Continuité

En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des variations illimitétésimales de la variable x, correspondent des variations illimitétésimales de la valeur f.



Catégories :

Topologie générale - Analyse réelle

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • On par conséquent prouvé la continuité de la fonction "racine carrée" sur ?+..... Ce qui prouve la continuité de ƒg en tout a de I et par conséquent sur I.... (source : pagesperso-orange)
  • La continuité uniforme est une propriété plus forte que la continuité usuelle. Intuitivement, une fonction n'est pas uniformément continue si on peut... (source : bibmath)

En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des variations illimitétésimales de la variable x, correspondent des variations illimitétésimales de la valeur f (x) .

La continuité est associée à la notion de continuum dont l'origine est géométrique. Dans un continuum géométrique, comme le plan ou l'espace, un point peut se déplacer continument pour s'approcher à une précision arbitraire d'un autre point. La notion de continuité est définie de manière rigoureuse en mathématiques.

Le premier exemple de fonctions continues concerne des fonctions réelles définies sur un intervalle et dont le graphe peut se tracer sans lever le crayon. Cette première approche donne une idée de la notion (la fonction ne saute pas) mais n'est pas suffisante pour la définir, d'autant plus que certains graphes de fonctions néenmoins continues ne peuvent pas se tracer de cette manière, telle par exemple la fractale.

Historiquement définie pour des fonctions de la variable réelle, la notion de continuité se généralise à des fonctions entre espaces métriques ou entre espaces topologiques sous une forme locale et sous une forme globale.

L'étude des fonctions continues se révèle fructueuse pour les propriétés qu'elles possèdent (propriété de convergence, théorème des valeurs intermédiaires, théorème des limites, application lipschitzienne, intégrabilité).

Définition pour les fonctions réelles

Exemple d'une fonction continue sur l'intervalle I
Exemple d'une fonction non continue sur l'intervalle I
\lim_{x\to 2 \atop x<2}f(x) = 2 \ne f(2) f n'est pas continue à gauche en 2.
<img class=f est continue à droite en 2.

Définition —  Soient I un intervalle réel, f : I \to \R et  a \in I.

La fonction f est dite continue en a si :

<img class=f est continue en a si et uniquement si la limite de f en a existe et vaut f (a) .

Cela veut dire que si on se fixe un seuil ε, on peut trouver un intervalle autour de a tel que ƒ (x) soit à une distance inférieure à ε de ƒ (a).

  • Si la continuité est valable seulement à droite (pour x>a), on dit que f est continue à droite en a. De même à gauche pour a.
    Dire que f est continue en a revient à dire qu'elle l'est à droite ainsi qu'à gauche en a.
  • La fonction ƒ est dite continue (sur I) si elle est continue en tout point a de I.
    Une fonction qui présente des «sauts» est discontinue. La notion de saut est illustrée sur la figure ci-contre, elle correspond à l'existence d'une limite à droite et d'une limite à gauche qui ne valent pas la même chose.

Commentaire

C'est l'idée du seuil, ε, fixé à l'avance qui est importante. Cette définition, fruit des efforts des mathématiciens du XIXe siècle pour rendre rigoureuse la notion intuitive de continuité, peut sembler à bon droit violente. En analyse non standard, une approche plus intuitive est envisageable : on dira que f est continue en a\, si f(x)-f(a)\, est illimitément petit lorsque x-a\, est illimitément petit. Tout repose alors sur une définition rigoureuse des illimitément petits et cette définition ne s'applique qu'aux fonctions dites standards.

La définition globale de la continuité dans le cadre des espaces topologiques (voir plus bas) permet elle aussi de se débarrasser des \epsilon\,, au prix du formalisme de la topologie générale.

Exemples

  • Une grande partie des fonctions usuelles sont continues sur leur intervalle de définition : fonctions polynômes, rationnelles, exponentielles, logarithmes, hyperboliques, trigonométriques, racine carrée, racine cubique, valeur absolue.
  • La fonction carré : \R \to \R, x\mapsto xˆ2 est continue.
  • La fonction partie entière sur les réels est discontinue : on «lève le crayon» en arrivant à chaque entier.
  • Une fonction réelle dérivable en un point est continue en ce point. Par contre la réciproque est fausse (par exemple la fonction racine carrée est continue en 0, mais n'y est pas dérivable).
  • Une fonction réelle peut n'être continue en aucun point : c'est le cas de 1_\mathbb{Q}, la fonction indicatrice de \mathbb{Q} qui vaut 1 en tout point rationnel et 0 ailleurs. Intuitivement, on voit quoique pour tracer cette fonction, d'une part il faudrait «lever le crayon» une illimitété de fois par intervalle, et en particulier, pas une seule fois on ne pourrait tracer de ligne de longueur non nulle.

Propriétés

La notion de continuité sur un intervalle pour les fonctions réelles

  • est utile pour prouver l'existence de solutions à des équations de la forme f (x) = m (voir théorème des valeurs intermédiaires)
  • simplifie le calcul de limites car \lim_{x\to a} f(x) = f(a)

La composée de fonctions continues est une fonction continue. La composée d'une fonction continue et d'une suite convergente est une suite convergente.

