§ 1. Espaces délaçables
1. Espaces simplement connexes par arcs
Définition 1 0208
On dit qu’un espace topologique X est simplement connexe par arcs s’il est connexe par arcs et si tout lacet dans X est strictement homotope à un lacet constant.
L’espace vide est simplement connexe par arcs. Pour qu’un espace connexe par arcs X soit simplement connexe par arcs, il faut et il suffit que le groupe soit réduit à l’élément neutre pour tout point de X (III, p. 292, prop. 2). Il suffit qu’il en soit ainsi pour un point de X (loc. cit.).
Tout espace topologique homéotope à un espace simplement connexe par arcs est simplement connexe par arcs. En effet, il est connexe par arcs (III, p. 260) et, en tout point, son groupe de Poincaré est réduit à l’élément neutre (III, p. 296, cor. 2 de la prop. 6). En particulier, un espace topologique homéotope à un point est simplement connexe par arcs.
Un espace topologique simplement connexe par arcs et localement connexe par arcs est simplement connexe (III, p. 309, cor. 2 de la prop. 1).
2. Espaces délaçables
Définition 2 0209
On dit qu’un espace topologique B est délaçable s’il est localement connexe par arcs et si tout point de B possède un voisinage V tel que l’homomorphisme de dans déduit de l’injection canonique ait pour image l’élément neutre.
Un espace topologique localement connexe par arcs est délaçable si et seulement si chacune de ses composantes connexes l’est.
Soit B un espace topologique localement connexe par arcs. Supposons que tout point de B possède un voisinage V qui est délaçable. Alors, B est délaçable.
Tout espace topologique localement connexe par arcs et simplement connexe par arcs est délaçable. C’est en particulier le cas d’un espace localement connexe par arcs homéotope à un point.
Remarque 1 020A
Il existe des espaces topologiques B, connexes et localement connexes par arcs tels que certains points de B, mais pas tous, possèdent un voisinage V tel que l’homomorphisme de dans soit trivial (III, p. 336, exerc. 6).
Remarque 2 020B
Soit B un espace délaçable ; toute opération du groupoïde sur un B-espace est sans monodromie locale (cf. III, p. 313, remarque). En particulier, pour qu’une application fasse de E un revêtement de B, il faut et il suffit qu’elle soit étale, séparée et qu’elle vérifie la propriété de relèvement des chemins (III, p. 315, corollaire 3).
Proposition 1 020C
L’espace produit d’une famille finie d’espaces délaçables est délaçable.
Il suffit de démontrer que, si A et B sont deux espaces délaçables, il en est de même de leur produit . Sous ces conditions, l’espace est en effet localement connexe par arcs (III, p. 261, prop. 9). Soit un point de . Il existe par hypothèse un voisinage U de (resp. un voisinage V de ) tels que l’image de l’homomorphisme déduit de l’injection canonique (resp. de l’homomorphisme déduit de l’injection canonique ) soit réduite à l’élément neutre. Alors, est un voisinage de dans . L’homomorphisme s’identifie à l’homomorphisme (III, p. 297, corollaire de la prop. 4). Son image est donc réduite à l’élément neutre. Cela prouve que est délaçable.
Proposition 2 020D
a) Tout revêtement d’un espace délaçable est délaçable.
b) Inversement, soit une application étale et surjective et supposons que E soit un espace délaçable. Alors, B est délaçable.
a) Soit B un espace topologique délaçable et soit un revêtement de B. L’espace E est alors localement connexe par arcs. Soit un point de E, notons , et soit V un voisinage de dans B tel que l’homomorphisme canonique soit trivial. Notons et les injections canoniques. Par hypothèse, l’image de l’homomorphisme est réduite à l’élément neutre. Puisque et que est injectif, l’image de l’homomorphisme est réduite à l’élément neutre. Cela prouve que E est délaçable.
b) L’espace B est localement connexe par arcs. Soit un point de B et soit un point de . Comme est étale, il existe un voisinage U de dans E tel que induise un homéomorphisme de U sur . Soit V un voisinage de dans E contenu dans U tel que l’homomorphisme soit trivial, où désigne l’injection canonique. Notons l’application déduite de par passage aux sous-espaces ; c’est un homéomorphisme. Notons aussi l’injection canonique de dans B. On a , donc est l’homomorphisme trivial. Comme l’homomorphisme est un isomorphisme, l’homomorphisme est trivial. Il en résulte que l’espace B est délaçable.
