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On considère l'espace vectoriel M2(C)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{C}) et on note sl2(C)\mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) le sous-espace des matrices de trace nulle. On note SL2(C)\mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) l'ensemble des matrices de déterminant égal à 1.

  1. Montrer que pour toute matrice A∈sl2(C)A \in \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}), on a exp⁡(A)∈SL2(C)\exp(A) \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}).
  2. Soit la matrice G=(−110−1)G = \begin{pmatrix} -1 & 1
    0 & -1 \end{pmatrix}
    .
    1. Montrer que GG n'admet pas de racine carrée dans SL2(C)\mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}).
    2. En déduire que l'application exponentielle n'est pas surjective de sl2(C)\mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) dans SL2(C)\mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}).

  3. Déterminer précisément l'image de sl2(C)\mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) par l'exponentielle. Plus précisément, démontrer que :
    exp⁡(sl2(C))={M∈SL2(C)∣Tr⁡(M)≠−2}∪{−I2}\exp\left( \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) \right) = \{ M \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) \mid \operatorname{Tr}(M) \neq -2 \} \cup \{ -I_2 \}

1.

Pour la question 1, utiliser la relation classique liant le déterminant de l'exponentielle à la trace de la matrice.

2.

Pour la question 2.(a), raisonner par l'absurde. Si H2=GH^2 = G, quelles seraient les valeurs propres de HH ? Quel serait alors son déterminant ?

3.

Pour la question 3, procéder par double inclusion. Pour l'inclusion réciproque, discuter selon la valeur de la trace et la diagonalisabilité de la matrice cible MM. On rappelle qu'une matrice de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}) est soit diagonalisable, soit semblable à un bloc de taille 2 avec une valeur propre double.

Idées clés

•

Relation fondamentale : det⁡(exp⁡(A))=eTr⁡(A)\det(\exp(A)) = e^{\operatorname{Tr}(A)}.

•

Lien entre les valeurs propres d'une matrice et de son exponentielle.

•

Réduction des matrices de taille 2 (diagonalisation ou trigonalisation).

Résolution.

  1. Soit A∈sl2(C)A \in \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}). Par définition, Tr⁡(A)=0\operatorname{Tr}(A) = 0. On utilise la propriété de l'exponentielle de matrice : det⁡(exp⁡(A))=eTr⁡(A)\det(\exp(A)) = e^{\operatorname{Tr}(A)}. On en déduit :
    det⁡(exp⁡(A))=e0=1\det(\exp(A)) = e^0 = 1
    Ainsi, exp⁡(A)\exp(A) possède un déterminant égal à 1, ce qui prouve l'inclusion :
    exp⁡(sl2(C))⊂SL2(C)\boxed{ \exp(\mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C})) \subset \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) }

    1. Supposons par l'absurde qu'il existe H∈SL2(C)H \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) telle que H2=GH^2 = G. Le polynôme caractéristique de GG est χG(X)=(X+1)2\chi_G(X) = (X+1)^2. La seule valeur propre de GG est −1-1. Puisque HH commute avec H2=GH^2 = G, HH laisse stables les sous-espaces propres de GG. Si λ\lambda est une valeur propre de HH, alors λ2\lambda^2 est une valeur propre de GG, donc λ2=−1\lambda^2 = -1. Ainsi, le spectre de HH est inclus dans {i,−i}\{i, -i\}. Comme H∈M2(C)H \in \mathcal{M}_2(\mathbb{C}), son polynôme caractéristique est de degré 2. Si HH avait deux valeurs propres distinctes ii et −i-i, alors son déterminant serait i×(−i)=1i \times (-i) = 1. Cependant, dans ce cas, HH serait diagonalisable, donc H2=GH^2 = G le serait aussi. Or GG n'est manifestement pas diagonalisable (car G≠−I2G \neq -I_2). Si HH possède une valeur propre double λ∈{i,−i}\lambda \in \{i, -i\}, son déterminant est λ2=−1\lambda^2 = -1. Ceci contredit l'hypothèse H∈SL2(C)H \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) (où le déterminant doit valoir 1). On conclut que :
      G n’a pas de racine carreˊe dans SL2(C)\boxed{ G \text{ n'a pas de racine carrée dans } \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) }

