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Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Histoire des espaces comolets
dea
pi
PEI
hades
Résumé
RESUME. — C'est, semble-t-il, au Ve siècle avant notre ère qu'un Pythagoricien inconnu découvrit l'irrationalité de V2. Alors
commence la longue histoire de la completion de l'ensemble des nombres rationnels où l'on retrouve, entre autres, les noms
d'Euler, Bolzano, Cauchy, Méray, Heine, Cantor et Dedekind. L'étape suivante est la généralisation du critère de Cauchy aux
espaces métriques par Fréchet, leur completion par Hausdorff et l'introduction des espaces de Banach. Enfin on aboutit aux
espaces uniformes complets de Weil, aux espaces topologiques susceptibles d'être munis d'une structure uniforme d'espace
complet de Dieudonné et a la completion des espaces vectoriels topologiques localement convexes de Grothendieck.
Abstract
SUMMARY. — In the fifth century B.C., it is said, an unknown Pythagorean discovered the irrationality of 2. There begins the
long history of the completion of the rationale, to which are tied the names of Euler, Bolzano, Cauchy, Méray, Heine, Cantor,
Dedekind, and many others. The next chapter opens with Fréchets generalization of the Cauchy criterion for metric spaces,
Hausdorff's result on the completion of metric spaces, and the introduction of Banach spaces. This leads to the works of Weil, on
complete uniform spaces, of Dieudonné, on topological spaces which can receive a complete uniform space structure, and of
Grothendieck, on the completion of locally convex topological vector spaces.
Citer ce document / Cite this document :
DUGAC PIERRE. Histoire des espaces complets. In: Revue d'histoire des sciences. 1984, Tome 37 n°1. pp. 3-28.
doi : 10.3406/rhs.1984.1972
http Amww. persee. fr/weblrevuesihomeiprescript/article/rhs_0
0151-4105_1984_num_37_1_1972
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creative.
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Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)In: Revue d'histoire des sciences. 1984, Tome 37 n°1. pp. 3-28.
Résumé
RÉSUMÉ. — C'est, semble-t-il, au Ve siècle avant notre ère qu'un Pythagoricien inconnu découvrit l'irrationalité de √2. Alors
commence la longue histoire de la completion de l'ensemble des nombres rationnels où l'on retrouve, entre autres, les noms
d'Euler, Bolzano, Cauchy, Méray, Heine, Cantor et Dedekind. L'étape suivante est la généralisation du critère de Cauchy aux
espaces métriques par Fréchet, leur completion par Hausdorff et l'introduction des espaces de Banach. Enfin on aboutit aux
espaces uniformes complets de Weil, aux espaces topologiques susceptibles d'être munis d'une structure uniforme d'espace
complet de Dieudonné et à la completion des espaces vectoriels topologiques localement convexes de Grothendieck.
Abstract
SUMMARY. — In the fifth century B.C., it is said, an unknown Pythagorean discovered the irrationality of √2. There begins the
long history of the completion of the rationale, to which are tied the names of Euler, Bolzano, Cauchy, Méray, Heine, Cantor,
Dedekind, and many others. The next chapter opens with Frécheťs generalization of the Cauchy criterion for metric spaces,
Hausdorff's result on the completion of metric spaces, and the introduction of Banach spaces. This leads to the works of Weil, on
complete uniform spaces, of Dieudonné, on topological spaces which can receive a complete uniform space structure, and of
Grothendieck, on the completion of locally convex topological vector spaces.
Citer ce document / Cite this document :
DUGAC PIERRE. Histoire des espaces complets. In: Revue d'histoire des sciences. 1984, Tome 37 n°1. pp. 3-28.
doi : 10.3406/rhs.1984.1972
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/rhs_0151-4105_1984_num_37_1_1972
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Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)RÉSUMÉ. — C'est, semble-t-il, au ve siècle avant notre ère qu'un Pythagor
icien
inconnu découvrit l'irrationalité de д/2. Alors commence la longue histoire
de la completion de l'ensemble des nombres rationnels où l'on retrouve, entre
autres, les noms d'Euler, Bolzano, Cauchy, Méray, Heine, Cantor et Dedekind.
L'étape suivante est la généralisation du critère de Cauchy aux espaces métriques
par Fréchet, leur completion par Hausdorff et l'introduction des espaces de
Banach. Enfin on aboutit aux espaces uniformes complets de Weil, aux espaces
topologiques susceptibles d'être munis d'une structure uniforme d'espace complet
de Dieudonné et à la completion des espaces vectoriels topologiques localement
convexes de Grothendieck.
SUMMARY. — In the fifth century B.C., it is said, an unknown Pythagorean
discovered the irrationality of д/2. There begins the long history of the completion
of the rationale, to which are tied the names of Euler, Bolzano, Cauchy, Méray,
Heine, Cantor, Dedekind, and many others. The next chapter opens with Frécheťs
generalization of the Cauchy criterion for metric spaces, Hausdorff s result on the
completion of metric spaces, and the introduction of Banach spaces. This leads to
the works of Weil, on complete uniform spaces, of Dieudonné, on topological spaces
which can receive a complete uniform space structure, and of Grothendieck, on the
completion of locally convex topological vector spaces.
1. APPARITION DU CRITÈRE « DE CAUCHY »
Le critère « de Gauchy », qui conduira à la notion d'espace
complet, est le théorème central sur lequel repose toute l'analyse
classique. Rappelons son énoncé actuel concernant les suites de
nombres :
Pour qu'une suite (un) de nombres complexes ait une limite,
il faut et il suffit que, quel que soit e > 0, il existe un entier positif
N tel que m, n ^ N entraîne \un — um | ^ s.
Faisons d'abord quelques remarques sur les notations utilisées
dans cet énoncé et qui montrent le très long cheminement qui y
conduit.
Лео. ЯШ. ScL, 1984, хххуп/1
Pagina 4
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Les signes d'inégalités se trouvent déjà dans le livre Artis analylicae praxis de T. Harriot, paru en 1631, où cet auteur introduit
([1], 199) (1) les « signes de comparaison utilisés pour les suites ».
La notation un se trouve d'abord chez Lagrange, en 1759 ([2], 41),
sous la forme ym : « où les exposants des y dénotent leurs places »,
avant d'être fixée en 1800, sous la forme actuelle, dans le Traité
des différences et des séries de S. F. Lacroix ([37], 3).
Quant à la notation des valeurs absolues, elle fut introduite
par Weierstrass, et nous en avons trouvé la première trace, dans
un mémoire publié, lors de l'exposé de sa théorie des fonctions ana
lytiques
uniformes paru en 1877 ([3], 19).
C'est au cours du xive siècle que les mathématiciens commencent
à s'occuper des séries infinies, ce qui conduira à la recherche des
critères de convergence portant sur les termes de la série et à l'él
aboration
de la notion de limite. Notons que la difficulté de la
démonstration du critère « de Cauchy » provient de ce qu'il faut
conclure que la limite existe, sans la connaître explicitement. La
preuve exige une « construction » de la limite à partir de la suite
considérée. Cette preuve sous-entend la « construction » de l'e
nsemble
des nombres réels, un des moments essentiels de l'analyse
classique, et qui fut menée à bien dans les années 1860-1870.
Remarquons que déjà au xive siècle N. Oresme démontre de
la façon suivante que la série de terme général—, la série harmon
ique, n'est pas convergente. Il groupe les termes de la série har
monique
« par paquets » dont la somme est supérieure ou égale à ~ :
+
+
2n+1
2' " "
II en résulte que la somme de la série harmonique est supérieure
àn^i quel que soit n ; donc cette somme tend vers l'infini avec n
et la série n'est pas convergente.
Plus précisément, Oresme écrit dans ses Questiones super geo(1) Les chiffres entre crochets renvoient à la bibliographie ci-après, p. 26-28.
