Bourbaki

§ 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 π1(X,x)\pi_1(X, x) soit réduit à l’élément neutre pour tout point xx de X (III, p. 292, prop. 2). Il suffit qu’il en soit ainsi pour un point xx 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 bb de B possède un voisinage V tel que l’homomorphisme de π1(V,b)\pi_1(V, b) dans π1(B,b)\pi_1(B, b) 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 aa de B, mais pas tous, possèdent un voisinage V tel que l’homomorphisme de π1(V,a)\pi_1(V, a) dans π1(B,a)\pi_1(B, a) soit trivial (III, p. 336, exerc. 6).

Remarque 2 020B

Soit B un espace délaçable ; toute opération du groupoïde ϖ(B)\varpi (B) sur un B-espace est sans monodromie locale (cf. III, p. 313, remarque). En particulier, pour qu’une application p:E→Bp: E\rightarrow B 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 A×BA\times B. Sous ces conditions, l’espace A×BA\times B est en effet localement connexe par arcs (III, p. 261, prop. 9). Soit (a,b)(a, b) un point de A×BA\times B. Il existe par hypothèse un voisinage U de aa (resp. un voisinage V de bb) tels que l’image de l’homomorphisme i∗:π1(U,a)→π1(A,a)i_*:\pi_1(U, a)\rightarrow \pi_1(A, a) déduit de l’injection canonique i:U→Ai: U\rightarrow A (resp. de l’homomorphisme j∗:π1(V,b)→π1(B,b)j_*:\pi_1(V, b)\rightarrow \pi_1(B, b) déduit de l’injection canonique j:V→Bj: V\rightarrow B) soit réduite à l’élément neutre. Alors, U×VU\times V est un voisinage de (a,b)(a, b) dans A×BA\times B. L’homomorphisme π1(U×V,(a,b))→π1(A×B,(a,b))\pi_1(U\times V,(a, b))\rightarrow \pi_1(A\times B,(a, b)) s’identifie à l’homomorphisme (i∗,j∗)(i_*, j_*) (III, p. 297, corollaire de la prop. 4). Son image est donc réduite à l’élément neutre. Cela prouve que A×BA\times B est délaçable.

Proposition 2 020D

a) Tout revêtement d’un espace délaçable est délaçable.

b) Inversement, soit p:E→Bp: E\rightarrow B 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 (E,p)(E, p) un revêtement de B. L’espace E est alors localement connexe par arcs. Soit xx un point de E, notons b=p(x)b=p(x), et soit V un voisinage de bb dans B tel que l’homomorphisme canonique π1(V,b)→π1(B,b)\pi_1(V, b)\rightarrow \pi_1(B, b) soit trivial. Notons i:V→Bi: V\rightarrow B et j:p−1(V)→Ej:\overset{-1}{p}(V)\rightarrow E les injections canoniques. Par hypothèse, l’image de l’homomorphisme π1(i,b)\pi_1(i, b) est réduite à l’élément neutre. Puisque p∘i=j∘pp\circ i=j\circ p et que π1(p,x)\pi_1(p, x) est injectif, l’image de l’homomorphisme π1(j,x)\pi_1(j, x) est réduite à l’élément neutre. Cela prouve que E est délaçable.

b) L’espace B est localement connexe par arcs. Soit bb un point de B et soit xx un point de EbE_b. Comme pp est étale, il existe un voisinage U de xx dans E tel que pp induise un homéomorphisme de U sur p(U)p(U). Soit V un voisinage de xx dans E contenu dans U tel que l’homomorphisme π1(j,x)\pi_1(j, x) soit trivial, où j:V→Ej: V\rightarrow E désigne l’injection canonique. Notons q:V→p(V)q: V\rightarrow p(V) l’application déduite de pp par passage aux sous-espaces ; c’est un homéomorphisme. Notons aussi ii l’injection canonique de p(V)p(V) dans B. On a p∘j=i∘qp\circ j=i\circ q, donc π1(i,b)∘π1(q,x)=π1(p,x)∘π1(j,x)\pi_1(i, b)\circ \pi_1(q, x) =\pi_1(p, x)\circ \pi_1(j, x) est l’homomorphisme trivial. Comme l’homomorphisme π1(q,x)\pi_1(q, x) est un isomorphisme, l’homomorphisme π1(i,b)\pi_1(i, b) est trivial. Il en résulte que l’espace B est délaçable.

