§ 1. Homotopies, homéotopies
Dans ce paragraphe et ceux qui suivent, désigne l’intervalle de .
1. Applications continues homotopes
Définition 1 01V4
Soient X et Y des espaces topologiques et soient et des applications continues de X dans Y. On appelle homotopie reliant à une application continue telle que, pour tout , on a et . On dit que est homotope à s’il existe une homotopie reliant à .
On dit que est l’origine et le terme de l’homotopie cf. ci-dessous, III, p. 257, remarque 2).
Soit A une partie de X. On dit que l’homotopie est fixe sur A si, pour tout , l’application de dans Y est constante. Dans ce cas, l’origine et le terme de coïncident en tout point de A.
Soient X et Y des espaces topologiques. On dit que des homotopies et sont juxtaposables si le terme de est
N. Bourbaki et Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2 016
N.© Bourbaki, Topologie algébrique, DOI 10.1007/978-3-662-49361-8_3 229 l’origine de , autrement dit si l’on a pour tout . Dans ce cas, l’application de dans Y définie par
pour
pour
est continue (TG, I, p. 19, prop. 4) et est une homotopie reliant l’origine de au terme de . On l’appelle l’homotopie juxtaposée des homotopies et .
Si est une homotopie, l’application définie parl’origine de. On a. Siest une homotopie reliant le terme deet sont des homotopies juxtaposables à
de dans Y, les homotopies et sont juxtaposables et l’on a .
Proposition 1 01V5
Soient X et Y des espaces topologiques. La relation « est homotope à » est une relation d’équivalence dans l’ensemble des applications continues de X dans Y.
Soit un élément de . L’application pr est une homotopie reliant à ; cette relation est donc réflexive.
Soient et des éléments de et une homotopie reliant à . L’application est alors une homotopie reliant à ; la relation considérée est donc symétrique.
Démontrons enfin qu’elle est transitive. Si et sont des éléments de une homotopie reliant à et une homotopie reliant à , alors et sont juxtaposables et est une homotopie reliant à .
Soient X et Y des espaces topologiques. La relation d’équivalence « est homotope à » dans (prop. 1) s’appelle la relation d’homotopie. L’ensemble quotient de par cette relation est noté [X; Y]. Ses éléments sont appelés classes d’homotopie d’applications continues de X dans Y. La classe d’homotopie d’une application continue sera souvent notée .
Proposition 2 01V6
Soient X, Y et Z des espaces topologiques, et des applications continues de X dans Y et des applications continues de Y dans Z. Si est homotope à et si est homotope à , alors est homotope à .
Soient une homotopie reliant à et une homotopie reliant à . Alors, l’application définie par est une homotopie reliant à .
Soient X, Y et Z des espaces topologiques. Étant données des classes d’homotopie et , les applications , où , appartiennent toutes à une même classe d’homotopie (prop. 2) que l’on note et que l’on appelle la classe d’homotopie composée des classes et . L’application qui à associe est appelée application de composition.
Soit ; on a [Id [Id.
Soient X, Y, Z et T des espaces topologiques, soient , et . La classe d’homotopie est égale à ; on la note .
Proposition 3 01V7
Soit X un espace topologique et soit une famille d’espaces topologiques. L’application de dans l’ensemble produit définie par ([pr ) est bijective.
La surjectivité résulte immédiatement de I, p. 25, prop. 1. Démontrons l’injectivité. Soient et des applications continues de X dans . Pour tout , posons pr et pr; supposons homotope à et soit une homotopie reliant à . L’application de dans est continue (loc. cit.) ; c’est une homotopie reliant à , d’où la proposition.
Corollaire 01V8
Soient et des familles d’espaces topologiques ayant même ensemble d’indices. Pour tout , soient et des applications continues de dans . Si, pour tout , les applications et sont homotopes, il en est de même des applications produit et de dans .
Supposons que l’on ait pour tout . On a [pr pr et [pr pr, donc [pr [pr d’après la prop. 2, d’où d’après la prop. 3.
2. Homotopies pointées
Soient X et Y des espaces topologiques et soit un point de X. Une homotopie est dite pointée en si elle est fixe sur , c’est-à-dire si l’application de dans Y est constante. La juxtaposée de deux homotopies pointées en est pointée en . L’origine et le terme d’une homotopie pointée en prennent une même valeur en ; ce sont donc des applications continues pointées de dans .
Soient et des espaces topologiques pointés (I, p. 120, définition 1). La relation « est reliée à par une homotopie pointée en » est une relation d’équivalence dans l’ensemble ,appelée relation d’homotopie pointée. L’ensemble quotient de par cette relation d’équivalence est noté . Ses éléments sont appelés classes d’homotopie pointée d’applications continues pointées de dans .
L’ensemble est un sous-ensemble de . On notera que l’homotopie pointée est une relation d’équivalence plus fine que la relation induite par l’homotopie dans . C’est en général une relation strictement plus fine (voir III, p. 321, exerc. 1 et III, p. 234, exemple 3).
Soit également un espace topologique pointé. Soient et des applications continues pointées de dans et des applications continues pointées de dans . Si et sont reliées par une homotopie pointée en , et si et sont reliées par une homotopie pointée en , alors et sont reliées par l’homotopie , , qui est pointée en . Comme ci-dessus, cela permet de définir l’application de composition de dans . Nous laissons au lecteur le soin de formuler et de démontrer pour les applications et homotopies pointées les énoncés analogues à la prop. 3 et à son corollaire.
