Degré d'une application

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Le degré d'une application continue entre variétés de même dimension est une généralisation de la notion d'enroulement d'un cercle sur lui-même. C'est un invariant homologique à valeurs entières positives.

Sa définition, d'abord réservée aux applications différentiables, s'étend aux applications continues par passage à la limite du fait de son invariance par homotopie. Mais la construction des groupes d'homologie permet aussi de proposer une définition directe pour les applications continues.

Enroulement[modifier | modifier le code]

Il existe plusieurs manières de considérer le cercle comme un quotient de la droite réelle :

  • l'ensemble des classes d'équivalence modulo 1 (deux nombres réels étant équivalents si leur différence est un entier relatif) forme le cercle noté ℝ/ℤ ;
  • le cercle unité S^1 du plan ℝ2 est l'image de ℝ par l'application t \mapsto (\cos(t), \sin(t)), interprétation réelle de l'exponentielle complexe.

Cette description est équivalente au quotient ℝ/2πℤ.

Pour toute application continue f\colon S^1\to S^1, il existe une application continue \tilde{f} \colon \R \to \R, appelée relèvement de f dans ℝ, telle que pour tout réel x, f([x]) = [\tilde{f}(x)]. Ce relèvement est unique à une constante additive près (multiple de 2\pi).

Puisque la fonction x \mapsto \tilde{f}(x+2\pi)-\tilde{f}(x) est continue et que ses valeurs sont des multiples entiers de 2\pi, elle est constante et la valeur de ce multiple est appelée degré d'enroulement de la fonction f.

En géométrie différentielle[modifier | modifier le code]

Définition[modifier | modifier le code]

Soient M et N deux variétés différentielles (sans bord) orientées et de même dimension, telles que M soit compacte et N soit connexe.

Soit f une application différentiable de M dans N.

(La définition peut aussi s'étendre aux variétés à bord à condition que la fonction f préserve le bord.)

D'après le théorème de Sard, il existe un point y de N qui soit une valeur régulière de f.

En tout point x de la préimage \ f^{-1}(\{y\}), la différentielle \ D_x f induit donc une application linéaire surjective entre les espaces tangents (orientés) \ T_x M et \ T_y N.

Par égalité des dimensions, ces applications linéaires sont des isomorphismes d'espaces vectoriels orientés.

Leur signe, noté \operatorname{sign}(D_x f), est défini par \ +1 si \ D_x f préserve l'orientation et \ -1 dans le cas contraire.

Par compacité de M, la préimage \ f^{-1}(\{y\}) est finie et le degré de f en y peut donc se définir par la somme :

\deg(f,y) = \sum_{x \in f^{-1}(y)}{\operatorname{sign}(D_x f)}.

Si les variétés M ou N ne sont pas orientées, le degré de f en une valeur régulière y peut simplement se définir par la parité du cardinal de la préimage, autrement dit :

\deg(f,y) = \sum_{x \in f^{-1}(y)}{1}\in\Z/(2).

Le résultat de ce calcul est indépendant du choix de la valeur régulière. Le degré de f est donc noté simplement \ \deg(f).

Exemples[modifier | modifier le code]

  • L'application identité est de degré 1.
  • L'application antipodale sur la sphère S^n est de degré (-1)^{n+1}.
  • Si l'application f n'est pas surjective, un point de N qui n'est pas dans l'image de f est une valeur régulière donc le degré de f vaut zéro.
    C'est notamment le cas si N est non compacte, ou si f est constante et N non réduite à un point.
  • Si f est un revêtement de variétés différentielles compactes orientables sans bord, le degré de f est égal au nombre de feuillets.

Invariance par homotopie[modifier | modifier le code]

L'intérêt principal de cette notion réside dans le fait que si deux applications sont homotopes, elles ont même degré.

Par conséquent, les sphères S^n ne sont pas contractiles et l'application antipodale n'est pas homotope à l'identité sur les sphères paires.

Le degré constitue même un invariant complet pour les sphères : deux applications de S^n dans S^n sont homotopes si et seulement si elles ont même degré.

Article détaillé : Groupes d'homotopie des sphères.

Plus généralement, le théorème de Hopf[1],[2] assure que pour toute variété M de dimension n, orientable, compacte et sans bord, deux applications continues de M dans S^n sont homotopes si (et seulement si) elles ont même degré.

En topologie algébrique[modifier | modifier le code]

Définition[modifier | modifier le code]

Soit M et N deux variétés compactes orientées et de même dimension n, dont les classes d'orientation respectives sont notées [M] et [N]. La condition d'orientation peut être retirée si les groupes d'homologie sont calculés à coefficients dans ℤ/(2).

Si la variété N est connexe, la classe [N] est un générateur du groupe H_n(N, \partial N).

Soit f une application continue de M dans N qui préserve le bord. L'application f_* induite en homologie associe à la classe [M] un élément \lambda[N] de H_n(N, \partial N).

Le nombre \lambda est alors appelé degré de f et noté \ \deg(f).

La propriété d'excision de l'homologie permet de montrer que cette définition étend celle donnée par la géométrie différentielle.

Plus généralement, la notion de degré peut être étendue à toute application entre paires d'espaces munis de classe génératrice d'un groupe d'homologie en une dimension fixée. Ceci permet notamment de parler de degré pour une application entre complexes de Poincaré (en) ou entre espaces de Thom.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Le degré est donc un invariant homologique.

Par dualité de Poincaré en utilisant la cohomologie de De Rham, le degré peut aussi s'obtenir en intégrant sur la variété source une forme volume de la variété but.

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Hopf theorem » (voir la liste des auteurs)

  1. (en) John Milnor, Topology from the Differentiable Viewpoint [détail des éditions], p. 31
  2. (en) Enrique Outerelo, Jesús M. Ruiz, Mapping degree theory, Providence, AMS,‎ 2009 (ISBN 978-0-8218-4915-6)

Article connexe[modifier | modifier le code]

Indice (analyse complexe)