Proposition 3 020E

Soit B un espace topologique délaçable. Soit (Y,q)(Y, q) un revêtement de B et soit (Z,p)(Z, p) un revêtement de Y. L’espace topologique Z, muni de l’application q∘pq\circ p, est alors un revêtement de B.

En effet, l’application q∘pq\circ p 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 zz un point de Z et soit c:I→Bc:\mathbf{I}\rightarrow B un chemin dans B d’origine q(p(z))q(p(z)). Il existe un chemin c′c' d’origine p(z)p(z) dans Y qui relève cc, car Y est un revêtement de B (III, p. 302, cor. 2). Comme Z est un revêtement de Y, il existe un chemin c′′c'' d’origine zz dans Z qui relève c′c'; le chemin c′′c'' relève cc. Cela démontre la proposition.

3. Revêtement universel d’un espace délaçable

Soit B un espace topologique et soit bb un point de B. Rappelons que Λb(B)\Lambda_b(B) désigne le sous-espace de Cc(I;B)\mathscr{C}_c(\mathbf{I}; B) formé des chemins d’origine bb, muni de la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte. On note eB:Λb(B)→e_B: \Lambda_b(B)\rightarrow B l’application qui, à un chemin, associe son terme ; elle est continue. Notons λb(B)\lambda_b(B) l’espace quotient de Λb(B)\Lambda_b(B) pour la relation d’homotopie stricte et munissons-le de la topologie quotient. Comme deux chemins strictement homotopes ont même terme, l’application eBe_B définit, par passage au quotient, une application continue εB:λb(B)→B\varepsilon_B:\lambda_b(B)\rightarrow B, dite application terme.

Théorème 1 020F

Soit B un espace topologique connexe et localement connexe par arcs et soit bb 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 λb(B)\lambda_b(B), muni de l’application terme, εB:λb(B)→B\varepsilon_B:\lambda_b(B)\rightarrow B, est un revêtement de B.

(iv) Le groupe π1(B,b)\pi_1(B, b) est discret pour la topologie admissible.

(v) Le groupe π1(B,b)\pi_1(B, b) est discret pour la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte.

De plus, lorsque ces conditions sont satisfaites, l’espace λb(B)\lambda_b(B) est simplement connexe par arcs, simplement connexe, galoisien de groupe π1(B,b)∘\pi_1(B, b)^{\circ}, et le revêtement pointé (λb(B),εb)(\lambda_b(B), \varepsilon_b) est un revêtement universel de l’espace pointé (B,b)(B, b).

Il résulte de la définition d’un espace délaçable que le sous-groupe de π1(B,b)\pi_1(B, b) réduit à l’élément neutre est admissible si et seulement si B est délaçable. Cela démontre l’équivalence (i)⇔(\Leftrightarrow (iv). Par ailleurs, l’équivalence des propriétés (iv) et (v) découle des remarques 4 et 5 de III, p. 320.

(iv)⇒(\Rightarrow (ii). D’après III, p. 316, prop. 5, il existe un revêtement (E,p)(E, p) de B et un point x∈Ebx\in E_b tel que p∗(π1(E,x))={e}p_*(\pi_1(E, x)) =\{e\}; en particulier, π1(E,x)\pi_1(E, x) est réduit à l’élément neutre. La composante connexe par arcs de xx dans E est alors un revêtement non vide de B (I, p. 80, cor. 1 de la prop. 6), simplement connexe par arcs.