3. Espaces homéotopes
Définition 2 01V9
Soient X et Y des espaces topologiques. On dit qu’une classe d’homotopie [X; Y] est inversible s’il existe une classe d’homotopie telle que [Id et [Id. On dit qu’une application continue est une homéotopie si sa classe d’homotopie est inversible.
Soit [X; Y] une classe d’homotopie inversible. Il existe une unique classe d’homotopie ayant les propriétés de la définition 2. Soient en effet des classes ayant ces propriétés ; on a
[Id [Id.
Cette unique classe est appelée l’inverse de la classe d’homotopie et est notée .
Soit Z un espace topologique. On a pour tout [Y; Z] et pour tout . Il en résulte que les applications de [Y; Z] dans [X; Z] et de [X; Z] dans [Y; Z] sont des bijections réciproques l’une de l’autre. De même, l’application de [Z; X] dans [Z; Y] est bijective et sa bijection réciproque est l’application de [Z; Y] dans [Z; X].
Soient X, Y, Z des espaces topologiques, et des classes d’homotopie inversibles. Alors la classe est inversible, d’inverse . En effet, on a
[Id
[Id
et, de même, [Id.
Soient X, Y des espaces topologiques et soit une homéo-topie. Toute application continue dont la classe est l’inverse de celle de est dite réciproque (ou inverse) de à homotopie près. Une telle application est une homéotopie.
Un homéomorphisme est une homéotopie, et . L’application composée de deux homéotopies est une homéotopie. La relation « X et Y sont des espaces topologiques et il existe une homéotopie de X dans Y » est une relation d’équivalence.
Définition 3 01VA
On dit que des espaces topologiques X et Y sont homéotopes s’il existe une homéotopie de X dans Y.
Exemple 1 01VB
L’espace topologique vide n’est homéotope qu’à lui-même.
Exemple 2 01VC
Soit X un espace topologique non vide. Pour que X soit homéotope à un espace réduit à un point, il faut et il suffit qu’il existe une application constante X qui soit homotope à l’application identique de X. (Il en est alors ainsi pour toute application constante , car [Id.) Soient en effet P un espace réduit à un point, une application et l’unique application de X dans P. On a Id; pour que soit une homéotopie, il faut et il suffit que soit homotope à Id. Or, est constante, d’image .
Exemple 3 01VD
On dit qu’un espace topologique pointé est contractile, ou que l’espace topologique X est contractile en , s’il existe une homotopie pointée en reliant Id à l’application constante de X dans X d’image . Un tel espace est homéotope à un point. Il existe cependant des espaces homéotopes à un point qui ne sont contractiles en aucun de leurs points, et des espaces contractiles en un point, mais pas en tout point (III, p. 321, exerc. 1).
Exemple 4 01VE
Soit E l’espace numérique à dimensions (ou, plus généralement, un espace vectoriel topologique sur ) et soit X un sous-ensemble de E. On dit que l’ensemble X est étoilé en un point de X si, pour tout et tout , le point appartient à X. Une partie convexe (I, p. 122) de E est étoilée en chacun de ses points.
Un sous-espace topologique X de E étoilé en un de ses points est contractile en ce point. En effet, l’application définie par est une homotopie pointée en reliant Id à l’application constante d’image .
En particulier, tout intervalle de , toute partie convexe d’un espace numérique ou, plus généralement, d’un espace vectoriel topologique sur est contractile en chacun de ses points.
Exemple 5 01VF
Nous démontrerons ultérieurement (TA, V) que les sphères euclidiennes , ne sont pas des espaces homéotopes à un point. La sphère unité d’un espace hilbertien de type dénombrable et de dimension infinie est contractile en chacun de ses points (EVT, V, p. 71, exerc. 13).
4. Homéotopies relatives
Soient X, Y des espaces topologiques, soit A un sous-espace de X et soit B un sous-espace de Y.
Soit une application continue telle que . On dit que est une homéotopie du couple sur le couple s’il existe une application continue telle que , une homotopie , fixe sur A, reliant Id à , et une homotopie , fixe sur B, reliant Id à .
Supposons ces conditions satisfaites. Alors :
a) L’application est une homéotopie de X dans Y, l’application est une homéotopie de Y dans X, et ces homéotopies sont inverses l’une de l’autre à homotopie près.
b) L’application est alors une homéotopie du couple sur le couple , dite inverse de à homotopie près.
c) Les applications et définissent par passage aux sous-espaces des homéomorphismes de A sur B réciproques l’un de l’autre.
On dit que les couples et sont homéotopes s’il existe une homéotopie du couple sur le couple . La relation « X, Y sont des espaces topologiques, A est un sous-espace de X, B est un sous-espace de Y et les couples et sont homéotopes » est une relation d’équivalence.
5. Rétractions et contractions
Définition 4 01VG
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X.
On appelle rétraction de X sur A une application continue de X dans A qui est une rétraction de l’injection canonique de A dans X. S’il existe une rétraction de X sur A, on dit que X peut se rétracter sur A, ou encore que A est un rétracte de X.
