Jumat, 14 Desember 2018

Transformasi Matriks

Transformasi Matriks




A.    PENGANTAR TRANSFORMASI LINEAR

Dalam bagian ini kita mulai mempelajari fungsi bernilai vektor dari sebuah peubah vektor. Yakni, fungsi yang berbentuk w = F(v), dimana baik peubahbebas v maupun peubah tak-bebas w adalah vektor. Kita akan memusatkan perhatian pada kelompok khusus fungsi vektor yang kita namakan transformasi linear. Kelompok fungsi ini mempunyai banyak penerapan penting dalam fisika, bidang teknik, ilmu sosial, dan berbagai cabang matematika.
Jika V dan W adalah ruang vektor dan F adalah sebuah fungsi yang mengasosiasikan vektor unik di W dengan setiap vektor terletak di V, maka kita katakana Fmemetakan V ke dalam W, dan kita tuliskan F:VàW. lebih lanjut lagi, jika F mengasosiasikan vektor w dengan vektor v, maka kita tuliskan w = F(v) dan kita katakan bahwa w adalah bayangan dari v di bawah F. ruang vektor V dinamakan domainF.
Untuk melukiskannya, jika v = (x,y) adalah sebuah vektor di R2, maka rumusnya
Mendefenisikan sebuah fungsi yang memetakan R2 ke dalam R3. Khususnya jika v = (1,1), maka x = 1 dan y = 1, sehingga bayangan dari v di bawah F adalah F(v) = (1,2,0) dengan demikian , domain F adalah R2.
Defenisi, jika F:V W adalah sebuah fungsi dari ruang vektor V ke dalam ruang vektor W, maka F kita namakan transformasi linear ( linear transformasi) jika

(i) F(u + v) = F (u) + F (v) untuk semua vektor u dan v di V.
(ii )F(ku) = kF(u) untuk semua vektor u di dalam V dan semua skalar k.
Untuk melukiskannya, misalnya F:R2àR3 adalah fungsi yang didefinisikan oleh pers. 1, , sehingga
           
Demikian juga, jika k adalah sebuah skalar, ku = (kx1, ky1), sehingga
Jadi, F adalah sebuah transformasi linear.
Jika F:VàW adalah sebuah transformasi linear, maka untuk sebarang v1 dan v2 di V dan sebarang skalar k1 dan k2, kita peroleh
Demikian juga, jika v1, v2, ……,vn adalah vektor-vektor di V dan k1, k2,…….kn adalah skalar, maka
Kita sekarang memberikan contoh lebih lanjut mengenai transformasi linear.
Contoh 1
Misalkan A adalah sebuah matriks m x n tetap. Jika kita menggunakan notasi matriks untuk vektor di Rm dan Rn, maka dapat kita defenisikan sebuah fungsi T :RnàRmdengan :
T(x) = Ax
Perhatikan bahwa jika x adalah sebuah matriks n x 1, maka hasil kali Ax adalah matriks m x 1 ; jadi T memetakan Rn ke dalam Rm. lagi pula, T linear, untuk melihat ini, misalkan u dan v adalah matriks n x 1 dan misalkan k adalah sebuah skalar. Dengan menggunakan sifat-sifat perkalian matriks, maka kita dapatkan
Atau secara ekivalen
Kita menamakan transformasi linear pada contoh ini perkalian oleh A. Transformasi linear semacam ini dinamakan transformasi matriks.
Contoh 2
Sebagai kasus khusus dari contoh sebelumnya, misalnya  adalah sebuah sudut tetap, dan misalnya T : 2nàR2 adalah perkalian oleh matriks
Jika v adalah vektor
Maka
Secara geometris, maka  adalah vektor yang dihasilkan jika v dirotasikann melalui sudut . Untuk melihat ini, maka misalkan  adalah sudut diantara v dan sumbu x positif, dan misalkan
Adalah vektor yang dihasilkan bila v dirotasikan melalui sudut  pada gambar di bawah. Kita akan memperlihatkan . Jika r menyatakan panjangnya sebagai v, maka
                 
Demikian juga, karena  mempunyai panjang yang sama seperti v, maka kita peroleh
                     
Sehingga


Transformasi linear pada contoh ini kita namakan perputaran R2 melalui sudut .

