Géométrie affine et euclidienne du plan et de l'espace
Pourquoi un même nombre — le déterminant — mesure-t-il à la fois une aire, un volume, et le fait qu'une famille de vecteurs soit libre ?
Descartes publie en 1637 sa Géométrie, où il traduit les figures en équations : c'est la naissance des coordonnées, et la fusion de l'algèbre et de la géométrie. Grassmann et Hamilton introduisent au XIX siècle les produits vectoriels, motivés par la mécanique — Hamilton cherchait à multiplier les triplets comme on multiplie les complexes, et découvre les quaternions en 1843 après dix ans d'échecs. Klein renverse la perspective en 1872 avec le programme d'Erlangen : une géométrie n'est plus l'étude d'un espace, mais l'étude des invariants d'un GROUPE de transformations.
Pourquoi distinguer point et vecteur, alors que les coordonnées sont les mêmes ? Parce que les opérations légitimes diffèrent : on peut additionner deux vecteurs, jamais deux points. La différence de deux points est un vecteur, la somme d'un point et d'un vecteur est un point. Cette discipline paraît pédante et elle est décisive : elle interdit les écritures sans signification et rend visible ce qui est INVARIANT par changement d'origine — c'est-à-dire ce qui est réellement géométrique.
Images Mentales & Modèles d'Intuition (3)
Le déterminant de deux vecteurs du plan est l'aire du parallélogramme qu'ils engendrent, comptée avec un signe selon l'orientation.
Ce qu'elle capture :
L'image d'une aire suggère une quantité positive. Le déterminant est SIGNÉ : il change de signe quand on échange les deux vecteurs. Ce signe porte l'orientation, notion sans équivalent dans l'idée naïve d'aire, et pourtant essentielle en physique comme en analyse.
Le produit vectoriel est la règle de la main droite : il pointe perpendiculairement au plan des deux vecteurs, avec une longueur égale à l'aire du parallélogramme.
Ce qu'elle capture :
L'image ne prévient pas que le produit vectoriel n'est ni commutatif ni ASSOCIATIF : diffère en général de . Il n'existe d'ailleurs qu'en dimension — et, sous une forme dégénérée, en dimension . Ce n'est pas une multiplication ordinaire.
Une distance à un sous-espace se mesure toujours le long de la perpendiculaire : c'est le chemin le plus court.
Ce qu'elle capture :
L'image suppose que la perpendiculaire existe et est unique. C'est vrai en dimension finie euclidienne ; ce ne l'est plus dans un espace non complet, où la projection peut ne pas exister — limitation levée seulement en L3.
Les Pièges Conceptuels Classiques
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Glossaire des Notations Mathématiques
vecteur de A vers B
différence de deux POINTS ; seul objet qu'on ait le droit d'additionner
produit vectoriel
vecteur normal au plan engendré, de norme l'aire ; n'existe qu'en dimension $3$
produit mixte
volume signé ; nul si et seulement si les trois vecteurs sont coplanaires