Soit X un espace topologique et soit A un sous-espace de X.
Supposons qu’il existe une rétraction de X sur A. Le sous-espace A s’identifie à l’ensemble des points tels que . Si X est un espace séparé, A est alors fermé dans X.
D’après le lemme suivant, pour qu’un sous-espace A soit un rétracte de X, il faut et il suffit que toute application continue de A dans un espace topologique Y s’étende en une application continue de X dans Y.
Lemme 1 01VH
Soient X et Y des espaces topologiques et soit une application continue. Les conditions suivantes sont équivalentes :
(i) Pour tout espace topologique Z et toute application continue , il existe une application continue telle que ;
(ii) L’application est injective et possède une rétraction continue ;
(iii) L’application définit un homéomorphisme de X sur son image , laquelle est un rétracte de Y.
Supposons que soit injective et soit X une rétraction continue de l’application . Pour toute application continue , l’application vérifie . Cela démontre que (ii)(i).
Supposons que la condition (i) soit satisfaite. Soit l’application identique. Par hypothèse, il existe une application continue telle que . Cela entraîne que l’application est injective et que est une rétraction continue de .
L’équivalence des propriétés (ii) et (iii) est immédiate.
Définition 5 01VI
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X. On appelle contraction de X sur A une homotopie fixe sur A dont l’origine est l’application identique de X et dont le terme est une rétraction de X sur A. S’il existe une contraction de X sur A, on dit que X peut se contracter sur A, ou encore que A est un contracté de X.
Remarque 01VJ
En d’autres termes, une contraction de X sur A est une homotopie ayant les propriétés suivantes :
(i) pour tout ;
(ii) pour tout ;
(iii) pour tout et tout .
Pour qu’il existe une contraction de X sur A, il faut et il suffit que l’injection canonique de A dans X soit une homéotopie du couple sur le couple .
Soit un point de X. Une contraction de X sur le sous-espace n’est autre qu’une homotopie pointée en reliant l’application Id à l’application constante d’image . Par suite, X se contracte sur si et seulement si X est contractile en (exemple 3 de III, p. 234).
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X. Soit une contraction de X sur A. L’application de X dans A définie par est une rétraction de X sur A et est une homotopie reliant Id à . Les relations Id et entraînent alors que les applications et sont des homéotopies, réciproques l’une de l’autre à homotopie près.
Définition 6 01VK
Avec les notations qui précèdent, on dit que est une contraction forte si, de plus, on a pour tout et tout ,
Exemple 01VL
Soit X le complémentaire de l’origine dans . L’application de dans X donnée par est une contraction forte de X sur . La rétraction de X sur qui lui est associée est l’application donnée par .
Lemme 2 01VM
Soit X un espace topologique, soit U un ouvert de X et soit une contraction forte de X sur X-U. Alors, . En particulier, est contenu dans la frontière de U.
Soit . L’ensemble des nombres réels tels que est ouvert dans et contient 0 ; soit sa borne supérieure. On a . Si , par définition de ; il en est de même si car . Par suite, Fr(U). Par définition d’une contraction forte, on a alors ; en particulier, . Par conséquent, appartient à la frontière de U.
Soit ; si , il vient encore , donc , d’où le lemme.
6. Cylindre d’une application
Soient X et Y des espaces topologiques et soit une application continue de X dans Y. Notons U l’espace topologique somme de l’espace et de l’espace = Y et identifions et à des sous-espaces de U par les injections canoniques. Soit R la relation d’équivalence sur U la plus fine pour laquelle les points de et de sont équivalents, pour tout .
Définition 7 01VN
On appelle cylindre de l’application et on note Cyl() l’espace topologique quotient .
Notons Cyl() et Cyl() les restrictions à et de la surjection canonique de U sur . L’application est une homotopie et son terme est .
Proposition 4 (Propriété universelle des cylindres)
Soit Z un espace topologique, soit une application continue et soit une homotopie dont le terme est . Il existe une unique application continue de Cyl() dans Z telle que et .
L’application de U dans Z qui coïncide avec dans et avec dans Y est continue. On a pour tout , donc définit par passage au quotient une application continue de Cyl() dans Z telle que et . Comme les images de et de recouvrent Cyl() est la seule application de Cyl() dans Z satisfaisant ces relations.
Exemple 1 01VO
Soient des espaces topologiques et une application continue. Soient et des applications continues telles que . Il existe une unique application continue Cyl() Cyl() telle que Id et .
D’après la prop. 4, appliquée à Z = Y et Id, il existe une unique application continue Cyl() telle que et pour et .
Proposition 5 01VP
L’application induit un homéomorphisme de sur une partie ouverte de Cyl(). L’application définit un homéomorphisme de Y sur le complémentaire de cet ouvert. L’application est une rétraction continue de Cyl() sur .
L’ensemble est un ouvert de U, saturé pour la relation R, et la relation d’équivalence induite par R dans est la relation d’égalité. La première assertion en résulte (TG, I, p. 23, cor. 10).
Le complémentaire de est . Comme on a Id définit un homéomorphisme de Y sur et est une rétraction continue de l’injection canonique de dans Cyl().
Le sous-espace fermé de Cyl() s’appelle la base du cylindre de . L’application s’appelle la rétraction canonique de Cyl() sur sa base.
