buku ajar matematika teknik 1 -...

59
BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 UNTUK KALANGAN TERBATAS 2016

Upload: trantruc

Post on 19-Apr-2018

245 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1

UNTUK KALANGAN TERBATAS 2016

Page 2: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

DAFTAR ISI BAB I MATRIKS DAN OPERASI-OPERASINYA ................................................ 1

1.1 Pendahuluan ....................................................................................... 1 1.2 Jenis-jenis Matriks ................................................................................ 2 1.3 Operasi-operasi Matriks ....................................................................... 3 1.4 Matriks Invers ...................................................................................... 4

BAB II SISTEM PERSAMAAN LINEAR .......................................................... 6 2.1 Pendahuluan ........................................................................................ 6 2.2 Operasi Baris Elementer....................................................................... 7 2.3 Sistem Persamaan Linear Homogen .................................................. 10 2.4 Menentukan Invers Matriks ............................................................... 11

BAB III DETERMINAN MATRIKS ............................................................... 13 3.1 Pendahuluan ...................................................................................... 13 3.2 Metode Perhitungan Determinan ...................................................... 14 3.3 Menentukan himpunan penyelesaian sistem persamaan linear dengan

metode Crammer ............................................................................... 16 3.4 Hubungan determinan, Invers dan penyelesaian Persamaan Linear . 17

BAB IV VEKTOR-VEKTOR DI BIDANG DAN DI RUANG ............................... 18 4.1 Pendahuluan ...................................................................................... 18 4.2 Operasi-operasi pada Vektor ............................................................. 18 4.3 Hasil kali titik, Panjang vektor dan Jarak antara dua Vektor .............. 19 4.4 Proyeksi Orthogonal ........................................................................... 21 4.5 Perkalian Silang Vektor (Dot Product) ................................................ 22

BAB V RUANG-RUANG VEKTOR ............................................................... 26 5.1 Ruang-n Euclids ................................................................................. 26 5.2 Ruang Vektor Umum .......................................................................... 27 5.3 Sub-Ruang Vektor .............................................................................. 28 5.4 Membangun dan Bebas Linear ........................................................... 29 5.5 Basis dan Dimensi .............................................................................. 31 5.6 Basis Ruang Baris dan Basis ruang Kolom .......................................... 33 5.7 Basis Ruang Solusi .............................................................................. 33

BAB VI RUANG HASIL KALI DALAM .......................................................... 35 6.1 Hasil Kali Dalam .................................................................................. 35 6.2 Panjang Vektor, Jarak antar dua vektor dan besar sudut dalam RHD 36 6.3 Basis Orthonormal ............................................................................. 37 6.4 Perubahan Basis ................................................................................. 41

BAB VII RUANG EIGEN ............................................................................. 44 7.1 Nilai Eigen suatu Matriks.................................................................... 44 7.2 Diagonalisasi ...................................................................................... 46 7.3 Diagonalisasi Orthogonal ................................................................... 50

Page 3: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB I Matriks dan Operasi – Operasinya

I.1 Pendahuluan

Definisi : Matriks adalah susunan segi empat siku – siku dari bilangan yang dibatasi dengan tanda kurung. Suatu matriks tersusun atas baris dan kolom, jika matriks tersusun atas m baris dan n kolom maka dikatakan matriks tersebut berukuran ( berordo ) m x n. Penulisan matriks biasanya menggunakan huruf besar A, B, C dan seterusnya, sedangkan penulisan matriks beserta ukurannya (matriks dengan m baris dan n kolom ) adalah Amxn, Bmxn dan seterusnya. Bentuk umum Bentuk umum dari Amxn adalah :

Amxn = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

mnmm

n

n

aaa

aaaaaa

...

::::::

...

...

21

22221

11211

,

aij disebut elemen dari A yang terletak pada baris i dan kolom j. I.2 Jenis – jenis matriks

Ada beberapa jenis matriks yang perlu diketahui dan sering digunakan pada pembahasan selanjutnya, yaitu : a. Matriks Bujur sangkar

Matriks bujur sangkar adalah matriks yang jumlah barisnya sama dengan jumlah kolomnya. Karena sifatnya yang demikian ini, dalam matriks bujur sangkar dikenal istilah elemen diagonal yang berjumlah n untuk matriks bujur sangkar yang berukuran nxn, yaitu : a11, a22, …, ann.

Contoh 1.2.1

A2x2 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

2221

1211

aaaa

dengan elemen diagonal a11 dan a22

A3x3 = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

333231

232221

131211

aaaaaaaaa

dengan elemen diagonal a11 ,a22 dan a33

b. Matriks Diagonal

Matriks diagonal adalah matriks yang elemen bukan diagonalnya bernilai nol. Dalam hal ini tidak disyaratkan bahwa elemen diagonal harus tak nol.

