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Preuve topologique de l’infinitude des nombres premiers

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Voilà un titre qui en jette un maximum! J’ai lu dans l’excellent livre Raisonnements divins (chez Springer) une démonstration étonnante du fait qu’il existe une infinité de nombres premiers. Elle est d’un niveau élevé car elle fait appel à des notions de topologie générale, mais elle est assez élémentaire pour qui connait cette théorie. Je la livre donc ici.

On définit une topologie sur \mathbb Z en disant que les ouverts sont le vide et les O \subset \mathbb Z vérifiant que pour tout entier a\in O, il existe un entier b>0 tel que a+b\mathbb Z\subset O. Il est clair que la réunion quelconque d’ouverts est un ouvert. De plus, si O_1,O_2 sont des ouverts, ou bien l’intersection est vide et O_1 \cap O_2 est un ouvert, ou bien pour a \in O_1 \cap O_2, on a a+b_1b_2\mathbb Z \subset O_1 \cap O_2, avec  des entiers b_1,b_2>0 tels que a+b_1\mathbb Z\subset O_1 et a+b_2\mathbb Z\subset O_2. Finalement,  O_1 \cap O_2 est un ouvert. On a donc bien une topologie sur \mathbb Z.

On remarque d’une part que tout ouvert non vide est infini (car par définition il contient un ensemble infini), et d’autre part que tout ensemble du type a+b\mathbb Z, avec a,b des entiers (b>0), est un fermé. En effet, on a

\displaystyle a+b\mathbb Z=\mathbb Z-\left(\bigcup_{k=1}^{b-1} [a+k+b\mathbb Z]\right),

c’est donc le complémentaire d’un ouvert.

Comme tout entier différent de 1 et -1 admet un diviseur premier, on a

\displaystyle \mathbb Z-\{-1,1\}=\bigcup_p 0+p\mathbb Z

où la réunion se fait sur tous les nombres premiers p. S’ils étaient en nombre fini, \bigcup_p 0+p\mathbb Z serait fermé comme réunion finie d’ensembles fermés. Par passage au complémentaire, \{-1,1\} serait ouvert, ce qui est absurde car c’est un ensemble fini non vide. Il existe donc une infinité de nombres premiers.

Joli, non?

Le théorème de Jordan

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Prenez une feuille de papier, et un stylo. Tracez une ligne, avec pour conditions

  1. ne pas lever le stylo;
  2. ne pas repasser par dessus la ligne;
  3. refermer la ligne sur elle-même à la fin.
Une ligne respectant les conditions.

Une ligne respectant les conditions.

Le théorème de Jordan vous dit alors que vous avez découpé votre feuille en deux parties d’un seul bloc, avec une partie finie et l’autre infinie (si on considère que le papier pourrait être aussi grand que l’on veut). Et là bien sûr vous vous dites qu’il ne faut pas sortir de Polytechnique pour établir des résultats aussi évidents… Hé bien, en dépit de son apparente simplicité, ce théorème est très difficile à démontrer. Tout réside dans le fait qu’il existe des lignes dans le plan très vicieuses…

Commençons par énoncer rigoureusement le théorème. Tout d’abord, on définit une courbe (c’est-à-dire une ligne) comme une fonction f qui part de l’intervalle [0,1] et qui va dans le plan. D’une certaine manière, [0,1] peut être vu comme le temps (0 le début du tracé, 1 la fin) et f(t) le point tracé exactement à l’instant t. On exige que cette fonction soit continue (la condition de ne pas lever le stylo), ainsi la courbe est « en un seul morceau ». De plus, on veut que la courbe se referme sur elle-même à la fin, donc on exige f(0)=f(1). Enfin, il ne faut pas que la courbe repasse sur elle-même, on veut donc que f(t_1) \neq f(t_2) à deux instants t_1 et t_2 qui ne sont pas exactement 0 et 1. On a donc une condition d’injectivité de la courbe (la courbe doit être injective sur [0,1[ et ]0,1]). Les courbes ainsi définies portent le doux nom de courbes de Jordan.

Comment formaliser le concept d’être « d’un seul bloc »? On dit qu’une partie du plan est connexe (c’est-à-dire d’un seul bloc) si on peut toujours passer d’un point de cette partie à un autre par une courbe continue.

La partie A est connexe, alors que B ne l'est pas.

La partie A est connexe, alors que B ne l'est pas.

Rappelons que le complémentaire d’une partie du plan est tout simplement la partie du plan constituée des points qui ne sont pas dans la première. Deux parties du plan sont dites disjointes si elles n’ont pas de points en commun. Enfin, une partie du plan est dite bornée quand on peut l’inclure dans un disque de rayon fini.

On peut alors énoncer correctement le théorème de Jordan :

Le complémentaire d’une courbe de Jordan est constitué de deux parties connexes qui sont disjointes. L’une est bornée, et l’autre non.

