QCM : Exponentielle de matrice en maths spé (MP)
Ce QCM exponentielle MP couvre l’exponentielle de matrice et son usage pour les systèmes différentiels. Les premières questions vérifient la définition par une série et les calculs directs : matrice diagonale, matrice nilpotente, matrices semblables. Viennent ensuite le déterminant et l’inverse d’une exponentielle, la dérivée de \(t\mapsto\exp(tA)\) et le piège de la somme de deux matrices qui ne commutent pas. La fin porte sur les systèmes linéaires \(X^{\prime}=AX\) : résolution par réduction et comportement des solutions.
Réponds d’abord sans le cours, en refaisant chaque produit matriciel au brouillon. Lis ensuite chaque explication : elle justifie la bonne réponse et nomme l’erreur visée, comme une exponentielle prise coefficient par coefficient, une commutation supposée à tort ou des vecteurs propres associés aux mauvaises valeurs propres.
Les 12 questions
Question 1
Pourquoi la série \(\displaystyle\sum_{k\ge0}\frac{A^k}{k!}\) converge-t-elle pour toute matrice \(A\in M_n(\mathbb{K})\) ?
- Pour une norme sous-multiplicative, \(\|A^k\|\le\|A\|^k\), et \(\sum\frac{\|A\|^k}{k!}\) converge
- Parce que toute matrice de \(M_n(\mathbb{C})\) est diagonalisable
- Parce que les coefficients de \(A^k\) restent bornés quand \(k\) grandit
- Elle ne converge que si \(\|A\|<1\), comme une série géométrique
Réponse A.
La majoration \(\|A^k\|\le\|A\|^k\) rend la série absolument convergente, par comparaison avec la série de \(e^{\|A\|}\). Comme \(M_n(\mathbb{K})\) est de dimension finie, donc complet, la série converge. De plus, la convergence est normale sur toute boule, ce qui donne la continuité de l’exponentielle. Le piège \(\|A\|<1\) confond avec la série \(\sum A^k\), sans factorielle. Enfin, toutes les matrices ne sont pas diagonalisables.
Question 2
Que vaut \(\exp\begin{pmatrix}1&0\\0&-2\end{pmatrix}\) ?
- \(\begin{pmatrix}e&0\\0&e^{-2}\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}e&0\\0&-e^{2}\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}e&1\\1&e^{-2}\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}2&0\\0&-1\end{pmatrix}\)
Réponse A.
Les puissances d’une matrice diagonale s’obtiennent coefficient diagonal par coefficient diagonal. Ainsi, la série donne \(e^{1}\) et \(e^{-2}\) sur la diagonale, et des zéros ailleurs. La réponse avec des \(1\) hors de la diagonale applique l’exponentielle aux coefficients nuls, ce qui est faux. Le piège \(-e^{2}\) sort le signe de l’exponentielle. Enfin, la matrice \(I_2+A\) ne garde que le début de la série.
Question 3
Soit \(N=\begin{pmatrix}0&3\\0&0\end{pmatrix}\). Que vaut \(\exp(N)\) ?
- \(\begin{pmatrix}1&e^{3}\\1&1\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}e&3e\\0&e\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}1&\frac92\\0&1\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}1&3\\0&1\end{pmatrix}\)
Réponse D.
On a \(N^2=0\), donc la série s’arrête après deux termes : \(\exp(N)=I_2+N\). La réponse avec \(e^{3}\) prend l’exponentielle de chaque coefficient, ce qui n’a aucun sens pour une matrice. La matrice avec des \(e\) correspond à \(\exp(I_2+N)\), pas à \(\exp(N)\). Quant à \(\frac92\), il ajoute un terme \(\frac{N^2}{2}\) en croyant à tort que \(N^2\) n’est pas nul.
Question 4
On suppose \(A=PDP^{-1}\) avec \(P\) inversible. Que vaut \(\exp(A)\) ?
- \(\exp(P)\exp(D)\exp(P^{-1})\)
- \(P\exp(D)P^{-1}\)
- \(P^{-1}\exp(D)P\)
- \(\exp(D)\)
Réponse B.