(ii)⇒(\Rightarrow (iii). Soit E un revêtement de B non vide et simplement connexe par arcs. Soit xx un point de EbE_b (il en existe car B est connexe, I, p. 74, prop. 4). La projection q:E→q: E\rightarrow B induit un homéomorphisme Λx(E)→Λb(B)\Lambda_x(E)\rightarrow \Lambda_b(B) (III, p. 302, cor. 2 de la prop. 3), d’où, par passage aux composantes connexes par arcs, un homéomorphisme q∗:λx(E)≃λb(B)q_*:\lambda_x(E)\simeq \lambda_b(B). L’application terme Λx(E)→E\Lambda_x(E)\rightarrow E est continue et ouverte, car E est localement connexe par arcs (III, p. 264, corollaire). L’application εE:λx(E)→E\varepsilon_E:\lambda_x(E)\rightarrow E qu’elle définit par passage aux composantes connexes par arcs est donc continue et ouverte. L’application εE∘(q∗)−1:λb(B)→E\varepsilon_E\circ (q_*)^{-1}:\lambda_b(B)\rightarrow E est bijective, continue et ouverte. Cela démontre que l’espace topologique λb(B)\lambda_b(B), muni de la topologie de la convergence compacte et de l’application terme, est un revêtement de B.

(iii)⇒(\Rightarrow (v). En effet, l’ensemble π1(B,b)\pi_1(B, b), muni de la topologie quotient de la topologie de la convergence compacte s’identifie à la fibre du B-espace λb(B)\lambda_b(B) de B en la classe du lacet constant en bb. Si λb(B)\lambda_b(B) est un revêtement de B, alors π1(B,b)\pi_1(B, b) est discret pour la topologie de la convergence compacte.

Supposons que ces assertions soient vérifiées. D’après ce qui précède, l’espace λb(B)\lambda_b(B) est alors un revêtement de B qui est simplement connexe par arcs, donc simplement connexe. L’espace pointé (λb(B),εb)(\lambda_b(B), \varepsilon_b) est par conséquent un revêtement universel de (B,b)(B, b) (I, p. 126, corollaire de la prop. 3) et le revêtement λb(B)\lambda_b(B) est un revêtement galoisien de B (I, p. 120, prop. 1). L’homomorphisme canonique h(λb(B),εb):π1(B,b)→h_{(\lambda_b(B),\varepsilon_b)}:\pi_1(B, b)\rightarrow AutB(λb(B))_B(\lambda_b(B)) est alors un isomorphisme (III, p. 306, prop. 5).

Remarque 1 020G

Soit B un espace délaçable connexe et soit bb un point de B. Il résulte du théorème 1, (iv), que toute opération du groupe π1(B,b)\pi_1(B, b) est admissible. Par suite, tout π1(B,b)\pi_1(B, b)-ensemble est isomorphe à un π1(B,b)\pi_1(B, b)-ensemble EbE_b, où E est un revêtement de B (III, p. 318, prop. 7). Rappelons aussi ( III, p. 310, prop. 2) que si E et E′E' sont des revêtements de B, l’application f↦fbf\mapsto f_b induit une bijection de l’ensemble des morphismes de B-espaces de E dans E′E' sur l’ensemble des morphismes de π1(B,b)\pi_1(B, b)-ensembles de EbE_b dans Eb′E'_b.

Dans le langage des catégories, on dit que le foncteur qui, à un revêtement E de B, associe la fibre EbE_b est une équivalence de catégories de la catégorie des revêtements de B dans la catégorie des π1(B,b)\pi_1(B, b)-ensembles.

Corollaire 1 020H

Soit B un espace topologique délaçable et soit bb un point de B. Soit E un revêtement connexe de B et soit xx un point de la fibre EbE_b. Les propriétés suivantes sont équivalentes :

(i) Le groupe π1(E,x)\pi_1(E, x) est trivial.

(ii) L’espace E est simplement connexe.

(iii) L’espace pointé (E,x)(E, x) est un revêtement universel de (B,b)(B, b).

L’implication (i)⇒\Rightarrow(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)⇒\Rightarrow(iii) sans aucune hypothèse (I, p. 126, corollaire).

