Le couple (E,d) est appelé espace métrique. La positivité d(x,y)≥0 pour tous x,y n'est pas un axiome indépendant : elle se déduit des trois précédents. En effet, en appliquant l'inégalité triangulaire à x,y,x : d(x,x)≤d(x,y)+d(y,x)=2d(x,y), et d(x,x)=0 par séparation, donc 0≤2d(x,y), soit d(x,y)≥0.
Conséquence utile (seconde inégalité triangulaire) : pour tous x,y,z∈E,
∣d(x,z)−d(y,z)∣≤d(x,y)
Preuve :d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z) donne d(x,z)−d(y,z)≤d(x,y). En échangeant x et y : d(y,z)−d(x,z)≤d(x,y). Les deux inégalités donnent ∣d(x,z)−d(y,z)∣≤d(x,y).
2. Exemples fondamentaux de distances
Distance euclidienne usuelle sur Rn : pour x=(x1,…,xn), y=(y1,…,yn),
d2(x,y)=i=1∑n(xi−yi)2
C'est la distance "à vol d'oiseau". Sur R (n=1), d2(x,y)=∣x−y∣.
Distance discrète : sur un ensemble E quelconque, on pose d(x,y)=0 si x=y et d(x,y)=1 sinon. On vérifie aisément les trois axiomes (l'inégalité triangulaire est immédiate : si x=z, alors x=y ou y=z, donc d(x,y)+d(y,z)≥1=d(x,z)).
Ces trois distances vérifient l'encadrement suivant, pour tous x,y∈Rn :
d∞(x,y)≤d2(x,y)≤d1(x,y)≤nd∞(x,y)
Preuve de d∞≤d2 : notons k l'indice réalisant le maximum, ∣xk−yk∣=d∞(x,y). Alors d∞(x,y)2=∣xk−yk∣2≤∑i=1n∣xi−yi∣2=d2(x,y)2, d'où d∞(x,y)≤d2(x,y) (les deux membres sont positifs).
Preuve de d2≤d1 : posons ai=∣xi−yi∣≥0. On a d2(x,y)2=∑iai2≤∑iai2+∑i=jaiaj=(∑iai)2=d1(x,y)2 car les doubles produits aiaj (i=j) sont positifs. D'où d2(x,y)≤d1(x,y).
Preuve de d1≤nd∞ :d1(x,y)=∑i=1n∣xi−yi∣≤∑i=1nd∞(x,y)=nd∞(x,y).
Ces trois distances sont donc équivalentes : elles définissent la même notion de convergence et la même topologie sur Rn (une suite converge pour l'une si et seulement si elle converge pour les autres, vers la même limite).
3. Norme et distance associée
Soit E un R-espace vectoriel. Une norme sur E est une application ∥⋅∥:E→R+ vérifiant, pour tous x,y∈E et λ∈R :
Une distance associée à une norme possède deux propriétés supplémentaires que n'a pas une distance quelconque : l'invariance par translation (d(x+a,y+a)=d(x,y)) et l'homogénéité (d(λx,λy)=∣λ∣d(x,y)). La distance discrète, par exemple, n'est associée à aucune norme sur un espace vectoriel non nul, car elle ne vérifie pas l'homogénéité (sauf cas trivial).
Les normes usuelles sur Rn sont ∥x∥1=∑∣xi∣, ∥x∥2=∑xi2, ∥x∥∞=maxi∣xi∣, dont les distances associées sont précisément d1, d2, d∞.
4. Boules ouvertes et fermées
Soit (E,d) un espace métrique, a∈E et r>0.
Boule ouverte de centre a et de rayon r :B(a,r)={x∈E:d(a,x)<r}.
Boule fermée de centre a et de rayon r :B(a,r)={x∈E:d(a,x)≤r}.
Sphère de centre a et de rayon r :S(a,r)={x∈E:d(a,x)=r}.