Considérons les applications Cyl() et Cyl() définies par
pour et
pour et .
Elles sont continues. Pour et , on a
Il existe donc une unique application de Cyl() dans Cyl() telle que Id et Id. L’application est continue (I, p. 19, prop. 10).
Proposition 6 01VQ
L’application Cyl() Cyl() est une contraction forte de Cyl() sur sa base. Son terme est la rétraction canonique de Cyl() sur sa base.
L’application est une homotopie. Les relations et entraînent que l’origine de est l’application identique de Cyl(). Notons le terme de . Les relations
et entraînent que est la rétraction canonique de Cyl() sur sa base.
Pour et , on a
Pour et , on a . Par conséquent, est une contraction forte de Cyl() sur sa base.
L’application est appelée la contraction canonique du cylindre de sur sa base.
Remarque 1 01VR
Soit A une partie de et soit l’ensemble des points tels que . On a et . Par suite, l’application est fermée (resp. ouverte) si l’est.
Remarque 2 01VS
Supposons que l’application soit propre. Soit P un point de Cyl(). Si P = , avec 0 1 et X, on a . Dans le cas contraire, il existe tel que et . Cela démontre que les fibres de l’application sont quasi-compactes. L’application est alors propre (TG, I, p. 75, th. 1), car elle est fermée.
D’après la prop. 5 et TG, I, p. 72, prop. 2, l’application est elle-même propre. Par suite, si est propre, la surjection canonique de U sur Cyl() est propre donc, en particulier, universellement stricte (I, p. 20, corollaire).
Remarque 3 01VT
Si les espaces X et Y sont séparés, il en est de même du cylindre de l’application . En effet, soient et deux points distincts de Cyl() et démontrons qu’ils possèdent des voisinages disjoints. Distinguons trois cas.
– Il existe et tels que et .
Dans ce cas, l’assertion résulte de ce que l’espace est séparé (TG, I, p. 54, prop. 7) et que l’application induit un homéo-morphisme de cet espace sur un sous-espace ouvert de Cyl().
– Il existe tel que et tel que .
Alors, et Cyl() sont des voisinages ouverts disjoints de et dans Cyl().
– Il existe et tels que .
Dans ce cas, ; comme Y est séparé, il existe un voisinage ouvert V de dans Y et un voisinage ouvert de dans Y tels que . Alors, et sont des parties ouvertes disjointes de Cyl() contenant respectivement et .
7. La propriété d’extension des homotopies
Définition 8 01VU
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X. On dit que le couple possède la propriété d’extension des homotopies si, pour tout espace topologique Y, toute application continue et toute homotopie dont le terme est l’application , il existe une homotopie prolongeant et dont le terme est l’application .
Remarque 1 01VV
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X telle que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. Soit Y un espace topologique, soit une application continue et soit une homotopie dont l’origine est l’application . L’application définie par est une homotopie de terme ; soit une homotopie de terme qui prolonge . L’application donnée par est alors une homotopie qui prolonge et dont l’origine est l’application .
Soit X un espace topologique, soit A un sous-espace de X et soit l’injection canonique. Notons Cyl() et Cyl() les applications canoniques. Soit Cyl() l’unique application continue telle que et pour et . Elle est injective ; son image est le sous-espace de . L’application est fermée si A est fermé dans X. Elle n’est pas toujours stricte (III, p. 325, exerc. 17).
Proposition 7 01VW
Avec les notations ci-dessus, les assertions suivantes sont équivalentes :
(i) Le couple possède la propriété d’extension des homotopies ;
(ii) Pour tout espace topologique Y et toute application continue Cyl(), il existe une application continue telle que ;
(iii) L’injection possède une rétraction continue ;
(iv) L’application est stricte et il existe une contraction de sur l’image de .
Supposons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. Soit Cyl() une application continue ; posons et . L’application Y est continue et est une homotopie dont le terme est l’application . Il existe donc une homotopie de terme qui prolonge . On a et pour et . Par suite, , d’où (ii).
Inversement, supposons que l’assertion (ii) soit vérifiée et démontrons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. Soit Y un espace topologique, soit une application continue et soit une homotopie dont le terme est égal à . Il existe une unique application continue Cyl() telle que et (III, p. 238, prop. 4). Toute application telle que est alors une homotopie de terme qui prolonge .
L’équivalence des assertions (ii) et (iii) est un cas particulier du lemme 1 de III, p. 235.
Supposons que l’injection Cyl() admette une rétraction continue . L’application définit donc un homéomorphisme de Cyl() sur le sous-espace de loc. cit.). Elle est donc stricte.
Posons pr et pr. Si ou si , on a et Pour et , posons
L’application est continue. Pour , on a
et
pour et , on a
tandis que, pour et , on a
Par suite, est une contraction de sur T. Cela montre que l’assertion (iii) implique l’assertion (iv).
L’implication (iv)(iii) est évidente.
Remarque 2 01VX
Soit X un espace topologique séparé et soit A une partie de X telle que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. Notons X l’injection canonique. Soit Cyl() l’injection canonique et soit une rétraction continue de l’application . Le sous-espace (Cyl()) est égal à l’ensemble des couples tels que . Comme l’espace est séparé, le sous-ensemble (Cyl()) est fermé dans . L’ensemble A, égal à l’ensemble des tels que (Cyl()), est alors une partie fermée de X.