Les propriétés de stabilité de la continuité par combinaison linéaire (i. e. pour tous α, β réels et f, g fonctions réelles continues, on a que α. f + β. g est continue) et par produit de deux fonctions font de la totalité des fonctions continues une algèbre sur le corps des réels.

Des erreurs à éviter

  • Une fonction dérivable en un point est continue sur ce point, la réciproque est fausse.
Contre exemple : la fonction f(x)=\sqrt[]{x} est continue en 0 mais non dérivable en 0 (voir dérivabilité).
  • Au contraire de ce qui en est quelquefois dit, des fonctions telles que f : x \mapsto 1/x ou tan sont bel et bien continues. L'erreur est le plus souvent renforcée par l'absence de précision sur le domaine de définition des fonctions manipulées. Dans le cas de f, on peut supposer que le domaine reconnu est \mathbb{R}ˆ*. La question de la continuité en 0 n'a par conséquent a priori pas de sens puisque 0 \not\in \mathbb{R}ˆ*. Affirmer que f n'est pas continue en 0 est un abus de langage pour indiquer que f n'est pas continument prolongeable en 0 (aucun des prolongements envisageables ne conserve la continuité).

Définition dans le cas des espaces métriques

Définition

Définition —  Soient (E,\,d) et (E',\,d') deux espaces métriques, f : E \to E' et  a \in E.

On dit que l'application f est continue en a si :

<img class=f est continue en a si et uniquement si la limite de f en a existe et vaut f (a) .

Exemples

  • Une application linéaire d'un espace vectoriel normé de dimension finie vers un autre espace vectoriel normé est continue.
  • Une application linéaire d'un espace vectoriel normé vers un autre est continue si et uniquement si elle est bornée sur la boule unité.
Et en effet, le cas non borné se présente en dimension illimitée : considérons comme application linéaire la dérivation sur \R[X], l'espace des polynômes réels, où la norme d'un polynôme est la somme des valeurs absolues de ses cœfficients. Prenons la famille de polynômes \{Xˆn|n\in\N\}. Tous ces polynômes sont de norme 1. Néenmoins leurs dérivées sont de la forme nXn − 1, par conséquent de norme n avec n arbitrairement grand. Par conséquent la famille des dérivées n'est pas bornée, et la dérivation n'est pas une application continue.

Définition générale (espaces topologiques)

On donne deux définitions équivalentes dans le cas des espaces topologiques.

Définition locale

La définition locale (c'est-à-dire pour un point) de la continuité repose sur la notion mathématique de limite. Une fonction sera dite continue en un point a si sa limite en a est égale à sa valeur en a.

La notion de seuil utilisée pour les fonctions réelles est généralisée par la notion de voisinage : \mathcal{V}(a) sert à désigner la totalité des voisinages de a, et \mathcal{V}\left(f(a)\right) ceux de f (a) .

Définition —  Soient E et F deux espaces topologiques, f : E\to F et a\in E.

La fonction f est dite continue en a si :

\forall W\in\mathcal{V}\left(f(a)\right) \quad \exists V\in\mathcal{V}(a) \quad \forall x\in V \quad f(x)\in W

Ainsi f est continue au point a\, si et uniquement si :

\lim_{x \to a} f(x) = f(a) \,

La fonction f est dite continue (tout court, ou continue sur E\,) si et uniquement si elle est continue en tout point de E\,.

La fonction f est dite continue sur une partie A\, de E\, si et uniquement si elle est continue en tout point de A\,.

Définition globale

Au contraire de la définition locale, la définition globale ne permet pas de caractériser les fonctions continues en un point spécifique, mais uniquement celles qui sont continues sur l'espace entier. On peut la considérer comme une propriété découlant de la première définition.

Une application continue d'un espace topologique E dans un espace topologique E' est une application telle que l'image réciproque de tout ouvert (resp. fermé) de l'espace d'arrivée soit un ouvert (resp. un fermé) de l'espace de départ.

Le lien avec la notion intuitive est le suivant : lorsque une fonction «saute», cela veut dire que des points particulièrement proches de l'espace de départ, se retrouvent sur des points particulièrement éloignés à l'arrivée. Or pour une application continue, ces sauts sont impossibles, car si on considère un point du départ et son image à l'arrivée, on sait que tout un voisinage de ce point de départ doit arriver au voisinage du point d'arrivée !

  • Cette définition est fréquemment utilisée comme propriété pour montrer qu'un ensemble est ouvert (ou fermé). Par exemple l'hyperbole \mathcal{H} = \left\{ (x,y)\in\Rˆ2 \, | \, xy=1 \right\} \,\! peut être vue comme l'image réciproque de \{ 1 \} \,\! par l'application produit :
\begin{array}{cccc}\Pi : & \Rˆ2 & \rightarrow & \R \\ & (x,y) & \mapsto & xy\end{array}

L'hyperbole \mathcal{H} = \Piˆ{-1} \left( \{ 1 \} \right) \,\! est fermée car elle est l'image réciproque du singleton \{ 1 \} \,\! par l'application continue \Pi \,\!.

