Exponentielle de matrice en maths spé (MP) : exercices corrigés
Ces 18 exercices couvrent tout le chapitre, du calcul direct jusqu’à l’étude qualitative. Les premiers font calculer l’exponentielle d’une matrice nilpotente, d’un projecteur ou d’une matrice diagonalisable. Viennent ensuite la commutation, le spectre, puis la résolution de systèmes différentiels à coefficients constants.
La dernière partie de cette fiche d’exercices exponentielle MP propose trois sujets plus longs : une limite de puissances, des matrices qui ne sont pas des exponentielles et un problème sur les rotations de l’espace. Pour chaque énoncé, demandez-vous d’abord quelle réduction est disponible, car elle dicte la méthode la plus rapide. Contrôlez ensuite chaque exponentielle obtenue en \(t=0\) : on doit y lire la matrice identité. Enfin, pour un système, vérifiez la condition initiale avant de passer à l’étude du comportement.
Pour démarrer
Exercice 1 – Une matrice nilpotente d’ordre 3
Soit \(N=\begin{pmatrix}0&3&1\\0&0&-2\\0&0&0\end{pmatrix}\).
- Calculer \(N^2\) et \(N^3\).
- En déduire \(\exp(tN)\) pour tout réel \(t\), puis \(\exp(N)\).
- Vérifier sur ce résultat que \(\exp(N)\exp(-N)=I_3\).
Exercice 2 – Matrices symétriques à diagonale constante
Pour \(a,b\) réels, on note \(M_{a,b}=\begin{pmatrix}a&b\\b&a\end{pmatrix}\) et \(J=\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}\).
- Calculer \(J^2\), puis \(\exp(bJ)\) à l’aide des fonctions hyperboliques.
- Justifier que \(\exp(M_{a,b})=\mathrm{e}^a\exp(bJ)\) et écrire cette matrice.
- Retrouver ce résultat en diagonalisant \(M_{a,b}\) dans la base \(\bigl((1,1),(1,-1)\bigr)\).
Exercice 3 – Projecteurs et symétries
Soit \(E\) un espace vectoriel réel de dimension finie \(n\).
- Soit \(p\) un projecteur de \(E\), de rang \(r\). Montrer que \(\exp(tp)=\mathrm{id}_E+(\mathrm{e}^t-1)p\) pour tout réel \(t\).
- Calculer \(\det\bigl(\exp(tp)\bigr)\) de deux manières : avec la formule précédente dans une base adaptée, puis avec la trace.
- Soit \(s\) une symétrie de \(E\). Exprimer \(\exp(ts)\) à l’aide de \(\mathrm{ch}\,t\), \(\mathrm{sh}\,t\), \(\mathrm{id}_E\) et \(s\).
Exercice 4 – Spectre et déterminant d’une exponentielle
- Soit \(A=\begin{pmatrix}1&2&0\\0&-1&5\\0&0&3\end{pmatrix}\). Donner le spectre et le déterminant de \(\exp(A)\) sans calculer cette matrice.
- Vérifier la cohérence du déterminant avec la trace de \(A\).
- Montrer qu’il n’existe aucune matrice \(B\in\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\) telle que \(\exp(B)=\begin{pmatrix}-1&0\\0&1\end{pmatrix}\).
Exercice 5 – Dériver t ↦ exp(tA)
Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et \(E(t)=\exp(tA)\).
- Rappeler \(E^{\prime}(t)\) et en déduire \(E^{\prime\prime}(t)\).
- On pose \(\varphi(t)=\mathrm{tr}\bigl(E(t)\bigr)\). Calculer \(\varphi^{\prime}(0)\) et \(\varphi^{\prime\prime}(0)\) en fonction de \(A\).
- On pose \(\psi(t)=\det\bigl(E(t)\bigr)\). Donner une expression simple de \(\psi(t)\), puis vérifier que \(\psi^{\prime}(0)=\varphi^{\prime}(0)\).
Exercice 6 – Un système diagonalisable 2×2
On considère le système \(x^{\prime}=4x-2y\), \(y^{\prime}=x+y\), avec \(x(0)=1\) et \(y(0)=0\).
- Écrire le système sous la forme \(X^{\prime}=AX\). Diagonaliser \(A\).
- Donner la solution générale du système.
- Déterminer la solution qui vérifie les conditions initiales, puis son comportement en \(+\infty\) et en \(-\infty\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Trois produits qui diffèrent
Soit \(A=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}\) et \(B=\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix}\).
- Vérifier que \(A\) et \(B\) ne commutent pas.
- Calculer \(\exp(A)\) et \(\exp(B)\).
- Montrer que \(A+B\) est un projecteur et en déduire \(\exp(A+B)\).
- Comparer \(\exp(A+B)\), \(\exp(A)\exp(B)\) et \(\exp(B)\exp(A)\).