Exemple : dans (R2,d∞), la boule ouverte B(0,1) est un carré ouvert de côté 2 (sans son bord), centré en l'origine, à côtés parallèles aux axes — car d∞(0,x)<1⟺max(∣x1∣,∣x2∣)<1⟺∣x1∣<1 et ∣x2∣<1. Dans (R2,d1), B(0,1) est un carré "tourné à 45°" (un losange) de sommets (±1,0) et (0,±1). Dans (R2,d2), c'est le disque ouvert usuel.
Dans l'espace discret, pour 0<r≤1, B(a,r)={a} : toute boule de rayon assez petit est réduite à son centre.
5. Distance d'un point à une partie
Soit A⊂E une partie non vide et x∈E. On définit la distance de x à A par
d(x,A)=a∈Ainfd(x,a)
Cette borne inférieure existe toujours dans R+ car l'ensemble {d(x,a):a∈A} est non vide et minoré par 0.
Propriété :d(x,A)=0 si et seulement si pour tout ε>0, il existe a∈A tel que d(x,a)<ε — c'est-à-dire x est "infiniment proche" de A sans nécessairement appartenir à A. (Ce critère sera relié à l'adhérence de A dans la leçon suivante.)
Exemple résolu : dans (R,∣⋅∣), soit A=]0,1[ et x=1. Alors d(1,A)=infa∈]0,1[∣1−a∣=infa∈]0,1[(1−a)=0, atteint à la limite quand a→1− mais jamais réalisé puisque 1∈/A. On a bien d(1,A)=0 bien que 1∈/A.
6. Distance entre deux parties, diamètre, parties bornées
Distance entre deux partiesA,B⊂E non vides : d(A,B)=infa∈A,b∈Bd(a,b). Attention, d(A,B)=0 n'implique pas A∩B=∅ (par exemple A=]0,1[ et B=]1,2[ dans R : d(A,B)=0 mais A∩B=∅).
Diamètre d'une partie :diam(A)=supx,y∈Ad(x,y)∈R+∪{+∞}.
Partie bornée :A⊂E est bornée si diam(A)<+∞, ce qui équivaut à : il existe a∈E et R>0 tels que A⊂B(a,R).
Preuve de l'équivalence : si A⊂B(a,R), alors pour x,y∈A, d(x,y)≤d(x,a)+d(a,y)≤2R par inégalité triangulaire, donc diam(A)≤2R<+∞. Réciproquement, si diam(A)=D<+∞ et a∈A fixé (si A=∅), alors pour tout x∈A, d(a,x)≤D, donc A⊂B(a,D).
7. Exemple résolu de synthèse
Énoncé : Montrer que dans (R2,d2), le disque ouvert A=B(0,1) est borné et calculer diam(A).
Résolution : Pour tous x,y∈A, d2(x,y)≤d2(x,0)+d2(0,y)<1+1=2 par inégalité triangulaire, donc diam(A)≤2 et A est bornée (incluse dans B(0,1)). Montrons que diam(A)=2 exactement : pour ε∈]0,1[, prenons xε=(1−ε,0) et yε=(−(1−ε),0), qui appartiennent bien à A (leur norme est 1−ε<1). On a d2(xε,yε)=2(1−ε)→2 quand ε→0. Donc supx,y∈Ad2(x,y)≥2(1−ε) pour tout ε>0, d'où diam(A)≥2. Conclusion : diam(A)=2 (ce supremum n'est pas atteint par deux points de A, mais c'est bien la valeur du diamètre).
Exercices
Parmi les conditions suivantes, laquelle n'est PAS un axiome de distance ?
Calculer d1((0,0),(3,4)), d2((0,0),(3,4)) et d∞((0,0),(3,4)) dans R2.
Vrai ou faux : la distance discrète sur un ensemble E à au moins deux éléments est associée à une norme.
Dans (R2,d∞), quelle est la forme géométrique de la boule ouverte B((0,0),1) ?
Soit A={1,2,3}⊂R. Calculer diam(A) pour la distance usuelle.
Suivez votre progression
Connectez-vous pour sauvegarder votre avancement et gagner des XP.