Contoh 3
Misalkan Vdan W adalah sebarang dua vektor. Pemetaan T : V à W sehingga T(v) = 0 untuk setiap v di V adalah sebuah transformasi linear yang kita namakan transformasi nol. Untuk melihat bahwa T linear, perhatikan bahwa
Maka
Contoh 4
Sebagai kasus khusus dari contoh sebelumnya, misalkan V = R3 mempunyai hasil jail dalam euclidis. Vektor-vektor w1 = (1, 0, 0) dan w2 = (0, 1, 0) membentuk sebuah basis ortonormal untuk bidang xy. jadi, jika v = (x, y, z) adalah sebarang vektor di R3, maka proyeksi orthogonal dari R3 pada bidang xy di berikan oleh
(x, y, z)

(x, y, z)
T(v)
x
y
v




Contoh 5
Misalkan V adalah sebuah ruang hasil kali dalam dan misalkan v0 adalah sebarang vektor tetap di V. misalkan T : V  R adalah transformasi yang memetakan vektor v ke dalam hasil kali dalamnya dengan V0 ; yakni
Dari sifat-sifat hasil kali dalam maka
Contoh 6
Misalkan V adalah sebuah ruang vektor berdimensi n dan S = ( w1, w2,…….., wn) adalah sebuah basis tetap untuk V. Menurut Teorema 29 dari bagian 4.10 maka sebarang dua vektor dan v di V dapat dituliskan secara unik dalam bentuk
Jadi
Tetapi
Sehingga
Maka
Demikian juga, untuk matriks koordinat kita peroleh
Misalkan kita ambil T : V à Rnsebagai fungsi yang memetakan sebuah vektor v di V dimana vektor koordinatnya bersesuaian terhadap S ; yakni
Maka rumus-rumus di T, pada a dan b menyatakan bahwa
Dan
Jadi, T adalah transformasi linear dari V ke dalam Rn.

B.     SIFAT TRANSFORMASI LINEAR : KERNEL DAN JANGKAUAN
Pada  bagian ini kita mengembangkan beberapa sifat dasar transformasi linear. Khususnya, kita memperlihatkan bahwa sekali bayangan vektor basis di bawah transformasi linear telah diketahui, maka kita mungkin mencari bayangan vektor yang selebihnya dalam ruang tersebut.
Teorema 1.Jika T:V             W adalahtransformasi linier, maka :
(a)    T(0)  = 0
(b)   T(-v) = -T(v) untuksemua v di V
(c)    T(v-w) = T(v) – T(w) untuksemu v dan w di V.

 





Bukti, Misal v adalah sebarang vektor di V. Karena 0v = 0 maka kita peroleh
T(0) = T(0v) = 0T(v) = 0
Yang membuktikan (a).
            Juga, T(-v) = T [(-1)v] = (-1)T(v) –T(v), yang membuktikan (b).
            Akhirnya, v - w = v + (-1)w; jadi
T(v-w) = T(v + (-1)w)
= T(v) + (-1) T(w)
= T(v) – T(w)
Definisi.Jika T:V         W adalahtransformasi linear, makahimpuanvektor di V yang dipetakan T kedalam 0 kitanamakankernel (ruangnol) dari T; himpuantersebutdinyatakanolehker (T). Himpunansemuavektor di W yang merupakanbayangan di bawah T dari paling sedikitatauvektor di V kitanamakanjangkauandari T; himpunantersebutdinyatakanoleh  R(T).
 




                       

Teorema 2.Jika V:T       W adalahtransformasi linear, maka :
(a)    Kernel dari T adalahsubruangdari  V.
(b)   Jangkauandari T adalahsubruangdari W.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
Bukti. 
(a)       Untuk memperlihatkan  bahwa ker(T) adalah subruang, maka kita harus memperlihatkan bahwa  ker(T) tersebut tertutup di bawah pertambahan dan perkalian skalar. Misalkan v1 dan v2 adalah vektor-vektor  dalam ker(T), dan misalkan k adalah sebarang skalar. Maka
T (v1 + v2 )       = T(v1) + T(v2)
 = 0 + 0 = 0
Sehingga v1 + v2 berada dalam ker(T). Juga,
                                                T(k v1) = kT(v1) = k0 =0
Sehingga k v1  berada dalam ker(T).
(b)           Misalkan w1 dan w2 adalah vektor  dalam jangkauan T. Untuk membuktikan bagian ini maka harus kita perlihatkan bahwa w1 + w2 dan k w1 berada dalam jangkauan T untuk sebarang skalar k; yakni, kita harus mencari vektor a dan b di V sehingga T(a) = w1 + w2  dan T(b) = k w1.
Karena w1 dan w2 berada dalam jangkauan T, maka vektor a1 dan a2 dalam V sehingga T(a1) = w1 dan T(a2) = w2. Misalkan a = a1 +a2 dan b = ka1. Maka
                                    T(a) = T(ka1) = kT(a1) = kw1
Yang melengkapkan bukti tersebut.
Definisi.Jika T:V         W adalahtransformasi linear, makadimensijangkauandari T dinamkanrankT, dandimensi kernel dinamakannulitas (nullity) T.
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
Teorema kita berikutnya menghasilkan hubungan diantara rank dan nulitasn dari transformasi linear yang yang didefinisikan pada ruang vektor berdimensi berhingga. Kita akan menagguhkan buktinya hingga ke akhir bagian ini.
Teorema 3: (TeoremaDimensi). Jika T:V W adalahtransformasi linear dariruang vector V yang berdimensi n kepadasebuahruang vector W, maka:
            (rankdari T) + (nulitasdari T) = n……(5.4)