Pourquoi ce théorème est-il si difficile à démontrer? Tout simplement parce qu’il existe des courbes de Jordan très vicieuses. Comme exemple, prenons une courbe de Jordan de type fractale appelée flocon de von Koch. Sans rentrer dans les détails, c’est une courbe obtenue en itérant une infinité de fois le procédé décrit dans l’animation suivante :

Les premières étapes de la construction du flocon de von Koch.

Les premières étapes de la construction du flocon de von Koch.

Le problème de ce genre de courbe est qu’il est difficile de savoir si deux points peuvent être reliés par une courbe continue qui ne passe pas par dessus le flocon à cause des innombrables radicelles que forme la courbe. C’est ce qui fait la difficulté de ce théorème!

Pour plus d’informations, vous pouvez consulter le très bon article wikipédia sur le sujet.

La topologie, qu’est-ce que c’est?

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La topologie est la branche des mathématiques qui étudie des concepts comme la distance, la continuité, la notion de limite.

Prenons comme point de départ la notion de distance. À priori, rien de bien profond, cela ne dépasse pas le stade de mesurer avec une règle la distance qui sépare deux points. Cependant, les mathématiques s’autorisent à parler d’autres distances. Et elles ne sortent pas que de leur imaginaire tordu!

Tout le monde s’accorde à dire que sa maison est proche de celle de son voisin. Mais mettons-nous dans la peau d’un employé de France Telecom (pas trop sinon cela risque de mal tourner…). De son point de vue (les télécommunications), la maison de monsieur X peut être assez distante de celle de madame Y, alors qu’ils sont voisins! En effet, si X téléphone à Y pour convenir d’un rendez-vous galant, le signal passera par des centaines de kilomètres de câbles avant d’arriver. Supposons que X et Y habitent à Toulouse et que le signal passe par Paris. Alors on peut considérer du point de vue de France Telecom que la distance entre la maison de X et la mienne (j’habite en région parisienne) est plus petite que la distance entre la maison de X et celle de Y, qui sont pourtant voisins, car le signal met moins de temps pour aller de chez X à chez moi que de chez X à chez Y.

Cet exemple montre qu’il est pertinent de considérer d’autres notions de distance. À titre d’exemple, il existe une distance appelée distance SNCF sur le plan qui consiste à dire que la distance entre deux points P et Q du plan est égale à la distance usuelle si les deux points sont alignés avec l’origine O, et sinon égale à la somme de la distance entre P et O et la distance entre Q et O. Elle porte ce nom en référence au fait qu’il est souvent plus rapide de passer par une correspondance à Paris pour rejoindre deux villes de province par le train.

La distance entre P et Q est plus grande que celle entre P et R.

La distance entre P et Q est plus grande que celle entre P et R, au sens de la distance SNCF.

Citons une dernière distance sur le plan. Prenons le jeu d’échec. La tour ne se déplace qu’en ligne droite. La distance entre deux cases est donc la somme de la distance à parcourir horizontalement et de la distance à parcourir verticalement.

La distance entre la tour et la case marquée d'une croix rouge est de 9 cases.

La distance à parcourir pour la tour afin de rejoindre la croix rouge est de 9 cases.

Les mathématiques ont formalisé la notion de distance, afin de mieux les comprendre. On procède de la manière suivante : prenons un ensemble X de points (par exemples le plan ou l’espace). La distance entre deux points x et y de X est un nombre positif noté d(x,y) qui doit vérifier les trois propriétés suivantes :

  • d(x,y)=d(y,x) (la distance entre un premier point et un second est la même que la distance entre le second et le premier);
  • si d(x,y)=0 alors x=y et réciproquement (si la distance entre deux points est nulle, alors ces deux points sont les mêmes, et réciproquement);
  • d(x,y) \leq d(x,z)+d(z,y) (la distance entre deux points est toujours plus petite que la somme de la distance du premier point à un troisième et de la distance du troisième au deuxième).

La distance des échecs vue plus haut pourrait alors se formaliser en disant que la distance entre deux points du plan X=(x_1,x_2) et Y=(y_1,y_2) est

d(X,Y)=|y_1-x_1|+|y_2-x_2|.

Le lecteur consciencieux pourra démontrer que les trois propriétés sont  bien vérifiées. On peut remarquer une chose amusante au sujet de cette distance. Si on définit le cercle de rayon 1 comme l’ensemble des points dont la distance au centre est 1, alors ce cercle est… un carré!

Une fois cette notion de distance établie, la topologie s’intéresse à des concepts comme la notion de voisinage : comme définir proprement la notion d’être proche au sens d’une distance? Ou encore la notion de continuité : un phénomène entre deux ensembles muni d’une distance (pas nécessairement les mêmes) est dit continu si les conséquences varient peu (au sens de la distance considérée sur le deuxième ensemble)) lorsque les causes sont proches (au sens de la distance considérée sur le premier ensemble).