Exercice 8 – Une rotation déguisée
Soit \(A=\begin{pmatrix}1&-5\\1&-1\end{pmatrix}\).
- Montrer que \(A^2=-4I_2\).
- En déduire \(\exp(tA)\) pour tout réel \(t\).
- Résoudre \(X^{\prime}=AX\) avec \(X(0)=(1,0)\). Montrer que la solution est périodique et donner sa période.
- Vérifier que la quantité \(q(x,y)=x^2-2xy+5y^2\) est constante le long de chaque solution. Quelle est la nature des trajectoires ?
La figure représente la trajectoire issue de \((1,0)\) et deux autres trajectoires du même système.

Exercice 9 – Valeur propre double non diagonalisable
Soit \(A=\begin{pmatrix}5&-4\\1&1\end{pmatrix}\).
- Calculer le polynôme caractéristique de \(A\). La matrice est-elle diagonalisable ?
- On pose \(N=A-3I_2\). Calculer \(N^2\) et en déduire \(\exp(tA)\).
- Résoudre \(X^{\prime}=AX\) avec \(X(0)=(0,1)\).
Exercice 10 – Une matrice à diagonale nulle et coefficients 1
Soit \(J\in\mathcal{M}_3(\mathbb{R})\) la matrice dont tous les coefficients valent \(1\), et \(M=J-I_3\).
- Calculer \(J^2\) en fonction de \(J\), puis montrer que \(\exp(tJ)=I_3+\frac{\mathrm{e}^{3t}-1}{3}J\).
- En déduire \(\exp(tM)\), en justifiant chaque étape.
- Résoudre le système \(x^{\prime}=y+z\), \(y^{\prime}=x+z\), \(z^{\prime}=x+y\) avec \((x,y,z)(0)=(1,0,0)\).
Exercice 11 – Résolution en cascade d’un système triangulaire
Soit \(T=\begin{pmatrix}1&1&0\\0&1&2\\0&0&-1\end{pmatrix}\). On cherche les solutions \(Y=(y_1,y_2,y_3)\) de \(Y^{\prime}=TY\).
- Résoudre l’équation vérifiée par \(y_3\).
- Injecter \(y_3\) dans l’équation de \(y_2\) et la résoudre.
- Terminer avec \(y_1\), puis décrire l’espace des solutions.
- Déterminer les solutions bornées sur \([0,+\infty[\).
Exercice 12 – Spirales selon le signe d’un paramètre
Pour \(a\in\mathbb{R}\), on pose \(A_a=\begin{pmatrix}a&1\\-1&a\end{pmatrix}\).
- Calculer \(\exp(tA_a)\) en écrivant \(A_a=aI_2+R\), avec \(R\) à préciser.
- Soit \(X\) une solution de \(X^{\prime}=A_aX\). Montrer que \(\|X(t)\|=\mathrm{e}^{at}\|X(0)\|\) pour la norme euclidienne.
- Décrire le comportement des solutions selon le signe de \(a\).
La figure trace une solution pour \(a=-0{,}15\), \(a=0\) et \(a=0{,}15\).

Exercice 13 – Quand l’exponentielle vaut l’identité
- Soit \(\theta\) réel et \(R_\theta=\begin{pmatrix}0&-\theta\\\theta&0\end{pmatrix}\). Calculer \(\exp(R_\theta)\) et trouver les \(\theta\) tels que \(\exp(R_\theta)=I_2\).
- Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{C})\) diagonalisable telle que \(\exp(A)=I_n\). Montrer que les valeurs propres de \(A\) sont dans \(2\mathrm{i}\pi\mathbb{Z}\).
- Soit \(N\) nilpotente telle que \(\exp(N)=I_n\). En écrivant \(\exp(N)-I_n=N\,U\) avec \(U\) à préciser, montrer que \(N=0\).
Exercice 14 – Une équation d’ordre deux vue comme un système
On étudie l’équation \(y^{\prime\prime}-3y^{\prime}+2y=0\).
- Avec \(X=(y,y^{\prime})\), écrire l’équation sous la forme \(X^{\prime}=AX\).
- Diagonaliser \(A\) et donner la solution générale de l’équation.
- Déterminer les solutions \(y\) telles que \(y(0)=1,\ y^{\prime}(0)=0\) puis \(y(0)=0,\ y^{\prime}(0)=1\).
- En déduire \(\exp(tA)\) sans calculer de matrice de passage inverse.
Exercice 15 – Déterminant de l’exponentielle sans trigonaliser
Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et \(\psi(t)=\det\bigl(\exp(tA)\bigr)\).
- Montrer que \(\psi(t+h)=\psi(t)\,\psi(h)\) pour tous réels \(t\) et \(h\).
- Établir que \(\exp(hA)=I_n+hA+h^2R(h)\), où \(R\) est bornée au voisinage de \(0\).
