Exponentielle de matrices
Bonjour,
Voici l'énoncé d'un exercice qui me bloque un peu :
$A$ est une matrice carrée quelconque.
Pour tout $t$ dans $\mathbb R$ et tout $n$ dans $\mathbb N$ on note $E_n(t)$ la matrice : $\quad\displaystyle E_n(t)=\sum_{k=0}^n \frac{t^k}{k!} A^k.$
On note aussi $\alpha_{ij} ^n $ le coefficient d'indices $i$ et $j$ de la matrice $E_n(t)$ ainsi que $\exp(tA)$ la matrice de coefficient $\alpha_{ij} = \lim\limits_{n \to +\infty} \alpha_{ij} ^n .$
Pour cette question on suppose qu'on a : $A = \begin{pmatrix}
1 & 2 \\
2 & 4
\end{pmatrix}$
1) Déterminez les réels $\lambda$ pour lesquels $A-\lambda I$ n'est pas inversible ($I$ est la matrice identité).
J'ai trouvé $\lambda = 0$ ou $\lambda = 5$
2) Calculez $A^2, A^3, A^k$ pour tout $k$ dans $N$
J'ai trouvé $A^2 = \begin{pmatrix}
5 & 10\\
10 & 20
\end{pmatrix}, \qquad A^3 = \begin{pmatrix}
25 & 50\\
50 & 100
\end{pmatrix} \qquad\text{et}\quad A^k = \begin{pmatrix}
5^{k-1} & 2\times5^{k-1} \\
2\times5^{k-1} & 4\times5^{k-1}
\end{pmatrix}$
3) Calculer pour tout $t$ dans $\mathbb R$ et pour tout $n$ dans $\mathbb N$ la matrice $E_n(t)$ puis la matrice $\exp(tA)$ puis montrer que cette dernière s'écrit $P+e^{5t} Q$ où $P$ et $Q$ sont deux matrices carrées d'ordre 2 à expliciter.
Ce que j'ai fait :
Pour $E_n(t)$ :
$E_n(t) = \sum_{k=0}^n \frac{t^k}{k!} A^k$
$E_n(t) = \sum_{k=0}^n \begin{pmatrix}
\frac{t^k}{k!}\times5^{k-1} & 2 \frac{t^k}{k!}\times5^{k-1} \\
2 \frac{t^k}{k!}\times5^{k-1}& 4 \frac{t^k}{k!}\times5^{k-1}
\end{pmatrix}$
Puis si $n$ tend vers l'infini j'ai donc :
$\exp(tA) = \frac{1}{5}\begin{pmatrix}
e^{5t} & 2e^{5t} \\
2e^{5t} & 4e^{5t}
\end{pmatrix}$
Mais je ne suis vraiment pas sur de ce résultat (voir sûr qu'il est faux).
Un petit coup de pouce ? :-S
Merci beaucoup !
Voici l'énoncé d'un exercice qui me bloque un peu :
$A$ est une matrice carrée quelconque.
Pour tout $t$ dans $\mathbb R$ et tout $n$ dans $\mathbb N$ on note $E_n(t)$ la matrice : $\quad\displaystyle E_n(t)=\sum_{k=0}^n \frac{t^k}{k!} A^k.$
On note aussi $\alpha_{ij} ^n $ le coefficient d'indices $i$ et $j$ de la matrice $E_n(t)$ ainsi que $\exp(tA)$ la matrice de coefficient $\alpha_{ij} = \lim\limits_{n \to +\infty} \alpha_{ij} ^n .$
Pour cette question on suppose qu'on a : $A = \begin{pmatrix}
1 & 2 \\
2 & 4
\end{pmatrix}$
1) Déterminez les réels $\lambda$ pour lesquels $A-\lambda I$ n'est pas inversible ($I$ est la matrice identité).
J'ai trouvé $\lambda = 0$ ou $\lambda = 5$
2) Calculez $A^2, A^3, A^k$ pour tout $k$ dans $N$
J'ai trouvé $A^2 = \begin{pmatrix}
5 & 10\\
10 & 20
\end{pmatrix}, \qquad A^3 = \begin{pmatrix}
25 & 50\\
50 & 100
\end{pmatrix} \qquad\text{et}\quad A^k = \begin{pmatrix}
5^{k-1} & 2\times5^{k-1} \\
2\times5^{k-1} & 4\times5^{k-1}
\end{pmatrix}$
3) Calculer pour tout $t$ dans $\mathbb R$ et pour tout $n$ dans $\mathbb N$ la matrice $E_n(t)$ puis la matrice $\exp(tA)$ puis montrer que cette dernière s'écrit $P+e^{5t} Q$ où $P$ et $Q$ sont deux matrices carrées d'ordre 2 à expliciter.
Ce que j'ai fait :
Pour $E_n(t)$ :
$E_n(t) = \sum_{k=0}^n \frac{t^k}{k!} A^k$
$E_n(t) = \sum_{k=0}^n \begin{pmatrix}
\frac{t^k}{k!}\times5^{k-1} & 2 \frac{t^k}{k!}\times5^{k-1} \\
2 \frac{t^k}{k!}\times5^{k-1}& 4 \frac{t^k}{k!}\times5^{k-1}
\end{pmatrix}$
Puis si $n$ tend vers l'infini j'ai donc :
$\exp(tA) = \frac{1}{5}\begin{pmatrix}
e^{5t} & 2e^{5t} \\
2e^{5t} & 4e^{5t}
\end{pmatrix}$
Mais je ne suis vraiment pas sur de ce résultat (voir sûr qu'il est faux).
Un petit coup de pouce ? :-S
Merci beaucoup !
Réponses
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Bonsoir,
Du boulot : Je n'ai pas vérifié. Cependant, en vertu du point 1), la matrice $A$ est semblable à la matrice\[\left(\begin{array}{rr}0&0\\0&5\\\end{array}\right)\]dans une base de vecteurs propres à déterminer (ainsi que la matrice de passage et son inverse).
Cordialement,
ThierryLe chat ouvrit les yeux, le soleil y entra. Le chat ferma les yeux, le soleil y resta. Voilà pourquoi le soir, quand le chat se réveille, j'aperçois dans le noir deux morceaux de soleil. (Maurice Carême). -
Le résultat est un tout petit peu faux, cela vient sans doute du fait que ta formule pour $A^k$ n'est pas valable pour $k=0$ (elle est correcte si $k\ge1$). Modifie un tout petit peu ton calcul pour le prendre en compte et ça devrait rouler.
PS : Critère simple pour voir que ton calcul est faux : si $t=0$, tu sais le faire de tête et... -
Il me semble qu'il est beaucoup plus simple d'arriver au résultat en exprimant $A^2$ puis $A^k$ en fonction de A.
-
Ne rouméguons pas ! On a déjà une solution presque irréprochable sous la main, réjouissons-nous et attendons qu'elle le devienne avant de proposer d'autres approches.
-
Étant donné qu'il s'agit d'une erreur de calcul, je me proposais justement de les simplifier
-
Bonjour merci pour toutes vos réponses !
Mais que devrait valoir $A^0$ ? L'identité ?
Si oui je ne vois pas comment modifier ma formule :-S -
Sépare les cas $k=0$ et $k \geq 1$, y compris dans l'écriture de la somme.
-
Et oui, $A^0$ est l'identité, par définition, quelle que soit la matrice $A$.
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Bonjour!
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