Pagina 5
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)metriam Euclidis ([4], 6) que la « somme » de la série est « infinie »,
parce que « les 3e et 4e termes ont une somme supérieure à ~, de
même les termes du 5e au 8e, et jusqu'au 16e, et ainsi à l'infini ».
1.1. Le critère d'Euler
Ce qui est important dans la démonstration d'Oresme, c'est,
d'une part, la mise en évidence que la condition nécessaire de
convergence de la série, à savoir que le terme général tend vers
zéro lorsque n tend vers l'infini, n'est pas suffisante, elle ne v carac
térise » pas complètement la convergence d'une série ; et, d'autre
part, elle contient implicitement le critère « de Cauchy », plus
précisément sa négation.
Le pas suivant, vers la formulation de ce critère, sera fait par
Euler, en 1740, dans son article De progressionibus harmonicis
observationes, où il énonce pour la première fois, de façon certes
incomplète, le critère « de Cauchy », un « principe » ([5], 88) lui
permettant de conclure que « la somme d'une série considérée est
finie ou infinie ». Euler n'envisage pas les séries divergentes dont
les sommes partielles sont bornées, sujet dont l'étude mathémat
ique
a été amorcée par d'Alembert en 1768 ([6], 134) et qui
aboutira au xixe siècle au théorème de Bolzano-Weierstrass.
Euler considère la « série »
' ' "
a' a + У a + 26' " ' *' a + (n — 1) b
à laquelle est associée la suite
Ощ~'а^'
с
£_,
£,
c
,
»
c
а + Ъ~*~ '" ^ a + {n — 1) b
(il suppose, implicitement, que a > 0, b > 0 et с > 0).
Il applique ensuite le critère « de Cauchy » à la différence
Sni — S< ; le nombre de termes étant (n — 1) i, cette différence
« sera plus
r
grande
°
» que
n
—
a -f-, {ni
, .—
— ,.
1) b,. « D'où l'on voit que
^
cette
somme est finie », c'est-à-dire que lorsque i tend vers l'infini cette
différence ne tend pas vers zéro. D'où Euler conclut que « la gérie
proposée » tend « vers l'infini lorsque n tend vers l'infini ».
Pagina 6
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)A. Pringsheim a déjà noté ([7], 252) que le critère d'Euler
n'est pas une condition suffisante de convergence, car la série
divergente
&
de terme général
ь
—
п Log
=
n le vérifie.
1.2. Le critère de Bolzano
C'est à Bolzano qu'on doit le premier énoncé précis du critère
fondamental de convergence, ainsi que la démonstration qu'un
ensemble infini borné de nombres réels conserve la propriété,
immédiate pour les ensembles finis, d'existence des bornes supé
rieure et inférieure. Ce dernier problème ouvre la voie à l'étude des
sous-ensembles infinis de la droite, donc aux raffinements de la
notion de limite. De plus, la démonstration de Bolzano de l'existence
de la borne supérieure, basée sur le procédé de dichotomie et d'em
boîtement
des intervalles, procédé conduisant à la topologie génér
ale, formera la base même de la rigueur weierstrassienne ([8], 95-99)
qui a permis une refonte des fondements de l'analyse.
C'est dans son mémoire sur le théorème des valeurs interméd
iaires, publié en 1817 — affirmant que toute fonction réelle
continue f définie sur un intervalle [a, b] prend toutes les valeurs
comprises entre f(a) et /"(&), — que Bolzano avait donné le meilleur
de son œuvre d'analyste. Bien que ce mémoire fût ignoré des mathé
maticiens
jusqu'à la redécouverte de Bolzano vers 1865, il constitue
un des pas essentiels vers l'arithmétisation de l'analyse.
Ce mémoire de Bolzano est remarquable, car il fournit le premier
énoncé précis du critère « de Cauchy », la première tentative pour
le démontrer, et une belle application de ce critère à la démonstrat
ion
de l'existence de la borne supérieure. A cette occasion Bolzano
élabore une chaîne de démonstrations d'une grande invention,
chaîne qui, une fois « construits » les nombres réels, assoira l'analyse
classique sur des bases solides.
Lorsque Bolzano aborde dans ce mémoire la théorie des séries,
il va considérer ([9], 148) les séries convergentes comme une sousclasse de la classe des séries dont toute somme partielle est bornée.
Bolzano est le premier à insister sur les séries divergentes « dont
la valeur, aussi loin qu'on veuille les prolonger, ne dépasse jamais
une certaine valeur ». On est ici sur le chemin qui conduira au théo
rème de Bolzano-Weierstrass.
Ce qui est particulièrement remarquable dans ce mémoire,
Pagina 7
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)c'est le premier énoncé dans l'histoire des mathématiques du cri
tère « de Cauchy ». Bolzano note ([9], 150) par Fa;, que nous écri
rons Fn(x), la somme des n premiers termes d'une série de fonctions,
et il démontre d'abord que le critère « de Cauchy » est une condition
nécessaire de la convergence d'une série. Bolzano tente ensuite
de démontrer la réciproque, c'est-à-dire que ce critère est aussi
une condition suffisante de convergence.
Mais cette démonstration n'est pas et ne pouvait être correcte.
Bolzano affirme ([9], 151) que l'hypothèse qu'il existe « une gran
deur X, dont s'approchent d'aussi près que l'on veut » les termes
de la suite (Fn(x)), « ne contient rien d'impossible : cela vient du
fait que cette hypothèse permet de déterminer cette grandeur
avec la précision que l'on voudra ». Ainsi, la démonstration de
l'existence de X se transforme en une démonstration de la poss
ibilité
d'approcher X, que rien par ailleurs n'assure exister, avec
une précision voulue d'avance. Or, tant que la théorie des nombres
réels n'était pas élaborée, il était impossible d'établir l'existence
de X. En effet, la démonstration de cette réciproque est basée,
par exemple, sur le théorème que tout nombre réel est limite d'une
suite de nombres rationnels. Par conséquent, tant qu'une théorie
rigoureuse des nombres réels n'existait pas, on ne pouvait pas
démontrer cette réciproque. Le cercle vicieux était inéluctable
aussi longtemps que les mathématiciens ne prirent pas clairement
conscience que, préalablement à la définition de la limite, il fallait
bien définir les objets auxquels cette définition était applicable,
à savoir l'ensemble des nombres réels. En tout état de cause, on
était loin de la notion d'un corps commutatif totalement ordonné
complet.
Vers 1835, Bolzano écrit la Théorie des grandeurs, vaste ten
tative,
restée inachevée, pour élaborer un traité englobant
l'ensemble des mathématiques de son temps. J. Berg a publié
en 1976 la partie qui concerne la Théorie des nombres pure de
Bolzano, où celui-ci expose sa théorie des nombres entiers, ration
nels
et irrationnels. C'est la première tentative menée avec esprit
de suite pour fonder la théorie des nombres réels sur une base pure
ment arithmétique, bien que cette théorie de Bolzano, basée sur
une méthode d'approximation (idée qu'il avait déjà avancée dans
son mémoire de 1817), ne soit pas rigoureuse.
Après avoir construit l'ensemble des nombres « mesurables »,
Pagina 8
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)à partir des nombres entiers, l'ensemble qui devait correspondre
à l'ensemble des nombres réels, Bolzano en déduit les théorèmes
de base de l'analyse. A ce propos, il est intéressant d'examiner sa
démonstration du critère « de Gauchy » ([10], 151-154). La façon
d'énoncer et de démontrer ce théorème montre que Bolzano avait
parfaitement compris l'enchaînement allant du critère « de Gauchy »
à la « construction » de l'ensemble des nombres réels. Ainsi, il consi
dère une suite de « nombres mesurables » (Xn) qui vérifie les hypo
thèses de ce critère et il conclut qu'il existe un « nombre mesurable » A
tel que lim X_ = A. Toutefois, dans sa démonstration, Bolzano
fait une hypothèse supplémentaire de monotonie de la suite (Xn)
qui l'amène à utiliser implicitement dans sa preuve le théorème
qu'une suite croissante majorée admet une limite, théorème qui
est une conséquence du critère « de Gauchy ».
