Per il calcolo della matrice esponenziale non viene utilizzata la serie di potenze dato che è costituita da una sommatoria di infiniti addendi. Utilizzando gli autovettori si ricava una serie con un numero finito di termini.
Considerando la diagonalizzabilità della matrice si hanno due casi distinti.
Caso di matrice diagonalizzabile
Se la matrice è diagonalizzabile significa che ha autovettori linearmente indipendenti . Si può quindi scrivere:
con autovettore associato all'autovalore . Si raggruppano tutti gli autovettori in un'unica matrice:
Ponendo la matrice formata dagli autovettori pari a e la matrice diagonale degli autovalori pari a si ottiene:
Introducendo la matrice , inversa di , si ottengono le seguenti relazioni:
Dalla seconda relazione si ricava:
Quindi:
Si calcola :
Si considera ora l'ultima relazione precedentemente ricavata e si applica la trasposta:
Si può quindi scrivere:
Si nota quindi che gli sono autovettori sinistri di . Si può quindi partizionare la matrice per righe:
In questo modo si ottiene:
In conclusione, nel caso sia diagonalizzabile, si ha:
con autovettore destro e autovettore sinistro, entrambi associati all'autovalore
Il caso di A non diagonalizzabile
Se non è diagonalizzabile si ricorre alla forma di Jordan. In questo caso si ha , con matrice diagonale a blocchi:
dove il -esimo blocco è della forma:
Le matrici vengono detti blocchi di Jordan. Utilizzando il procedimento seguito nel caso di diagonalizzabile si ottiene:
dove:
Si nota che il prodotto delle matrici e è commutativo. Si può quindi scrivere:
Si calcola ora :
Si verifica facilmente che si calcola spostando in alto e a destra la diagonale formata dagli 1:
dove è la dimensione di . Per potenze superiori a si ha la matrice nulla. Quindi:
Inoltre:
Quindi il -esimo blocco di ha la seguente espressione:
La matrice esponenziale vale:
dove e . La matrice non è costituita dagli autovettori di . Il calcolo della matrice di trasformazione è più complesso rispetto al caso di diagonalizzabile.
Caso di matrice 2x2
Se la matrice è , può essere decomposta rispetto alle matrici di Pauli attraverso opportuni coefficienti complessi nel modo seguente:
Allora vale:
dove:
Dimostrazione
Sia Utilizzando le proprietà delle matrici di Pauli
e
dove è la funzione delta di Kronecker, si ha:
Per cui: