Boule (topologie) — Wikipédia

En topologie, une boule est un type de voisinage particulier dans un espace métrique. Le nom évoque, à juste titre, la boule solide dans l'espace usuel à trois dimensions, mais la notion se généralise entre autres à des espaces de dimension plus grande (ou plus petite) ou encore de norme non euclidienne. Dans ce cas, une boule peut ne pas être « ronde » au sens usuel du terme.

Définition générale[modifier | modifier le code]

Dans l'espace usuel comme dans n'importe quel espace métrique  :

  • la boule fermée centrée en un point et de rayon réel est l'ensemble des points dont la distance à est inférieure ou égale à  :
 ;
  • la boule ouverte correspondante est l'ensemble des points dont la distance à est strictement inférieure à  :
.

Dans un espace vectoriel normé, la boule unité ouverte est la boule ouverte centrée à l'origine et de rayon 1 (de même, la boule unité fermée est la boule fermée ).

Les boules d'un plan euclidien sont aussi appelées des disques[1].

Remarque : la définition des boules peut être étendue aux espaces pseudométriques qui généralisent la notion d'espace métrique.

Trois exemples de boules de rayon 1 dans pour différentes normes.

Exemples dans un espace à deux dimensions[modifier | modifier le code]

Dans l'espace à deux dimensions , pour les trois normes qui suivent, les boules de rayon 1 correspondantes ont des formes différentes.

  • la norme 1 :
  • la norme euclidienne :
  • la norme « infinie » : N(x,y)=sup(x-y)
  • Propriétés
  • Une boule ouverte est toujours un ouvert de l'espace métrique dans lequel elle est définie. De même, une boule fermée est toujours un fermé[1].
  • Une boule ouverte de rayon strictement positif est d'intérieur non vide (puisque cet intérieur est la boule elle-même).
  • Toutes les boules d'un espace métrique sont des parties bornées.
  • Dans un espace vectoriel normé, toutes les boules ouvertes (resp. fermées) de rayons strictement positifs sont semblables par translation et homothétie, et toute boule est symétrique par rapport à son centre.
  • Dans un espace vectoriel normé réel ou complexe, les boules sont convexes[2].
  • Dans un espace vectoriel réel normé, l'intérieur d'une boule fermée est la boule ouverte de même centre et de même rayon, et l'adhérence d'une boule ouverte non vide est la boule fermée correspondante (par conséquent, la frontière d'une boule non vide est la sphère correspondante). Dans un espace métrique quelconque on a seulement :

Exemples de boules exotiques[modifier | modifier le code]

  • Dans l'espace réel à trois dimensions muni de la norme infini, les boules ont une forme cubique avec des faces perpendiculaires aux axes.
  • Dans un espace discret (muni de la distance discrète), toute partie (en particulier toute boule ouverte et toute boule fermée) est un ouvert-fermé.
  • Dans un espace muni d'une distance ultramétrique (comme l'anneau Zp des entiers p-adiques ou l'espace NN des suites d'entiers), les boules sont des ouverts-fermés, tout point d'une boule en est un centre et si deux boules se rencontrent, l'une est contenue dans l'autre.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Jacques Dixmier, Topologie générale, Presses universitaires de France, (ISBN 2-13-036647-3 et 978-2-13-036647-8, OCLC 417477300, lire en ligne), p. 10-11
  2. Laurent Schwartz, Analyse. I, Théorie des ensembles et topologie, Hermann, (ISBN 978-2-7056-6161-8 et 2-7056-6161-1, OCLC 439120175), p.134

Article connexe[modifier | modifier le code]