- En admettant que \(\det(I_n+hB)=1+h\,\mathrm{tr}(B)+O(h^2)\) pour \(B\) bornée, montrer que \(\psi\) est dérivable en \(0\) avec \(\psi^{\prime}(0)=\mathrm{tr}A\).
- En déduire que \(\psi^{\prime}=\mathrm{tr}(A)\,\psi\), puis que \(\det\exp(A)=\mathrm{e}^{\mathrm{tr}A}\).
Pour approfondir
Exercice 16 – Exponentielle comme limite de puissances
Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{K})\) et \(\|\cdot\|\) une norme d’algèbre sur \(\mathcal{M}_n(\mathbb{K})\). Pour \(k\geqslant 1\), on pose \(M_k=\left(I_n+\frac{A}{k}\right)^k\).
- Écrire \(M_k=\sum_{j=0}^k\alpha_{k,j}A^j\) avec \(\alpha_{k,j}=\binom{k}{j}\frac{1}{k^j}\). Montrer que \(0\leqslant\alpha_{k,j}\leqslant\frac{1}{j!}\).
- En posant \(\alpha_{k,j}=0\) pour \(j>k\), établir que \(\|\exp(A)-M_k\|\leqslant\sum_{j\geqslant 0}\left(\frac{1}{j!}-\alpha_{k,j}\right)\|A\|^j\).
- Calculer ce majorant et conclure que \(M_k\to\exp(A)\) quand \(k\to+\infty\).
- Application : en déduire de nouveau que \(\det\exp(A)=\lim_k\left(\det\left(I_n+\frac Ak\right)\right)^k\), puis retrouver \(\det\exp(A)=\mathrm{e}^{\mathrm{tr}A}\) lorsque \(A\) est triangulaire.
Exercice 17 – Matrices qui ne sont pas des exponentielles
- Montrer que l’exponentielle envoie \(\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) dans l’ensemble des matrices de déterminant strictement positif.
- Soit \((a,b)\in\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}\). On écrit \(a+\mathrm{i}b=r\mathrm{e}^{\mathrm{i}\theta}\) avec \(r>0\). Montrer que \(\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix}=\exp\begin{pmatrix}\ln r&-\theta\\\theta&\ln r\end{pmatrix}\).
- Soit \(M=\begin{pmatrix}-1&1\\0&-1\end{pmatrix}\). Vérifier que \(\det M>0\) et que \(M\) n’est pas diagonalisable sur \(\mathbb{C}\).
- On suppose \(M=\exp(B)\) avec \(B\in\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\). Montrer que les valeurs propres complexes de \(B\) sont non réelles et conjuguées, puis distinctes. En déduire une contradiction.
Exercice 18 – Problème sur les rotations de l’espace
Dans cet énoncé, \(\mathbb{R}^3\) est muni de son produit scalaire usuel.
Partie A : cas général. Soit \(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) antisymétrique, c’est-à-dire \(A^{\top}=-A\).
- Montrer que \(\exp(A)^{\top}\exp(A)=I_n\) et que \(\det\exp(A)=1\).
- Soit \(X\) une solution de \(X^{\prime}=AX\). Montrer que \(\|X(t)\|\) est constante.
Partie B : un exemple dans l’espace. On pose \(w=(1,2,2)\) et \(A=\begin{pmatrix}0&-2&2\\2&0&-1\\-2&1&0\end{pmatrix}\), de sorte que \(AX=w\wedge X\) pour tout \(X\in\mathbb{R}^3\).
- Vérifier que \(Aw=0\) et que \(A^2=ww^{\top}-9I_3\). En déduire que \(A^3=-9A\).
- Établir que, pour tout réel \(t\) :
\[\exp(tA)=I_3+\frac{\sin(3t)}{3}A+\frac{1-\cos(3t)}{9}A^2.\] - Montrer que \(\exp(tA)w=w\) et que \(t\mapsto\exp(tA)\) est périodique ; préciser sa plus petite période.
- Calculer la trace de \(\exp(tA)\) et en déduire les valeurs propres complexes de \(\exp(tA)\).
- Résoudre \(X^{\prime}=AX\) avec \(X(0)=(2,-1,0)\), puis décrire la trajectoire.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths spé (MP) sur exponentielle de matrice
- Bases utiles : Théorème de Cauchy linéaire et wronskien, Polynôme minimal, lemme des noyaux et Cayley-Hamilton, Compacité, connexité et applications linéaires continues
- Chapitre d’avant : Théorème de Cauchy linéaire et wronskien
- Chapitre d’après : Différentielle, jacobienne et règle de la chaîne
- Vérifier ses acquis : QCM de maths spé (MP) sur exponentielle de matrice
- Contrôle corrigé en temps limité : Raccordements, wronskien et exp(tA) : contrôle de maths en MP
- Tous les chapitres : le sommaire de maths spé (MP)
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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