Contoh 1.2.2

A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡30

01 B = ⎥

⎤⎢⎣

⎡00

01, C = ⎥

⎤⎢⎣

⎡00

00

Matematika Teknik 1

Halaman 1

Page 4: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

c. Matriks Nol

Mariks Nol merupakan matriks yang semua elemennya bernilai nol.

d. Matriks Segitiga

Matriks segitiga adalah matriks bujur sangkar yang elemen – elemen dibawah atau diatas elemen diagonal bernilai nol. Jika yang bernilai nol adalah elemen – elemen dibawah elemen diagonal maka disebut matriks segitiga atas , sebaliknya disebut matriks segitiga bawah. Dalam hal ini, juga tidak disyaratkan bahwa elemen diagonal harus bernilai tak nol. Contoh 1.2.3

A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

100

200

101

, B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

010

001

000

, C = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

200

010

001

Matriks A adalah matriks segitiga bawah, matriks B adalah matriks segitiga atas

sedangkan matriks C merupakan matriks segitiga bawah dan juga matriks segitiga atas.

e. Matriks Identitas

Matriks identitas adalah matriks diagonal yang elemen diagonalnya bernilai 1 f. Matriks dalam bentuk eselon baris tereduksi

Suatu matriks dikatakan memiliki bentuk eselon baris tereduksi jika memenuhi syarat– syarat berikut :

1. Untuk semua baris yang elemen – elemennya tak–nol , maka bilangan pertama pada baris tersebut haruslah = 1 ( disebut satu utama ).

2. Untuk sembarang dua baris yang berurutan, maka satu utama yang terletak pada baris yang lebih bawah harus terletak lebih ke kanan daripada satu utama pada baris yang lebih atas.

3. Jika suatu baris semua elemennya adalah nol, maka baris tersebut diletakkan pada bagian bawah matriks.

4. Kolom yang memiliki satu utama harus memiliki elemen nol ditempat lainnya.

Contoh 1.2.4

A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0000

1100

2011

, B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

100

010

001

, C = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

000

000

100

010

Matriks A , B dan C adalah matriks – matriks dalam bentuk eselon baris tereduksi

dan notasi 1 menyatakan satu utamanya. Contoh berikut menyatakan matriks – matriks yang bukan dalam bentuk eselon baris tereduksi.

Matematika Teknik 1

Halaman 2

Page 5: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 1.2.5

D = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0000

0110

2011

, E = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

20100

00000

00011

Matriks D bukan dalam bentuk eselon baris tereduksi karena elemen d12 bernilai 1

sehingga tidak memenuhi syarat ke – 4 ( harusnya = 0 ), sedangkan matriks E tidak memenuhi karena baris kedua yang merupakan baris nol letaknya mendahului baris ketiga yang merupakan baris tak nol, sehingga syarat ketiga tidak terpenuhi.

Jika suatu matriks hanya memenuhi syarat 1–3 saja, maka dikatakan matriks

tersebut memiliki bentuk eselon baris. I.3 Operasi – operasi matriks

a. Penjumlahan matriks

Operasi penjumlahan dapat dilakukan pada dua buah matriks yang memiliki ukuran yang sama. Aturan penjumlahan Dengan menjumlahkan elemen – elemen yang bersesuaian pada kedua matriks Contoh:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++++

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎤⎢⎣

⎡hdgcfbea

hgfe

dcba

b. Perkalian matriks dengan matriks Operasi perkalian matriks dapat dilakukan pada dua buah matriks ( A dan B) jika

jumlah kolom matriks A = jumlah baris matriks B. Aturan perkalian

Misalkan Amn dan Bnk maka Amn Bnk = Cmk dimana elemen – elemen dari C( cij) merupakan penjumlahan dari perkalian elemen–elemen A baris i dengan elemen–elemen B kolom j Contoh :

A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡fedcba

, B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

pmolnk

maka A23 B32 = C22 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++++++++

fpeodnfmeldkcpboancmblak

c. Perkalian matriks dengan skalar

Suatu matriks dapat dikalikan suatu skalar k dengan aturan tiap –tiap elemen pada A dikalikan dengan k. Contoh 1.3.1

3 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡fedcba

= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡fedcba

333

333

Matematika Teknik 1

Halaman 3

Page 6: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

d. Transpose matriks Transpose matriks A ( dinotasikan At ) didefinisikan sebagai matriks yang baris –

barisnya merupakan kolom dari A.

Contoh : A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡654

321 � At =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

63

52

41

Sifat – sifat dari operasi matriks

- A+B = B+A - A+ ( B+C ) = ( A+B) + C - AB ≠ BA - A ( BC ) = ( AB ) C - ( At )t = A - ( AB )t = BtAt

I.4 Matriks Invers

Definisi Jika A, B matriks bujur sangkar dan berlaku AB = BA = I ( I matriks identitas ), maka dikatakan bahwa A dapat dibalik dan B adalah matriks invers dari A ( notasi A–1 ).

Contoh : A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−31

52, B = ⎥

⎤⎢⎣

⎡21

53 � AB = BA = ⎥

⎤⎢⎣

⎡10

01

Maka B = A–1 dan A = B–1 Sifat yang berlaku :

- ( A–1 )–1 = A - ( AB )–1 = B–1A–1

Latihan I

1. Tentukan jenis dari matriks – matriks dibawah ini ( jika memenuhi lebih dari satu,

tuliskan semua ) !

A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡10

01 , B =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

101

000

001

, C = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

210

201

, D = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

100

000

221

2. Diketahui A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡10

01 , B = ⎥

⎤⎢⎣

⎡021

201 dan C = ⎥

⎤⎢⎣

⎡322

111

a. Hitung B + C ! b. Hitung AB dan AC , kemudian tentukan AB + AC c. Dari perhitungan B + C sebelumya, hitung A ( B + C ) kemudian bandingkan

hasilnya dengan jawaban dari b !

