9.6 Interprétation géométrique du déterminant
Le cas \(2\times 2\)

Dans le plan, considérons deux vecteurs \(\boldsymbol{v},\boldsymbol{w}\), et considérons le parallélogramme qu'ils définissent: (animation en construction)

L'aire de ce parallélogramme, notée \(\text{Aire}(\boldsymbol{v},\boldsymbol{w})\), est reliée au déterminant de la matrice \(2\times 2\) dont les colonnes sont \(\boldsymbol{v}\) et \(\boldsymbol{w}\):

Théorème: L'aire du parallélogramme est donnée par \[ \text{Aire}(\boldsymbol{v},\boldsymbol{w}) = \left| \det ([\boldsymbol{v}\,\boldsymbol{w}]) \right| =|v_1w_2-v_2w_1|\,, \] où les coordonnées sont relativement à la base canonique.

Considérons d'abord le cas simple, où un des vecteurs, disons \(\boldsymbol{v}\), est parallèle \(\boldsymbol{e}_1\). Dans ce cas, \[ \boldsymbol{v}= \begin{pmatrix} v_1\\ 0 \end{pmatrix}\,,\qquad \boldsymbol{w}= \begin{pmatrix} w_1\\ w_2 \end{pmatrix}\,. \]

L'aire géométrique vaut donc \[\begin{aligned} \text{Aire}(\boldsymbol{v},\boldsymbol{w})= \|\boldsymbol{v}\|\cdot h=|v_1|\cdot |w_2| &=|v_1w_2|\\ &=|v_1w_2-0w_1|\\ &=\left|\det[\boldsymbol{v}\,\boldsymbol{w}]\right|\,. \end{aligned}\] Dans le cas général, considérons la rotation \(\mathrm{rot}_{-\theta}\), où \(\theta\) est l'angle orienté entre \(\boldsymbol{e}_1\) et \(\boldsymbol{v}\). On a alors que \(\mathrm{rot}_{-\theta}(\boldsymbol{v})\) est parallèle à \(\boldsymbol{e}_1\):
De plus, puisque l'aire du parallélogramme ne change pas si ses deux côtés subissent la même rotation: \[ \text{Aire}(\boldsymbol{v},\boldsymbol{w})= \text{Aire}(\mathrm{rot}_{-\theta}(\boldsymbol{v}),\mathrm{rot}_{-\theta}(\boldsymbol{w}))\,. \] Maintenant, le parallélogramme tourné de \(-\theta\) a un de ses côtés parallèle à \(\boldsymbol{e}_1\), et donc on peut calculer son aire avec la formule vue ci-dessus: \[\begin{aligned} \text{Aire}(\mathrm{rot}_{-\theta}(\boldsymbol{v}),\mathrm{rot}_{\theta}(\boldsymbol{w})) &= \left|\det[\mathrm{rot}_{-\theta}(\boldsymbol{v})\,\mathrm{rot}_{\theta}(\boldsymbol{w})]\right| \\ &= \left|\det([\mathrm{rot}_{-\theta}]_{\mathcal{B}_{\mathrm{can}}}[\boldsymbol{v}\,\boldsymbol{w}])\right| \\ &= \bigl|\underbrace{\det([\mathrm{rot}_{-\theta}]_{\mathcal{B}_{\mathrm{can}}})}_{1} \det([\boldsymbol{v}\,\boldsymbol{w}])\bigr|\\ &= \left|\det([\boldsymbol{v}\,\boldsymbol{w}])\right|\,. \end{aligned}\]

Le cas \(3\times 3\)

Dans l'espace, considérons trois vecteurs \(\boldsymbol{u},\boldsymbol{v},\boldsymbol{w}\), et le parallélépipède qu'ils définissent:

Le volume de ce parallélogramme, noté \(\text{Vol}(\boldsymbol{u}, \boldsymbol{v},\boldsymbol{w})\), est reliée au déterminant de la matrice \(3\times 3\) dont les colonnes sont \(\boldsymbol{u}\),\(\boldsymbol{v}\) et \(\boldsymbol{w}\):

Théorème: Le volume du parallépipède est donnée par \[ \text{Vol}(\boldsymbol{u},\boldsymbol{v},\boldsymbol{w}) = \left| \det [\boldsymbol{u}\,\boldsymbol{v}\,\boldsymbol{w}] \right| \] où les coordonnées sont relativement à la base canonique.