacte mais aucune n'est fermée). Or muni de la topologie discrète est séparé, et le produit cartésien d'espaces séparés est séparé.

Encore merci !
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 30 Juin 2018, 23:59

Oui, c'est bien ça.

hdci a écrit:A noter, "une partie est compacte ssi elle est fermée" seulement dans le cas des espaces séparés me semble-t-il (pour la topologie grossière, toute partie stricte non vide est compacte mais aucune n'est fermée). Or muni de la topologie discrète est séparé, et le produit cartésien d'espaces séparés est séparé.
Par contre là, c'est plutôt "oui et non" : de dire que "une partie est compacte ssi elle est fermée", tel quel, c'est évidement complètement faux. Ce qui est vrai, c'est que, dans un compact, une partie est compacte ssi elle est fermée. Et si on est dans un compact, alors par définition même, ça signifie qu'on est dans un espace séparé !!! (de plus, la partie du théorème de Tychonoff consistant à montrer qu'un produit d'espaces séparés est séparé se démontre on ne peut plus facilement)
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 01 Juil 2018, 09:29

Oui, quand je disais "toute partie est compacte ssi..." je sous-entendais "toute partie d'un compact est compacte ssi..." (sans la précision c'est vrai que c'est faux : est fermé dans pour la topologie usuelle, mais n'est pas compact).

Ben314 a écrit: Et si on est dans un compact, alors par définition même, ça signifie qu'on est dans un espace séparé !!!


Là par contre je ne suis pas d'accord : muni de la topologie grossière est compact (le seul ouvert non vide étant lui-même, du coup de tout recouvrement par des ouverts on peut en extraire un recouvrement fini), mais n'est pas évidemment pas séparé.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Ben314 » 01 Juil 2018, 10:11

Bon, ben on va faire un petit rappel (piqûre ?) : Un espace compact, c'est (définition) un espace séparé qui vérifie la propriété de Borel-Lebesgue (c.f. par exemple LE bouquin de référence pour les math., à savoir le Bourbaki, mais tu trouvera bien évidement la même définition sur wiki ou sur tout autre site un tant soit peu sérieux)
Un espace pas forcément séparé mais vérifiant la propriété de Borel-Lebesgue, c'est un quasi-compact.

Donc par exemple, muni de la topologie grossière, c'est pas un espace compact.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par hdci » 01 Juil 2018, 11:02

OK, ce n'était pas la définition que j'avais : cours de topologie de Richard Zeskri (master 1), disponible ici http://lumimath.univ-mrs.fr/infoetudiant/COURSTOPOLOGIE2010.pdf : l'aspect compact ne traite que de l'extraction d'un recouvrement par des ouverts.

Ce cours comporte effectivement cette note
On inclut parfois, dans la défi nition d'un espace compact, la condition que soit séparé
(au sens de Hausdorff ). Il existe cependant des exemples importants d'espaces qui sont compacts (au
sens ci-dessus), mais non séparés. De plus, l'axiome de séparation ne simpli fie pas substantiellement
les démonstrations. On adoptera donc la terminologie distinguant "espace compact" et "espace compact
séparé.


Tout ceci n'est finalement qu'une question de convention, il suffit de bien s'entendre sur les définitions :D

Tout comme les corps : quand j'étais au lycée (voire collège ? mais cela date des temps immémoriaux des "maths modernes" !), les corps n'étaient pas forcément commutatifs (même si à l'époque on ne m'a jamais présenté de corps non commutatif), mais depuis quelques années, les corps sont forcément commutatifs et un "ancien corps non commutatifs" est appelé "anneau à inversion" je crois ou un truc du genre.
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par Elias » 01 Juil 2018, 11:31

Perso, dans tous les cours que j'ai suivi, on imposait automatiquement la condition "séparé" pour les espaces compacts (je suivais très bon cours de G.Skandalis. pour la topologie). Le terme sur lequelle s'entendent la majorité des matheux (y compris les anglophones) pour les espaces vérifiant Borel Lebesgue tout en étant pas séparés est "quasi compact".


Après, le débat sur les corps n'est pas la même chose en partie à cause du théorème de Wedderburn par exemple.

Après, y'a des tas d'autres exemples similaires : par exemple un anneau principal est par définition intègre en premier lieu (et on fait la distinction avec les anneaux quasi principaux).

Après pourquoi imposer cette condition dans la définition? Sûrement parce que certains théorèmes sur les espaces compacts utilisent l'hypothèse que l'espace doit être séparé.
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chombier
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Re: Topologie de la convergence simple et topologie produit

par chombier » 14 Juin 2019, 13:30

Bonjour,

Je me permet de remonter ce fil car il corresponds exactement à la question que je me pose aujourd'hui.

On se place dans l'espace fonctionnel Y^X où X est un ensemble quelconque et Y un espace topologique.
Les éléments de cet ensemble sont les fonctions dont l'ensemble de départ est X et l'ensemble d'arrivée est Y.

En présence d'une suite de fonctions (f_n) à valeur dans Y^X et d'une fonction f de Y^X, on est capable de dire si cette suite converge simplement vers f.

L'idée c'est de trouver une topologie T sur Y^X qui coincide avec cette notion de convergence, c'est à dire qui vérifie pour pour toute suite (f_n) à valeur dans Y^X : (f_n) converge vers f pour la topologie T si et seulement si elle converge simplement vers f.

Je vais apeller cette condition, qui me parait le coeur du sujet, (*).

Une topologie T sur Y^X vérifie (*) si la convergence dans cette topologie est équivalente à la convergence simple.

La plupart des ouvrages affirment que cette topologie existe, et qu'elle coincide avec la topologie produit.

D'après ce que j'ai lu ici, la topologie produit conviens. Elle vérifie bien (*) :
Ben314 a écrit:si on a une suite d'élément de , de regarder si elle converge ou pas pour la topologie produit, ça veut très exactement dire qu'on regarde si elle converge simplement ou pas.


Mais ce ne serait pas la seule.

Une autre caractérisation de (*) est :

hdci a écrit:Soit F un fermé de T quelconque. Alors toute suite d'éléments de , si converge simplement vers alors



En résumé : la convergence dans la topologie produit est équivalente à la convergence simple.
Mais a priori d'autres topologies vérifient cette propriété.

Merci de confirmer, je trouve tout cela assez perturbant. La grande majorité des ouvrages ont l'air de dire que la topologie produit est LA topologie de la convergence simple.

 

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