Proposition 3 020E
Soit B un espace topologique délaçable. Soit un revêtement de B et soit un revêtement de Y. L’espace topologique Z, muni de l’application , est alors un revêtement de B.
En effet, l’application est étale ( I, p. 29, prop. 6) et séparée (I, p. 25, prop. 2). D’après la remarque 2 ci-dessus, il suffit donc de montrer qu’elle vérifie la propriété de relèvement des chemins. Soit un point de Z et soit un chemin dans B d’origine . Il existe un chemin d’origine dans Y qui relève , car Y est un revêtement de B (III, p. 302, cor. 2). Comme Z est un revêtement de Y, il existe un chemin d’origine dans Z qui relève ; le chemin relève . Cela démontre la proposition.
3. Revêtement universel d’un espace délaçable
Soit B un espace topologique et soit un point de B. Rappelons que désigne le sous-espace de formé des chemins d’origine , muni de la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte. On note B l’application qui, à un chemin, associe son terme ; elle est continue. Notons l’espace quotient de pour la relation d’homotopie stricte et munissons-le de la topologie quotient. Comme deux chemins strictement homotopes ont même terme, l’application définit, par passage au quotient, une application continue , dite application terme.
Théorème 1 020F
Soit B un espace topologique connexe et localement connexe par arcs et soit un point de B. Les propriétés suivantes sont équivalentes :
(i) L’espace B est délaçable.
(ii) Il existe un revêtement non vide de B qui est simplement connexe par arcs.
(iii) L’espace , muni de l’application terme, , est un revêtement de B.
(iv) Le groupe est discret pour la topologie admissible.
(v) Le groupe est discret pour la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte.
De plus, lorsque ces conditions sont satisfaites, l’espace est simplement connexe par arcs, simplement connexe, galoisien de groupe , et le revêtement pointé est un revêtement universel de l’espace pointé .
Il résulte de la définition d’un espace délaçable que le sous-groupe de réduit à l’élément neutre est admissible si et seulement si B est délaçable. Cela démontre l’équivalence (i)iv). Par ailleurs, l’équivalence des propriétés (iv) et (v) découle des remarques 4 et 5 de III, p. 320.
(iv)ii). D’après III, p. 316, prop. 5, il existe un revêtement de B et un point tel que ; en particulier, est réduit à l’élément neutre. La composante connexe par arcs de dans E est alors un revêtement non vide de B (I, p. 80, cor. 1 de la prop. 6), simplement connexe par arcs.
(ii)iii). Soit E un revêtement de B non vide et simplement connexe par arcs. Soit un point de (il en existe car B est connexe, I, p. 74, prop. 4). La projection B induit un homéomorphisme (III, p. 302, cor. 2 de la prop. 3), d’où, par passage aux composantes connexes par arcs, un homéomorphisme . L’application terme est continue et ouverte, car E est localement connexe par arcs (III, p. 264, corollaire). L’application qu’elle définit par passage aux composantes connexes par arcs est donc continue et ouverte. L’application est bijective, continue et ouverte. Cela démontre que l’espace topologique , muni de la topologie de la convergence compacte et de l’application terme, est un revêtement de B.
(iii)v). En effet, l’ensemble , muni de la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte s’identifie à la fibre du B-espace de B en la classe du lacet constant en . Si est un revêtement de B, alors est discret pour la topologie de la convergence compacte.
Supposons que ces assertions soient vérifiées. D’après ce qui précède, l’espace est alors un revêtement de B qui est simplement connexe par arcs, donc simplement connexe. L’espace pointé est par conséquent un revêtement universel de (I, p. 126, corollaire de la prop. 3) et le revêtement est un revêtement galoisien de B (I, p. 120, prop. 1). L’homomorphisme canonique Aut est alors un isomorphisme (III, p. 306, prop. 5).
Remarque 1 020G
Soit B un espace délaçable connexe et soit un point de B. Il résulte du théorème 1, (iv), que toute opération du groupe est admissible. Par suite, tout -ensemble est isomorphe à un -ensemble , où E est un revêtement de B (III, p. 318, prop. 7). Rappelons aussi ( III, p. 310, prop. 2) que si E et sont des revêtements de B, l’application induit une bijection de l’ensemble des morphismes de B-espaces de E dans sur l’ensemble des morphismes de -ensembles de dans .
