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Frontière (topologie)

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Entopologie, lafrontière d'unensemble (aussi appelé parfois « le bord d'un ensemble ») est constituée des points qui, de façon intuitive, sont « situés au bord » de cet ensemble, c’est-à-dire qui peuvent être « approchés » à la fois par l'intérieur et l'extérieur de cet ensemble.

Illustration de concepts de base en topologie générale

Définition

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SoitS unsous-ensemble d'unespace topologique (E,T).

Il est possible de définir la frontière deS (souvent notée ∂S ou FrS) de plusieurs façons équivalentes :

S=E(int(S)ext(S)){\displaystyle \partial S=E\setminus (\operatorname {int} (S)\cup \operatorname {ext} (S))}

Propriétés

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  • La frontière d'un ensemble est unfermé (d'après la deuxième définition, commeintersection de deux fermés).
  • La frontière d'un ensemble est également celle de son complémentaire (toujours d'après la deuxième définition, en utilisant l'involutivité du passage au complémentaire).
  • L'adhérence d'un ensemble est laréunion de cet ensemble et de sa frontière :S =S ∪ ∂S. En particulier, un ensemble est fermé si et seulement s'il contient sa frontière.
  • L'intérieur d'un ensemble est cet ensemble privé de sa frontière. En particulier, un ensemble est unouvert si et seulement s'il est disjoint de sa frontière.
  • Lesouverts-fermés sont donc les parties dont la frontière estvide.
  • La frontière d'un ouvert (ou d'un fermé) est d'intérieur vide. En effet, siS est ouvert, ∂S =S ∩ (E \S) donc int(∂S) ⊂S ∩ int(E \S) = ∅.
  • La frontière d'une union finie est en général strictement incluse dans la réunion des frontières, mais siA etB sont d'adhérences disjointes — ou plus généralement, siAB =BA = ∅ — alors ∂(AB) = ∂(A) ∪ ∂(B).

Exemples

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1) Dans l'ensemble desnombres réels muni desa topologie usuelle :

Les deux derniers exemples illustrent le fait que la frontière d'une partie d'intérieur vide est son adhérence.

2) Dans l'espace métriqueX:=R×R{\displaystyle X:={\mathbb {R}}\times {\mathbb {R}}}, soitY:={(x,y):x2+y2<25}{(5,0),(3,4),(4,3)}{\displaystyle Y:=\{(x,y):x^{2}+y^{2}<25\}\cup \{(5,0),(3,4),(-4,3)\}}. L'adhérence deY{\displaystyle Y} est le disquefermé de rayon 5, sonintérieur le disqueouvert, sa frontière le cercle de rayon 5.

Frontière d'une frontière

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Pour tout ensemble S, ∂∂S est incluse dans ∂S, l'égalité étant vérifiée si et seulement si ∂S est d'intérieur vide.

La frontière d'un ensemble étant fermée, ∂∂∂S = ∂∂S pour tout ensemble S. L'opérateur frontière satisfait donc une forme faible d'idempotence.

Note

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  1. Dans le cas particulier d'unespace métrique, lesboules de centrep et de rayon strictement positif forment une base de voisinages dep.
  2. Jacques DixmierImpr. des PUF),Topologie générale, Presses universitaires de France,(ISBN 2-13-036647-3 et978-2-13-036647-8,OCLC 417477300,lire en ligne),p. 18
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