Matematika Teknik 1

Halaman 4

Page 7: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

3. Dari soal nomor 2, tentukan

a. ( AB )t dan ( AC )t ! b. Hitung BtAt dan CtAt , kemudian bandingkan hasilnya dengan jawaban a !

4. Tunjukkan apakah matriks B merupakan invers A !

a. A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡02

42 dan B = ⎥

⎤⎢⎣

⎡−

−−

22

40

8

1

b. A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡00

31 dan B = ⎥

⎤⎢⎣

⎡10

01

Matematika Teknik 1

Halaman 5

Page 8: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB II

Sistem Persamaan Linear

II.1 Pendahuluan

Bentuk umum Suatu persamaan linear yang mengandung n peubah x1, x2 ,…,xn dinyatakan dalam bentuk a1x1 + a2x2 + … + anxn = b dengan a1, a2, …, an , b adalah konstanta riil. Dalam hal ini, peubah yang dimaksud bukan merupakan fungsi trigonometri, fungsi logaritma ataupun fungsi exponensial.

Contoh 2.1.1 : a. x + y = 4 � persamaan linear dengan 2 peubah b. 2x – 3y = 2z +1 � persamaan linear dengan 3 peubah c. 2 log x + log y = 2 � bukan persamaan linear d. 2ex = 2x + 3 � bukan persamaan linear Sistem persamaan linear ( SPL )

Definisi

Sistem persamaan linear adalah himpunan berhingga dari persamaan linear

Contoh 2.1.2:

a. x + y = 2 b. x – y + z = 4 2x + 2y = 6 x + y = 0 Tidak semua sistem persamaaan linear memiliki penyelesaian( solusi ) , sistem persamaan linear yang memiliki penyelesaian memiliki dua kemungkinan yaitu penyelesaian tunggal dan penyelesaian banyak. Secara lebih jelas dapat dilihat pada diagram berikut :

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎩⎨⎧

banyaksolusitunggalsolusi

konsistenanpenyelesaimemiliki

konsistentidakanpenyelesaimemilikiTidakSPL

)(

)(

Pada sistem persamaaan linear dengan dua peubah, secara geometris jika SPL tidak mempunyai penyelesaian maka grafiknya berupa dua garis yang saling sejajar, jika penyelesaiannya tunggal maka himpunan penyelesaiannya berupa sebuah titik hasil perpotongan dua garis sedangkan jika penyelesaiannya banyak maka himpunan penyelesaiannya berupa dua garis lurus yang saling berhimpit. Secara lebih jelas dapat dilihat pada contoh 2.1.3 berikut : a. x + y = 2 , Grafiknya : 2x + 2y = 6 Grafik tersebut menunjukkan bahwa kedua garis sejajar sehingga tidak penyelesaian yang memenuhi sehingga disimpulkan bahwa SPL tidak konsisten.

3 2

2

3

x + y = 2 2x + 2y = 6

Matematika Teknik 1

Halaman 6

Page 9: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

b. x – y = 2 , Grafiknya : x + y = 2 Grafik tersebut menunjukkan bahwa himpunan penyelesaian dari SPL adalah titik potong antara x – y = 2 dan x + y = 2 yaitu titik ( 2,0 ). Jadi penyelesaian dari SPL adalah tunggal yaitu x = 2 dan y = 0. c. x + y = 2 , Grafiknya : 2x + 2y = 4 Grafik diatas bahwa x + y = 2 dan 2x + 2y = 4 saling berhimpit sehingga hanya terlihat seperti satu garis saja. Himpunan penyelesaian dari SPL semua titik yang terletak disepanjang garis tersebut. Misalkan diambil x = 0 maka didapatkan y = 2 yang memenuhi persamaan, jika x = 1 maka nilai y = 1 adalah nilai yang memenuhi . Secara matematis dapat dituliskan sebagai : { (x,y) | x = 2 – y , x∈ R ,y∈R } Untuk kasus sistem persamaan linear dengan menggunakan dua peubah , pembuatan grafik untuk menentukan himpunan penyeleaian seperti ini masih memungkinkan , hanya saja untuk jumlah peubah yang lebih banyak hal ini sulit dilakukan. II.2 Operasi baris elementer

Ketika dihadapi masalah yang berkaitan dengan sistem persamaan linear terutama yang menggunakan banyak peubah, maka hal pertama yang dapat digunakan untuk menyederhanakan permasalahan adalah dengan mengubah sistem persamaan linear yang ada ke dalam bentuk matriks. Suatu persamaan linear biasanya juga tidak didapatkan secara langsung tetapi melalui penyederhanaan dari permasalahan yang terjadi dalam kehidupan sehari – hari. Setelah diubah ke bentuk matriks, maka matriks tersebut diubah ke bentuk matriks dalam bentuk eselon baris tereduksi untuk mendapatkan penyelesaian dari SPL. Prosedur untuk mendapatkan matriks eselon baris tereduksi biasa disebut sebagai eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi yang digunakan disebut operasi baris elementer. Dalam operasi baris elementer ini ada beberapa operasi yang dapat digunakan , yaitu : a. Mengalikan suatu baris dengan konstanta tak nol b. Mempertukarkan dua buah baris c. Menambahkan kelipatan suatu baris ke baris lainnya.