1.3. Le critère de Cauchy
Dans son Cours d'analyse, publié en 1821 et qui ouvre la voie
à l'analyse moderne, Gauchy définit de la façon suivante la notion
de limite ([11], 19) :
« Lorsque les valeurs successivement attribuées à une même variable
s'approchent indéfiniment d'une valeur fixe, de manière à finir par
en différer aussi peu que l'on voudra, cette dernière est appelée la limite
de toutes les autres. Ainsi, par exemple, un nombre irrationnel est la limite
des fractions qui en fournissent des valeurs de plus en plus approchées. »
II est clair que, pour parler de la limite des nombres rationnels,
il est nécessaire qu'au préalable l'ensemble des nombres réels soit
défini, ce dont Gauchy, comme d'ailleurs tous les mathématiciens
de ce temps, n'avait pas pris conscience.
C'est le chapitre VI, « Des séries convergentes et divergentes »,
qui est parmi les plus importants de ce Cours d'analyse.
Cauchy introduit ([11], 115-116), d'une façon si naturelle
— après avoir codifié les notations actuelles — que son évidence
pour lui n'étonne pas, le critère « de Gauchy » de convergence
nécessaire et suffisante d'une série. Il n'y a rien à redire sur sa
démonstration de la condition nécessaire ; quant à la démonstrat
ion
de la condition suffisante, elle se réduit à l'affirmation :
« Réciproquement, lorsque ces diverses conditions sont remplies,
la convergence de la série est assurée. »
Pagina 9
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Mais ce livre de Cauchy a eu un immense écho dans les mathé
matiques
du xixe siècle, et, grâce à lui, ce critère allait devenir le
théorème central de l'analyse classique.
2. COMPLETION DE L'ENSEMBLE DES NOMBRES RATIONNELS
Nous allons voir qu'autour de l'année 1870 paraissent plusieurs
exposés sur la « construction » des nombres réels à partir de l'e
nsemble
des nombres rationnels, muni de la topologie usuelle définie
par la valeur absolue. Ces « constructions » sont le résultat de la
prise de conscience que l'analyse ne repose pas sur des bases
solides. La première tentative publiée et aboutie est celle de
Charles Méray.
2.1. Les limites « fictives » de Méray
C'est en 1868 et en 1869 que Méray publie deux mémoires,
fruit d'années de réflexion. Le premier, Remarques nouvelles sur
les points fondamentaux du calcul infinitésimal et sur la théorie de
développement des fonctions en séries ([12]), esquisse sa doctrine
d'analyse — qui est pour lui l'assise de toutes les mathématiques —
fondée sur le développement des fonctions en séries de Taylor. Le
second, Remarques sur la nature des quantités définies par la condi
tionde servir de limites à des variables données ([13]), fournit une
justification au premier en donnant une définition satisfaisante
des nombres irrationnels.
Dans son mémoire sur les nombres irrationnels, il indique
d'abord ([13], 280) que deux « principes » étaient à cette époque le
fondement essentiel de toutes les parties des mathématiques où
intervient la notion de limite. Le premier principe était qu'une
suite croissante majorée (resp. décroissante minorée) tend vers une
limite. Le second principe était qu'une suite de Cauchy tend vers
une limite. Méray écrit que « jusqu'à présent on a regardé ces pro
positions
comme des axiomes » et il ajoute ([13], 281) :
« Toutefois, en les examinant avec attention, j'ai reconnu qu'on peut
ramener la seconde à la première, dont le caractère d'évidence est plus
prononcé, et même finalement qu'il est possible de se passer de l'une et
de l'autre. En procédant de cette manière, on suit, il est vrai, une voie
détournée, mais elle est plus sûre, et on échappe à la nécessité d'introduire
dans le raisonnement la conception assez obscure de nombre incommens
urable.
Pagina 10
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Méray commence d'abord par démontrer ([13], 281-283) que si
l'on admet le premier « principe » — c'est-à-dire qu'une suite crois
sante majorée (resp. décroissante minorée) est convergente — alors
une suite de Cauchy est convergente. En fait, Méray démontre
pour la première fois en histoire des mathématiques, dans un texte
publié, le théorème de Bolzano-Weierstrass, à savoir que d'une
suite bornée on peut extraire une sous-suite convergente. Pour cela
11 démontre d'abord que la suite est bornée, puis qu'on peut extraire
de cette suite bornée soit une suite croissante majorée, soit une
suite décroissante minorée. Cette suite extraite converge donc vers
une limite /, et comme la suite considérée est une suite de Cauchy
elle converge donc aussi vers l.
Méray démontre donc que le théorème sur les suites monotones
entraîne le théorème sur les suites de Cauchy, et, comme la réc
iproque
est également vraie ([14], 230), il en résulte que les deux
« principes » considérés par Méray sont équivalents.
Il écrit ensuite ([13], 283) :
« Revenons au premier principe. Toute méthode propre à constater
l'existence d'une quantité remplissant des conditions déterminées repose
essentiellement sur quelque procédé à l'aide duquel on pourrait calculer
d'après les données la valeur même de cette inconnue. Or les notions four
nies par notre axiome sur la nature de la variable ne permettent pas à
elles seules à découvrir la valeur de sa limite ; donc elles ne suffisent pas
non plus à en établir l'existence. »
Mais, d'après Méray, ces énoncés « dissimulent des propriétés
spéciales des nombres proprement dits », et « il suffira de les en
extraire » pour tourner les obstacles rencontrés.
Soit alors ([13], 284) une « variable progressive », c'est-à-dire
une suite, v = (vn), n e N, vn étant un nombre rationnel, qui tend
vers un nombre rationnel V, alors v est une suite de Gauchy. Si
maintenant v est une suite de Cauchy, et s'il n'existe pas de nombre
rationnel vers lequel converge y, alors on dira qu'une telle suite
converge vers une « limite fictive ». L'introduction des « limites
fictives » va permettre à Méray de compléter l'ensemble des nombres
rationnels. En effet, il définit d'abord la notion de suites de Cauchy
de nombres rationnels « équivalentes », et il écrit immédiatement
qu'on voit que « deux variables équivalentes à une troisième le
sont entre elles ». Ainsi, il s'agit, comme on le dit aujourd'hui,
d'une relation d'équivalence. La définition de Méray des nombres
irrationnels va correspondre à un passage au quotient par cette
Pagina 11
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)relation d'équivalence (voir, pour un exposé moderne, [14],
p. 215-221). Effectivement, il note d'abord ([13], 285) que si deux
suites и et v ont des limites U et V qui sont des nombres rationnels,
et « si u, v sont équivalentes, U, V seront égales ». Si, au contraire,
u, v n'ont pas de limites rationnelles, « il y aura avantage » à dire
« qu'elles ont des limites égales, si elles sont équivalentes ». Enfin,
« un signe quelconque » désignera « commodément dans le langage
la limite fictive », et « le même signe » pourra représenter « toute
variable progressive équivalente à и ». Et Méray précise sa
pensée ([13], 287) :
a En résumé, à toute quantité dite incommensurable correspondent
une infinité de variables progressives (commensurables) convergentes,
dont l'équivalence peut s'exprimer en disant qu'elles ont pour limite
commune la quantité dont il s'agit. »
2.2. Les « symboles de nombres » de Heine-Cantor
E. Heine publie en 1872 Les éléments de la théorie des fonctions,
un écrit d'ensemble sur les fondements de l'analyse, donnant la
première démonstration correcte du théorème des valeurs interméd
iaires. Il écrit au début de son mémoire ([15], 172) :
« Le progrès de la théorie des fonctions est refréné essentiellement
par le fait que même certains théorèmes élémentaires, bien que démontrés
par le plus sagace des savants, sont toujours mis en doute, de sorte que
les résultats de recherche ne sont pas regardés partout comme corrects,
lorsqu'ils s'appuient sur ces théorèmes fondamentaux indispensables.