Dans le langage des catégories, on dit que le foncteur qui, à un revêtement E de B, associe la fibre est une équivalence de catégories de la catégorie des revêtements de B dans la catégorie des -ensembles.
Corollaire 1 020H
Soit B un espace topologique délaçable et soit un point de B. Soit E un revêtement connexe de B et soit un point de la fibre . Les propriétés suivantes sont équivalentes :
(i) Le groupe est trivial.
(ii) L’espace E est simplement connexe.
(iii) L’espace pointé est un revêtement universel de .
L’implication (i)(ii) a déjà été démontrée sous la seule hypothèse que l’espace B soit connexe et localement connexe par arcs ( III, p. 309, cor. 2 de la prop. 1) et l’implication (ii)(iii) sans aucune hypothèse (I, p. 126, corollaire).
Démontrons (iii)(i). D’après le théorème 1 de IV, p. 342, il existe un revêtement de B et un point de la fibre tel que le groupe soit réduit à l’élément neutre. Sous l’hypothèse (iii), il existe un B-morphisme pointé . Notons B et les projections des revêtements E et ; on a donc . Comme le groupe est trivial, l’homomorphisme injectif a pour image l’élément neutre. Cela prouve que le groupe est réduit à l’élément neutre.
Corollaire 2 020I
Soit B un espace topologique délaçable et soit un point de B. Soit un revêtement universel de l’espace pointé . Pour tout revêtement de B et tout point de , l’unique B-morphisme tel que fait de E un revêtement de . L’espace pointé est alors un revêtement universel de .
D’après la prop. 7 de I, p. 81, l’espace E, muni de l’application , est un revêtement de . La dernière assertion résulte alors du corollaire 1.
Soit B un espace topologique délaçable et soient deux points de B. L’espace topologique quotient est homéomorphe à l’espace , muni de la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte (III, p. 293, remarque 3), donc est discret d’après le théorème 1 de IV, p. 342. Par suite, la classe d’homotopie stricte de tout chemin dans B joignant à est une partie ouverte de . Plus généralement :
Proposition 4 020J
Soit B un espace topologique délaçable. La relation d’homotopie stricte est une relation d’équivalence ouverte dans l’espace topologique .
Supposons d’abord que l’espace B soit simplement connexe par arcs. Notons l’application qui, à un chemin dans B, associe le couple formé de son origine et de son terme. Pour que deux chemins dans B soient strictement homotopes, il faut et il suffit qu’ils aient même origine et même terme (III, p. 292, prop. 2). L’espace B étant connexe et localement connexe par arcs, l’application est surjective, continue et ouverte (III, p. 262, prop. 10). La relation d’homotopie stricte est donc ouverte (TG, I, p. 32, prop. 3).
Dans le cas général, soit E un revêtement simplement connexe par arcs de B, non vide si B . Ce revêtement est surjectif car B est connexe (I, p. 74, prop. 4). Notons la projection du B-espace E et soit l’application qui, à un chemin dans E, associe le chemin . Muni de l’application , Λ(E) est un revêtement de Λ(B) (III, p. 302, cor. 1 de la prop. 3). Pour que deux chemins dans B soient strictement homotopes, il faut et il suffit qu’ils soient les images par l’application de deux chemins strictement homotopes dans E (III, p. 302, prop. 4). Soit U une partie ouverte de l’espace Λ(B). L’ensemble est ouvert dans Λ(E) ; d’après la première partie de la
démonstration, l’ensemble saturé de pour la relation d’homotopie stricte est ouvert dans Λ(E). Comme Λ(E) est un revêtement de Λ(B), l’ensemble est ouvert dans Λ(B). Cela prouve la proposition, car est le saturé de U pour la relation d’homotopie stricte.
4. Exemples
1) Espaces localement contractiles
Définition 3 020K
On dit qu’un espace topologique B est localement contractile si tout point de B possède un voisinage V tel que l’espace pointé soit contractile (III, p. 234, exemple 3).
Proposition 5 020L
Un espace topologique localement contractile est délaçable.
Soit B un espace localement contractile. Soit un point de B et soit V un voisinage de tel que soit un espace pointé contractile. L’espace V est homéotope à un point, donc III, p. 296, corollaire 3).
