Premiers exemples: aires et volumes Les calculs d'aires et de volumes sous forme de déterminants dans des espaces euclidiens apparaissent comme des cas particuliers de la notion plus générale de déterminant. Pour les distinguer, la lettre majuscule D (Det) leur est parfois réservée. Déterminant de deux vecteurs dans le plan euclidien Fig. 1. Le déterminant est l' aire (Aires (en espagnol, les airs) est une compagnie aérienne intérieure de Colombie. ) bleue orientée. Soit P le plan euclidien orienté usuel. Le déterminant des vecteurs X et X ' est donné par l'expression analytique ou, de façon équivalente, par l'expression géométrique dans laquelle θ est l' angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts... ) orienté formé par les vecteurs X et X '. Propriétés La valeur absolue (Un nombre réel est constitué de deux parties: un signe + ou - et une valeur absolue. ) du déterminant est égale à l'aire du parallélogramme (Un parallélogramme, en géométrie, est un quadrilatère (convexe) dont les côtés sont... ) défini par X et X ' ( X 'sinθ est en effet la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé. )
Deux vecteurs \(\overrightarrow{u}\) et \(\overrightarrow{v}\) sont colinéaires lorsqu'il existe un nombre \(k\) non nul tel que \(\overrightarrow{u}=k \times \overrightarrow{v}\). Dans ce cas, les vecteurs ont: la même direction (mais pas forcément le même sens car cela dépend du signe de \(k\)), des longueurs qui vérifient \( ||\overrightarrow{u}||=|k| \times ||\overrightarrow{v}||\)) Si \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{CD}\) sont colinéaires alors les droites \((AB)\) et \((CD)\) sont parallèles. Si \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AC}\) sont colinéaires alors les points \(A, B, C\) sont alignés. Le déterminant de deux vecteurs \(\overrightarrow{u}(x; y)\) et \(\overrightarrow{v}(x';y')\) est le nombre \( det(\overrightarrow{u}, \overrightarrow{v})=xy'-x'y\) Lorsque le déterminant de deux vecteurs vaut 0 alors ils sont colinéaires
Les coordonnées de ces vecteurs sont et Le déterminant de ces deux vecteurs est nul, donc on a: soit d'où Pour s'entraîner: exercices 24 et 25 p. 227, 40 et 41 p. 229
on ne change pas un déterminant en ajoutant à une colonne une combinaison linéaire des autres. le déterminant d'une matrice triangulaire supérieure vaut le produit des éléments sur la diagonale. Ces deux dernières propriétés permettent notamment de calculer le déterminant par la méthode du pivot de Gauss. Déterminant d'un endomorphisme Théorème: Si $\mathcal B=(u_1, \dots, u_n)$ et $\mathcal B'=(v_1, \dots, v_n)$ sont deux bases de $E$, et si $f\in\mathcal L(E)$, alors $$\det_{\mathcal B}\big(f(u_1), \dots, f(u_n)\big)=\det_{\mathcal B'}\big(f(v_1), \dots, f(v_n)\big). $$ Cette valeur commune est notée $\det(f)$ et s'appelle déterminant de l'endomorphisme $f$. Le déterminant d'un endomorphisme vérifie les propriétés suivantes: Si $f, g\in\mathcal L(E)$, on a $\det(f\circ g)=\det(f)\det(g)$. $f\in\mathcal L(E)$ est un automorphisme si et seulement si $\det(f)\neq 0$. Dans ce cas, $\det(f^{-1})=\big(\det(f)\big)^{-1}$. Historiquement, les déterminants sont apparus avant les matrices. Ils étaient associés à un système linéaire pour "déterminer" si ce sytème admet une unique solution.
Il est aisé de visualiser sur cet exemple l'aire du parallélogramme défini par les vecteurs u+u' et v (en gris): elle est égale à la somme des aires des deux parallélogrammes précédents, à laquelle est enlevée l'aire d'un triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points... ), et ajoutée l'aire d'un autre triangle. Les deux triangles se correspondant par translation, la formule suivante est vérifiée det( u + u ', v) = det( u, v) + det( u ', v). Ce dessin correspond à un cas particulier de la formule de bilinéarité puisque les orientations ont été choisies de façon à ce que les aires aient le même signe, mais il aide à en saisir le contenu géométrique. Généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de... ) Il est possible de définir la notion de déterminant dans un plan euclidien orienté muni d'une base orthonormale (Une base orthonormale (BON) est une structure mathématique. ) directe B, en utilisant les coordonnées des vecteurs dans cette base.
Déterminant 2×2 O n considère un plan muni d'un repère orthonormé d'origine O, et deux point A et B de coordonnées (x 1, y 1) et (x 2, y 2). Que vaut l'aire du parallélogramme construit sur OAB? Le petit découpage prouve qu'elle vaut x 1 y 2 -x 2 y 1. On appelle ce nombre déterminant des vecteurs et, et on le note: Le déterminant peut donc s'interpréter comme une aire signée. Il permet aussi de déterminer quand deux vecteurs et sont colinéaires; cela arrive si, et seulement si, leur déterminant est nul. Déterminant 3×3 D ans l'espace à 3 dimensions, quel est le volume du parallélépipède construit sur les points O, A(x 1, y 1, z 1), B(x 2, y 2, z 2) et C(x 3, y 3, z 3)? Lagrange a calculé ce volume et a trouvé, au signe près: Ce nombre est un déterminant d'ordre 3, et se note: Le déterminant d'ordre 3 peut s'interpréter comme un volume signé; il permet aussi de déterminer quand 3 vecteurs de l'espace sont coplanaires: cela arrive si, et seulement si, leur déterminant est nul. On peut calculer un déterminant d'ordre 3 par la formule précédente, mais le plus souvent on utilise un développement suivant une ligne ou une colonne: pour cela, on attribue à chaque coefficient un signe + ou - suivant le tableau suivant: c'est-à-dire que l'on met un + en haut à gauche, et que l'on alterne les + et les - sur chaque ligne et chaque colonne.
3 Complétez le triangle formé par deux vecteurs. Tracez sur votre feuille deux vecteurs, et, formant entre eux un angle. Tracez un troisième vecteur afin d'obtenir un triangle. Autrement dit, tracez un vecteur tel que:. Après arrangement, vous avez: [4]. Servez-vous de la loi des cosinus. Comme vous avez la formule, faites l'application numérique théorique: Passez des normes aux produits scalaires. Pour rappel, le produit scalaire est la valeur réelle de la projection d'un vecteur sur un autre vecteur. Puisqu'il n'y a pas de projection sur un autre vecteur, le produit scalaire d'un vecteur par lui-même était égal au carré de sa norme [5], ce qui s'écrit ainsi:. Servez-vous de cette propriété pour simplifier l'égalité suivante: ( Développez et simplifiez la formule pour retrouver celle du cosinus. Pour cela, développez le membre de gauche, puis regroupez au mieux: vous devriez retomber sur la formule du cosinus quelque peu arrangée. Conseils Pour trouver rapidement l'angle entre deux vecteurs du plan, essayez de retenir la formule:.
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