Espace métrique versus e.v.n.

Bonjour
Les subtilités entre un espace métrique et un espace vectoriel normé (e.v.n.) semblant nombreuses, pouvez-vous m'en donner ? Cela peut être des différences futiles ou fondamentales, je n'ai pas peur de l'exhaustivité et ce n'est pas grave si certaines sont des cas particuliers d'autres.
J'éditerai ensuite ce message afin de toutes les lister et j'essaierai de toutes les justifier (i.e. une démonstration si ça n'est pas évident et surtout donner un contre-exemple illustrant la distinction). Je commence par donner certaines que j'ai répertoriées.
1) Un e.v.n. est un cas particulier d'espace métrique mais la réciproque est fausse.

2) Dans l'axiome de séparation des points d'une norme (i.e. $\forall x\in E,\ N(x)=0\implies x=0_E$), on n'a pas besoin du sens $\impliedby$ (bien que cette implication réciproque soit vraie) tandis que pour une distance, une équivalence est nécessaire.

3) Soient $d$ et $\delta$ deux distances sur un ensemble $E$. On a ($d$ et $\delta$ équivalentes) $\implies$ ($d$ et $\delta$ uniformément équivalentes) $\implies$ ($d$ et $\delta$ topologiquement équivalentes) et chacune des implications réciproques est fausse. Cependant, pour des normes, ces notions sont confondues. ("équivalentes" abrège "lipschitz-équivalentes")

4) Dans un espace métrique, l'adhérence d'une boule ouverte est contenue dans la boule fermée de même centre et de même rayon. De plus, l'inclusion peut être stricte tandis que dans un e.v.n. il y a égalité.

5) Dans un espace métrique, l'intérieur d'une boule fermée contient la boule ouverte de même centre et de même rayon. De plus, l'inclusion peut être stricte tandis que dans un e.v.n. il y a égalité.

6) Un e.v.n. est connexe par arcs mais ce n'est pas toujours le cas pour un espace métrique.

7) Un e.v.n. non réduit à $\{0\}$ n'est pas borné mais un espace métrique peut être borné.

8) Dans un e.v.n. non réduit à $\{0\}$, le diamètre d'une boule (ouverte ou fermée) est égal au double de son rayon tandis que dans un espace métrique, le diamètre peut être strictement inférieur au double de son rayon.

9) Dans un e.v.n. $E$, toutes les boules ouvertes sont homéomorphes à $E$. Par contre, dans un espace métrique, cette situation peut ne pas se produire.

10) Dans un e.v.n., toute boule a un unique centre mais dans un espace métrique une boule peut avoir plusieurs centres.

11) Dans un e.v.n. $E$, pour tout $(a,b)\in E^2$, il existe un homéomorphisme $f$ de $E$ sur lui même tel que $f(a)=b$. Toutefois, cette situation peut ne pas se produire dans un espace métrique.

12) (Théorème d'Arens-Eells) Tout espace métrique est isométrique à un fermé d'un e.v.n.

13) Pour tout espace métrique $(E,d)$, il existe une distance $\delta$ bornée sur $E$ et topologiquement équivalente à $d$. Par contre, cette situation ne se produit pas pour un e.v.n. non réduit à $\{0\}$.

Réponses

  • Excellente initiative.

    Dans ton point 3), je préciserais ta première notion d'équivalence, je dirais : « $d$ et $\delta $ Lipschitz-équivalentes » au lieu de « $d$ et $\delta$ équivalentes ».
    https://fr.wikipedia.org/wiki/Équivalence_de_distances

    Après tes points 4) et 5), tu peux aussi évoquer la frontière d'une boule. On en a parlé il n'y a pas longtemps.

    Un espace vectoriel normé est connexe par arcs et non borné. Dans un espace métrique, ce n'est pas toujours le cas.

    Dans un espace vectoriel normé, deux boules ouvertes (resp fermées) sont homéomorphes. Dans un espace métrique, ce n'est pas toujours le cas.

    Trivialités, mais mais peut-être bonnes à dire...
    Bonne journée.
    Fr. Ch.
  • Pour ajouter ma pierre à l’édifice, je conseillerais de fournir des exemples à chaque affirmation.
  • J’essaie de chercher des exemples non triviaux (c’est-à-dire autre chose que des espaces discrets) d’espaces métriques qui ne sont pas des espaces vectoriels normés mais j’ai du mal à en construire.
  • Dans un espace vectoriel normé, une boule ouverte est homéomorphe à l'espace tout entier. Dans un espace métrique, ce n'est pas toujours le cas.
  • Une façon de fabriquer un espace métrique, c'est de prendre une partie d'un espace vectoriel normé.
    Et d'ailleurs on obtient ainsi tous les espaces métriques possibles, en vertu du théorème d'Arens-Eels (1956).
    http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?4,1191985,1192057
  • Une remarque :
    On parle d’espace vectoriel normé.
    Rarement d’espace vectoriel métrique mais plutôt d’espace métrique (tout court).
  • Dans un espace vectoriel normé, une boule (ouverte ou fermée) a un centre unique. Dans un espace métrique, ce n'est pas toujours le cas.
  • Bonjour,
    Dans un evn, pour toute paire de points il existe un homéomorphisme (et même une isométrie) qui envoie le premier point sur le deuxième. Ce n'est pas toujours le cas dans un espace métrique.
  • Un evn (différent de $\{0\}$) est non borné, alors qu'un espace métrique pas forcément.
  • Voilà j'ai ajouté vos propositions.

