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Soit MM une matrice de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}). On s'intéresse à la représentation de l'exponentielle exp⁡(M)\exp(M) sous forme polynomiale en MM.

  1. Démontrer qu'il existe au moins un polynôme P∈C[X]P \in \mathbb{C}[X] vérifiant P(M)=exp⁡(M)P(M) = \exp(M).
  2. Montrer qu'il existe un unique polynôme PM∈C[X]P_M \in \mathbb{C}[X] de degré minimal satisfaisant cette relation. Préciser les valeurs possibles pour le degré de PMP_M.
  3. Déterminer explicitement PMP_M en fonction des éléments propres de MM.
  4. Étudier la continuité de l'application Φ:M↦PM\Phi : M \mapsto P_M de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}) dans C[X]\mathbb{C}[X] (muni d'une norme quelconque).

1.

Pour la question 1, utiliser le fait que l'algèbre C[M]\mathbb{C}[M] est de dimension finie, donc fermée dans M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}).

2.

Pour la question 2, faire le lien entre les polynômes PP tels que P(M)=AP(M) = A et le polynôme minimal μM\mu_M. PMP_M est le reste de la division euclidienne.

3.

Pour la question 3, distinguer le cas où MM est une matrice scalaire et le cas où elle ne l'est pas. Utiliser les relations sur les valeurs propres (et éventuellement la dérivée si la valeur propre est double).

4.

Pour la question 4, observer le comportement de PMP_M lorsque l'on tend vers une matrice de la forme λI2\lambda I_2.

Idées clés

•

Structure d'algèbre de C[M]\mathbb{C}[M] et dimension finie.

•

Relation entre polynômes annulateurs et division euclidienne.

•

Caractérisation de P(M)P(M) par les valeurs de PP sur le spectre (avec multiplicités).

Résolution.

  1. L'ensemble C[M]=Vect({Mk,k∈N})\mathbb{C}[M] = \text{Vect}(\{M^k, k \in \mathbb{N}\}) est un sous-espace vectoriel de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}). D'après le théorème de Cayley-Hamilton, la famille (I,M,M2)(I, M, M^2) est liée, donc C[M]=Vect(I,M)\mathbb{C}[M] = \text{Vect}(I, M). Ainsi, C[M]\mathbb{C}[M] est un sous-espace de dimension finie (1 ou 2), il est donc fermé dans M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}). Par définition, exp⁡(M)=lim⁡N→+∞∑k=0NMkk!\exp(M) = \lim_{N \to +\infty} \sum_{k=0}^N \frac{M^k}{k!}. Comme chaque somme partielle appartient à C[M]\mathbb{C}[M] et que ce dernier est fermé, on en déduit :
    exp⁡(M)∈C[M]\boxed{\exp(M) \in \mathbb{C}[M]}
    Il existe donc bien un polynôme PP tel que P(M)=exp⁡(M)P(M) = \exp(M).

  2. Soit S={P∈C[X]∣P(M)=exp⁡(M)}\mathcal{S} = \{P \in \mathbb{C}[X] \mid P(M) = \exp(M)\}. D'après la question précédente, S≠∅\mathcal{S} \neq \emptyset. Soit Q∈SQ \in \mathcal{S} un polynôme quelconque. Pour tout P∈C[X]P \in \mathbb{C}[X], on a :
    P(M)=exp⁡(M)  ⟺  P(M)=Q(M)  ⟺  (P−Q)(M)=0P(M) = \exp(M) \iff P(M) = Q(M) \iff (P-Q)(M) = 0
    Cela signifie que P−QP-Q est un multiple du polynôme minimal μM\mu_M. L'ensemble S\mathcal{S} est donc l'ensemble des polynômes de la forme Q+AμMQ + A\mu_M avec A∈C[X]A \in \mathbb{C}[X]. Par division euclidienne de QQ par μM\mu_M, il existe un unique couple (A,R)(A, R) tel que Q=AμM+RQ = A\mu_M + R avec deg⁡(R)<deg⁡(μM)\deg(R) < \deg(\mu_M). Ce reste RR appartient à S\mathcal{S} et c'est l'unique polynôme de degré minimal (puisqu'un polynôme de degré inférieur ne pourrait pas être dans S\mathcal{S} sans être égal à RR par unicité du reste).
    PM=R=Q(modμM)\boxed{P_M = R = Q \pmod{\mu_M}}
    Comme deg⁡(μM)∈{1,2}\deg(\mu_M) \in \{1, 2\}, le degré de PMP_M est soit 00 (si μM\mu_M est de degré 1), soit 00 ou 11 (si μM\mu_M est de degré 2).