Démontrons (iii)⇒\Rightarrow(i). D’après le théorème 1 de IV, p. 342, il existe un revêtement E′E' de B et un point x′x' de la fibre Eb′E'_b tel que le groupe π1(E′,x′)\pi_1(E', x') soit réduit à l’élément neutre. Sous l’hypothèse (iii), il existe un B-morphisme pointé f:(E,x)→(E′,x′)f: (E, x)\rightarrow (E', x'). Notons p:E→p: E\rightarrow B et p′:E′→Bp': E'\rightarrow B les projections des revêtements E et E′E'; on a p=p′∘fp=p'\circ f donc π1(p,x)=π1(p′,x′)∘π1(f,x)\pi_1(p, x) =\pi_1(p', x')\circ \pi_1(f, x). Comme le groupe π1(E′,x′)\pi_1(E', x') est trivial, l’homomorphisme injectif π1(p,x)\pi_1(p, x) a pour image l’élément neutre. Cela prouve que le groupe π1(E,x)\pi_1(E, x) est réduit à l’élément neutre.

Corollaire 2 020I

Soit B un espace topologique délaçable et soit bb un point de B. Soit (E,x)(E, x) un revêtement universel de l’espace pointé (B,b)(B, b). Pour tout revêtement E′E' de B et tout point x′x' de Eb′E'_b, l’unique B-morphisme f:E→E′f: E\rightarrow E' tel que f(x)=x′f(x) =x' fait de E un revêtement de E′E'. L’espace pointé (E,x)(E, x) est alors un revêtement universel de (E′,x′)(E', x').

D’après la prop. 7 de I, p. 81, l’espace E, muni de l’application ff, est un revêtement de E′E'. La dernière assertion résulte alors du corollaire 1.

Soit B un espace topologique délaçable et soient a,ba,b deux points de B. L’espace topologique quotient ϖa,b(B)\varpi_{a,b}(B) est homéomorphe à l’espace π1(B,a)\pi_1(B, a), 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 aa à bb est une partie ouverte de Λa,b(B)\Lambda_{a,b}(B). 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 Cc(I;B)\mathscr{C}_c(\mathbf{I}; B).

Supposons d’abord que l’espace B soit simplement connexe par arcs. Notons φ:Λ(B)→B×B\varphi : \Lambda (B)\rightarrow B\times B l’application qui, à un chemin cc dans B, associe le couple (c(0),c(1))(c(0), c(1)) 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 φ\varphi 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 =∅̸=\not\emptyset. Ce revêtement est surjectif car B est connexe (I, p. 74, prop. 4). Notons pp la projection du B-espace E et soit p~:Λ(E)→Λ(B)\widetilde{p}: \Lambda (E)\rightarrow \Lambda (B) l’application qui, à un chemin cc dans E, associe le chemin p∘cp\circ c. Muni de l’application p~\widetilde{p}, 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 p~\widetilde{p} de deux chemins strictement homotopes dans E (III, p. 302, prop. 4). Soit U une partie ouverte de l’espace Λ(B). L’ensemble (p~−1)(U)(\overset{-1}{\widetilde{p}})(U) est ouvert dans Λ(E) ; d’après la première partie de la

démonstration, l’ensemble U′U' saturé de (p~−1)(U)(\overset{-1}{\widetilde{p}})(U) pour la relation d’homotopie stricte est ouvert dans Λ(E). Comme Λ(E) est un revêtement de Λ(B), l’ensemble p~(U′)\widetilde{p}(U') est ouvert dans Λ(B). Cela prouve la proposition, car p~(U′)\widetilde{p}(U') 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 bb de B possède un voisinage V tel que l’espace pointé (V,b)(V, b) soit contractile (III, p. 234, exemple 3).

Proposition 5 020L

Un espace topologique localement contractile est délaçable.

Soit B un espace localement contractile. Soit bb un point de B et soit V un voisinage de bb tel que (V,b)(V, b) soit un espace pointé contractile. L’espace V est homéotope à un point, donc π1(V,b)={εb}(\pi_1(V, b) =\{\varepsilon_b\}(III, p. 296, corollaire 3).

Pour démontrer la proposition, il reste à démontrer que l’espace B est localement connexe par arcs. Soit σ:V×I→\sigma : V\times \mathbf{I}\rightarrow V une homotopie pointée en bb reliant l’application constante d’image bb à l’application IdV_V. Pour tout voisinage W de bb contenu dans V, l’ensemble σ(W×I)\sigma (W\times \mathbf{I}) est un voisinage de bb car il contient W=σ(W×{1})W =\sigma (W\times \{1\}), et il est connexe par arcs car pour tout (a,s)∈W×I(a, s)\in W\times \mathbf{I}, l’application t↦σ(a,ts)t\mapsto \sigma (a, ts) est un chemin reliant b=σ(a,0)b=\sigma (a,0) à σ(a,s)\sigma (a, s) dans σ(W×I)\sigma (W\times \mathbf{I}). Démontrons que les ensembles de la forme σ(W×I)\sigma (W\times \mathbf{I}) forment un système fondamental de voisinages de bb. Soit V′V' un voisinage ouvert de bb dans B; alors, σ−1(V′)\overset{-1}{\sigma}(V') est un voisinage ouvert de {b}×I\{b\} \times \mathbf{I} dans V×IV\times \mathbf{I}. Comme l’espace I\mathbf{I} est compact, la projection pr1:V×I→V_1: V\times \mathbf{I}\rightarrow V est propre (TG, I, p. 77, cor. 5) et pr1(∁σ−1(V′))_1(\complement \overset{-1}{\sigma}(V')) est une partie fermée de V ne contenant pas bb. Son complémentaire W est ainsi un voisinage ouvert de bb dans V tel que W×I⊂σ−1(V′)W\times \mathbf{I}\subset \overset{-1}{\sigma}(V'), d’où σ(W×I)⊂V′\sigma (W\times \mathbf{I})\subset V'.

Toute partie ouverte d’un espace numérique ou d’un espace projectif, réel ou complexe, à nn dimensions (cf. chapitres VI et VIII) est délaçable, de même que les sphères euclidiennes Sn\mathbf{S}_n (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 R\mathbf{R} est homéotope à un point (III, p. 234, exemple 4), donc simplement connexe par arcs (IV, p. 340). La surjection canonique pp de R\mathbf{R} sur T=R/Z\mathbf{T}=\mathbf{R}/\mathbf{Z} en fait un revêtement principal de groupe Z(\mathbf{Z}(I, p. 100, exemple 4). L’espace topologique T\mathbf{T} est délaçable et (R,0)(\mathbf{R},0) est un revêtement universel de (T,0)(\mathbf{T},0). On en déduit un isomorphisme canonique de groupes π1(T,0)→Z:\pi_1(\mathbf{T},0)\rightarrow \mathbf{Z}: il applique la classe du lacet t↦p(nt)t\mapsto p(nt) en 0 sur l’élément nn de Z\mathbf{Z}. Compte tenu de l’exemple 6 (I, p. 101), on en déduit la proposition suivante.

Proposition 6 020M

L’application p:x↦e2πixp:x\mapsto e^{2\pi ix} de R\mathbf{R} dans S1\mathbf{S}_1 fait de (R,0)(\mathbf{R},0) un revêtement universel de (S1,1)(\mathbf{S}_1,1). Le groupe π1(S1,1)\pi_1(\mathbf{S}_1,1) est isomorphe à Z\mathbf{Z}; la classe du lacet t↦e2πitt\mapsto e^{2\pi it} en est un générateur. Pour tout entier n>0n >0, l’application z↦znz\mapsto z^n fait de S1\mathbf{S}_1 un revêtement galoisien de groupe Z/nZ\mathbf{Z}/n\mathbf{Z} de S1\mathbf{S}_1. Tout revêtement connexe et non vide de S1\mathbf{S}_1 est isomorphe à l’un de ces revêtements.

Seule la dernière assertion reste à démontrer. La fibre E1E_1 en 1 d’un revêtement connexe et non vide E de S1\mathbf{S}_1 est munie d’une opération transitive du groupe π1(§1,1)\pi_1(§_1,1). Puisque les sous-groupes de Z\mathbf{Z} sont les ensembles nZn\mathbf{Z}, pour n⩾0n\geqslant 0, on constate que E1E_1 est isomorphe à l’un des ensembles homogènes associés aux revêtements décrits précédemment. Comme S1\mathbf{S}_1 est connexe et localement connexe par arcs, E est isomorphe à l’un de ces revêtements.