Lemme 3 01VY
Soient X et Y des espaces topologiques, soit une application continue propre et ouverte, et soit une application continue. L’application donnée par sup est continue.
Soit . Comme est propre, sa fibre est un espace quasi-compact ; on a donc .
Soit tel que . Pour tout , on a ; soit un voisinage de dans X tel que pour tout . La réunion V des ensembles est un voisinage de dans X. D’après le lemme 5 (I, p. 75), il existe un voisinage W de dans Y tel que . Pour tout , on a . Cela prouve que est semi-continue supérieurement en .
Démontrons maintenant que est semi-continue inférieurement en . On peut supposer . Soit tel que . Soit tel que ; soit alors V un voisinage de dans X tel que pour tout . Il s’ensuit que pour tout . Comme est ouverte, est un voisinage de , si bien que est semi-continue inférieurement.
Le lemme est ainsi démontré.
Théorème 1 01VZ
Soit X un espace topologique et soit A un sous-espace fermé de X ; notons l’injection canonique. Les assertions suivantes sont équivalentes :
(i) Le couple possède la propriété d’extension des homotopies ;
(ii) Il existe une application continue telle que et une homotopie fixe sur A dont le terme est l’application identique de X et telle que pour tout point tel que .
(iii) Il existe une application continue telle que et une homotopie , fixe sur A, telle que et pour tout .
(iv) Il existe une application continue telle que et une application continue
telle que pour tout et pour tout tel que .
Nous noterons l’injection canonique de A dans X Cyl() et Cyl() les applications canoniques, et l’application de Cyl() dans telle que pour et pour .
Supposons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies et soit Cyl() une rétraction continue de l’application III, p. 241, prop. 7). Notons l’application continue pr de dans X. Pour tout , on a pr. Comme est compact, la première projection pr est une application propre ; elle est aussi ouverte. D’après le lemme 3, l’application donnée par
suppr
est donc continue.
Pour , on a . Soit tel que ; alors pr et . Pour et , on a ; par suite, et . Inversement, soit tel que . On a donc pr pour tout ; si , cela entraîne ; comme A est fermé dans X, on a donc , donc .
Cela démontre que (i) entraîne (ii).
Soient et des applications vérifiant les propriétés de l’assertion (ii). Posons et soit la restriction de à . On a ; pour pour tout . Soit tel que ; on a ; en outre, , donc . Ainsi, (ii) implique (iii).
Démontrons que (iii) entraîne (iv). Soient et comme dans l’énoncé ; posons et .
Soit l’application de dans X telle que si et et sinon. D’après le lemme 4 ci-dessous, elle est continue.
Soit l’application de dans X telle que , sup(0)). Elle est continue. Pour tel que et , on a . Notons l’application telle que si et si ; elle est continue car ses restrictions aux sous-espaces fermés et de sont continues (TG, I, p. 19, prop. 4).
Pour tel que et , on a . Il existe donc une unique application qui coïncide avec dans et avec l’application pr dans ; elle est continue (loc. cit.).
Soit ; on vérifie que l’on a . Si, de plus, , alors on a , donc . Enfin, si , alors , donc .
Cela prouve que l’assertion (iv) est vérifiée.
Supposons enfin l’assertion (iv) satisfaite et démontrons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies.
Notons (resp. ) l’ensemble des couples tels que (resp. 1). Ce sont des ensembles fermés. Pour , on a ; soit alors Cyl() l’application donnée par ; elle est continue. Soit aussi Cyl() l’application continue donnée par . Pour , on a , donc
Il existe donc une unique application Cyl() qui coïncide avec dans et avec dans ; elle est continue (TG, I, p. 19, prop. 4).
Pour et , on a , donc
Pour , on a aussi
Comme les images des applications et recouvrent Cyl(), il en résulte que l’application est une rétraction continue de l’application . Par suite, le couple possède la propriété d’extension des homotopies (III, p. 241, prop. 7), ce qui conclut la preuve du théorème.
Lemme 4 01W0
Soient X et Y des espaces topologiques, soit une application continue, posons . Soit une homotopie qui est fixe sur A. L’application qui applique sur si et sur si est continue.
L’application est continue en tout point de la partie fermée ; il suffit donc de démontrer que sa restriction à est continue. On peut donc supposer que . Soient C et les sous-espaces de formés des couples tels que et respectivement. Ils sont fermés et recouvrent . L’application est continue sur ; démontrons qu’elle est continue sur C.
Soit l’application continue donnée par . Son image est égale à C et est l’application continue . Démontrons que est une application propre. Considérons en effet un ultrafiltre sur et un point qui est adhérent à la base d’ultrafiltre . Puisque pr pr, la base d’ultrafiltre pr sur X converge vers . Comme est compact, il existe un point tel que la base d’ultrafiltre pr converge vers . Alors converge vers . Comme est continue, la base d’ultrafiltre converge vers . Comme est séparé, on a , d’où , si bien que est propre (TG, I, p. 75, th. 1). Il résulte alors de I, p. 18, exemple 2 et prop. 9 que est continue.