On a \(A^k=PD^kP^{-1}\) pour tout \(k\). Par linéarité et continuité de \(M\mapsto PMP^{-1}\), cette égalité passe aux sommes partielles puis à la limite. Le piège \(P^{-1}\exp(D)P\) inverse le sens du changement de base. L’écriture avec \(\exp(P)\) n’est justifiée par rien, car l’exponentielle ne transforme pas un produit en produit. Enfin, \(\exp(A)\) et \(\exp(D)\) sont semblables, mais pas égales en général.
Question 5
Une matrice \(A\in M_3(\mathbb{R})\) a pour valeurs propres \(1\), \(-1\) et \(2\). Que vaut \(\det(\exp A)\) ?
- \(e^{2}\)
- \(e^{-2}\)
- \(-2\)
- \(2\)
Réponse A.
Les valeurs propres de \(\exp A\) sont \(e^{1}\), \(e^{-1}\) et \(e^{2}\), car l’exponentielle transporte le spectre. Leur produit vaut \(e^{1-1+2}=e^{\mathrm{tr}A}=e^{2}\). Le piège \(e^{-2}\) calcule \(e^{\det A}\) au lieu de \(e^{\mathrm{tr}A}\). De même, \(-2\) est le déterminant de \(A\) lui-même. Enfin, \(2\) est la trace, sans exponentielle.
Question 6
Pour \(A\in M_n(\mathbb{R})\) quelconque, quelle affirmation sur \(\exp(A)\) est vraie ?
- \(\exp(A)\) est inversible seulement si \(A\) l’est
- \(\exp(A)\) est inversible, d’inverse \(\exp(-A)\)
- \(\exp(A)\) est inversible, d’inverse \(\exp(A^{T})\)
- \(\exp(A)\) peut être nilpotente
Réponse B.
Les matrices \(A\) et \(-A\) commutent, donc \(\exp(A)\exp(-A)=\exp(0)=I_n\). Ainsi, \(\exp(A)\) est toujours inversible, même pour \(A=0\) : c’est pourquoi l’inversibilité de \(A\) n’est pas requise. Le piège \(\exp(A^{T})\) est la transposée de \(\exp(A)\), égale à l’inverse seulement si \(A\) est antisymétrique. Par ailleurs, une matrice nilpotente n’est jamais inversible.
Question 7
Que vaut la dérivée de \(\varphi:t\mapsto\exp(tA)\) en tout réel \(t\) ?
- \(\exp(tA)\)
- \(tA\exp\big((t-1)A\big)\)
- \(A\exp(tA)\)
- \(\exp(A)\exp(tA)\)
Réponse C.
On dérive la série terme à terme : \(\frac{d}{dt}\frac{t^kA^k}{k!}=\frac{t^{k-1}A^k}{(k-1)!}\), ce qui donne \(A\exp(tA)\). De plus, \(A\) commute avec \(\exp(tA)\), donc l’ordre du produit est indifférent. Le piège \(\exp(tA)\) oublie la dérivée de \(tA\). La forme \(tA\exp\big((t-1)A\big)\) imite à tort la dérivée d’une puissance \(x^t\).
Question 8
Soient \(A=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}\) et \(B=\begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix}\). Que vaut \(\exp(A+B)\) ?
- \(\begin{pmatrix}2&1\\1&1\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}1&1\\1&2\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}\mathrm{ch}\,1&\mathrm{sh}\,1\\\mathrm{sh}\,1&\mathrm{ch}\,1\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}\cos1&\sin1\\\sin1&\cos1\end{pmatrix}\)
Réponse C.
La matrice \(S=A+B\) vérifie \(S^2=I_2\). Par conséquent, les puissances paires donnent \(I_2\) et les impaires donnent \(S\), d’où \(\exp(S)=\mathrm{ch}(1)I_2+\mathrm{sh}(1)S\). Le piège \(\begin{pmatrix}2&1\\1&1\end{pmatrix}\) calcule \(\exp(A)\exp(B)\), invalide car \(AB\ne BA\). De son côté, la version en cosinus suppose \(S^2=-I_2\).