 




Dengan kata lain, teorema ini menyatakan bahwa rank + nulitas dari transformasi linear sama dengan dimensi domainnya.
            Dalam kasus-kasus ndimana V = Rn , W = Rm , dan T:V à W merupakan perkalian oleh sebuah matriks A yang berukuran m x n , berikutnya dari (5.4) dan contoh lain diatas bahwa:
                                    Rank(A) = dim(ruang pemecahan Ax = 0) = n
Jika A adalahmatriks m x n makadimensiruangpemecahandari Ax = 0 adalah
n = rank(A)


Jadi, kita punya teorema berikut.



Jelasnya, teorema ini menyatakan bahwa dimensi ruang pemecahan Ax = 0 sama dengan jumlah kolom A kurang rank A.
PERNYATAAN. Karena system linear homogen Ax = 0 harus konsisten, berikutnya dari teorema 18. Bagian 4.6 bahwa rank matriks A sama dengan jumlah parameter dalam pemecahan Ax = 0. Dengan menggunakan hasil ini dengan teorema 4, selanjutnya dengan mengacu pada ruang pemecahan Ax = 0 akan sama dengan jumlah kolom A kurang jumlah parameter dalam pemecahan Ax= 0


Contoh
Pada contoh contoh sebelumnya kita telah memperlihatkan bahwa system homogeny
                                    2x1 + 2x2 – x3   +x5 = 0
                                    -x1 + x2 + 2x3 – 3x4  + x5 = 0
                                     X1  +x2 – 2x3      - x5 = 0
                                                  X3  +  x4  + x5  = 0
Mempunyai ruang pemecahan berdimensi dua, dengan memecahkan system tersebut dan dengan mencari sebuah basis. Karena matriks koefisien
Sehingga rank (A) = 3. Anda dapat memeriksa hasil ini dengan mereduksi A pada bentuk eselon baris dan dengan memperlihatkan bahwa matriks yang dihasilkan mempunyai tiga baris tak 0.
Bukti teorema 3.
Kita harus memperlihatkan bahwa
                                    Dim [R(T)] + dim [ker(T] + n
Kita akan memberikan bukti tersebut untuk kasus dimana 1≤dim[ker(T)≤. Kasus dim[ker(T)] = 0 dan dim [ker(T)] = n sengaja kami biarkansebagai latihan anda. Anggaplah dim [ker(T)] = r, dan misalkan v1,…., vr adalah sebuah basis untuk kernel tersebut. Karena {v1,……,vr} bebas linear, maka bagian (c) dari teorema 11 dalam bagian 4.5 menyatakan bahwa terdapat n-r vector, vr+1,….vn, sehingga {v1, …, vr, vr+1, …,vn} adalah sebuah basisi untuk V. untuk melengkapkan bukti tersebut, kita akan memperlihatkan bahwa vector ke n-r dalam himpunan S= {T(vr+1),…, T(vn) membentuk sebuah basis untuk jangkauan T. maka jelaslah bahwa :
Mula-mula kita memperlihatkan bahwa S merentang jangkauan T. jika b adalah sembarang vector dalam jangkauan T, makan b = T(v) untuk suatu vector v dalam V. karena {v1, …, vr, vr+1, …,vn} adalah basis untuk V, maka dapat dituliskan dalam bentuk
Karena v1,…, vr terletak dalam kernel T, maka T(v1) = … = T(vr) = 0, sehingga
Jadi, S merentang jangkauan T.
            Akhirnya, kita memperlihatkan bahwa S adalah sebuah himpunan bebhas dan sebagai konsekuansinya maka akan membentuk basis untuk jangkauan T. misalkan suatu kombinasi linear dari vector-vektor di S adalah nol; yakni,
Kita harus memperlihatkan bahwa kr+1 = … = kn =0. Karena T linear,maka (5,5) dapat dituliskan kembali sebagai
Yang mengatakan bahwa kr+1vr+1 + … + knvn = berada dalam kernel T. maka vector ini dapat dituliskan sebagai kombinasi linear dari vektor-vektor basis {v1, …, vr} katakanlah,
Jadi,
Karena {v1, …, vn} bebas linear, maka semuanya k sama dengan nol; khususnya kr+1 = … = kn =0, yang melengkapi bukti tersebut .

