Sous-variétés de même dimension

Bonjour à tous. N'étant pas très dégourdi quand il s'agit de manipuler des sous-variétés, je n'arrive pas à démontrer le résultat suivant :

Soient $A$ et $B$ deux sous-variétés (différentielles) de $\mathbb R^n$, de même dimension et telles que $A \subset B$. Alors $A$ est ouverte dans $B$.

C'est peut-être évident, mais j'ai beau retourner les différentes caractérisations dans tous les sens, je ne m'en sors pas. Merci d'avance à quiconque voudra bien m'aider.

Réponses

  • Avec la caractérisation par ouverts de cartes ça devrait aller non ?
    J'appelle $d$ leur dimension
    Si tu as une carte $\varphi$ adaptée à $A$ sur un ouvert $U$ de $B$ par définition de sous-variété de dimension $d$ $\varphi (U\cap A) = \mathbb{R}^d\cap \varphi(U) = \varphi(U)$. Comme $\varphi$ est bijective, $U=U\cap A$, et après tu recouvres $A$ par de tels ouverts
  • Sinon, si on considère $i : A \rightarrow B$, c'est une application lisse entre variétés. Sa différentielle est partout inversible : en effet, si $a \in A$, $d_a i : T_aA \rightarrow T_b B$ est injective, puisque "c'est l'identité". Et comme les variétés ont même dimension, elle est surjective.
    Et donc, par inversion locale, $i$ est une application ouverte, et donc $A$ est ouverte dans $B$ :-D
  • @Maxtimax : j'ai un peu de mal à te suivre, tu pourrais quantifier un peu plus ? Notamment la phrase suivante.
    Maxtimax a écrit:
    Si tu as une carte $\varphi$ adaptée à $A$ sur un ouvert $U$ de $B$

    @GA : J'aimerais rester un peu terre-à-terre et ne pas invoquer le théorème d'inversion locale entre variétés.
  • C'était un peu pour la blague :-D

    C'est vrai que j'ai un peu de mal à voir proprement comment fonctionne l'argument de Max. Faut que je prenne un crayon et un papier.
  • Bon ok j'écris tout bien. Je note $d$ la dimension de $A,B$ (et j'oublie que ce sont des sous-variétés de $\R^n$, je considère $B$ comme la variété ambiante). Je prends la définition de sous-variété suivante (qu'on peut trouver dans le cours de géométrie différentielle d'Olivier Biquard, ou encore ici, après la phrase "There is an intrinsic definition of an embedded submanifold which is often useful" ): si $M$ est une variété de dimension $n$, une sous-variété de dimension $d\leq n$ de $M$ est un sous-ensemble $N$ de $M$ tel que pour tout $p\in N$, on ait une carte $\varphi : U\to \R^n$ ($U$ ouvert !!) de l'atlas de $M$ telle que $p\in U$ et $\varphi (U\cap N) = \varphi (U)\cap E$, où $E$ est un sous-espace vectoriel de $\R^n$ de dimension $d$ (on peut même se restreindre à $\R^d\times \{0\}$).

    Soit $x\in A$, on veut montrer qu'il y a un ouvert de $B$ contenant $x$ et inclus dans $A$. Bah on regarde la définition ci-dessus et on prend une carte $\varphi : U\to \R^d$ contenant $x$ telle que dans la définition. Sauf que bon, un sous-espace de dimension $d$ de $\R^d$, il y en a pas des masses : le $E$ est nécessairement $\R^d$; de sorte que $\varphi (U\cap A) = \varphi (U)\cap E= \varphi(U)\cap\R^d = \varphi(U)$ .

    $\varphi$ étant une carte, elle est bijective, donc on en déduit que $U\cap A = U$, i.e. $U\subset A$: on a trouvé un ouvert $U$ inclus dans $A$ et contenant $x$; ceci quel que soit $x\in A$. Donc $A$ est ouvert dans $B$.
  • Oui mais, si $A$ et $B$ sont des sous-variétés, est-ce que $A$ est nécessairement une sous-variété de $B$ ? C'est sûr que c'est vrai, mais bon.
  • @Maxtimax : je comprends ta démonstration, mais comme le dit GA, tu triches un peu en partant du fait que tu peux prendre $U$ ouvert de $B$ ! Je voudrais une démonstration utilisant uniquement la définition de sous-variétés de $\mathbb R^n$.
  • On peut se ramener localement au cas où la dimension commune est égale à $n$, la dimension de l'espace ambiant : soit $a\in A$, on projette orthogonalement $A$ et $B$ sur l'espace tangent en $a$ à $A$ qui est aussi l'espace tangent à $B$. Ça fournit des difféomorphismes locaux de voisinages de $a$ dans $A$ et $B$ sur des voisinages de $a$ dans l'espace tangent.