Question 9
On résout \(X^{\prime}=AX\) avec \(A=\begin{pmatrix}2&1\\0&2\end{pmatrix}\) et \(X(0)=\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}\). Que vaut \(X(t)\) ?
- \(\begin{pmatrix}0\\e^{2t}\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}e^{2t}\\e^{2t}\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}t\,e^{t}\\e^{2t}\end{pmatrix}\)
- \(\begin{pmatrix}t\,e^{2t}\\e^{2t}\end{pmatrix}\)
Réponse D.
On écrit \(A=2I_2+N\) avec \(N^2=0\). Ces deux matrices commutent, donc \(\exp(tA)=e^{2t}(I_2+tN)\). Ainsi \(X(t)=\exp(tA)X(0)\) donne la première composante \(t\,e^{2t}\). La réponse avec un \(0\) oublie le couplage entre les deux équations. De même, \(t\,e^{t}\) perd le facteur \(2\) dans l’exponentielle.
Question 10
Quelle est la solution générale de \(X^{\prime}=AX\) pour \(A=\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}\), avec \(\alpha,\beta\) réels ?
- \(\alpha e^{3t}\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}+\beta e^{-t}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}\)
- \(\alpha e^{-3t}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}+\beta e^{t}\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}\)
- \(\alpha e^{3t}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}+\beta e^{-t}\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}\)
- \(\alpha e^{3t}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}+\beta e^{t}\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}\)
Réponse C.
Le vecteur \((1,1)\) est propre pour la valeur \(3\), et \((1,-1)\) pour la valeur \(-1\). Dans la base propre, le système se découple, donc chaque mode évolue avec sa propre exponentielle. Le piège qui échange les vecteurs associe chaque valeur propre au mauvais vecteur. La version en \(e^{-3t}\) change le signe des valeurs propres. Enfin, \(e^{t}\) prend la valeur \(1\) au lieu de \(-1\).
Question 11
Une matrice \(A\in M_2(\mathbb{R})\) a pour valeurs propres \(-1+2i\) et \(-1-2i\). Comment se comportent les solutions de \(X^{\prime}=AX\) quand \(t\to+\infty\) ?
- Elles sont toutes périodiques de période \(\pi\)
- Elles tendent toutes vers \(0\) en oscillant
- Leur norme tend vers \(+\infty\) en oscillant
- Elles restent bornées sans tendre vers \(0\)
Réponse B.
Les composantes des solutions sont des combinaisons de \(e^{-t}\cos2t\) et \(e^{-t}\sin2t\). La partie réelle \(-1\) donne la décroissance, tandis que la partie imaginaire \(2\) donne l’oscillation. Ainsi, toute solution tend vers \(0\). Le piège périodique ignore la partie réelle, qui ne serait sans effet que si elle était nulle. Quant à la divergence, elle exigerait une partie réelle positive.
Question 12
Quelle affirmation sur l’exponentielle de \(M_2(\mathbb{R})\) est vraie ?
- L’exponentielle est injective sur \(M_2(\mathbb{R})\)
- Si \(\exp(A)=I_2\), alors \(A\) est nilpotente
- Si \(\exp(A)\) est diagonale, alors \(A\) est diagonale
- \(\exp(A)=I_2\) n’entraîne pas \(A=0\)
Réponse D.
La matrice \(A=\begin{pmatrix}0&-2\pi\\2\pi&0\end{pmatrix}\) a pour exponentielle la rotation d’angle \(2\pi\), c’est-à-dire \(I_2\). L’exponentielle n’est donc pas injective, et ce même contre-exemple invalide la conclusion « diagonale ». Par ailleurs, cette matrice n’est pas nilpotente : ses valeurs propres \(\pm2i\pi\) sont non nulles. En effet, seul le spectre de \(\exp(A)\), fait de \(1\), est contraint.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths spé (MP) sur exponentielle de matrice
- S’exercer : exercices corrigés sur exponentielle de matrice
- QCM précédent : QCM : Cauchy linéaire et wronskien en maths spé (MP)
- QCM suivant : QCM : Différentielle et règle de la chaîne en maths spé (MP)
- Tous les chapitres : le sommaire de maths spé (MP)
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