Pour démontrer la proposition, il reste à démontrer que l’espace B est localement connexe par arcs. Soit V une homotopie pointée en reliant l’application constante d’image à l’application Id. Pour tout voisinage W de contenu dans V, l’ensemble est un voisinage de car il contient , et il est connexe par arcs car pour tout , l’application est un chemin reliant à dans . Démontrons que les ensembles de la forme forment un système fondamental de voisinages de . Soit un voisinage ouvert de dans B; alors, est un voisinage ouvert de dans . Comme l’espace est compact, la projection pr est propre (TG, I, p. 77, cor. 5) et pr est une partie fermée de V ne contenant pas . Son complémentaire W est ainsi un voisinage ouvert de dans V tel que , d’où .
Toute partie ouverte d’un espace numérique ou d’un espace projectif, réel ou complexe, à dimensions (cf. chapitres VI et VIII) est délaçable, de même que les sphères euclidiennes (TG, VI, p. 11, prop. 4). Plus généralement, toute variété topologique (VAR R, seconde partie, p. 7, Notations et Conventions) est délaçable. En effet, ces espaces sont localement contractiles.
2) Groupe de Poincaré du cercle. — L’espace topologique est homéotope à un point (III, p. 234, exemple 4), donc simplement connexe par arcs (IV, p. 340). La surjection canonique de sur en fait un revêtement principal de groupe I, p. 100, exemple 4). L’espace topologique est délaçable et est un revêtement universel de . On en déduit un isomorphisme canonique de groupes il applique la classe du lacet en 0 sur l’élément de . Compte tenu de l’exemple 6 (I, p. 101), on en déduit la proposition suivante.
Proposition 6 020M
L’application de dans fait de un revêtement universel de . Le groupe est isomorphe à ; la classe du lacet en est un générateur. Pour tout entier , l’application fait de un revêtement galoisien de groupe de . Tout revêtement connexe et non vide de est isomorphe à l’un de ces revêtements.
Seule la dernière assertion reste à démontrer. La fibre en 1 d’un revêtement connexe et non vide E de est munie d’une opération transitive du groupe . Puisque les sous-groupes de sont les ensembles , pour , on constate que est isomorphe à l’un des ensembles homogènes associés aux revêtements décrits précédemment. Comme est connexe et localement connexe par arcs, E est isomorphe à l’un de ces revêtements.
Corollaire 020N
L’application de dans fait de un revêtement universel de . Le groupe est isomorphe à ; la classe du lacet en est un générateur. Pour tout entier , l’application fait de un revêtement galoisien de groupe de . Tout revêtement connexe et non vide de est isomorphe à l’un de ces revêtements.
L’application est un homéomorphisme de l’espace sur l’espace (TG, VI, p. 10, prop. 3) ; en particulier, est connexe par arcs. Comme l’application de dans est un homéomorphisme, il résulte de la proposition 6 que l’application fait de un revêtement de . En identifiant à par l’application , on en conclut que l’espace , muni de l’application , est un revêtement de . Comme l’espace est connexe et simplement connexe par arcs, le revêtement pointé est un revêtement universel de l’espace pointé .
Il découle aussi du corollaire, III, p. 297, que le groupe de Poincaré de en 1 est isomorphe à et que la classe du lacet en est un générateur.
Soit un entier . L’application de dans lui-même est un homéomorphisme ; on en déduit comme précédemment que l’application fait de un revêtement de degré de . Il est galoisien de groupe . La dernière assertion se démontre comme dans la preuve de la prop. 6.
Pour tout entier , le tore est un espace délaçable (IV, p. 341, prop. 1) et son groupe de Poincaré en tout point est isomorphe à III, p. 297, prop. 4).
Nous généraliserons ces résultats dans le paragraphe 3 consacré aux revêtements des groupes topologiques.
3) Espaces projectifs réels. — Soit un entier . Les espaces et sont connexes, non vides et l’application canonique (TG, VI, p. ) fait de un revêtement principal de de groupe I, p. 99, exemple 1). Pour , la sphère est simplement connexe (I, p. 127, exemple 3) et délaçable, donc simplement connexe par arcs (IV, p. 344, corollaire 1). Pour , l’application de dans définit une relation d’équivalence dans dont les classes sont les couples de points opposés de . L’application définit par passage au quotient une bijection continue telle que . Comme est un espace compact, l’application est un homéomorphisme (TG, I, p. 63, cor. 2).