    PS. Bon, c'est à peu près ce qu'avait écrit GA au début de ce fil, et c'est vraiment des choses élémentaires sur la description locale des sous-variétés de $\mathbb R^n$.
  • Poirot : Ah j'avais mal lu ! Désolé ! (C'est pour ça que je m'étais débarassé du $\R^n$)
  • Soit $x$ un point de $A\subset B$. $A$ et $B$ sont des variétés, on a donc deux fonctions $\varphi : U_x \to \mathbf R^d$ et $\psi : V_x \to \mathbf R^d$ telles que :
    -$\phi$ et $\psi$ sont des homéomorphismes sur leur image.
    -$U_x$ est un voisinage ouvert de $x$ dans $A$
    -$V_x$ est un voisinage ouvert de $x$ dans $B$
    -$\varphi(x)=\psi(x)=0$.
    Puisque $A\subset B$ on sait que $U_x\cap V_x$ est un voisinage ouvert de $x$ dans $A$. On regarde alors la fonction
    $$f=\psi^{-1}\circ \varphi^{-1} : \varphi(U_x\cap V_x)\to \mathbf R^d.$$
    Cette fonction est continue et injective puisque $\psi$ et $\varphi$ sont des homéo sur leur image, de plus $\varphi(u_x\cap V_x)$ est un ouvert de $\mathbf R^d$. Par le théorème de l'invariance du domaine de Brouwer l'image de $f$ est ouverte et $f$ est un homéomorphisme sur son image. Donc par définition de $f$ on voit que $\psi^{-1}(U_x\cap V_x)$ est un ouvert de $\mathbf R^d$ et par les propriétés de $\psi$ on voit que $U_x\cap V_x$ est un ouvert de $B$ contenant $x$. C'est donc bien que $U_x$ est un voisinage de $x$ dans $B$ et la démonstration est terminée.


    J'ai l'impression qu'on ne peut pas se passer du théorème de Brouwer ?

    Edit : je viens de lire la réponse de GaBuZoMeu et je viens de remarquer que l'on n'a jamais dit s'il s'agissait de variétés topologiques ou différentielles (au moins $C^1$ donc). Evidemment dans le cas $C^1$ on peut se passer de Brouwer.
  • Mojojo : c'est plutôt $\psi\circ\varphi^{-1}$, non ? Et l'image est ouverte parce que ce sont tous des homéos (et que les images de $U_x$ et $V_x$ par $\varphi, \psi$ sont des ouverts de $\R^d$), non ?
  • @GBZM : je vais réfléchir à ce que tu as écrit, merci.

    @mojojojo : merci, c'est essentiellement comme j'avais procédé, il me manquait l'argument permettant d'affirmer que l'image de $f$ est ouverte. Je pense que ton $f$ devrait être $\psi \circ \varphi^{-1}$ non ?

    C'est vrai que je n'ai pas précisé que je parlais de sous-variétés différentielles, donc disons de classe $\mathcal C^1$, et le théorème d'inversion locale permet de se passer de Brouwer.

    @Maxtimax : non, rien ne te dit que $U_x \cap V_x$ est un ouvert de $B$, et donc que son image par $\psi$ soit ouverte.
  • Effectivement c'est $\psi\circ \varphi^{-1}$ qu'il fallait lire, le but étant d'avoir une fonction allant (d'une partie) de $\mathbf R^d$ dans $\mathbf R^d$ pour pouvoir appliquer Brouwer. Dans le cas $C^1$ on procède exactement comme j'ai fais dans le cas $C^0$ puis, au moment d'appliquer Brouwer, on regarde la différentielle de $f$, on voit qu'elle est nécessairement inversible et donc que $f$ est ouverte.

    Maxtimax : Je ne sais pas me passer de Brouwer dans ce que j'ai écrit. L'image de $f$ est $\psi(U_x\cap V_x)$ et $\psi$ est bien un homéo mais, avant d'avoir appliqué Brouwer, on ne sait pas encore que $U_x\cap V_x$ est ouvert dans $B$.
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