Corollaire 1 01W1
Soit X un espace topologique normal et soit A un sous-espace fermé de X. On suppose qu’il existe un voisinage V de A dans X et une contraction de V sur A, ainsi qu’une application continue telle que . Alors, le couple possède la propriété d’extension des homotopies.
Soit une contraction de V sur A. Par définition d’un espace normal (TG, IX, p. 41, définition 1), il existe une application continue qui vaut 0 sur A et 1 en tout point de X - V. Soit l’application donnée par pour ; elle est continue. On a et . Soit l’application de dans X donnée par pour et . Pour , on a et .
Les applications et vérifient les conditions de l’assertion (iii) du th. 1 de III, p. 243 ; par suite, le couple possède la propriété d’extension des homotopies.
Exemple 1 01W2
Prenons pour espace X la boule et pour sous-espace A la sphère . Si V = X, il existe une contraction forte de V sur III, p. 237, exemple). Par suite, le couple possède la propriété d’extension des homotopies.
Corollaire 2 01W3
Soient X et Y des espaces topologiques, soit A un sous-espace fermé de X, soit B un sous-espace fermé de Y. Si les couples et possèdent la propriété d’extension des homotopies, il en est de même du couple .
Soient et X, resp.
et , vérifiant les conditions de l’assertion (iv) du théorème 1 pour le couple , resp. pour le couple . Soit l’application donnée par inf() ; elle est continue ; on a aussi pour tout tel que ou . Pour tel que , on a et . On définit ainsi une application continue
en posant . Pour tout , on a . Si, de plus, , alors ou , si bien que ou ; cela entraîne que appartient à . Cela vérifie l’assertion (iv) du théorème 1, d’où le corollaire.
Exemple 2 01W4
Voici d’autres cas où le couple possède la propriété d’extension des homotopies.
(i) L’espace X est une variété différentielle paracompacte de classe et A une sous-variété fermée de X. Compte tenu du corollaire1, cela découle de ce que X est parfaitement normal (IX, p. 103, exerc. 11) et que A possède un voisinage tubulaire dans X ;
(ii) L’espace X est un espace cellulaire et A un sous-espace plein relativement à une décomposition cellulaire donnée de X.
8. Attachement d’un espace topologique
Soient des espaces topologiques, soit A un sous-espace de B et soit une application continue. Notons Y l’espace topologique somme des espaces et et identifions et à des sous-espaces de Y par les injections canoniques. Soit R la relation d’équivalence dans Y la plus fine pour laquelle les éléments de et de sont équivalents, pour tout . La relation R est la relation d’égalité dans . Soit et soit ; on a si et seulement si et . Soient ; pour que l’on ait , il faut et il suffit que , ou que et .
Définition 9 01W5
L’espace topologique quotient est appelé l’espace obtenu en attachant à l’espace X l’espace B le long de l’application . On le note .
Notons et les restrictions à et de la surjection canonique de Y sur . On a .
Remarque 1 01W6
L’application est injective. Pour toute partie U
de X, on a et . Si A est une partie ouverte (resp. fermée) de B, ces relations entraînent que est une application ouverte (resp. fermée) de X dans .
Soit U une partie ouverte de X et soit V un ouvert de B tel que . La réunion des parties U de et V de est un ouvert saturé de Y ; son image dans est donc ouverte et sa trace sur est . Par suite, l’application définit un homéomorphisme de X sur son image dans .
Remarque 2 01W7
Soit V une partie de B. On a et
. Si A est fermé dans B et si l’application est fermée, l’application est donc fermée. De même, si A est ouvert dans B et si l’application est ouverte, l’application est ouverte.
Dans ces deux cas, l’application induit alors un homéomorphisme de B-A sur son image.
Remarque 3 01W8
Supposons que A soit fermé et que l’application soit propre. On vient de voir que l’application est fermée. Pour tout ,
. C’est donc une partie quasi-compacte de A (TG,
I, p. 75, théorème 1), donc aussi de B. Pour tout
égale si , et si ; dans les deux cas, c’est une partie quasi-compacte de B. Les fibres de l’application sont donc quasi-compactes ; par suite (loc. cit.), l’application est propre.
L’application est également propre (TG, I, p. 72, prop. 2). Il en résulte que l’application canonique de Y sur est propre.
Exemple 1 01W9
Soient X et Y des espaces topologiques et une application continue. Le cylindre Cyl() n’est autre que l’espace obtenu en attachant à l’espace Y l’espace le long de l’application pr de dans Y.
Exemple 2 01WA
Soit X un espace topologique, soit B un espace topologique et soit A un sous-espace de B, soit une application continue qui induit un homéomorphisme de A sur son image.
Posons ; soit l’application de dans B qui associe à tout l’unique antécédent de par . L’application est continue ; comme est stricte, l’application est continue. Il existe une unique application continue de l’espace dans l’espace qui applique sur pour et sur pour ; c’est un homéomorphisme qui applique le sous-espace sur le sous-espace .
Proposition 8 01WB
Soit Z un espace topologique.
a) Soient et des applications continues telles que pour tout . Il existe alors une unique application continue telle que et .
b) Soient et des homotopies. On suppose que est fixe sur A et que pour tout et tout . Il existe alors une unique homotopie telle que et pour et . Cette homotopie est fixe sur .