Proposition 7 020O
L’application de sur fait de un revêtement universel de . Soit le chemin ; la classe de est un générateur du groupe qui est isomorphe à .
Pour tout entier 2 et tout point de , l’application canonique fait de un revêtement universel de . Pour tout chemin dans reliant à , la classe de engendre le groupe qui est isomorphe à .
4) Quotient d’un espace par l’opération propre d’un groupe discret
Lemme 1 020P
Soit X un espace topologique, soit G un groupe discret opérant proprement dans X et soit la projection canonique de X sur .
Soit un point de X, soit son fixateur dans G. Soit un voisinage de dans X ; il existe un voisinage U de dans X, stable par et contenu dans tel que si et tel que l’application canonique induise un homéomorphisme de sur un voisinage V de dans .
D’après la prop. 8 de TG, III, p. 32, il existe un voisinage de dans X, stable par , tel que si et tel que l’application canonique induise un homéomorphisme de sur un voisinage de dans .
Comme l’application canonique est fermée (TG, III, p. 28, prop. 2), il existe un voisinage ouvert U de contenu dans qui est stable par I, p. 75, lemme). La relation d’équivalence dans définie par est aussi ouverte (TG, III, p. 10, lemme 2). Il résulte alors de TG, I, p. 32, prop. 4, que l’application canonique induit un homéomorphisme de sur un voisinage ouvert de dans , d’où le lemme.
Proposition 8 020Q
Soit X un espace topologique et soit G un groupe discret opérant proprement dans X. Notons la projection canonique de X sur .
a) Supposons que X soit connexe par arcs et que le groupe G soit engendré par les fixateurs des points de X. Alors, l’homomorphisme canonique est surjectif pour tout point de X. En particulier, est simplement connexe par arcs si X l’est.
b) Si l’espace X est délaçable, l’espace est délaçable.
a) L’ensemble N des éléments pour lesquels il existe un chemin tel que et tel que le lacet dans soit strictement homotope à un lacet constant est un sous-groupe de G. Si et s’il existe un point de X tel que , choisissons un chemin reliant à ; alors le chemin vérifie et , donc est strictement homotope à un lacet constant. Comme G est engendré par les fixateurs des points de X, il en résulte que N = G.
Soit un lacet dans en . D’après le théorème 4 de III, p. 287, il existe un chemin relevant tel que . Comme , il existe tel que . Choisissons un chemin reliant à et tel que soit strictement homotope à un lacet constant. Alors, le chemin est un lacet en dans X tel que . Cela montre que l’homomorphisme est surjectif. L’autre assertion en découle immédiatement.
Démontrons maintenant l’assertion b). L’espace est localement connexe par arcs (III, p. 261, prop. 8).
Soit un point de X et soit son fixateur dans G. Soit un voisinage ouvert de , contenu dans U, tel que l’image de l’homomorphisme canonique soit réduite à l’élément neutre. D’après le lemme 1 (IV, p. 349), il existe un voisinage U de dans X, contenu dans , stable par , tel que si et tel que l’application canonique induise un homéomorphisme de sur un voisinage V de dans .
Soit un lacet en dans V ; d’après le théorème 4 (III, p. 287), appliqué à l’espace topologique U et au groupe , il existe un chemin tel que et qui relève . On a nécessairement , si bien que est un lacet en dans U. Par hypothèse, est strictement homotope à un lacet constant dans X ; par suite, il en est de même de et l’homomorphisme canonique est trivial. Cela démontre que est délaçable si X l’est.
5) Dans le plan euclidien , soit P l’espace topologique réunion des cercles de centre passant par l’origine (pour ). L’espace P est compact, connexe et localement connexe par arcs, mais n’est pas délaçable. Le groupe , muni de la topologie admissible, est séparé et non discret (III, p. 337, exerc. 7).
Remarque 1 020R
Le théorème 4 de III, p. 287 et la prop. 8 (IV, p. 349) restent valables sous l’hypothèse plus générale que G est un groupe de Lie de dimension finie sur opérant proprement dans X. Pour plus de détails, cf. D. Montgomery et C. T. Yang, « The existence of a slice », Annals of mathematics 65 (1957), p. 108–116 ; R. Palais, « On the existence of slices for actions of non-compact Lie groups », Annals of mathematics 73 (1961), p. 295–323 ; et G. Bredon, Introduction to compact transformation groups, Academic Press, 1972.
Exercices
See the exercises for § 1.