J'en trouve l'explication dans le fait qu'à la vérité les principes de Mons
ieur Weierslrass se sont seulement répandus dans de vastes cercles
— directement par ses leçons et autres communications orales, indirec
tement par des copies des cahiers contenant ces leçons — mais que ces
principes n'ont pas été publiés dans une version établie par lui-même ;
ainsi il n'existe nulle part d'endroit où on peut trouver les théorèmes
développés systématiquement. Mais la vérité de cette explication repose
sur le fait que les nombres irrationnels ne sont pas définis de façon complè
tement rigoureuse. »
Heine indique au début de son mémoire ([15], 173) que la théorie
des nombres irrationnels qu'il va développer est due à G. Cantor ;
cette théorie est, quant au fond, semblable à celle de Méray.
Heine introduit d'abord ([15], 174) la notion de suite « de
Gauchy » qu'il appelle « suite de nombres », puis celle de suites de
Cauchy équivalentes ([15], 175) qu'il désigne par suites de nombres
« égales ». Enfin, les « symboles de nombres » ([15], 176) sont
Pagina 12
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)les classes d'équivalence représentant les nombres irrationnels
« construits ».
Il donne ensuite ([15], 185-186), entre autres, une démonstration
rigoureuse du théorème des valeurs intermédiaires, ainsi que du
théorème qu'une fonction continue sur un intervalle fermé et borné
atteint ses bornes supérieure et inférieure ([15], 186-188).
Ce mémoire de Heine est également important pour la préhis
toire de la topologie générale, car la démonstration ([15], 188)
du théorème qu'une fonction réelle continue sur un intervalle
fermé et borné [a, b] est uniformément continue sur [a, b] utilise
le recouvrement de [a, 6] par un nombre fini de sous-intervalles,
procédé qui conduira à la notion d'ensemble compact.
2.3. Les « coupures » de Dedekind
En publiant en 1872 son livre Continuité et nombres irrationnels,
Dedekind fait connaître, en plus de ses idées sur les fondements
de l'analyse, une nouvelle théorie des nombres irrationnels.
Dès le début de sa préface ([16], 3), Dedekind précise que les
considérations qu'il va exposer datent de l'automne 1858, lorsque,
professeur à l'Ecole polytechnique de Zurich, il se trouva dans
l'obligation d'enseigner, pour la première fois, les éléments du
calcul différentiel. En effet ([17], 24), il fait pendant le semestre
d'hiver 1858-1859 un cours intitulé Première partie du calcul dif
férentiel
et intégral. C'est à cette occasion qu'il sentit « le manque
d'une base réellement scientifique de l'arithmétique ».
Le § 1 de son livre ([16], 5) a pour titre « Propriétés des nombres
rationnels ». Dedekind suppose construite l'arithmétique des
nombres rationnels. Il trace ([16], 6) un rapide panorama du déve
loppement
de l'arithmétique qui aboutit, après la « création » des
nombres entiers négatifs et des entiers rationnels, à l'ensemble des
nombres rationnels possédant la propriété de stabilité pour les
quatre opérations élémentaires de l'arithmétique, propriété que
Dedekind venait de donner comme caractéristique de la notion de
« corps », introduite par lui dans la deuxième édition des Leçons
sur la théorie des nombres de Dirichlet ([17], 32).
Cet ensemble des nombres rationnels possède en particulier
la propriété suivante ([16], 7) :
Si a est un nombre rationnel, alors on peut partager l'ensemble
des nombres rationnels en deux classes Ax et A2 de façon que, quel
Pagina 13
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)que soit Oj e Av on ait ax< a et, quel que soit a2 e A2, on ait
a2> a; le nombre a pouvant appartenir à volonté à A, ou à A2.
Remarquons que cette définition de la coupure dans l'ensemble
des nombres rationnels, faisant intervenir une partition de cet
ensemble en deux sous-ensembles, base la définition dedekindienne
des nombres sur la notion même d'ensemble.
Dans le § 3, « Continuité de la droite », Dedekind rappelle ([16], 9)
que déjà les Grecs connaissaient une infinité de points de la droite
qui ne correspondent à aucun nombre rationnel. Ainsi la droite
est « infiniment plus riche en points que le domaine des nombres
rationnels en nombres » ; et, pour Dedekind, c'est cette « complétude » de la droite qui est à l'origine de la création de nouveaux
nombres, afin que le domaine des nombres ait « la même continuité
que la droite ».
Refusant de suivre des méthodes étrangères à l'arithmétique
([16], 10), Dedekind va s'inspirer de ce qui a été déjà fait lors de
l'introduction des nombres entiers négatifs et des nombres rationn
els,« libres créations » de l'esprit humain. Ainsi, comme pour
définir les nombres entiers négatifs et les nombres rationnels, on
ne fait intervenir que les nombres entiers positifs, de même il faut
que les nombres irrationnels puissent être entièrement définis en
ne faisant appel qu'aux nombres rationnels.
Or, la comparaison entre l'ensemble des nombres rationnels et
la droite fait ressortir la continuité de cette dernière, et Dedekind
se pose alors la question fondamentale : « En quoi consiste en défi
nitive
cette continuité ? » La réponse, selon Dedekind, permettra
de trouver une base scientifique « à l'étude de tous les domaines
continus ».
Dedekind indique que c'est seulement après de longues réflexions
qu'il « trouva finalement ce qu'il avait cherché », c'est que l'essence
de la continuité réside dans l'axiome suivant :
« Si l'on partage tous les points de la droite en deux classes, de façon
que tout point de la première classe se trouve à gauche de tout point de
la seconde, alors il existe un point, et un seul, qui engendre cette division
de tous les points en deux classes, cette coupure de la droite en deux parties. »
Le § 4 ([16], 11) est intitulé « Création des nombres irrationnels ».
Ainsi, nous sommes avertis, par avance, qu'il s'agira de « créer »
ces nombres.
Soit maintenant un partage quelconque de l'ensemble des
Pagina 14
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)nombres rationnels en deux classes A1 et A2 tel que tout nombre аг
de Aj soit plus petit que tout nombre de A2, alors on dira qu'un tel
partage est une « coupure », que l'on désignera par (A1} A2). Ainsi,
on pourra dire qu'un nombre rationnel engendre une coupure, et
cette coupure possède la propriété : ou bien Ax a le plus grand
élément, ou bien A2 a le plus petit élément ; et, réciproquement
([16], 12), si une coupure possède cette propriété, elle est engendrée
par le plus grand élément de Ax ou le plus petit élément de A2.
Dedekind donne ensuite l'exemple d'une infinité de coupures
qui ne sont pas engendrées par des nombres rationnels. Pour lui
([16], 13), c'est dans ce fait — que toutes les coupures ne sont pas
engendrées par des nombres rationnels — que réside Г « incomplétude » ou la « discontinuité » du domaine des nombres rationnels,
et il écrit :
« Maintenant, chaque fois qu'il existe une coupure (A1? A2) qui n'est
pas engendrée par un nombre rationnel, nous créons ainsi un nouveau
nombre, un nombre irrationnel a que nous considérons comme entièr
ementdéfini par cette coupure (A1? A2) ; nous dirons que le nombre a
correspond à cette coupure ou qu'il engendre cette coupure. »
Nous sommes ici au cœur de la conception dedekindienne des
nombres irrationnels, et ce passage témoigne, à notre avis, de l'idée
qu'il avait que l'ensemble des nombres réels n'est défini qu'à un
isomorphisme près.