Corollaire 020N

L’application z↦ezz\mapsto e^z de C\mathbf{C} dans C∗\mathbf{C}^* fait de (C,0)(\mathbf{C},0) un revêtement universel de (C∗,1)(\mathbf{C}^*,1). Le groupe π1(C∗,1)\pi_1(\mathbf{C}^*,1) est isomorphe à Z\mathbf{Z}; la classe du lacet t↦e2πitt\mapsto e^{2\pi it} en est un générateur. Pour tout entier n>0n >0, l’application z↦znz\mapsto z^n fait de C∗\mathbf{C}^* un revêtement galoisien de groupe Z/nZ\mathbf{Z}/n\mathbf{Z} de C∗\mathbf{C}^*. Tout revêtement connexe et non vide de C∗\mathbf{C}^* est isomorphe à l’un de ces revêtements.

L’application z↦(∣z∣,z/∣z∣)z\mapsto (|z|, z/|z|) est un homéomorphisme de l’espace C∗\mathbf{C}^* sur l’espace R+∗×S1\mathbf{R}^*_+\times \mathbf{S}^1 (TG, VI, p. 10, prop. 3) ; en particulier, C∗\mathbf{C}^* est connexe par arcs. Comme l’application x↦exx\mapsto e^x de R\mathbf{R} dans R+∗\mathbf{R}_+^* est un homéomorphisme, il résulte de la proposition 6 que l’application (x,y)↦exe2πiy(x, y)\mapsto e^xe^{2\pi iy} fait de R2\mathbf{R}^2 un revêtement de C∗\mathbf{C}^*. En identifiant R2\mathbf{R}^2 à C\mathbf{C} par l’application (x,y)↦x+iy(x, y)\mapsto x+iy, on en conclut que l’espace C\mathbf{C}, muni de l’application z↦ezz\mapsto e^z, est un revêtement de C∗\mathbf{C}^*. Comme l’espace C\mathbf{C} est connexe et simplement connexe par arcs, le revêtement pointé (C,0)(\mathbf{C},0) est un revêtement universel de l’espace pointé (C∗,1)(\mathbf{C}^*,1).

Il découle aussi du corollaire, III, p. 297, que le groupe de Poincaré de C∗\mathbf{C}^* en 1 est isomorphe à Z\mathbf{Z} et que la classe γ\gamma du lacet t↦e2πitt\mapsto e^{2\pi it} en est un générateur.

Soit nn un entier >0>0. L’application x↦xnx\mapsto x^n de R+∗\mathbf{R}^*_+ dans lui-même est un homéomorphisme ; on en déduit comme précédemment que l’application z↦znz\mapsto z^n fait de C∗\mathbf{C}^* un revêtement de degré nn de C∗\mathbf{C}^*. Il est galoisien de groupe Z/nZ\mathbf{Z}/n\mathbf{Z}. La dernière assertion se démontre comme dans la preuve de la prop. 6.

Pour tout entier n⩾0n\geqslant 0, le tore (S1)n(\mathbf{S}_1)^n est un espace délaçable (IV, p. 341, prop. 1) et son groupe de Poincaré en tout point est isomorphe à Zn(\mathbf{Z}^n(III, p. 297, prop. 4).

Nous généraliserons ces résultats dans le paragraphe 3 consacré aux revêtements des groupes topologiques.

3) Espaces projectifs réels. — Soit nn un entier >0>0. Les espaces Sn\mathbf{S}_n et Pn(R)\mathbf{P}_n(\mathbf{R}) sont connexes, non vides et l’application canonique (TG, VI, p. 1313)φ:Sn→Pn(R)\varphi :\mathbf{S}_n\rightarrow \mathbf{P}_n(\mathbf{R}) fait de Sn\mathbf{S}_n un revêtement principal de Pn(R)\mathbf{P}_n(\mathbf{R}) de groupe {+1,−1}(\{+1,-1\}(I, p. 99, exemple 1). Pour n⩾2n\geqslant 2, la sphère Sn\mathbf{S}_n est simplement connexe (I, p. 127, exemple 3) et délaçable, donc simplement connexe par arcs (IV, p. 344, corollaire 1). Pour n=1n= 1, l’application z↦z2z\mapsto z^2 de S1\mathbf{S}_1 dans S1\mathbf{S}_1 définit une relation d’équivalence dans S1\mathbf{S}_1 dont les classes sont les couples de points opposés de S1\mathbf{S}_1. L’application φ:S1→P1(R)\varphi :\mathbf{S}_1\rightarrow \mathbf{P}_1(\mathbf{R}) définit par passage au quotient une bijection continue ψ:S1→P1(R)\psi :\mathbf{S}_1\rightarrow \mathbf{P}_1(\mathbf{R}) telle que ψ(z2)=φ(z)\psi (z^2) =\varphi (z). Comme S1\mathbf{S}_1 est un espace compact, l’application ψ\psi est un homéomorphisme (TG, I, p. 63, cor. 2).

