Ce système fonctionne à partir d'une requête au format texte, complétée par le lieu où se trouve l'internaute (géolocalisation).
Dans un premier temps, le système identifie la langue en se basant uniquement sur le texte de la requête. Notons-la "A".
Ensuite, une langue est déterminée à partir de la localisation de l'internaute : notons-la "B".
Si "A" et "B" sont des langues différentes, le texte de la requête est traduit de "A" vers "B", puis le système analyse l'écart entre ces textes.
Rappelez-vous que Google sait également identifier automatiquement dans quelle langue est rédigée une page (il ne tient pas compte des balises meta language). A condition bien entendu que vous ne mélangiez pas plusieurs langues sur la même page !

Références du brevet : "Determining user language intent" inventé par Bruce Winston Murphy et Jordan John Bayliss-McCulloch, déposé le 01/02/2013 et obtenu le 28/10/2014 sous le n° 8,874,599 USPTO.
Sources des images : USPTO
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Google a un service appelé Google Public DNS. Ils ont les WHOIS de toutes les IP, ça m'étonnerait fort qu'ils ne sachent pas reconnaitre les VPN (au moins ceux qui vendent leurs services au publique).
Et puis ils ont plein d'autres outils pour leur fournir des signaux : langue de la requête (avec leurs dicos de Translation, de Maps...), si l'utilisateur est connecté avec un compte Google il ont aussi des infos de localisation, la Locale du navigateur... enfin bref, il est certain qu'ils font plus qu'un simple reverse DNS hasardeux, il y a de de nombreux autres signaux exploitables.
P.S. : la langue n'est pas une info de localisation, certes, mais si un utilisateur cherche "Notre-Dame" avec un compte Google enregistré avec l'adresse Paris, France, même s'il accède à GG avec une IP d'un VPN roumain, arbitrer sa position avec ces éléments d'infos me semble assez clair.
Et si on utilise un VPN? La localisation n'est pas la bonne?
Bonne question Claude !