Dans le § 5, « Continuité du domaine des nombres réels »
([16], 16), Dedekind précise que l'ensemble des nombres réels
« construit » R possède la propriété suivante :
Si a e R, alors on peut partager l'ensemble R en deux classes Aj
et A2 telles que, quel que soit ax g Aa, on a ax < a et, quel que
soit a2 g A2, on a a2 > a. Pour a lui-même, a = sup Аг = inf A2,
on peut avoir soit a e A1? soit a e A2 ; et on dira que cette par
tition
sera « engendrée par a ».
Dedekind démontre ensuite ([16], 17) que l'ensemble des nombres
réels « construit » possède aussi la propriété de continuité, c'est-àdire que l'on a le théorème suivant :
Si on partage l'ensemble R en deux classes Aj et A2 de façon
que, quel que soit аг e Ax et quel que soit a2 e A2, on a аг< а2,
alors il existe un nombre a unique qui engendre cette partition.
Le dernier paragraphe du livre est intitulé « Analyse infinit
ésimale » ([16], 20), ce qui indique clairement que Dedekind, une
fois construite sa théorie des nombres réels, va l'utiliser pour éla-
Pagina 15
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)borer les fondements de l'analyse. Dans ce dernier paragraphe,
Dedekind a l'intention de faire la lumière sur la liaison qui existe
entre les « considérations précédentes et certains théorèmes fo
ndamentaux
de l'analyse infinitésimale ». Il commence d'abord
par donner une définition de la limite, et note que le théorème
que toute suite croissante majorée (resp. décroissante minorée)
admet une limite est équivalent au « principe de continuité », énoncé
précédemment. Toutefois c'est seulement dans un manuscrit de 1882
que Dedekind donne ([17], 201) la démonstration — utilisant le
coupures — du théorème que tout ensemble borné des nombres
réels admet une borne supérieure et une borne inférieure. Ce théo
rème entraîné immédiatement ([14], 230) le théorème précédent
sur les suites monotones. Notons que nous avons déjà remarqué
dans 2. 1 que ce théorème sur les suites monotones a comme consé
quence le critère de Gauchy. Il en résulte, en particulier, que la
théorie de Dedekind des nombres réels est équivalente à celle de
Méray-Heine-Cantor.
La correspondance que Dedekind a eue en 1876 à propos de sa
théorie des nombres irrationnels avec R. Lipschitz est importante
du point de vue où nous nous sommes placés ici, car Dedekind
y insiste beaucoup sur la notion de completion.
Dedekind résume ainsi sa théorie des nombres réels dans sa
lettre du 10 juin 1876 ([18], 471) : supposant construit l'ensemble
des nombres rationnels, on peut, sans y introduire d'éléments étran
gers, le compléter grâce à la notion de coupure. L'ensemble R ainsi
obtenu possède la propriété d'être « continu ». Répondant aux
objections de Lipschitz ([18], 473-474) qu'on peut déjà trouver
dans les Eléments d'Euclide une bonne théorie des nombres irra
tionnels,
Dedekind affirme que dans le cinquième livre des Eléments
— que cite Lipschitz — on ne trouve rien qui permette de conclure
qu'il existe un domaine de grandeurs « plus complet » que celui
correspondant aux grandeurs rationnelles. Se rapportant alors au
livre X des Eléments, où l'on considère les grandeurs « incommens
urables
», Dedekind fait alors l'objection essentielle à la théorie
d'Eudoxe — exposée dans ce dixième livre — ainsi qu'à celles de
ses successeurs : c'est qu'en complétant l'ensemble des nombres
rationnels ils ne mentionnent jamais la « fermeture » de cette
completion, à savoir la notion d'un domaine de grandeurs « conti
nues » tel que si l'on partage l'ensemble de ces grandeurs en deux
classes de façon que toute grandeur de la première soit plus petite
Pagina 16
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)que toute grandeur de la seconde, alors il « existe » ou bien dans la
première classe une grandeur qui est la plus grande, ou bien dans
la seconde une grandeur qui est la plus petite. Si cette propriété
n'est pas incluse « explicitement » dans le concept du domaine des
grandeurs, il reste incomplet, et il est « impossible » de définir dans
un tel domaine toutes les opérations arithmétiques.
3. ESPACES COMPLETS
3.1. Fréchet et la « généralisation du théorème de Cauchy »
C'est Maurice Fréchet, créateur de la topologie générale, qui
va introduire la notion d'espace complet dans sa thèse Sur quelques
points du calcul fonctionnel, publiée en 1906.
Fréchet considère ([19], 1) pour la première fois « un ensemble E
d'éléments de nature quelconque », et il pose ([19], 2) très clairement
le problème central de la « topologie générale », à savoir la générali
sationde la notion de fonction continue :
« Si on veut l'étendre à des opérations dont la variable soit un élément
de nature quelconque, il faut savoir ce que l'on doit entendre par éléments
voisins ou par limite d'une suite d'éléments. »
II est très intéressant de noter comment Fréchet a « tourné
cette difficulté » (ce qui montre encore la solidarité de toutes les
parties des mathématiques) : par « une méthode analogue à celle
qui permet dans la théorie des groupes abstraits de raisonner sur
un mode de composition non défini explicitement ». Ainsi, il
remarque que beaucoup de définitions classiques de la limite
peuvent se traduire comme suit :
« Pour la catégorie d'éléments considérés, on peut faire correspondre
à tout couple d'éléments A, В un nombre (A, В) ^ О ayant des propriétés
très analogues à celles de la distance de deux points, et tel que : 1° В coïncide
avec A si (A, B) = 0 et 2° В tend vers A si (A, B) tend vers zéro. En adop
tant cette hypothèse moins générale, mais cependant très étendue, on
obtient des résultats plus précis et plus nombreux.
« La voie que nous venons d'indiquer nous a conduit à la généralisation
de presque tous les théorèmes sur les ensembles linéaires et sur les fonctions
continues (du moins de ceux qu'on peut énoncer d'une manière indépendante
de la nature des éléments que l'on considère). »
Pour généraliser la notion de limite dans les « ensembles
abstraits », Fréchet analyse le développement des notions de groupe
et de loi de composition sur des cas particuliers et il écrit ([19], 5) :
Pagina 17
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)« On ne peut arriver à une théorie commune qu'en s'abslenant de donner
une définition générale de ce mode de composition, mais en recherchant
les conditions communes aux définitions particulières et en ne retenant
que celles qui étaient indépendantes de la nature des éléments considérés. »
Fréchet examine ensuite les diverses définitions classiques de
la limite et dégage ([19], 5-6) les deux propriétés suivantes qui vont
caractériser la classe (L) d'éléments de nature quelconque :
« I) Si chacun des éléments de la suite infinie A^Aa, ...,An, ...
est identique à un même élément A, la suite a certainement une limite qui
est A.
« II) Si une suite infinie Ax, A2, . . . , Ал, ... a une limite A, toute suite
d'éléments de la première pris dans le même ordre : Ani, АЯа, . . . , An , ...