2

2

2x + 2y = 4

x + y =2

–2

2

2

x – y = 2

x + y =2

Matematika Teknik 1

Halaman 7

Page 10: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Dengan menggunakan operasi baris elementer , maka matriks eselon baris tereduksi yang didapatkan akan ekuivalen dengan matriks awalnya sehingga penyelesaian untuk matriks eselon baris tereduksi juga merupakan penyelesaian untuk matriks awalnya. Matriks awal yang dimaksud adalah matriks diperbesar. Untuk melihat secara lebih mudah definisi dari matriks diperbesar akan ditunjukkan berikut ini : Diketahui SPL dengan m buah persamaan linear dan n peubah a11x1 + a12x2 + … + a1nxn = b1 a21x1 + a22x2 + … + a2nxn = b2 : am1x1 + am2x2 + … + amnxn = bm Sistem persamaan linear diatas dapat ditulis dalam bentuk matriks AX = B dengan

A = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

mnmm

n

n

aaa

aaaaaa

...

...

...

21

22221

11211

ΜΜΜΜΜΜ, X =

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

mx

xx

Μ2

1

dan B = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

mb

bb

Μ2

1

Matriks yang memiliki berukuran nx1 atau 1xn biasa disebut vektor. Penulisan vektor sedikit berbeda dengan penulisan matriks, yaitu menggunakan huruf kecil dengan cetak tebal atau digaris atasnya . Jadi matriks X dan B diatas biasa dituliskan sebagai x dan b atau x dan b sehingga SPL dapat dituliskan sebagai A x = b . Pada SPL yang berbentuk seperti ini , matriks A juga biasa disebut sebagai matriks konstanta. Untuk menyelesaikan persamaan linear diatas maka dibuat matriks diperbesar dari A dan b yang elemen – elemennya merupakan gabungan elemen matriks A dan vektor b yang dinotasikan [ ]bA , yaitu :

[ ]bA = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

mmnmm

n

n

b

bb

aaa

aaaaaa

ΜΜΜΜΜΜΜ2

1

21

22221

11211

...

...

...

Untuk menyelesaikan persamaan linear tersebut dilakukan eliminasi Gauss–Jordan seperti ditunjukkan dalam contoh berikut :

Contoh 2.2.1

a. x + 2y + 3z = 1 2x + 5y + 3z = 6 x + 8z = –6

Matriks diperbesar [ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 6

6

1

801

352

321

Operasi baris elementer pada [A | b ] menghasilkan :

Matematika Teknik 1

Halaman 8

Page 11: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

[ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 6

6

1

801

352

321

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

−−

7

4

1

520

310

321

13

122

bbbb ~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

−−

+

1

4

7

100

310

901

223

221

bb

bb

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

− 1

4

7

100

310

901

3b~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−+−

1

1

2

100

010

001

332

391

bbbb

� bentuk eselon baris

tereduksi Dari bentuk eselon baris tereduksi maka dapat dibuat persamaannya , yaitu : Dari baris 1 (b1) � x + 0y + 0z = 2 � x = 2 Dari baris 2 (b2) � 0x + y + 0z = 1 � y = 1 Dari baris 3 (b3) � 0x + 0y + z = –1 � z = –1

Jadi penyelesaian SPL diatas adalah tunggal , yaitu :⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

1

2

zyx

Untuk melihat apakah jawaban tersebut benar ataukah tidak , kita dapat memasukkan nilai – nilai tersebut pada persamaan awal. Keterangan

Penulisan b1, b2 dan sebagainya pada proses diatas sifatnya tidak mutlak dan hanya digunakan sebagai alat pembantu dalam proses operasi baris elementer. Dalam perhitungan selanjutnya penulisan ini mungkin tidak perlu dilakukan. b. x + 2z = 1 –x + y – z = 0 2x + y + 5z = 3

Matriks diperbesar [ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

3

0

1

512

111

201

[ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

3

0

1

512

111

201

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

1

1

110

110

201

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

1

1

000

110

201

Persamaannya : Dari baris 1 � x + 2z = 1 � x = 1 – 2z Dari baris 2 � y + z = 1 � y = 1 – z Karena baris 3 adalah baris nol dan kolom yang tidak memiliki satu utama adalah

kolom 3 maka dapat diambil nilai z sembarang misalkan z = s, sehingga nilai x = 1 – 2s dan y = 1 – s . Baris nol pada kasus diatas juga menunjukkan bahwa penyelesaian dari SPL adalah tak hingga banyak. Banyaknya baris nol pada matriks

diatas ( dengan A merupakan matriks bujursangkar ) juga menunjukkan

banyaknya parameter (s) pada penyelesaian SPL.

Jadi penyelesaian dari SPL adalah ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

sss

zyx

1

21

Untuk menguji apakah nilai yang didaptkan benar atau tidak, ambil sembarang bilangan untuk s misalnya s = 0 didapatkan x = 1, y = 1 dan z = 0 masukkan nilai – nilai ke

Matematika Teknik 1

Halaman 9

Page 12: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

persamaan kemudian bandingkan ruas kiri dan ruas kanan. Coba lagi untuk nilai s yang lain. c. 2x + 2z = 4 –2x + y = –3 x + 2y + 5z = 6

Matriks diperbesar [ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

6

3

4

521

012

202

[ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

6

3

4

521

012

202

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

4

1

2

420

210

101

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

2

1

2

000

210

101

Pada baris ketiga matriks eselon baris tereduksi didapatkan persamaan: 0x + 0y + 0z = 2 � hal ini jelas menunjukkan bahwa tidak ada nilai untuk x, y

dan z yang memenuhi persamaan karena apapun nilai x, y dan z nya, ruas kiri akan selalu bernilai nol jadi nilai 2 tidak akan tercapai. Jadi kalau ada bentuk matriks eselon baris tereduksi yang seperti diatas , pasti dapat disimpulkan bahwa SPL tidak memiliki penyelesaian atau SPL tidak konsisten.