Proposition 7 020O

L’application x↦φ(e2πix)x\mapsto \varphi (e^{2\pi ix}) de R\mathbf{R} sur P1(R)\mathbf{P}_1(\mathbf{R}) fait de (R,0)(\mathbf{R},0) un revêtement universel de (P1(R),φ(1))(\mathbf{P}_1(\mathbf{R}), \varphi (1)). Soit c:I→S1c:\mathbf{I}\rightarrow \mathbf{S}_1 le chemin t↦eπitt\mapsto e^{\pi it}; la classe de φ(c)\varphi (c) est un générateur du groupe π1(P1(R),φ(1))\pi_1(\mathbf{P}_1(\mathbf{R}), \varphi (1)) qui est isomorphe à Z\mathbf{Z}.

Pour tout entier n⩾n\geqslant 2 et tout point xx de Sn\mathbf{S}_n, l’application canonique φ:Sn→Pn(R)\varphi :\mathbf{S}_n\rightarrow \mathbf{P}_n(\mathbf{R}) fait de (Sn,x)(\mathbf{S}_n, x) un revêtement universel de (Pn(R),φ(x))(\mathbf{P}_n(\mathbf{R}), \varphi (x)). Pour tout chemin cc dans Sn\mathbf{S}_n reliant xx à −x-x, la classe de φ∘c\varphi \circ c engendre le groupe π1(Pn(R),φ(x))\pi_1(\mathbf{P}_n(\mathbf{R}), \varphi (x)) qui est isomorphe à Z/2Z\mathbf{Z}/2\mathbf{Z}.

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 pp la projection canonique de X sur X/GX/G.

Soit xx un point de X, soit KxK_x son fixateur dans G. Soit U1U_1 un voisinage de xx dans X ; il existe un voisinage U de xx dans X, stable par KxK_x et contenu dans U1U_1 tel que g⋅U∩U=∅g\cdot U\cap U =\emptyset si g∉Kxg\notin K_x et tel que l’application canonique pp induise un homéomorphisme de U/KxU/K_x sur un voisinage V de p(x)p(x) dans X/GX/G.

D’après la prop. 8 de TG, III, p. 32, il existe un voisinage U2U_2 de xx dans X, stable par KxK_x, tel que g⋅U2∩U2=∅g\cdot U_2\cap U_2=\emptyset si g∉Kxg\notin K_x et tel que l’application canonique pp induise un homéomorphisme de U2/KxU_2/K_x sur un voisinage de p(x)p(x) dans X/GX/G.

Comme l’application canonique U2→U2/KxU_2\rightarrow U_2/K_x est fermée (TG, III, p. 28, prop. 2), il existe un voisinage ouvert U de xx contenu dans U1∩U2U_1\cap U_2 qui est stable par Kx(K_x(I, p. 75, lemme). La relation d’équivalence dans U2U_2 définie par KxK_x 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 U/KxU/K_x sur un voisinage ouvert de p(x)p(x) dans X/GX/G, d’où le lemme.

Proposition 8 020Q

Soit X un espace topologique et soit G un groupe discret opérant proprement dans X. Notons pp la projection canonique de X sur X/GX/G.