(les nombres entiers nx,n2, . . ., np, ... iront donc en croissant) a une
limite qui est aussi A. »
Mais ces classes (L) sont trop générales et on ne peut pas « leur
étendre un grand nombre des propriétés des ensembles linéaires »
([19], 17). C'est pourquoi il faut leur imposer « de nouvelles restric
tions», et cela de façon à vérifier les conditions suivantes :
« 1° Ces restrictions devraient pouvoir s'énoncer indépendamment
de la nature des éléments considérés ; 2° Elles devraient être satisfaites
par les classes d'éléments qui interviennent le plus fréquemment dans
les applications ; 3° Elles devraient fournir la généralisation cherchée
des théorèmes sur les ensembles linéaires et les fonctions continues. »
Fréchet introduit alors les classes (V) telles que, si A et В sont
deux éléments de nature quelconque de la classe, on puisse leur
faire correspondre un nombre (A, B) = (B, A) > 0, jouissant des
propriétés suivantes ([19], 18) :
« 1° La condition nécessaire et suffisante pour que (A, B) soit nul est
que A et В soient identiques ; 2° II existe une fonction positive bien déter
minée f(e) tendant vers zéro avec s, telle que les inégalités (A, B) < e,
(В, С) < e entraînent (A, C) < /(e), quels que soient les éléments A, В, С
Autrement dit, il suffit que (A, B) et (B, C) soient petits pour qu'il en
soit de même de (A, G). Nous appellerons voisinage de A et В le
nombre (A, B). »
C'est Fréchet qui introduit la notion d'espace complet telle
que nous la connaissons aujourd'hui, en la définissant pour les
classes (V) ([19], 23) :
« Nous dirons alors qu'une classe (V) admet une généralisation du
théorème de Cauchy si toute suite d'éléments de cette classe, qui satisfait aux
conditions de Cauchy, à un élément limite. »
Pagina 18
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Un autre mérite important de Fréchet est l'introduction de la
notion d'espace métrique. En effet, il définit ([19], 30) la notion
ď « écart », c'est-à-dire de distance, en faisant « correspondre à tout
couple d'éléments A, В un nombre (A, В) ^ О » vérifiant les
propriétés suivantes :
« a) L'écart (A, B) n'est nul que si A et В sont identiques ; b) Si A, В, С,
sont trois éléments quelconques, on a toujours (A, B) < (A, G) -J- (G, B). »
II démontre ensuite que l'écart est un voisinage, c'est-à-dire que
« toute classe (E) est une classe (V) » (les classes (E) étant définies
par la donnée d'un écart sur elles).
Fréchet va ouvrir avec sa thèse une nouvelle époque en analyse,
caractérisée par un foisonnement d'espaces nouveaux et par la
recherche des propriétés caractéristiques de ces espaces conduisant
à des « structures » à la fois assez souples et assez riches pour
répondre aux applications les plus importantes en analyse.
3 . 2. Hausdorff et les espaces « complets »
C'est dans son livre sur les Eléments de la théorie des ensembles,
publié en 1914, que Hausdorff développe une théorie qui formera
la base de toutes les mathématiques où intervient la notion de
limite et ses généralisations.
Hausdorff y introduit ([20], 213), pour la première fois, le mot
« espace topologique », espace topologique séparé ou espace « de
Hausdorff », qu'il définit de la façon suivante :
« Un espace topologique est un ensemble E dont les éléments (points) x
sont associés à des sous-ensembles Ux, appelés voisinages, vérifiant les
axiomes de voisinages suivants :
« (A) A tout point x correspond au moins un voisinage Ux ; tout voi
sinage
Ux contient le point x.
« (B) Si Ux, Vj,. sont deux voisinages du même point x, alors il existe
un voisinage W^ qui est sous-ensemble des deux.
« (G) Si le point y appartient à Ц„, alors il existe un voisinage Utf qui
est sous-ensemble de \]я.
« (D) Pour deux points distincts x, y, il existe deux voisinages Us, Uw
dont l'intersection est vide. »
Hausdorff définit également ([20], 211) la notion d'espace
métrique : « Un ensemble E est un espace métrique si à deux éléments
(points) quelconques x, y on fait correspondre un nombre non
négatif, leur distance » d(x, y) (nous employons ici la notation
Pagina 19
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)actuelle), de sorte que les « axiomes de distance » soient vérifiés. A
savoir : (a) (« axiome de symétrie ») on a toujours d(x, y) = d(y, x) ;
(P) (« axiome de coïncidence ») on a d(x, y) = 0 si, et seulement si,
x = y ; (y) (« axiome triangulaire ») on a toujours
d(x, z) š d{x, y) + <%, z).
Hausdorff définit ensuite ([20], 315) le concept d'espace métrique
« complet » : c'est un espace métrique dans lequel toute suite fonda
mentale converge, une suite « fondamentale » étant une suite « de
Cauchy ». Il rappelle que Fréchet a nommé un tel espace une
« classe » qui « admet une généralisation du théorème de Gauchy ».
Hausdorff démontre ([20], 315-316) dans son livre que tout
espace métrique E peut se « prolonger » en un espace métrique
« complet » E, et cela par une méthode analogue à celle de G. Cantor
et G. Méray pour construire l'ensemble des nombres réels : E étant
l'ensemble des suites de Cauchy de E.
Il démontre d'abord que si a = {ax , a2 , . . . , an , . . . )
et ,
P = (blf 62, . . ., bn, . . .) sont deux suites de Cauchy, alors la
suite des distances (pn = d(ani bn)) est aussi une suite de Gauchy
de nombres réels. D'où, en utilisant le critère de Cauchy pour les
nombres réels, il en résulte que lim pn est un nombre réel, et, par
définition, ce nombre sera d(a, (3).
Soient maintenant trois suites de Cauchy a, (3, y> alors on a
d(a, y) < d(a, (3) + d(p, y)Pour que l'axiome de « coïncidence » soit vérifié, il faut consi
dérer que, dans E, a = (3 si d(a, (3) = 0.
En identifiant la suite {a, a, . . . , a, . . . ) avec a, l'ensemble E
devient un sous-ensemble de E.
Hausdorff montre ensuite que E est dense dans E, et si on
appelle une suite d'éléments de E « séquence », alors, si les an
forment dans E une suite de Cauchy a, les suites constantes
[an,an, . . . , an , . . . ) formeront dans E une séquence convergente
de limite a.
Il prouve ensuite que E est complet, en notant d'abord que
si l'on a deux séquences oij , <x2, . . . , an , . . . et ^ , p2, . . . , pn , . . .
telles que lim d(an, (3n) = 0, alors si l'une est une séquence de
Cauchy l'autre l'est également.
Soit maintenant 04 , . . . , <xn , ... une séquence de Cauchy de E,
comme E est dense dans E, on peut associer à toute ocn une suite
Pagina 20
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)constante (xn) telle que
d(a„, (xn)) < — .
Donc les suites cons
tantes
(xn) forment également une séquence de Cauchy dans E.
Il en résulte que les xn forment dans E une suite de Cauchy
l = (ж, , . . . , xn , . . . ). Or Jùmjfc, (xn)) = 0, d'où Jm^dfë, <xn) = 0,
c'est-à-dire que la séquence de Cauchy
vers £ e E.
ocj , . . . , <xn , ...
converge
3.3. Banach et les espaces vectoriels normes complets
Dans sa thèse de 1920, publiée en 1922, S. Banach développe
la théorie des espaces vectoriels normes complets. Il commence
([21], 135) par définir axiomatiquement la notion d'espace vectoriel
et introduit ensuite le concept d'espace vectoriel norme complet,
où il utilise la notation déjà employée par F. Riesz, en 1918, dans
son article Sur les équations fonctionnelles linéaires ([22], 72) :
« II existe une opération appelée norme (nous la désignerons par le
symbole ||X||), définie dans le champ E, ayant pour contre-domaine
l'ensemble des nombres réels et satisfaisant aux conditions suivantes :
I|X||^O,
||a.X||=
1 1 X 1 1 = 0 équivaut
|a
à
X = 0,
« Si 1° (X_) est une suite d'éléments de E, 2° fPlim
w*m 00 1 1 Xr — X_ || = 0,
il existe un élément X tel que
lim 1 1 X — Xn 1 1 = 0. »
S. Banach publie, en 1932, son livre sur la Théorie des opérations
linéaires ([23]), le livre de chevet de toute une génération de mathém
aticiens.