Ruang Baris, Kolom dan Null

Ruang baris, kolom dan Null

Denisi Ruang Baris, Ruang Kolom, dan Ruang Null Denisi Misalkan A adalah suatu matriks mn, maka 1 Subruang dari Rn yang direntang/ dibangun oleh vektor-vektor baris A dikatakan sebagai ruang baris dari A, dinotasikan dengan row(A). 2 Subruang dari Rm yang direntang/ dibangun oleh vektor-vektor kolom A dikatakan sebagai ruang kolom dari A, dinotasikan dengan col(A). 3 Subruang dari dari Rn yang merupakan ruang penyelesaian dari SPL homogen Ax = 0 dikatakan sebagai ruang null dari A, dinotasikan dengan null(A). Ruang penyelesaian kadang-kadang juga disebut sebagai ruang solusi.
Catatan Ruang kolom dari A juga dikatakan sebagai peta (image) dari A. Kita memiliki Im(A) = Peta(A) = col(A) = fy 2Rm j y = Ax untuk suatu x 2Rng. Ruang null dari A juga dikatakan sebagai inti atau kernel dari A. Kita memiliki ker(A) = inti(A) = null(A) = fx 2Rn j Ax = 0g. MZI (FIF Tel-U) Ruang Baris, Kolom, & Null November 2015 11 / 43
Teorema SPL Ax = b konsisten jika dan hanya jika b berada pada ruang kolom dari A. Misalkan Ax = b adalah suatu SPL dengan A berupa matriks mn. Teorema di atas menyatakan bahwa SPL Ax = b konsisten jika dan hanya jika b = 1c1 + 2c2 ++ ncn, untuk suatu 1;2;:::;n 2R, dengan ci (1 i n) adalah vektor-vektor kolom dari A.
MZI (FIF Tel-U) Ruang Baris, Kolom, & Null November 2015 12 / 43
Bukti Tulis A =2 6 6 6 4
a11 a12 a1n a21 a22 a2n . . . . . . ... . . . am1 am2 amn
3 7 7 7 5 . Akibatnya kita memiliki
Ax =
2 6 6 6 4
a11 a12 a1n a21 a22 a2n . . . . . . ... . . . am1 am2 amn
3 7 7 7 5
2 6 6 6 4
x1 xn . . . xn
3 7 7 7 5
= 2 6 6 6 4
a11x1 a12x2 a1nxn a21x1 a22x2 a2nxn . . . . . . ... . . . am1x1 am2x2 amnxn
3 7 7 7 5
= x12 6 6 6 4
a11 a21 . . . am1
3 7 7 7 5
+ x22 6 6 6 4
a12 a22 . . . am2
3 7 7 7 5
++ xn
2 6 6 6 4
a1n a2n . . . amn
3 7 7 7 5
MZI (FIF Tel-U) Ruang Baris, Kolom, & Null November 2015 13 / 43
Bukti Tulis A =2 6 6 6 4
a11 a12 a1n a21 a22 a2n . . . . . . ... . . . am1 am2 amn
3 7 7 7 5 . Akibatnya kita memiliki
Ax = 2 6 6 6 4
a11 a12 a1n a21 a22 a2n . . . . . . ... . . . am1 am2 amn
3 7 7 7 5
2 6 6 6 4
x1 xn . . . xn
3 7 7 7 5
= 2 6 6 6 4
a11x1 a12x2 a1nxn a21x1 a22x2 a2nxn . . . . . . ... . . . am1x1 am2x2 amnxn
3 7 7 7 5
=
x12 6 6 6 4
a11 a21 . . . am1
3 7 7 7 5
+ x22 6 6 6 4
a12 a22 . . . am2
3 7 7 7 5
++ xn
2 6 6 6 4
a1n a2n . . . amn
3 7 7 7 5
MZI (FIF Tel-U) Ruang Baris, Kolom, & Null November 2015 13 / 43
Bukti Tulis A =2 6 6 6 4
a11 a12 a1n a21 a22 a2n . . . . . . ... . . . am1 am2 amn
3 7 7 7 5 . Akibatnya kita memiliki
Ax = 2 6 6 6 4
a11 a12 a1n a21 a22 a2n . . . . . . ... . . . am1 am2 amn
3 7 7 7 5
2 6 6 6 4
x1 xn . . . xn
3 7 7 7 5
= 2 6 6 6 4
a11x1 a12x2 a1nxn a21x1 a22x2 a2nxn . . . . . . ... . . . am1x1 am2x2 amnxn
3 7 7 7 5
= x12 6 6 6 4
a11 a21 . . . am1
3 7 7 7 5
+ x22 6 6 6 4
a12 a22 . . . am2
3 7 7 7 5
++ xn
2 6 6 6 4
a1n a2n . . . amn
3 7 7 7 5MZI (FIF Tel-U) Ruang Baris, Kolom, & Null November 2015 13 / 43
= x1c1 + x2c2 ++ xncn Jadi SPL Ax = b konsisten jika dan hanya jika terdapat x1;x2;:::;xn sehingga b = x1c1 + x2c2 ++ xncn.