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 π1(X,x)→π1(X/G,p(x))\pi_1(X, x)\rightarrow \pi_1(X/G, p(x)) est surjectif pour tout point xx de X. En particulier, X/GX/G est simplement connexe par arcs si X l’est.

b) Si l’espace X est délaçable, l’espace X/GX/G est délaçable.

a) L’ensemble N des éléments g∈Gg\in G pour lesquels il existe un chemin cg:I→Xc_g:\mathbf{I}\rightarrow X tel que cg(0)=x,cg(1)=g⋅xc_g(0) =x,c_g(1) =g\cdot x et tel que le lacet p∘cgp\circ c_g dans X/GX/G soit strictement homotope à un lacet constant est un sous-groupe de G. Si g∈Gg\in G et s’il existe un point yy de X tel que g⋅y=yg\cdot y=y, choisissons un chemin c:I→Xc:\mathbf{I}\rightarrow X reliant xx à yy; alors le chemin c′=c∗c'=c* (g⋅c)‾\overline{(g\cdot c)} vérifie c′(0)=x,c′(1)=g⋅xc'(0) =x,c'(1) =g\cdot x et [p∘c′]=[p∘c][p∘(g⋅c)]−1=ep(x)[p\circ c'] = [p\circ c][p\circ (g\cdot c)]^{-1}=e_{p(x)}, donc p∘c′p\circ c' 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 cc un lacet dans X/GX/G en p(x)p(x). D’après le théorème 4 de III, p. 287, il existe un chemin c~:I→X\widetilde{c}:\mathbf{I}\rightarrow X relevant cc tel que c~(0)=x\widetilde{c}(0) =x. Comme p(c~(1))=c(1)=p(x)p(\widetilde{c}(1)) =c(1) =p(x), il existe g∈Gg\in G tel que c~(1)=g⋅x\widetilde{c}(1) =g\cdot x. Choisissons un chemin cg:I→Xc_g:\mathbf{I}\rightarrow X reliant xx à g⋅xg\cdot x et tel que p∘cgp\circ c_g soit strictement homotope à un lacet constant. Alors, le chemin c′=c~∗cg‾c'=\widetilde{c}*\overline{c_g} est un lacet en xx dans X tel que [p∘c′]=[c][p\circ c'] = [c]. Cela montre que l’homomorphisme π1(X,x)→π1(X/G,p(x))\pi_1(X, x)\rightarrow \pi_1(X/G, p(x)) est surjectif. L’autre assertion en découle immédiatement.

Démontrons maintenant l’assertion b). L’espace X/GX/G est localement connexe par arcs (III, p. 261, prop. 8).

Soit xx un point de X et soit KxK_x son fixateur dans G. Soit U1U_1 un voisinage ouvert de xx, contenu dans U, tel que l’image de l’homomorphisme canonique π1(U1,x)→π1(X,x)\pi_1(U_1, x)\rightarrow \pi_1(X, x) soit réduite à l’élément neutre. D’après le lemme 1 (IV, p. 349), il existe un voisinage U de xx dans X, contenu dans U1U_1, stable par KxK_x, tel que g⋅U∩U=∅g\cdot U\cap U =\emptyset si g∉Kxg\notin K_x et tel que l’application canonique pp induise un homéomorphisme de U/KxU/K_x sur un voisinage V de p(x)p(x) dans X/GX/G.

Soit cc un lacet en xx dans V ; d’après le théorème 4 (III, p. 287), appliqué à l’espace topologique U et au groupe KxK_x, il existe un chemin c~:I→U\widetilde{c}:\mathbf{I}\rightarrow U tel que c~(0)=x\widetilde{c}(0) =x et qui relève cc. On a nécessairement c~(1)=x\widetilde{c}(1) =x, si bien que c~\widetilde{c} est un lacet en xx dans U. Par hypothèse, c~\widetilde{c} est strictement homotope à un lacet constant dans X ; par suite, il en est de même de cc et l’homomorphisme canonique π1(V,p(x))→π1(X/G,p(x))\pi_1(V, p(x))\rightarrow \pi_1(X/G, p(x)) est trivial. Cela démontre que X/GX/G est délaçable si X l’est.

5) Dans le plan euclidien R2\mathbf{R}^2, soit P l’espace topologique réunion des cercles de centre (1/n,0)(1/n,0) passant par l’origine (pour n∈N∗n\in \mathbf{N}^*). L’espace P est compact, connexe et localement connexe par arcs, mais n’est pas délaçable. Le groupe π1(P,0)\pi_1(P,0), 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 R\mathbf{R} 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.

Transcribed from the printed volume. Not translated.