Banach introduit ([23], 53) les mots « espace vectoriel
norme » et « espaces de type (B) » qui sont des espaces vectoriels
normes complets et qu'on désigne aujourd'hui par « espaces de
Banach ».
4. ESPACES UNIFORMES
4.1. André Weil et les espaces uniformes
A. Weil introduit en 1936 la notion d'espace uniforme dans sa
note Les recouvrements des espaces topologiques : espaces complets,
espaces bicompacts ([24]) ; le mot « bicompact », utilisé avant 1940,
Pagina 21
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)a été remplacé, dans la terminologie bourbachique, par « compact »
— toutefois l'espace considéré n'était pas nécessairement séparé.
La théorie de Weil, comme l'ont remarqué A. Weil lui-même
([24], 1004) et L. M. Graves ([25], 61), contient comme cas parti
culiers plusieurs conceptions qui ont été développées entre 1923
et 1935 ; en particulier, celle des espaces vectoriels topologiques
localement convexes exposée par J. von Neumann, en 1935, dans
son article Sur les espaces iopologiques complets. Dans l'introduction
à son mémoire, J. von Neumann note ([26], 1) que la notion de
« completion » implique « une certaine « uniformité de la topologie »
de l'espace », et que les espaces vectoriels topologiques « offrent
une possibilité ď « uniformisation » pour leur topologie : à cause
de leur homogénéité, tout peut être discuté au voisinage de 0 ».
A. Weil a développé la théorie des espaces uniformes dans son
livre Sur les espaces à structure uniforme et sur la topologie générale,
paru en 1937. Dans son introduction, Weil « s'explique mal »
([27], 147) que la notion de distance joue a un pareil rôle dans une
branche des mathématiques où elle n'est, à proprement parler,
qu'une intruse ». Cela est dû à l'emploi du dénombrable, « malfai
sant
parasite qui infeste tant de livres et de mémoires dont il affaiblit
la portée tout en nuisant à une claire compréhension des phéno
mènes ». Mais, « lorsqu'on quitte le dénombrable, il n'est plus lég
itime de faire des notions de suite et de limite l'outil essentiel, et
on doit les remplacer par d'autres dont le champ d'action soit
moins restreint. A plus forte raison faudra-t-il abandonner la
notion de distance ». Or, beaucoup de propriétés des espaces
métriques « ont une origine commune, qui est simplement la poss
ibilité
de comparer entre eux les voisinages donnés en tous les
points de l'espace ».
Les commentaires d'André Weil dans ses Œuvres scientifiques
sont très précieux pour éclairer le développement de la topologie
générale. En effet, il écrit ([28], 537-538) que, « déjà depuis 1934,
le projet se dessinait des Eléments de mathématiques auxquels Nicolas
Bourbaki allait donner son nom bientôt prestigieux », et il ajoute :
« La nécessité apparut immédiatement de mettre au point, pour ces
Eléments, un exposé de topologie générale qui ne retînt, du fatras de
notions disparates dont on disposait alors en ce domaine, qu'un minimum
de principes vraiment utiles. Il devenait visible en particulier que les
premiers essais d'axiomatisation de la topologie générale avaient attribué
une importance excessive à la notion traditionnelle de limite. »
Pagina 22
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Le temps était aussi venu « d'élargir de même les notions d'uni
formité,
de completion, d'espace complet ». Ainsi, « vers 1936 »,
les membres du groupe Bourbaki, dont André Weil, « s'étaient mis
d'accord pour adopter la notion de structure, et celle d'isomorphisme
qui lui est liée, comme principe fondamental de classification des
théories mathématiques » ; et Weil précise :
« Je pensai faire œuvre utile en introduisant en topologie générale une
nouvelle structure, dite « uniforme », plus précise que la simple structure
topologique, et tout juste suffisante pour servir de support à la construc
tion
d'espaces complets. »
Quant au dénombrable, le « malfaisant parasite », A. Weil
écrit ([28], 540) :
« Avec le recul que donnent les quarante dernières années, on sourira
sans doute du zèle que j'apportais alors à l'expulsion du dénombrable ;
chassé par la porte, il a fini par rentrer par la fenêtre. »
Dans son livre Sur les espaces à structure uniforme, Weil consi
dère ([27], 148) les espaces uniformes « qui sont ceux où la notion
de continuité uniforme a un sens : on a là une structure, beaucoup
plus faible qu'une structure métrique, mais plus forte qu'une
structure topologique ».
Il donne ensuite une définition d'un espace topologique, telle
que N. Bourbaki venait de l'adopter, c'est-à-dire un ensemble
« où se trouve donnée une famille de sous-ensembles, dits ensembles
ouverts », vérifiant les axiomes : toute réunion d'ensembles ouverts
est un ensemble ouvert ; toute intersection finie d'ensembles ouverts
est un ensemble ouvert. (Notons qu'en 1935 Alexandrov et Hopf
appellent ([29], 26) un ensemble « ouvert », si « son complémentaire
est fermé » ; le concept d'ensemble fermé pour les espaces euclidiens
de dimension finie a été introduit par G. Cantor.)
Puis A. Weil introduit ([27], 150-151) la notion de « système
uniforme de voisinages », défini de la façon suivante :
« On dira que dans un ensemble E on a défini un système uniforme de
voisinages si l'on a fait correspondre à tout a pris dans un certain ensemble
(non vide) d'indices, et à tout élément p de E, un sous-ensemble Va(p)
de E, qui sera dit le voisinage de p ď indice a, et si les axiomes que voici
sont satisfaits :
« (их) Quels que soient p et l'indice a, on a p eVa(p); quels que
soient p, q distincts dans E, il y a un indice a tel que q $ Va(p).
« (Un) Quels que soient les indices a, p, il y a un indice y tel que
V() <ïuel 4ue soit P-
Pagina 23
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)« {Uni) A tout indice a on peut faire correspondre un indice (3 tel
que les deux relations p e Vp(r), q e Vp(r) entraînent q e Va(p). »
Si (E, d) est un espace métrique, alors les boules ouvertes de
centre p et de rayon a forment un système uniforme de voisi
nages (Ve(p)).
A Weil reformule ensuite les définitions précédentes, en se
plaçant dans l'ensemble E2 = E x E :
« Tout sous-ensemble С de E2 définit une correspondance entre él
éments
de E : G étant donné, on fera correspondre à tout élément p de E
tous les éléments q de E tels que (p, q) soit dans G ; l'ensemble de ces
éléments q sera noté G(p), et plus généralement, si A est un sous-ensemble
quelconque de E, l'ensemble des points q qui correspondent aux points p
sera noté C(A) : c'est la réunion des G(p) quand p décrit A. Nous noterons
par A l'ensemble de tous les éléments (p, p) de E2. »
Si maintenant С et D sont deux sous-ensembles de E2, il désigne
par CD
« l'ensemble tel que l'on ait, quel que soit p, GD(p) = G[D(p)], c'est-àdire l'ensemble de tous les éléments (p, r) de E2 tels qu'on puisse choisir g
dans E de façon à avoir à la fois (p, q) e G et (g, r) e D ».
De même, on désigne par G"1 l'ensemble des éléments (g, p)
tels que (p, q) appartient à G.
A. Weil se donne après cela une nouvelle famille d'ensembles
qui définira une « structure uniforme » sur E ([27], 152), en dési
gnant par Va l'ensemble des éléments (p, q) de E2 tels que q e Va(p) :
« Au lieu de se donner le système de voisinages Va(p) de E, il revient
évidemment au même de se donner la famille d'ensemble Va dans E2 ;
ceux-ci doivent satisfaire aux axiomes que voici, respectivement équival
entsaux axiomes (U) :
« (UJ) On a П Va = A.
oc
* (Un) Quels que soient a, P, il y a y tel que VY С Va П Vp .