Basis Ruang Vektor

Basis Ruang Vektor


Himpunan  𝐒 = {𝑣1,𝑣2,𝑣3,….,𝑣𝑛} disebut  basis dari ruang vektor V, jika S bebas linear dan S merentang V.

Himpunan S bebas linear berarti penulisan vektor nol sebagai kombinasi linear dari vektorvektor di S adalah tunggal.  S merentang V berarti setiap vektor di V dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari vektor-vektor di S.

Banyaknya anggota basis dari ruang vektor V dinamakan dimensi dari V. 

Contoh  (basis untuk 𝐑𝟑) Tunjukkan bahwa vektor-vektor 𝒗𝟏 = (1,2,1), 𝒗𝟐 = (2,9,0),   dan   𝒗𝟑 = (3,3,4)  merupakan basis untuk 𝐑𝟑.

Penyelesaian: Misalkan S = {𝒗𝟏,𝒗𝟐,𝒗𝟑},  harus menunjukkan bahwa S bebas linear dan merentang 𝐑𝟑. Untuk membuktikan S bebas linear kita harus menunjukkan persamaan vektor 𝑐1𝒗𝟏 + 𝑐2𝒗𝟐 + 𝑐3𝒗𝟑 = 𝒐                 (1) hanya mempunyai penyelesaian trival; dan untuk menunjukkan bahwa vektor S merentang 𝐑𝟑, kita harus menunjukkan bahwa setiap vektor  𝒃 = (𝑏1,𝑏2,𝑏3) di 𝐑𝟑 dapat dinyatakan sebagai  𝑐1𝒗𝟏 + 𝑐2𝒗𝟐 + 𝑐3𝒗𝟑 = 𝒃                (2) Yang dapat diselesaikan melalui perhitungan korespondensi komponen dari dua sisi pada persamaan, yakni kedua persamaan: (1) dan (2); serentak dapat ditunjukkan sebagai sistem  persamaan linear 𝑐1 + 2𝑐2 + 3𝑐3 = 0                         𝑐1 + 2𝑐2 + 3𝑐3 = 𝑏1              2𝑐1 + 9 + 3𝑐3 = 0                          2𝑐1 + 9𝑐2 + 3𝑐3 = 𝑏2          (3)      𝑐1    + 4𝑐3 = 0                            𝑐1               + 4𝑐3 = 𝑏3     

Dengan menyelesaikan (3) (dibiarkan sebagai latihan),  bahwa S = {𝒗𝟏,𝒗𝟐,𝒗𝟑},  dengan vektor 𝒗𝟏 = (1,2,1), 𝒗𝟐 = (2,9,0),   dan  𝒗𝟑 = (3,3,4) merupakan basis untuk 𝐑𝟑.  (Karena banyaknya anggota basis 3, maka dimensi R3 adalah 3).

