Espace séparable

En mathématiques, et plus précisément en topologie, un espace séparable est un espace topologique contenant un sous-ensemble dense et au plus dénombrable, c'est-à-dire contenant un ensemble fini ou dénombrable de points dont l'adhérence est égale à l'espace topologique tout entier.

Lien avec les espaces à base dénombrable

• Tout espace à base dénombrable est séparable. La réciproque est fausse, mais :
• Tout espace pseudométrisable séparable est à base dénombrable.
  Beaucoup d'espaces usuels sont de ce type. L'hypothèse de séparabilité se retrouve abondamment dans les résultats d'analyse fonctionnelle.
• Tout sous-espace d'un espace pseudométrisable séparable est encore séparable (l'hypothèse de pseudométrisabilité est indispensable : voir § « Propriétés » ci-dessous).
  Cela se déduit de ce qui précède, sachant que tout sous-espace d'un espace à base dénombrable est encore à base dénombrable. Mais il est possible d'en donner une démonstration directe sans utiliser l'équivalence, pour un espace pseudométrisable, entre la séparabilité et l'existence d'une base dénombrable.

Démonstrations

• Tout espace à base dénombrable est séparable : soit une base dénombrable d'ouverts, que l'on peut sans perte de généralité supposer non vides. En choisissant un point dans chacun, on obtient une partie dénombrable dense.
• Tout espace pseudométrisable séparable est à base dénombrable : soit A une partie dénombrable dense, alors les pseudoboules B(a, 1/n) quand a parcourt A et n parcourt ℕ*, forment une base dénombrable d'ouverts.
• Tout sous-espace d'un espace pseudométrisable séparable est encore séparable, preuve directe :
  Soit (X, d) un espace pseudométrique séparable, et soit A un sous-espace de X. On va construire une suite dense dans A.
  Choisissons (x_n)_n∈ℕ* une suite dense dans X. Pour tout entier n > 0, fixons un point a_n de A vérifiant d(x_n, a_n) < d(x_n, A) + 1/n. Soit a un point de A et soit ε > 0. Par densité de (x_n)_n∈ℕ*, il existe un entier n > 3/ε tel que d(a, x_n) < ε/3. On a alors (par construction de la suite (a_n)) d(x_n, a_n) < ε/3 + 1/n < 2ε/3 donc (par inégalité triangulaire) d(a, a_n)< ε.
  La suite (a_n) est donc bien dense dans A.

Exemples

• L'ensemble ℝ des nombres réels, muni de sa topologie usuelle, est séparable car ℚ (dénombrable) y est dense.
• Pour 1 ≤ p < ∞, l'espace L^p(ℝ) des fonctions dont la puissance p est intégrable muni de la tribu borélienne et de la mesure de Lebesgue est séparable. Par contre, l'espace L^∞(ℝ) des fonctions essentiellement bornées ne l'est pas. On a la même dichotomie pour les espaces de suites ℓ^p et ℓ^∞.
• La droite de Sorgenfrey est séparable mais n'est pas à base dénombrable donc pas pseudométrisable (elle est cependant à bases dénombrables de voisinages).

Propriétés

• Un espace vectoriel topologique sur ℝ ou ℂ est séparable si et seulement s'il contient une famille dénombrable de vecteurs engendrant un sous-espace dense.
• Tout espace pseudométrique précompact ou de Lindelöf (en particulier tout espace métrique compact) est séparable. En effet, dans les deux cas, pour tout entier n > 0, on peut recouvrir l'espace par des boules ouvertes de rayon 1/n et de centre appartenant à un ensemble C_n au plus dénombrable. La réunion des C_n constitue alors une partie dénombrable dense.
• Un espace vectoriel normé est séparable si et seulement si la boule unité de son dual est *-faiblement métrisable.
• Pour tout espace compact X, l'algèbre C(X) des fonctions continues de X dans ℝ munie de la norme de la convergence uniforme est séparable (ou, ce qui revient au même : à base dénombrable) si et seulement si X est métrisable. (Par exemple : ℓ^∞ = C(βℕ) n'est pas séparable.) On en déduit que toute image continue séparée Y d'un espace métrique compact X est métrisable, puisque C(Y) ⊂ C(X).
• Tout espace métrique séparable est isométrique à un sous-espace de C([0, 1]).
• Tout produit d'espaces séparables indexé par un ensemble ayant au plus la puissance du continu ℭ est séparable (c'est le cas particulier κ = ℵ₀ du théorème de Hewitt-Marczewski-Pondiczery). L'étape essentielle, pour le démontrer, est de vérifier que ℕ^ℝ est séparable. En particulier, ℝ^ℝ est séparable.
• Si κ > ℭ, un produit de κ espaces séparés comportant chacun au moins deux points n'est jamais séparable.
• Dans un espace séparable, tout ouvert est séparable mais pas toute partie en général : dans le plan de Sorgenfrey, l'antidiagonale est un fermé non séparable ; de même le plan de Moore, séparable, contient une droite fermée non séparable. Pire : tout espace topologique est sous-espace d'un séparable de même cardinal.
• La séparabilité est évidemment préservée par images continues (contrairement à la propriété d'être à base dénombrable, qui n'est même pas stable par quotients).
• Tout espace séparable possède la « condition de chaîne dénombrable », c'est-à-dire que toute famille d'ouverts non vides disjoints deux à deux est au plus dénombrable.
• Un espace métrique est séparable si (et seulement si, d'après le point précédent) toute famille de boules deux à deux disjointes et de même rayon strictement positif est au plus dénombrable.

Cardinalité

Un espace séparé à bases dénombrables de voisinages (par exemple : un espace métrisable) et séparable a au plus la puissance du continu ℭ : voir « Fonctions cardinales en topologie ». Plus généralement, le cardinal d'un espace séparé séquentiellement séparable, c'est-à-dire fermeture séquentielle d'une partie au plus dénombrable — en particulier, le cardinal d'un espace séparé de Fréchet-Urysohn séparable — est au plus ℭ. On montre même facilement que tout espace séparé qui est fermeture séquentielle d'une partie de cardinal au plus ℭ est encore de cardinal au plus ℭ.

Un espace séparé et séparable a un cardinal inférieur ou égal à 2^ℭ. On retrouve ainsi (comme cas particulier de κ > ℭ vu plus haut) que si 2^κ > 2^ℭ (et a fortiori si κ ≥ 2^ℭ), un produit de κ espaces séparés comportant chacun au moins deux points n'est jamais séparable. La borne 2^ℭ est atteinte, par exemple par le compact séparable {0, 1}^ℭ, qui n'est donc pas à bases dénombrables de voisinages (il n'est en fait même pas séquentiel, puisqu'il est dénombrablement compact mais pas séquentiellement compact).

Voir aussi

Articles connexes

• Espace polonais
• Espace universel d'Urysohn (en)

Lien externe

(en) « Why the name 'separable' space? », sur MathOverflow