« (U£n) A tout a on peut faire correspondre (3 tel que Vp Yj1 С Va.
« Tout sous-ensemble W de E2 contenant l'un des Va sera appelé un
entourage de A dans E2 ; on dira qu'une propriété des couples (p, q) est
vérifiée dès que p, q sont suffisamment voisins l'un de l'autre si l'ensemble
des couples (p, q) qui possèdent cette propriété constitue un entourage de Д
dans E2. »
Une telle famille (Va) définit une « structure uniforme », et
« un espace E où a été définie, au moyen d'une telle famille Va,
une structure uniforme sera appelé un espace uniforme ».
Pagina 24
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)Si (E, d) est un espace métrique, alors les Va sont des ensembles
d'éléments (p, q) de E2 tels que d(p, q) < a.
Pour introduire la notion d'espace « uniforme complet », Weil
définit d'abord celle de « famille de Cauchy » ([27], 161) :
« On dira qu'une famille d'ensemble C, dans un espace uniforme, est
une famille de Cauchy si : 1° l'intersection d'ensembles Cx, Ca, . . ., Gn de
la famille, en nombre fini, n'est jamais vide, et si 2° à tout a correspond
au moins un ensemble G de la famille tel que l'on ait (p, q) e Va quels
que soient p et q dans C. »
Soient (E, d) un espace métrique et (un) une suite de Gauchy
de E. Alors les ensembles
Cl == (Ul» U2> U3> • • •» "n> "n+U
G2 = (и2, и3,и4, ..., и„,
"
U
)
forment une famille de Gauchy dans E.
On dira ensuite que « deux familles de Gauchy G, D sont équi
valentes
si les réunions С и D d'un ensemble С et d'un ensemble D
forment une famille de Gauchy ».
Comme ([27], 162) « une famille réduite à un seul point p est
évidemment une famille de Gauchy », on cherche alors les condi
tions pour qu'une famille de Cauchy (C) soit « équivalente à la
famille réduite au point p » : pour cela « il faut et il suffit qu'à tout a
on puisse faire correspondre un С tel que CcVa(p) ». Alors on
dira que « la famille est convergente ».
On aboutit ainsi à la notion d'espace uniforme complet :
« un espace uniforme est complet si toute famille de Cauchy est
convergente ».
Pour compléter un espace uniforme A, A. Weil considère
([27], 163-165) l'ensemble A des « classes de familles de Cauchy
équivalentes » de A ; il définit sur A une structure d'espace uni
forme
telle que « la structure uniforme, induite sur A par celle
de A », soit celle « qu'on s'était initialement donnée dans A au
moyen des Va ». Il démontre ensuite que A est dense dans A et
que A est complet. Weil ajoute à ce propos :
« L'importance de l'opération qui consiste à compléter un espace uni
forme
tient en grande partie à la possibilité de prolonger continûment, à
l'espace complet, certaines fonctions continues données sur l'espace
Pagina 25
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)initial : par exemple, on engendre, au début de l'analyse, l'ensemble des
nombres réels comme espace complet sur le corps des rationnels, et on
le définit comme corps en y prolongeant les fonctions somme et produit. »
4.2. J. Dieudonné et les espaces topologiques
susceptibles d'être munis d'une structure uniforme
d'espace complet
A la fin de son livre ([27], 182), A. Weil a posé la question sui
vante
: « Quels sont les espaces topologiques susceptibles d'une
structure uniforme pour laquelle ils sont complets ? »
Le mémoire de J. Dieudonné de 1939, Sur les espaces uniformes
complets, est consacré à cette question. Notons d'abord que l'auteur,
dans ses « Préliminaires » ([30], 144), renvoie à l'exposé «didactique
et détaillé de ces questions dans la partie du Traité d'analyse de
N. Bourbaki consacrée à la Topologie générale qui paraîtra pro
chainement
», mais le titre du traité de Bourbaki deviendra, dans
la note de J. Dieudonné Sur les espaces topologiques susceptibles
d'être munis d'une structure uniforme d'espace complet ([31], 163),
Eléments de mathématiques.
J. Dieudonné démontre ([30], 150), dans son mémoire Sur les
espaces uniformes complets, qu'il est possible de « munir tout espace
métrisable d'une structure uniforme d'espace complet, compatible
avec sa topologie », mais cette structure uniforme n'est pas néces
sairement
métrisable.
Il prouve ensuite ([32], 160) l'existence d'un espace normal
— c'est-à-dire ([33], TG IX, 41) d'un espace topologique séparé X
tel que, quels que soient les ensembles fermés disjoints A, В de X,
il existe une application continue de X dans [0, 1] égale à 0 en tout
point de A et à 1 en tout point de В — qui n'est pas susceptible
d'une structure uniforme d'espace complet.
Il démontre enfin ([31], 162) le théorème suivant :
« Tout espace topologique uniformisable, dont la topologie est plus
fine qu'une topologie d'espace métrisable, est susceptible d'être muni
d'une structure d'espace complet. »
4.3. D'un pythagoricien inconnu à Alexandre Grothendieck
T. Heath, dans son Histoire des mathématiques grecques,
croit ([34], 157) que l'irrationalité de \/2 « a été découverte par
Pagina 26
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)un des pythagoriciens, à une date sensiblement antérieure » à
l'époque où vivait Démocrite (460-370 avant notre ère). Peut-être
pourrait-on dater de ce temps la préhistoire de la completion de
l'ensemble des nombres rationnels et celle des espaces complets.
Quant à un des derniers résultats dans la théorie des espaces
complets, il a été obtenu par A. Grothendieck pour la completion
des espaces vectoriels. Il a été publié en 1950, et J. Dieudonné
nous disait le 15 juin 1982 : « Grothendieck avait vingt ans et il
est venu nous trouver à la fin d'un séminaire Bourbaki en disant :
« Voilà ce que j'ai trouvé. » »
Soient E un espace vectoriel localement convexe, E' dual de E
et H une partie équicontinue de E' (pour tout voisinage V de 0
dans E', il existe un voisinage U de 0 dans E tel que m(U) С V
pour tout и e H).
On munit E de la topologie faible : si
(x, x') i-> < x, x' > est la forme bilinéaire canonique sur E x E',
alors c'est la topologie la moins fine sur E rendant continues toutes
les formes linéaires x b+ < x, x' > lorsque x' parcourt E'.
Alors A. Grothendieck a énoncé ([35], 606) et démontré ([36], 98)
le théorème suivant :
« Pour que E soit complet, il faut et il suffit que toute forme linéaire
sur E', dont les restrictions aux parties équicontinues sont faiblement
continues, soit déjà faiblement continue, i.e. soit élément de E. »
Notons que dans cette démonstration intervient la propriété
qu'un sous-espace uniforme fermé d'un espace complet est complet.
Pierre Dugac.
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[28] A. Weil, Œuvres scientifiques, vol. I, New York, Springer-Verlag, 1980.
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Pagina 28
Bekijk in PDF(opent in een nieuw venster)[30] J. Dieudonné, Sur les espaces uniformes complets, Annales sci. Ecole normale
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[31] J. Dieudonné, Sur les espaces topologiques susceptibles d'être munis d'une
structure uniforme d'espace complet, Comptes rendus Acad. Sci. Paris, 209,
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[32] J. Dieudonné, Un exemple d'espace normal non susceptible d'une structure
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[33] N. Bourbalri, Topologie générale, chap. 5 à 10, Paris, Hermann, 1974.
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[36] A. Grothendieck, Espaces vectoriels topologiques, Sâo Paulo, Soc. Mat., 3e éd.,
[37] S. F. Lacroix, Traité des différences et des séries, Paris, 1800.