Basis dan Dimensi

Basis dan Dimensi

Basis : suatu ukuran tertentu yang menyatakan  komponen dari sebuah vector. Dimensi biasanya dihubungkan dengan ruang, misalnya garis adalah ruang dengan dimensi 1, bidang adalah uang dengan dimensi 2 dan seterusnya. Definisi basis secara umum adalah sebagai berikut :
Jika V adalah ruang vektor dan S = {v1, v2, v3, ….., vn} adalah kumpulan vektor di dalam V, maka S disebut sebagai basis dari ruang vektor V jika 2 syarat berikut ini dipenuhi :
        i.            S bebas linier;
      ii.            S serentang V.
Contoh 1
Misalkan e1 = ( 1, 0, 0, … , 0 ), e2 = ( 0, 1, 0, … , 0 ), … , en = ( 0, 0, 0, … , 1 ). Dalam contoh pada pembahasan kebebasan linier, kita telah menunjukkan bahwa S = { e1, e2, … , en } adalah himpunan bebas linier dengan Rn. Karena setiap vector v = (v1, v2, … , vn) pada Rn dapat dituliskan sebagai v = v1e1 +  v2e2 + … + vnen, maka S merentang Rn sehingga S  adalah sebuah basis. Basis tersebut dinamakan basis baku untuk Rn.
Contoh 2
Misalkan v1 = ( 1, 2, 1 ), v2 = ( 2, 9, 0 ), dan v3 = ( 3, 3, 4). Perlihatkan bahwa himpunan S = { v1, v2, v3 } adalah basis untuk R3.
Pemecahan. Untuk memperlihatkan bahwa S serentang R3, maka kita harus perlihatkan bahwa sembarang vector b = ( b1, b2, b3 ) dapat dinyatakan sebagai kombinasi linier
b = k1v1 + k2v2 + k3v3
dari vector – vector pada S. dengan menyatakan persamaan ini dalam komponen-komponennya maka akan memberikan
( b1, b2, b3 ) = k1 ( 1, 2, 1 ) + k2 ( 2, 9, 0 ) + k3 ( 3, 3, 4 )
atau
( b1, b2, b3 ) = ( k1 + 2k2 + 3k3, 2k1 + 9k2 + 3k3, k1 + 4k3 )
atau
k1 + 2k2 + 3k3               = b1
2k1 + 9k2 + 3k3             = b2
k1            + 4k3             = b3                                               (1.1)
Jadi, untuk memperlihatkan bahwa S merentang V, maka kita harus perlihatkan bahwa system (1.1) mempunyai pemecahan semua pilihan b = (b1, b2, b3 ). Untuk membuktikan bahwa S bebas linier, kita harus perlihatkan bahwa satu – satunya pemecahan dari
k1v1 + k2v2 + k3v3 = 0                                                   (1.2)
adalah k1 = k2 = k3 = 0
seperti sebelumnya, jika (1.2) dinyatakan dalam komponen – komponennya, maka pembuktian bebas linier akan direduksi menjadi pembuktian bahwa system tersebut  homogen
k1 + 2k2 + 3k3               = 0
2k1 + 9k2 + 3k3             = 0
k1            + 4k3             = 0                                           (1.3)
hanya mempunyai pemecahan trivial. Perhatikan bahwa system (1.1) dan system (1.3) mempunyai matriks koefisien yang sama. Jadi, menurut bagian – bagian (a), (b), (d) dari Teorema 15 pada bagian  Hasil Selanjutnya Mengenai Sistem Persamaan dan Keterbalikan, kita dapat secara serentak membuktikan bahwa S bebas linier dan merentang R3 dengan memperlihatakan bahwa matriks koefisien

Pada system (1.1) dan system (1.3) dapat dibalik. Karena

maka jelaslah dari Teorema 7 pada bagian Sifat-Sifat Fungsi Determinan bahwa A dapat dibalik. Jadi, S adalah sebuah basis untuk R3.
Contoh 3
Himpunan S = { 1, x, x2, … , xn } merupakan basis untuk ruang vector Pn yang diperkenalkan dalam contoh 13 pada bagian Subruang. Dari contoh 18, vector – vector pada S merentang Pn. Untuk melihat bahwa S bebas linier, anggaplah bahwa suatu kombinasi linier dari vector – vector S adalah vector nol, yakni
c0 + c1x + … + cnxn = 0 (untuk semua x)                                              (1.4)
Kita harus perlihatkan bahwa c0 = c1 = … = cn = 0. Dari aljabar kita ketahui bahwa polinom taknol berderajat n mempunyai paling banyak n akar yang berbeda. Karena (1.4) memenuhi untuk semua x, maka setiap nilai x adalah sebuah akar dari ruas kiri, hal ini berarti bahwa c1 = c2 = … = cn = 0; kalau tidak, maka c0 + c1x + … cnxn dapat mempunyai paling banyak n akar. Maka himpunan S adalah himpunan bebas linier.
Basis S dalam contoh ini dinamakan basis baku untuk Pn.
Contoh 3
Andaikan ruang V= {u, v, w, s}, di mana:
. Cari basis dan dimensi dari ruang V!
Solusi : (Menggunakan matriks)