    2. Si l'exponentielle était surjective, il existerait A∈sl2(C)A \in \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) telle que exp⁡(A)=G\exp(A) = G. Posons alors H=exp⁡(12A)H = \exp\left(\frac{1}{2}A\right). On a Tr⁡(12A)=12Tr⁡(A)=0\operatorname{Tr}\left(\frac{1}{2}A\right) = \frac{1}{2}\operatorname{Tr}(A) = 0, donc H∈SL2(C)H \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) d'après la question 1. De plus, H2=exp⁡(12A)2=exp⁡(A)=GH^2 = \exp\left(\frac{1}{2}A\right)^2 = \exp(A) = G. Ceci contredit le résultat de la question 2.(a). Par conséquent :
      exp⁡:sl2(C)→SL2(C) n’est pas surjective.\boxed{ \exp : \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) \to \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) \text{ n'est pas surjective.} }

  2. Soit M∈SL2(C)M \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}). Notons a=Tr⁡(M)a = \operatorname{Tr}(M). Le polynôme caractéristique de MM est χM(X)=X2−aX+1\chi_M(X) = X^2 - aX + 1. Cas 1 : M=−I2M = -I_2. On cherche A∈sl2(C)A \in \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) telle que exp⁡(A)=−I2\exp(A) = -I_2. La matrice A=(0−ππ0)A = \begin{pmatrix} 0 & -\pi
    \pi & 0 \end{pmatrix}
    convient car ses valeurs propres sont iπi\pi et −iπ-i\pi (trace nulle). Son exponentielle est semblable à diag(eiπ,e−iπ)=−I2\text{diag}(e^{i\pi}, e^{-i\pi}) = -I_2. Comme l'exponentielle commute avec le passage à la base, on a bien exp⁡(A)=−I2\exp(A) = -I_2. Cas 2 : a=Tr⁡(M)≠−2a = \operatorname{Tr(M) \neq -2.} Si a=2a = 2, alors χM(X)=(X−1)2\chi_M(X) = (X-1)^2. Si MM est diagonalisable, M=I2=exp⁡(02)M=I_2 = \exp(0_2) avec 02∈sl2(C)0_2 \in \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}). Si MM n'est pas diagonalisable, MM est semblable à (1101)=exp⁡(0100)\begin{pmatrix} 1 & 1
    0 & 1 \end{pmatrix} = \exp\begin{pmatrix} 0 & 1
    0 & 0 \end{pmatrix}
    . La matrice (0100)\begin{pmatrix} 0 & 1
    0 & 0 \end{pmatrix}
    est de trace nulle. Si a≠2a \neq 2 (et on a déjà a≠−2a \neq -2), alors χM\chi_M a deux racines distinctes λ\lambda et 1/λ1/\lambda. MM est donc semblable à D=(λ001/λ)D = \begin{pmatrix} \lambda & 0
    0 & 1/\lambda \end{pmatrix}
    . Il existe α∈C\alpha \in \mathbb{C} tel que eα=λe^\alpha = \lambda. Alors D=exp⁡(α00−α)D = \exp \begin{pmatrix} \alpha & 0
    0 & -\alpha \end{pmatrix}
    . La matrice diag(α,−α)\text{diag}(\alpha, -\alpha) est de trace nulle. Cas 3 : a=Tr⁡(M)=−2a = \operatorname{Tr(M) = -2 et M≠−I2M \neq -I_2.} Ici χM(X)=(X+1)2\chi_M(X) = (X+1)^2. Comme M≠−I2M \neq -I_2, MM n'est pas diagonalisable. MM est donc semblable à G=(−110−1)G = \begin{pmatrix} -1 & 1
    0 & -1 \end{pmatrix}
    . D'après la question 2.(b), GG n'est pas dans l'image de l'exponentielle. On a donc montré que M∈exp⁡(sl2(C))M \in \exp(\mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C})) si et seulement si M=−I2M = -I_2 ou Tr⁡(M)≠−2\operatorname{Tr}(M) \neq -2.
    exp⁡(sl2(C))={M∈SL2(C)∣Tr⁡(M)≠−2}∪{−I2}\boxed{ \exp\left( \mathfrak{sl}_{2}(\mathbb{C}) \right) = \{ M \in \mathcal{S}L_{2}(\mathbb{C}) \mid \operatorname{Tr}(M) \neq -2 \} \cup \{ -I_2 \} }

Une erreur fréquente est d'oublier de traiter séparément le cas où la matrice n'est pas diagonalisable. Dans SL2(C)SL_2(\mathbb{C}), cela arrive précisément lorsque la trace vaut 22 ou −2-2 sans que la matrice soit égale à ±I2\pm I_2.