II.3 Sistem persamaan linear Homogen

Sistem persamaan linear Homogen merupakan kasus khusus dari Sistem persamaan linear biasa A x = b untuk kasus b = 0 . Karena bentuknya yang demikian maka pastilah pada matriks diperbesar [ ]bA setelah dilakukan eliminasi Gauss–Jordan kolom terakhirnya akan selalu nol sehingga penyelesaian dari SPL akan selalu ada . Ada dua macam penyelesaian dalam SPL homogen ini yaitu trivial ( tak sejati ) dan tak

trivial ( sejati ). Penyelesaian trivial terjadi jika satu – satunya penyelesaian untuk SPL adalah x = 0 hal ini terjadi jika semua kolom pada matriks diperbesar [ ]bA ( setelah dilakukan eliminasi Gauss– Jordan ) memiliki satu utama kecuali untuk kolom yang terakhir atau dengan kata lain semua kolom pada matriks A memiliki satu utama . Jika hal yang sebaliknya terjadi yaitu tidak semua kolom pada matriks A ( setelah dilakukan eliminasi Gauss–Jordan ) memilki satu utama atau jika terdapat baris nol maka penyelesaian untuk SPL adalah penyelesaian tak trivial yaitu penyelesaian tak hingga banyak. Contoh 2.3.1

Diketahui sistem persamaan linear homogen

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

0

0

0

z

y

x

132

121

021

Matematika Teknik 1

Halaman 10

Page 13: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Penyelesaian dari SPL homogen diatas adalah

[ ]bA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

0

0

0

132

121

021

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 0

0

0

110

100

021

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

0

0

100

010

001

Pada matriks yang terakhir terlihat bahwa semua kolom matriks A memiliki satu utama

sehingga penyelesaiannya adalah trivial yaitu ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

0

0

zyx

Contoh 2.3.2

Diketahui sistem persamaan linear homogen

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−−

−−−−

3003

1421

2212

1211

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

0

0

0

0

wzyx

Penyelesaian dari SPL homogen diatas adalah :

[ ]bA = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−−

−−−−

0

0

0

0

3003

1421

2212

1211

~ ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−−

−−

0

0

0

0

0630

0210

0630

1211

~⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡−

0

0

0

0

0000

0000

0210

1001

Pada matriks yang terakhir terlihat bahwa hanya dua kolom dari matriks A yang memiliki satu utama atau terdapat dua baris nol , ini berarti bahwa penyelesaian SPL adalah tak trivial yaitu penyelesaian banyak dengan dua parameter yaitu :

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

wzz

w

wzyx

2, jika diambil z = s dan w = t, s ,t ∈ R maka

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

tsst

wzyx

2

Eliminasi Gaus–Jordan untuk mendapatkan penyelesaian SPL homogen sering juga dilakukan pada matriks A saja karena pada kasus ini b = 0 jadi tidak akan mempengaruhi hasil perhitungan.

II.4 Menentukan invers matriks

Pada bab sebelumnya sudah dibahas tentang invers suatu matriks. Invers suatu matriks ( misalkan invers A ) dapat dihitung dengan menggunakan eliminasi Gauss–Jordan terhadap matriks diperbesar [ ]IA dimana ukuran I sama dengan ukuran A. Cara perhitungan seperti ini didasarkan dari sifat A A–1 = I. Untuk menentukan solusi dari SPL tersebut maka berdasarkan prosedur yang telah dipelajari sebelumnya , maka dapat dilakukan eliminasi Gauss – Jordan terhadap matriks [ ]IA . Jika A memang memilki

Matematika Teknik 1

Halaman 11

Page 14: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

invers maka matriks eselon baris tereduksinya akan berbentuk [ ]1−AI . Jika setelah

melakukan eliminasi Gauss–Jordan tidak diperoleh bentuk [ ]1−AI maka disimpulkan bahwa matriks tersebut tidak memiliki invers.

Contoh 2.4.1

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

342

011

552

, tentukan A–1 jika ada !

Jawab:

[ ]IA = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

10

01

00

0

0

1

342

011

552

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

12

02

01

0

1

0

320

530

011

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

120

101

010

320

210

011

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

−−

322

101

111

100

210

201

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

−−

322

543

553

100

010

001

= [ ]1−AI

Jadi A–1 = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

−−

322

543

553

Untuk melihat apakah jawaban tersebut benar atau tidak , maka hitunglah A–1 hasil perhitungan dengan A, jika hasilnya = I maka jawaban tersebut benar.

Contoh 2.4.2

Diketahui matriks A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−521

142

461

Tentukan invers matriks A jika ada !