La proposition résulte immédiatement de la définition d’un espace quotient et de la prop. 10 (I, p. 19).
Corollaire 1 01WC
Soit un espace topologique, soit un sous-espace de et soit X une application continue. Soit une application continue telle que et = . Soit l’unique application continue telle que et . Si définit une homéotopie du couple sur le couple , alors définit une homéotopie du couple sur le couple .
Soit une application continue, soit une homotopie fixe sur A reliant Id à et soit une homotopie fixe sur reliant Id à . Pour et , on a les relations et . D’après la prop. 8, a), il existe une unique application telle que et . D’après la prop. 8, b), il existe une unique homotopie telle que et pour et . Il existe de même une unique homotopie telle que et pour et . L’application de dans donnée par est alors une homotopie fixe sur reliant l’application identique de à l’application . De même, l’application de dans donnée par est une homotopie fixe sur reliant l’application identique de à l’application . Le corollaire en résulte.
Exemple 3 01WD
Notons l’injection canonique de A dans B et prenons pour espace le cylindre de l’application ; notons Cyl() et Cyl() les applications canoniques et Cyl() la rétraction canonique du cylindre Cyl() sur sa base. Soit le sous-espace de Cyl() et notons l’application . Pour , on a
Soit Cyl() l’unique application continue telle que et . Supposons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. Alors, l’application définit une homéotopie du couple (Cyl()) sur le couple (III, p. 243, th. 1). D’après le corollaire 1, l’application définit alors une homéotopie du couple sur le couple . En particulier, est une homéotopie.
Corollaire 2 01WE
Soit un espace topologique, soit une application continue, posons . Soit l’unique application continue telle que et . Si définit une homéotopie du couple sur le couple , alors définit une homéotopie du couple sur le couple .
La démonstration est analogue à celle du corollaire 1.
Proposition 9 01WF
Soient X et B des espaces topologiques, soit A un sous-espace de B et soit une application continue.
a) Si le couple possède la propriété d’extension des homotopies, il en est de même du couple .
b) Supposons que l’application soit injective et stricte. Si le couple possède la propriété d’extension des homotopies, il en est de même du couple .
a) Supposons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. Soit Z un espace topologique, soit une application continue et soit une homotopie dont le terme est la restriction de au sous-espace .
Posons et notons l’application donnée par . Posons . Comme , l’application de dans Z qui applique sur pour et est une homotopie dont le terme est égal à l’application . Puisque le couple possède la propriété d’extension des homotopies, il existe une homotopie dont le terme est l’application et telle que pour .
Pour et , on a . D’après la proposition 8, il existe une unique application continue telle que et , pour , et . C’est une homotopie de terme qui prolonge , d’où l’assertion a).
b) Compte tenu de l’exemple 2 (III, p. 249), l’assertion b) résulte de l’assertion a).
9. Espace obtenu par contraction d’un sous-espace
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X. Considérons la relation d’équivalence R dans X la plus fine pour laquelle tous les éléments de A sont équivalents : deux éléments de X sont équivalents suivant cette relation s’ils sont égaux ou s’ils appartiennent tous deux à A.
Définition 10 01WG
L’espace quotient de X par R se note et s’appelle l’espace obtenu à partir de X par contraction du sous-ensemble A.
Notons la surjection canonique. Soit Y un espace topologique et soit une application continue. Pour qu’il existe une application continue telle que , il faut et il suffit que soit constante sur A.
Si l’ensemble A est fermé (resp. ouvert) dans X, l’application est fermée (resp. ouverte) et induit un homéomorphisme de X-A sur son image. Si A est une partie fermée et quasi-compacte de X, l’application est propre (TG, I, p. 75, th. 1).
Si l’ensemble A est vide, est un homéomorphisme. S’il n’est pas vide, A est un point de que l’on appelle le point-base de et que l’on note . L’espace s’identifie alors à l’espace obtenu en attachant à l’espace l’espace X au moyen de l’unique application de A dans .
Proposition 10 01WH
Soit X un espace topologique et soit A une partie de . Supposons qu’il existe une homotopie d’origine Id, constante sur et telle que . Alors, l’application canonique de X dans est une homéotopie.
Notons le terme de . C’est une application continue de X dans X, homotope à Id. Elle est constante sur A ; il existe donc une unique application continue telle que . D’autre part, comme , il existe une application de dans telle que pour tout et tout . D’après I, p. 19, prop. 10, l’application est continue. C’est une homotopie reliant l’application identique de à l’application . Par suite, les applications et sont des homéotopies réciproques l’une de l’autre à homotopie près.
Remarque 01WI
Soit X un espace topologique et soit A une partie de X.
1) Si l’application canonique de X sur est une homéotopie, il existe une homotopie d’origine Id qui est constante sur . Mais il se peut qu’il n’en existe aucune satisfaisant en outre à la condition (III, p. 322, exerc. 4).
2) Il peut exister une homotopie reliant l’application identique de X à une application de X dans X qui est constante sur A sans que les espaces X et soient homéotopes (III, p. 325, exerc. 14).
3) Supposons que A soit contractile. Si le couple possède la propriété d’extension des homotopies, l’application canonique de X sur est une homéotopie. Soit en effet une homotopie dont l’origine est l’application identique de A et dont le terme est une application constante. Il existe alors une homotopie d’origine Id qui étend . L’assertion résulte ainsi de la proposition 10.
