Для дійсної або комплексної матриці розміру експонента від , що позначається як або — матриця розміру , визначена за допомогою ряду:
,
де — k-а степінь матриці .
Даний ряд завжди збігається абсолютно. Якщо , де взято матричну норму узгоджену з векторною (для скінченновимірних просторів усі норми еквівалентні), то .
Звідси , що доводить абсолютну збіжність ряду і коректність визначення.
Якщо — матриця розміру , то матрична експонента від є матриця розмірності , єдиний елемент якої дорівнює звичайній експоненті від єдиного елемента .
Еквівалентне визначення
Експоненційну функцію можна також визначити наступною рівністю.
Для будь-яких двох дійсних чисел (скалярів) і експоненціальна функція задовольняє рівнянню , це ж властивість має місце для симетричних матриць — якщо матриці і комутують (тобто ), то . Однак, для некомутативних матриць ця рівність виконується не завжди, в загальному випадку для обчислення використовується формула Бейкера — Кемпбелла — Хаусдорфа[en].
У загальному випадку з рівності не випливає, що і комутують.
де — слід матриці. Комутативність для виконання цього твердження не потрібна. Існують контрприклади, які показують, що нерівність Голдена — Томпсона не може бути узагальнена на три матриці, а не завжди є дійсним числом для ермітових матриць , і .
Теорема Ліба
Теорема Ліба, названа ім'ям Еліота Ліба [en], стверджує, що для фіксованої ермітової матриці , функція:
Експонента матриці завжди є невиродженою матрицею. Обернена до матриця рівна , це аналог того факту, що експонента від комплексного числа ніколи не дорівнює нулю. Таким чином, матрична експонента визначає відображення:
з простору всіх матриць розмірності на загальну лінійну групу порядку , тобто групу всіх невироджених матриць розмірності . Це відображення є сюр'єкцією, тобто кожна невироджена матриця може бути записана як експонента від деякої іншої матриці (щоб це твердження було справедливим необхідно розглядати поле комплексних чисел , а не дійсних чисел ).
Для будь-яких двох матриць і має місце нерівність
,
де позначає довільну матричну норму. Звідси випливає, що експоненціальне відображення є неперервним і ліпшицевим на компактних підмножинах .
Загалом експоненційне відображення не є ін'єктивним. Але воно буде ін'єктивним, наприклад на підмножині де — множина матриць норма яких (узгоджена з векторною нормою) менша ніж ln 2. На цій множині експоненційна функція є дифеоморфізмом і обернена функція може бути подана, як сума збіжного ряду:
Диференціювання
Відображення:
визначає гладку криву в загальній лінійній групі, яка проходить через одиничний елемент при .
Похідна цього відображення визначається формулою:
Справді з визначень похідної і властивостей експоненти одержується послідовність рівностей:
Більш загально для матриці X(t) залежної від параметра t справедливою є рівність[3]:
де — лінійне відображення визначене для довільної матриці
У попередній формулі для виразу в правій частині справедлива формула:
Взявши в формулі для диференціювання отримуємо формулу для диференціала експоненційного відображення в точці
При ця рівність спрощується до
Системи лінійних диференціальних рівнянь
Одна з причин, які зумовлюють важливість матричної експоненти, полягає в тому, що вона може бути використана для розв'язку систем звичайних диференціальних рівнянь[4]. Розв'язок системи:
,
де — стала матриця, дається виразом:
Матрична експонента може бути також використана для розв'язування неоднорідних рівнянь виду
.
Не існує замкнутого аналітичного виразу для рішень неоднорідних диференціальних рівнянь виду
,
де — матриця елементи якої не є константами, але Розклад Магнуса[en] дозволяє отримати подання розв'язку у вигляді нескінченної суми.
Приклад однорідної системи
Для системи:
матриця рівна:
Можна показати, що експонента від матриці є
таким чином, загальним розв'язком цієї системи рівнянь є:
Приклад неоднорідної системи
Для розв'язку неоднорідної системи:
вводяться позначення:
і
Так як сума загального розв'язку однорідного рівняння і часткового розв'язку дають загальний розв'язок неоднорідного рівняння, залишається лише знайти частковий розв'язок. Так як:
де — початкова умова.
Узагальнення: варіація довільної сталої
У разі неоднорідної системи можна використовувати метод варіації довільної сталої. Шукається частковий розв'язок у вигляді:
:
Rossmann, Wulf (2002), Lie Groups – An Introduction Through Linear Groups, Oxford Graduate Texts in Mathematics, Oxford Science Publications, ISBN0 19 859683 9