Jawab:

[ ]IA =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

100

010

001

521

142

461

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−−

101

012

001

980

980

461

~⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−−

111

012

001

000

980

461

Walaupun matriks belum dalam bentuk eselon baris tereduksi, tapi perhitungan sudah dapat dihentikan pada tahap ini sudah terlihat bahwa bentuk [ ]1−AI tidak akan bisa didapatkan sehingga dapat disimpulkan matriks A tidak memiliki invers. Suatu matriks konstan (A) yang memiliki invers , maka SPL A x = b yang berkaitan akan memiliki solusi tunggal yaitu : A–1

b , jika berupa SPL Homogen maka x = 0

Matematika Teknik 1

Halaman 12

Page 15: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB III

Determinan matriks

III.1 Pendahuluan

Definisi determinan

Misalkan A matriks bujur sangkar , fungsi determinan A sering dituliskan sebagai determinan ( disingkat det(A) atau |A| ) didefinisikan sebagai jumlah semua hasil kali elementer bertanda dari A . Jika A berukuran nxn , maka hasil kali elementer dari matriks A akan berbentuk : a1p1.a2p2… anpn dimana p1p2 …pn merupakan permutasi dari bilangan – bilangan 1,2,…, n. Tanda dari a1p1 .a2p2… anpn sendiri ditentukan dari banyaknya bilangan bulat besar yang mendahului bilangan yang lebih kecil ( banyaknya invers ) pada bilangan p1p2…pn, jika banyaknya invers adalah ganjil maka tandanya negatif ( – ) dan jika sebaliknya tandanya positif ( + ). Contoh 3.1.1

Diketahui A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡dcba

Tentukan det(A) !

Jawab

Banyaknya permutasi 1,2 ( karena A berukuran 2x2 ) = 2 yaitu 12 dan 21 Pada bilangan 12 akan didapatkan banyaknya invers = 0 sehingga tanda untuk hasil kali elementer a11.a22 adalah (+) , sedangkan untuk hasil kali elementer a12.a21 akan bertanda (–) karena pada bilangan 21 terdapat satu angka bulat yang mendahului angka yang lebih kecil. Jadi det(A) = + a11.a22 − a12.a21 = ad − bc

Contoh 3.1.2

Diketahui B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

333231

232232

131211

aaaaaaaaa

,Tentukan det B !

Jawab

Untuk memudahkannya akan dibuat tabel sebagai berikut :

permutasi Hasil kali elementer Banyak invers Hasil kali elementer bertanda 123 a11.a22.a33 0 + a11.a22.a33 132 a11.a23.a32 1 − a11.a23.a32 213 a12.a21.a33 1 − a12.a21.a33 231 a12.a23.a31 2 +a12.a23.a31 312 a13.a21.a32 2 + a13.a21.a32 321 a13.a22.a31 3 − a13.a22.a31

Jadi det B = + a11.a22.a33 − a11.a23.a32 + a12.a23.a31 − a12.a21.a33 + a13.a21.a32 − a13.a22.a31 Untuk kasus matriks yang berukuran lebih dari 3x3 , tentunya penentuan nilai determinan dengan menggunakan definisi tersebut menjadi kurang efektif dan lebih

Matematika Teknik 1

Halaman 13

Page 16: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

rumit. Berdasarkan definisi dari determinan tersebut maka dikembangkan metode perhitungan determinan yang lebih cepat yang akan dibahas dibagian selanjutnya. III.2 Metode perhitungan determinan

a. Ekspansi kofaktor

Pada metode ini dikenal beberapa istilah , antara lain : Minor elemen aij ( Mij ) yaitu determinan yang didapatkan dengan menghilangkan baris i dan kolom j matriks awalnya. Kofaktor elemen aij ( Cij ) = (−1 )i+j Mij Jika A matriks bujur sangkar berukuran nxn , maka dengan menggunakan metode ini perhitungan determinan dapat dilakukan dengan dua cara yang semuanya menghasilkan hasil yang sama yaitu :

– ekspansi sepanjang baris i

det(A) = ai1Ci1 + ai2Ci2 + … + ainCin

– ekspansi sepanjang kolom j

det(A) = a1jC1j + a2jC2j + … + anjCnj Contoh 3.2.1

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

134

122

321

, Tentukan det (A) dengan menggunakan ekspansi kofaktor !

Jawab

Akan dicoba menggunakan ekspansi baris 1 untuk menghitung det (A) Det (A) = a11C11 + a12C12 + a13C13

C11 = (−1 )1+1 M11 = M11 = 13

12 = 2 – 3 = −1

C12 = (−1 )1+2 M12 = − M12 = − 14

12 = − (2 – 4) = 2

C13 = (−1 )1+3 M13 = M13 = 34

22 = 6 – 8 = −2

Jadi det (A) = (1 . −1) + (2 . 2) + (3 . −2) = −3 Contoh 3.2.2

Diketahui B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

101

122

301

Hitung det (B) !

Jawab

Jika melihat sifat dari metode ini , maka perhitungan akan lebih cepat jika ada elemen aij yang bernilai 0 . Jadi pemilihan baris / kolom akan sangat menetukan kecepatan perrhitungan . Dalam contoh ini terlihat bahwa baris/kolom yang mengandung banyak nilai 0 adalah kolom 2 . Jadi det (B) akan dapat dihitung secara cepat menggunakan ekspansi terhadap kolom 2.