Basis dari V={(-1, 1 , 1), (0, -1, 3)}
Dimensi V = 2

Diagonalisasi

Diagonalisasi

Pada bahasan pembelajaran berikut kita akan mendiskusikan masalah mencari suatu baris untuk Rn yang terdiri dari vektor-vektor eigen dari suatu matriks A yang diketahui berukuran n  n. Basis-basis ini dapat dipakai untuk menelaah sifat-sifat geometris dari matriks A dan sekaligus dipakai untuk menyederhanakan berbagai perhitungan numerik yang melibatkan matriks A. Basis-basis sangat penting dalam berbagai penerapan aljabar linear, dan beberapa diantaranya akan kita diskusikan dalam bahasan pembelajaran modul berikutnya.  Seperti telah kita ketahui dalam bahasan modl-modul sebelumnya tentang matriks, bahwa salah satu teoremanya adalah pengkombinasian banyak persamaan menjadi satu. Cara penulisan sistem persamaan linear yang terdiri dari m persamaan dengan n variabel menjadi sebuah persamaan matriks telah kita pelajari dalam Modul 2 (Sistem Persamaan Linear). Sedangkan cara menyelesaikan sistem persamaan linear AX = b dengan A matriks berukuran n  n yang invertibel dapat dilakukan dengan bantuan matriks A-1, sehingga terjadi pengkombinasian A-1AX = A-1b atau X = A-1b.  Berdasarkan ide yang sama seperti di atas, maka dalam bagian ini kita akan mengkombinasikan persamaan nilai eigen untuk beberapa vektor eigen yang berlainan ke dalam persamaan matriks yang tunggal. Untuk lebih jelasnya kita perhatikan penjelasan berikut ini.  Pandang matriks A berukuran n  n dengan vektor-vektor eigen (yang bebas linear) u1, u2, ... , uk yang bersesuaian dengan nilai-nilai eigen λ1,  λ2, ... , λk. Sebagai akibatnya maka Au1 = λ1u1, Au2 = λ2u2, ... , Auk = λkuk atau                                    Aur = λrur  dengan r = 1, 2, ..., k.   ....................................   (1)  Vektor-vektor ui dapat dikelompokkan menjadi bentuk matriks n  k, yang ditulis sebagai matriks partisi 
 26
P = (u1      u2       ...        uk) Dengan ui adalah kolom ke-i dari P. Selanjutnya persamaan (1) dapat ditulis menjadi bentuk: AP = (Au1      Au2       ...        Auk)                                                = (u1      u2       ...        uk) D dengan D adalah matriks diagonal k  k dengan unsur-unsurnya λ1, λ2, ... , λk. Jadi kita dapatkan                                        AP = PD atau PD = AP   ................................................   (2) Bentuk ini merupakan bentuk yang ringkas dari persamaan nilai eigen untuk k vektor eigen.  Sekarang misalkan matriks A yang berukuran n  n mempunyai n vektor eigen, sehingga k = n. Akibatnya matriks P menjadi berukuran n  n, dengan kolom-kolomnya vektor-vektor eigen (yang bebas linear), dan P tentunya invertibel. Selanjutnya dengan mengalikan persamaan (2) oleh P-1 dari sebelah kiri kita dapatkan:                                  D = P-1A P   .......................................................................    (3) Dengan demikian jika suatu matriks A yang berukuran n  n mempunyai n vektor eigen yang bebas linear, maka terdapat matriks P yang inverstibel dan matriks diagonal D sehingga D dapat difaktorkan dalam bentuk persamaan (3). Keadaan ini dinamakan A dapat didiagonalkan (diagonalizable).

Definisi 11. 5. Suatu matriks persegi (matriks bujursangkar) A dinamakan dapat didiaginalkan (dapat didiagonalisasi) jika ada suatu matriks P yang invertibel sedemikian rupa sehingga P-1 A P adalah suatu matriks diagonal, matriks P dikatakan mendiagonalkan A (mendiagonalisasi) matriks A.

 Dari penjelasan dan definisi di atas, jelaskah bahwa masalah diagonalisasi dari suatu vektor A yang berukuran n  n adalah ekuivalen dengan pertanyaan: ”Apakah ada matriks P yang invertibel sehingga P-1 A P adalah matriks diagonal D?”. Prosedur berikut menunjukkan bahwa masalah vektor-vektor igen dan asalahan
 27
diaginalisasi adalah setara. Dengan kata lain prosedur berikut adalah tahapan untuk mendiagonalkan matriks yang berukuran n  n. Tahap 1.  Carilah n vektor eigen yang bebas linear dari matriks A yang berukuran     n  n. Misalnya p1, p2, ... , pn. Tahap 2.  Bentuklah matriks P yang mempunyai p1, p2, ... , pn sebagai vektor-vektor kolomnya. Tahap 3. Matriks D = P-1 A P adalah matriks diagonal dengan λ1, λ2, ... , λn sebagai unsur-unsur diagonal yang berurutannya dan λi adalah nilai-nilai eigen yang bersesuaian dengan pi untuk I = 1, 2, 3, …, n.

Contoh 11. 8
Diketahui matriks A =
16 01
.
Carilah: a) matriks P yang mendiagonalisasi A.               b) matriks diagonal D = P-1 A P.