    Je commence par justifier proprement le :

    1) Pour tout e.v.n. $(E,N)$, l'application $d:(x,y)\in E^2\mapsto N(x-y)\in\R$ est une distance sur $E$ appelée distance induite par $N$ sur $E$. Le couple $(E,d)$ est donc un espace métrique.
    Par contre, l'application $D:\emptyset\rightarrow\R$ est une distance sur $\emptyset$ (elle vérifie les trois axiomes de distance) donc $(\emptyset, D)$ est un espace métrique tandis que $\emptyset$ n'est pas un espace vectoriel donc il n'existe aucune norme qui fasse de $\emptyset$ un e.v.n.
  • Calli, je l'ai dit plus haut, sauf que j'avais oublié $\neq \{0\}$.
    Moi aussi j'ai tendance à ne pas lire les messages des autres.
  • Effectivement tu l'avais dit.
  • @topopot
    Je pense que tu ne devrais pas modifier ton message initial, mais en écrire d'autres à la suite. Et lorsque personne n'aura plus rien à ajouter, tu pourrais écrire un message final qui rassemble tout. Il me semble que c'est plus conforme à l'usage courant du forum.
    Et n'oublie pas la majuscule à Rudolph Otto Sigismund Lipschitz (1832 -1903), sinon AD va te gronder, et il aura raison..
  • Et je ne pense pas qu'une boule fermée d'un espace vectoriel normé $E$ soit homéomorphe à $E$. J'ai seulement dit que deux boules fermées sont homéomorphes.
  • Merci j'ai corrigé plus d'autres coquilles. Je préfère lister tous les énoncés dans le premier message au fur et à mesure. N'hésitez pas à me signaler des erreurs, mêmes mineures (du genre le cas particulier de l'espace nul).
  • 2) Tout d'abord, l'implication $\impliedby$ pour l'axiome de séparation d'une norme $N$ est vraie grâce à l'homogénéité de $N$.
    Pour montrer que l'implication $\impliedby$ est nécessaire pour le cas métrique, il s'agit de trouver un ensemble $E$ et une application $d:E^2\rightarrow\R$ symétrique, vérifiant l'inégalité triangulaire et telle que :
    • $\forall (x,y)\in E^2\quad d(x,y)=0\implies x=y$,
    • $\exists (x,y)\in E^2\quad x=y\text{ et }d(x,y)\neq 0$.
    En posant $E:=\{0,1\}$ et $d:(x,y)\in E^2\mapsto\R$ définie par $d(0,0)=0$ et $d(1,0)=d(0,1)=d(1,1)=1$ on a bien une telle application.
  • 7) Soit $(E,N)$ un e.v.n. non réduit à $\{0_E\}$. Il existe donc $t\in E$ tel que $t\neq 0_E$. Par l'absurde, si $(E,N)$ est borné, alors $E$ est contenu dans une boule fermée i.e. il existe $M\in\R_+^*$ et $a\in E$ tel que pour tout $x\in E, N(x-a)\leqslant M$ (*). Posons $y:=a+\frac{M+1}{N(t)}t\in E$. Alors $N(y-a)=M+1>M$, contredisant (*). D'où $(E,N)$ borné.

    Pour un exemple d'espace métrique borné, on peut prendre $(E,\delta)$ où $E$ désigne un ensemble quelconque et $\delta$ la distance discrète sur $E$ (définie par : $\forall (x,y)\in E^2, \delta (x,y)=0$ si $x=y$ et $\delta (x,y)=1$ si $x\neq y$). En effet, tout point de $E$ est contenu dans la boule fermée unité.
  • Notons que tout espace métrique$\left(X,d\right)$ peut être "rendu borné",
    dans le sens où il existe une distance sur $X$ topologiquement équivalente à $d$ et pour laquelle $X$ est borné (ainsi que toutes ses parties donc).
    Il suffit de prendre $\delta=\frac{d}{1+d}$...


    Par exemple, sur $\mathbb{R}$, l'application $\delta\left(x,y\right)=\frac{|x-y|}{1+|x-y|}$
    est une distance,
    la topologie associée est la topologie usuelle sur $\mathbb{R}$,
    et pour cette distance le diamètre de $\mathbb{R}$ est $1$.
  • Merci ! J'ajoute cela en 13.

    N'hésitez pas si vous avez d'autres choses ! On a par exemple rien sur la compacité pour l'instant, même si je sais que les principales choses sont les différences entre le cas métrique et le cas général topologique pour la compacité.
  • les grands classiques...

    Dans un métrique :
    précompact => borné
    complet => fermé
    compact <=> précompact et complet

    Dans un IR-evn de dimension finie :
    précompact <=> borné
    complet <=> fermé
    compact <=> fermé et borné

    Dans un IR-evn :
    si dim finie, toute sphère est compacte
    si dim infinie, aucune sphère (de rayon >0) n'est précompacte
  • Sauf que pour ne pas être hors sujet il faut souligner des choses vraies dans des espaces métriques et fausses dans un e.v.n.
  • Dans un evn il y a des vecteurs :-D

    Dans un evn, pour tout $x_1,x_2$, $r_1,r_2$, si $B(x_1,r_1) = B(x_2,r_2)$, alors $x_1 = x_2$ et $r_1 = r_2$ mais ce n'est pas le cas pour les espaces métriques.
  • Un evn étant un espace métrique, tout ce qui est d'ordre topologique et vrai dans un métrique est de facto vrai dans un evn...
  • En effet, c'est pour cela que si l'on souhaite faire ressortir des subtilités avec des notions topologiques comme la compacité, il faut y ajouter certains arguments.

    Bref n'hésitez pas à proposer d'autres choses, je vais continuer à rédiger les éléments manquants lorsque j'aurai du temps.

    @GA : la propriété sur les centres a déjà été citée. Quant à celle sur les rayons, elle est vraie uniquement si l'e.v.n. est non nul (sauf erreur).
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