Matematika Teknik 1

Halaman 14

Page 17: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

det(B) = a12C12 + a22C22 + a32C32 = a22C22 ( karena a12 dan a32 bernilai 0 )

C22 = (−1 )2+2 M22 = M22 = 11

31 = 1 – 3 = −2

Jadi det(B) = 2 . −2 = −4 b. Reduksi baris menggunakan operasi baris elementer

Penggunaan metode ini sebenarnya tidak lepas dari metode ekspansi kofaktor yaitu pada kasus suatu kolom banyak mengandung elemen yang bernilai 0. Berdasarkan sifat ini maka matriks yang berbentuk eselon baris atau matriks segitiga akan lebih mudah untuk dihitung nilai determinannya karena hanya merupakan perkalian dari elemen diagonalnya. Reduksi baris dilakukan dengan mengubah kolom – kolom sehingga banyak memuat elemen 0. Biasanya bentuk metriks akhir yang ingin dicapai adalah bentuk eselon baris atau bentuk segitiga tetapi ini tidak mutlak. Jika bentuk eselon atau segitiga belum tercapai tetapi dianggap perhitungannya sudah cukup sederhana maka determinan bisa langsung dihitung. Dalam melakukan reduksi baris operasi yang digunakan adalah operasi baris elementer. Pada operasi baris elementer ada beberapa operasi yang berpengaruh terhadap nilai determinan awal , yaitu : - Jika matriks B diperoleh dengan mempertukarkan dua baris pada matriks A maka

det (B) = − det (A) - Jika matriks B diperoleh dengan mengalikan konstanta k ke salah satu baris

matriks A maka det (B) = k det (A) - Jika matriks B didapatkan dengan menambahkan kelipatan suatu baris ke baris

lainnya , maka det (B) = det (A) Contoh 3.2.3

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ihgfedcba

dan det (A) = r

Tentukan determinan dari matriks – matriks berikut ;

a. X =⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ihgcbafed

b. Y = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ihgfed

cba222 c. Z =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

+++ ichbgafedcba

Jawab

a. Matriks X didapatkan dengan mempertukarkan baris 1 dan 2 matriks A , maka det ( X) = − det ( X) = − r

b. Matriks Y didapatkan dengan mengalikan baris ke–2 matriks A dengan 2, maka

det ( Y) = 2.det ( Y) = 2r c. Matriks Z didapatkan dengan menambahkan baris 1 ke baris 3 matriks A , maka

det (Z) = det (Z) = r

Matematika Teknik 1

Halaman 15

Page 18: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 3.2.4

Hitunglah determinan matriks A dalam contoh 3.2.1 dengan menggunakan reduksi baris ! Jawab

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

134

122

321

Eliminasi Gauss

|A| = 134

122

321

= 1150

520

321

−−−− =

11502

510

321

).2(

−−− =

2300

2510

321

).2(−

= (−2).1.1. 23 = −3

III.3 Menentukan himpunan penyelesaian sistem persamaan linier dengan

metode Crammer

Metode Crammer didasarkan atas perhitungan determinan matriks. Suatu SPL yang berbentuk A x = b dengan A adalah matriks bujur sangkar dapat dikerjakan dengan metode Crammer jika hasil perhitugan menunjukkan bahwa det (A) ≠ 0. Penyelesaian yang didapatkan dengan metode ini adalah penyelesaian tunggal. Diketahui suatu sistem persamaan linier berbentuk A x = b dengan A adalah matriks bujur sangkar berukuran nxn dan det (A) ≠ 0 sedangkan nilai x dan b adalah :

x = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

nx

xx

:2

1

, b = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

nb

bb

:2

1

maka penyelesaian untuk x adalah :

x 1 = AA1 , x 2 = A

A2 ,…, x n = AAn

Ai adalah matriks A yang kolom ke–i nya diganti dengan vektor b . Contoh 3.3.1

Diketahui sistem persamaan linier berbentuk A x = b

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

1

1

342

011

552

zyx

a. Periksa apakah metode Crammer dapat digunakan untuk mendapatkan penyelesaian SPL ?

b. Jika bisa , tentukan penyelesaian untuk x !

Matematika Teknik 1

Halaman 16

Page 19: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jawab

a. Det (A) = 342

011

552

−− = (−1).( −1)34

55 + (−1).

32

52= ( 15 – 20) – (6 – 10) = –1

Karena det (A) = –1 maka metode Crammer dapat digunakan .

b. Det (A1) = 341

011

551

−− = (−1).1.

34

55 + (–1).

31

51

−= – (15 – 20) – (3 + 5) = –3

Det (A2) = 312

011

512

−− = (−1).( −1)

31

51

−+

32

52 = ( 3+5) + (6 – 10) = 4

Det (A3) = 142

111

152

−−− =

142

031

094

−= (–1).

31

94= –3

Jadi nilai untuk x, y dan z adalah :

x = AA1 = 3

1

3 =−− , y = A

A2 = 41

4 −=−

dan z = AA3 = 3

1

3 =−−

Menentukan invers suatu matriks dapat juga menggunakan rumus berikut :

A–1 = A

Aadj )( dimana adj (A) = Ct dan C = { cij }, cij = kofaktor elemen aij

III.4 Hubungan determinan, invers matriks dan penyelesaian untuk sistem

persaman linier

Jika suatu SPL berbentuk A x = b dan A matriks bujur sangkar , maka sifat dari penyelesaian SPL dapat diketahui dari nilai determinan A atau invers matriks A. Berikut ini adalah hubungan yang berlaku : Det (A) ≠ 0 ↔↔↔↔ A–1 terdefinisi (ada) ↔↔↔↔ penyelesaian tunggal untuk SPL Det (A) = 0 ↔↔↔↔ A tidak memiliki invers