  • Cette définition sert à montrer que si E est une réunion d'ouverts tels que la restriction de f à chacun de ces ouverts soit continue alors f est continue, et de même si E est réunion d'un nombre fini de fermés tels que la restriction de f à chacun de ces fermés soit continue. Pour une réunion (même finie) de parties "quelconques" on n'a aucun résultat de ce genre.

Équivalence de la définition métrique et topologique

Un espace métrique (E,\,d) possède une topologie associée \tau \;. Un ouvert de \tau \; est un ensemble tel que pour tout point de l'ouvert, il existe une boule ouverte non vide et de centre le point incluse dans l'ouvert :

<img class= de a\, est un sous-ensemble contenant un ouvert contenant a\,. Donc il existe une boule ouverte non vide de centre a\, et incluse dans \mathcal V(a)

Les deux définitions de la continuité d'une fonction par la topologie sont équivalentes. Si \tau'\; sert à désigner la topologie associée à un espace métrique (E',\,d'), alors :

Propriété —  La fonction \ f de (E,\,d) dans (E',\,d') est continue en un point \ a de \ E si et uniquement si elle est continue en ce point, reconnue comme une fonction de (E,\,\tau) dans (E',\,\tau').

En effet, la fonction est continue en \ a du point de vue topologique si et uniquement si :

\forall W\in\mathcal{V}\left(f(a)\right) \quad \exists V\in\mathcal{V}(a) \quad \forall x\in V \quad f(x)\in W

Par construction de la topologie, cette condition s'exprime :

<img class=Notion de continuité dans l'histoire

La continuité n'a pas forcément été définie de la façon précédente.

Euler dans son introductio in analysin illimitétorum définit la fonction continue comme une fonction définie par une seule expression analytique finie ou illimitée (série entière) et nomme fonctions discontinues ou mixtes celles possédant plusieurs expressions analytiques suivant les intervalles [1]. Sylvestre Lacroix (1810) nomme fonction continue une fonction dont l'ensemble des valeurs sont définies à partir d'une même loi ou dépendent d'une même équation [2]. Cette notion de continuité se nomme la continuité eulérienne et est plus restrictive que la la définition actuelle. A titre d'exemple, la fonction définie pour tout réel négatif par f (x) = x et tout réel positif par f (x) = x2 est continue au sens actuel et mixte (discontinue) au sens d'Euler.

La définition que nous utilisons actuellement est celle donné par Bernard Bolzano dans sa théorie des fonctions : «La fonction f (x) fluctue suivant la loi de continuité pour la valeur x si la différence |f (x + w) - f (x) | peut-être rendue plus petite que toute valeur donnée». (Prague 1816).

Augustin Louis Cauchy dans son cours d'analyse de l'école royale polytechnique, définit la continuité en x par f est continue en x si la valeur numérique de la différence f (x + a) - f (x) décroit indéfiniment avec celle d'a, utilisant ainsi les notions des illimitément petits[3].

Une autre définition de la continuité, inspirée de celle de Cauchy est de dire que f est continue en a si pour tout suite (xn) convergeant vers a, la suite f (xn) converge vers f (a). Cette définition de la continuité par les suites n'est équivalente à celle aujourd'hui en vigueur que si on admet l'axiome du choix.

Malgré cette définition formelle, l'utilisation de la continuité reste au début du XIXe siècle largement intuitive lorsque on voit Cauchy tenir le raisonnement suivant, pour démontrer le théorème des valeurs intermédiaires : «La fonction f étant continue entre les points x0 et X, la courbe qui a pour équation y=f (x) sera continue entre les points (x0, f (x0) et (X, f (X) ) et la droite d'équation y=b qui passera entre les ordonnées f (x0) et f (X) ne peut que rencontrer dans l'intervalle la courbe mentionnée.»[4]

Il existe aussi une notion de continuité plus forte : la continuité uniforme dans laquelle la distance |f (x) - f (x') | peut être rendue aussi petite qu'on veut pour n'importe quel couple (x, x') tels que la distance |x - x'| soit suffisamment faible. Au contraire de la continuité classique (continuité en un point a fixé), la continuité uniforme assure que la majoration est vraie sans avoir besoin de fixer a. Cette notion fut précisée par Edouard Heine en 1872.

Notes et références

  1. Amy Dahan-Dalmedico et Jeanne Peiffer, Une Histoire des mathématiques - Routes et dédales, Seuil, coll. «Points Sciences», 1986 (ISBN 2020092380) [détail des éditions] , p 222
  2. Jacques Bouveresse, Jean Itard, Émile Sallé, Histoire des mathématiques [détail des éditions], p 34
  3. Michel Guillemot, Bolzano et la démonstration du théorème des valeurs intermédiaires, in La démonstration mathématique dans l'histoire, Irem de Lyon.
  4. id.

Voir aussi

Recherche sur Amazon (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Continuit%C3%A9.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 10/03/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.