Penyelesaian: a)  Persamaan karakteristik matriks A det (λ I – A) = 0
                                                   det
16 01
 = 0
                                                   (λ – 1)( λ + 1) = 0                                                         λ1 = 1 dan λ2 = -1       (nilai-nilai eigen A)  Untuk λ1 = 1, sistem persamaan linear homogennya  (λ I – A )x = O
 
26 00

2
1
x x
 =
0 0

 -6x1 + 2x2 = 0
 x1 =
3 1
x2
 28

Rtx t 3 1 x 2 1
 x = t 1 3 1 t1 t 3 1
.
Jadi, basis untuk ruang eigen yang bersesuaian dengan λ1 = 1 adalah p1 =
1 3 1

Sistem Persamaan Linier

Sistem Persamaan Linier



A.    Persamaan Dan Pertidaksamaan Linear Satu Variabel.
·         Pernyataan adalah kalimat yang dapat ditentukan nilai kebenarannya (bernilai benar atau bernilai salah).
·         Kalimat terbuka adalah kalimat yang memuat variabel dan belum diketahui nilai kebenarannya.
·         Himpunan penyelesaian dari kalimat terbuka adalah himpunan semua pengganti dari variabel-variabel pada kalimat terbuka sehingga kalimat tersebut bernilai benar.
·         Persamaan adalah kalimat terbuka yang dihubungkan oleh tanda sama dengan (=). 
·         Persamaan linear satu variabel adalah kalimat terbuka yang dihubungkan oleh tanda sama dengan (=) dan hanya mempunyai satu variabel berpangkat satu. Bentuk umum persamaan linear satu variabel adalah ax + b = 0.
·         Penyelesaian persamaan linear adalah pengganti variabel x yang menyebabkan persamaan bernilai benar.
·         Dua persamaan atau lebih dikatakan ekuivalen jika mempunyai himpunan penyelesaian yang sama dan dinotasikan dengan tanda .
·         Suatu persamaan dapat dinyatakan ke dalam persamaan yang ekuivalen dengan cara:
a.       Menambah atau mengurangi kedua ruas dengan bilangan yang sama;
b.      Mengalikan atau membagi kedua ruas dengan bilangan yang sama.
·         Bentuk Persamaan sebagai berikut :

·         Suatu ketidaksamaan selalu ditandai dengan salah satu tanda hubung berikut.
a.       untuk menyatakan kurang dari.
b.      untuk menyatakan lebih dari.
c.       untuk menyatakan tidak lebih dari atau kurang dari atau sama dengan.
d.      untuk menyatakan tidak kurang dari atau lebih dari atau sama dengan.
·         Pertidaksamaan adalah kalimat terbuka yang menyatakan hubungan ketidaksamaan .
·         Untuk menentukan penyelesaian pertidaksamaan linear satu variabel, dapat dilakukan dalam dua cara sebagai berikut.
a.       Mencari lebih dahulu penyelesaian persamaan yang diperoleh
dari pertidaksamaan dengan mengganti tanda ketidaksamaan
dengan tanda “=”.
b.      Menyatakan ke dalam pertidaksamaan yang ekuivalen.

B.   Menyelesaikan Sistem Persamaan Linear Dua Peubah / Variabel

Sistem persamaan linear dua variabel secara umum adalah sistem persamaan dalam bentuk :
a1x + b1y = k1
a2x + b2y = k2
sehingga persamaan linear tersebut dapat diselesaikan jika a1.b2 ¹ a2.b1 sehingga persamaan linear tersebut mempunyai titik potong di (x1,y1).
Untuk menyelesaikan / menentukan penyelesaian sistem persamaan linear dua variable dapat digunakan beberapa cara antara lain sebagai berikut :
1.      Metode subsitusi
2.      Metode eliminasi
3.      Metode gabungan antara eliminasi dan subsitusi

1.      Metode Subsitusi
Contoh :
Tentukan himpunan penyelesaian dari sistem persamaan linear   2x + 3y = 2.....(1)
  x + y = 1 .....(2)

Jawab :
Dari persamaan x – y = 1 didapat x = 1 + y
2x + 3y = 2   → 2(y + 1) + 3y = 1 + y
x = y + 1             2y + 2 + 3y = 2
     5y = 0
       y = 0
y = 0 → x = 1 + y
  x = 1 + 0
  x = 1
jadi himpunan penyelesaiannya = {1, 0}

2.      Metode Eliminasi
Dengan metode eliminasi tentukan himpunan penyelesaian dari
2x + 3y = 6
2x + y = -2
Jawab :
2x + 3y = 6
2x + y = -2   -
2y = 8
y = 4
2x + 3y = 6  │x 1 → 2x + 3y = 6
2x + y = -2  │x 3 → 6x + 3y = -6  -     
     -4x = 12
        x = -3
Jadi penyelesaiannya x = -3, y = 4
HP = {-3, 4}

3.      Metode gabungan eliminasi dan subsitusi
Dengan metode eliminasi dan subsitusi tentukan himpunan penyelesaian dari
3x + 4y = -1
x - y = 2
Jawab :
3x + 4y = -1    │x 1 → 3x + 4y = -1
x - y = 2           │x 3 → 3x - 3y = 6   -
7y = -7
y = -1
y = -1 → x – y      = 2
    x – (-1)  = 2
    x            = 2 – 1
    x            = 1
Jadi himpunan penyelesaiannya ={1, -1}