  3. Notons λ\lambda et μ\mu les valeurs propres de MM (éventuellement λ=μ\lambda = \mu). Cas 1 : M=λI2M = \lambda I_2. Alors μM=X−λ\mu_M = X - \lambda. Le polynôme PMP_M est de degré 0. La condition PM(M)=exp⁡(λI2)=eλI2P_M(M) = \exp(\lambda I_2) = e^\lambda I_2 impose :
    PM(X)=eλ\boxed{P_M(X) = e^\lambda}
    Cas 2 : M≠λI2M \neq \lambda I_2. Alors deg⁡(μM)=2\deg(\mu_M) = 2 et deg⁡(PM)≤1\deg(P_M) \le 1. Posons PM(X)=aX+bP_M(X) = aX + b. Sous-cas 2.a : λ≠μ\lambda \neq \mu. PMP_M doit vérifier PM(λ)=eλP_M(\lambda) = e^\lambda et PM(μ)=eμP_M(\mu) = e^\mu. On résout :
    {aλ+b=eλaμ+b=eμ  ⟹  a=eλ−eμλ−μ,b=λeμ−μeλλ−μ\begin{cases} a\lambda + b = e^\lambda
    a\mu + b = e^\mu \end{cases} \implies \boxed{a = \frac{e^\lambda - e^\mu}{\lambda - \mu},   b = \frac{\lambda e^\mu - \mu e^\lambda}{\lambda - \mu}}
    Sous-cas 2.b : λ=μ\lambda = \mu (matrice trigonalisable non diagonale). Le polynôme minimal est μM=(X−λ)2\mu_M = (X-\lambda)^2. PMP_M est caractérisé par PM(λ)=eλP_M(\lambda) = e^\lambda et PM′(λ)=(eX)′(λ)=eλP_M'(\lambda) = (e^X)'(\lambda) = e^\lambda.
    {aλ+b=eλa=eλ  ⟹  a=eλ,b=eλ(1−λ)\begin{cases} a\lambda + b = e^\lambda
    a = e^\lambda \end{cases} \implies \boxed{a = e^\lambda,   b = e^\lambda(1-\lambda)}

  4. Étudions la continuité de Φ\Phi. Notons DD l'ensemble des matrices non scalaires : D=M2(C)∖CI2D = \mathcal{M}_2(\mathbb{C}) \setminus \mathbb{C} I_2. Sur DD, deg⁡(PM)=1\deg(P_M) = 1 (ou 00 si les coefficients s'annulent par coïncidence, mais la formule reste la même). Les coefficients aa et bb s'expriment comme des fonctions symétriques des valeurs propres. Comme les valeurs propres dépendent continûment de la matrice MM, Φ\Phi est continue sur l'ouvert DD. Examinons le comportement au voisinage d'une matrice scalaire M0=αI2M_0 = \alpha I_2. On a PM0(X)=eαP_{M_0}(X) = e^\alpha. Soit Mn=(α1/n0α)M_n = \begin{pmatrix} \alpha & 1/n
    0 & \alpha \end{pmatrix}
    . On a Mn→M0M_n \to M_0. D'après le sous-cas 2.b, PMn(X)=eαX+eα(1−α)P_{M_n}(X) = e^\alpha X + e^\alpha(1-\alpha). Quand n→+∞n \to +\infty, la suite de polynômes (PMn)(P_{M_n}) converge vers le polynôme Q(X)=eαX+eα(1−α)Q(X) = e^\alpha X + e^\alpha(1-\alpha). Or Q≠PM0Q \neq P_{M_0} car deg⁡(Q)=1\deg(Q) = 1 (le coefficient devant XX est eα≠0e^\alpha \neq 0).
    Φ est continue sur M2(C)∖CI2 et discontinue sur CI2\boxed{\Phi \text{ est continue sur } \mathcal{M}_2(\mathbb{C}) \setminus \mathbb{C} I_2 \text{ et discontinue sur } \mathbb{C} I_2}

L'erreur classique est de penser que PMP_M est toujours de degré n−1=1n-1 = 1. Or, pour les matrices scalaires, le polynôme minimal est de degré 1, ce qui force PMP_M à être de degré 0 (une constante). C'est ce saut de degré qui crée la discontinuité.