4) Soient X et Y des espaces topologiques, soit A un sous-espace non vide de X et soit B un sous-espace de Y. Soit une application continue telle que . Notons l’application continue déduite de par passage aux quotients. Si définit une homéotopie du couple sur le couple , l’application est une homéotopie du couple sur le couple . Soit P un espace topologique réduit à un point, soient et les applications constantes de A et B dans P. Observons que l’application s’identifie à l’application de dans déduite de et de l’application identique de P. L’assertion découle alors du corollaire 1 de III, p. 249.
10. Cône d’une application
Soient X et Y des espaces topologiques et soit une application continue de X dans Y. Soit Cyl() le cylindre de l’application . Notons l’application canonique de dans Cyl() et l’application de X dans Cyl() ; ces applications induisent des homéo-morphismes de et X respectivement sur leurs images dans Cyl().
Définition 11 01WJ
On appelle cône de l’application et on note Côn l’espace topologique déduit de Cyl() par contraction de .
Notons Côn la composition de l’application canonique Cyl() et de la surjection canonique de Cyl() sur Côn. L’application est continue et définit un homéomorphisme de Y sur une partie fermée de Côn, appelée base du cône, et que nous identifierons ainsi à Y.
Notons Côn la composition de l’application et de la surjection canonique de Cyl() sur Côn. L’application est une homotopie dont l’origine est une application constante et dont le terme est l’application .
Si X est vide, l’application est un homéomorphisme de Y sur Côn.
Supposons que X ne soit pas vide. Notons alors le point-base de l’espace Cyl(); on dit que c’est le sommet du cône Côn. Comme est fermé dans Cyl(), l’application canonique Cyl() Côn induit un homéomorphisme de Cyl() sur CônIII, p. 252). Le sommet du cône Côn n’appartient pas à sa base ; l’injection canonique de Y dans Côn est une homéotopie (III, p. 239, prop. 6).
Soit Cyl() Cyl() la contraction canonique du cylindre de sur sa base. Pour Cyl() et , on a . Par suite, il existe une unique application Côn Côn telle que pour Cyl() et . Elle est continue et c’est une contraction forte de Côn sur Y. On dit que c’est la contraction canonique de Côn sur sa base. Son terme est une rétraction de Côn sur Y qu’on appelle la rétraction canonique du cône privé de son sommet sur sa base.
Proposition 11 (Propriété universelle des cônes)
Soit Z un espace topologique, soit une application continue et soit une homotopie dont l’origine est une application constante et dont le terme est égal à . Il existe une unique application continue de Côn dans Z telle que et .
D’après la propriété universelle des cylindres (III, p. 238, prop. 4), il existe une unique application continue Cyl() Z telle que et . Comme l’origine de est une application constante, la restriction de au sous-espace est constante. Il existe donc une unique application continue Côn telle que , où désigne la surjection canonique de Cyl() sur Côn. L’application vérifie et et c’est la seule ayant ces propriétés, car les images de et recouvrent Côn.
Exemple 1 01WK
Soit X un espace topologique. On note C(X), et on appelle cône de l’espace X, le cône de l’application Id; c’est l’espace déduit de par contraction de . Soit l’application canonique de dans C(X) ; l’image de par est appelé le cône ouvert de l’espace X.
Supposons que X n’est pas vide. Alors, le cône C(X) n’est pas vide et son point-base est encore appelé le sommet du cône.
L’application de dans est une homotopie reliant l’application identique de à l’application . On en déduit, par passage aux ensembles quotients, une application telle que pour . L’application est continue d’après I, p. 19, prop. 10. L’application est alors une homotopie pointée en reliant l’application identique de C(X) à l’application constante d’image . Par suite, le cône C(X) est contractile en son sommet . Comme est contenu dans , l’application définit, par passage aux sous-espaces, une homotopie pointée en reliant l’application identique de à l’application constante d’image ; le cône ouvert est donc contractile en .
Remarque 1 01WL
Soit X un espace topologique et soit A un sous-espace de X ; notons l’injection canonique de A dans X. La rétraction canonique du cylindre Cyl() sur sa base applique le sous-espace dans A. Soit Côn l’application continue qui s’en déduit par passage aux quotients. Supposons que le couple possède la propriété d’extension des homotopies. D’après III, p. 243, théorème 1, l’application définit une homéotopie du couple (Cyl()) sur le couple . D’après la remarque 4 de III, p. 253, l’application est alors une homéotopie du couple (Côn) sur le couple . C’est en particulier une homéotopie.
Remarque 2 01WM
Soient X et Y des espaces topologiques et soit une application continue. L’application canonique Côn est constante sur donc définit une application continue Côn. La restriction à de l’application est injective et stricte et définit par passage aux sous-espaces un homéomorphisme du cône ouvert sur le complémentaire de Y dans Côn.
Identifions la base du cône C(X) à l’espace X et notons l’application continue de dans Côn déduite des applications Côn et Côn. Inversement, soit Côn l’unique application continue telle que soit l’application canonique de sur C(X) et soit l’application canonique de Y sur . Les applications et sont des homéomorphismes réciproques l’un de l’autre.
Exercices
See the exercises for § 1.