Det (A) = 0 anpenyelesaimemilikitidakSPL

banyakanpenyelesaimemilikiSPL

Matematika Teknik 1

Halaman 17

Imron
III-4
Imron
III-4-2
Page 20: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB IV

Vektor– Vektor di bidang dan di ruang

IV.1 Pendahuluan

Definisi Vektor didefinisikan sebagai besaran yang memiliki arah. Kecepatan, gaya dan pergeseran merupakan contoh – contoh dari vektor karena semuanya memiliki besar dan arah walaupun untuk kecepatan arahnya hanya positif dan negatif. Vektor dikatakan berada di ruang – n ( Rn ) jika vektor tersebut mengandung n komponen. Jika vektor bearada di R2 maka dikatakan vektor berada di bidang, sedangkan jika vektor berada di R3 maka dikatakan vektor berada di ruang. Secara geometris, di bidang dan di ruang vektor merupakan segmen garis berarah yang memiliki titik awal dan titik akhir. Vektor biasa dinotasikan dengan huruf kecil tebal atau huruf kecil dengan ruas garis Contoh 4.1.1

Dari gambar diatas terlihat beberapa segmen garis berarah ( vektor ) seperti AB

, AC dan AD dengan A disebut sebagai titik awal , sedangkan titik B, C dan D disebut titik akhir.

Vektor posisi didefinisikan sebagai vektor yang memiliki titik awal O ( untuk vektor di bidang , titik O adalah ( 0,0 )).

IV.2 Operasi – operasi pada vektor

A. Penjumlahan dua vektor

Misalkan u dan v adalah vektor – vektor yang berada di ruang yang sama , maka vektor ( u + v ) didefinisikan sebagai vektor yang titik awalnya = titik awal u dan titik akhirnya = titik akhir v .

Contoh 4.2.1

Perhatikan gambar pada contoh 4.1.1 . Misalkan u = AB dan v = BC , jika vektor w didefinisikan sebagai w = u + v , maka w akan memiliki titik awal

= A dan titik akhir = C, jadi w merupakan segmen garis berarah AC .

B. Perkalian vektor dengan skalar

Vektor nol didefinisikan sebagai vektor yang memiliki panjang = 0. Misalkan u vektor tak nol dan k adalah skalar , k ∈ R . Perkalian vektor u dengan skalar

B

C D

A

Matematika Teknik 1

Halaman 18

Page 21: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

k , k u didefinisikan sebagai vektor yang panjangnya u kali panjang u

dengan arah : Jika k > 0 � searah dengan u Jika k < 0 � berlawanan arah dengan u Contoh 4.2.2

C. Perhitungan vektor

Diketahui a dan b vektor–vektor di ruang yang komponen – komponennya adalah a = ( a1,a2,a3 ) dan b = ( b1,b2,b3 ) Maka a + b = (a1 +b1, a2+b2, a3+b3 ) a − b = (a1 – b1, a2 – b2, a3 – b3 ) k . a = ( ka1, ka2, ka3 )

Jika c = AB kemudian titik koordinat A = ( a1,a2,a3 ) dan B = ( b1,b2,b3 ) maka c = (b1 − a1 , b2 − a2, b3 − a3 )

IV.3 Hasil kali titik , panjang vektor dan jarak antara dua vektor Hasil kali titik dua vektor jika diketahui komponennya

Diketahui a = ( a1,a2,a3 ) dan b = ( b1,b2,b3 ) , Hasil kali titik antara vektor a dan b didefinisikan sebagai : a . b =(a1.b1)+ (a2.b2) +(a3.b3)

Hasil kali titik dua vektor jika diketahui panjang vektor dan sudut antara

dua vektor

Diketahui a dan b dua buah vektor yang memiliki panjang berturut – turut a

dan b sedangkan sudut yang dibentuk oleh kedua vektor adalah φ, sudut φ ini

terbentuk dengan cara menggambarkan kedua vektor pada titik awal yang sama. Hasil kali titik antara vektor a dan b didefinisikan sebagai : a . b = a b cos φ , φ ∈ [ 0,π ]

X

Y

u

2u

–2u

Matematika Teknik 1

Halaman 19

Page 22: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jadi hasil kali titik dua buah vektor berupa skalar. Dengan mengetahui besarnya φ , akan diketahui apakah hasil kali titik akan bernilai positif atau negatif a . b > 0 ↔ φ lancip , 0 ≤ φ < 90o a . b = 0 ↔ φ = 90o , a dan b saling tegak lurus a . b < 0 ↔ φ tumpul, 90o < φ ≤ 180o

Contoh 4.3.1

Diketahui a = ( 1, −3 ) dan b = ( 3k, −1 ) Tentukan nilai k agar a dan b saling tegak lurus ! Jawab

Agar a dan b saling tegak lurus, maka haruslah a . b = 0 a . b = 3k +3 = 0 � k = −1

Panjang ( norm ) vektor dan jarak antara dua vektor

Panjang vektor

Dengan menggunakan operasi hasil kali titik jika diketahui komponen a = ( a1,a2,a3 ) didapatkan bahwa a . a = 2

32

22

1 aaa ++ …(1) Dari definisi hasil kali titik lainnya , didapatkan bahwa a . a = a a cos 0 ….(2) , dalam hal ini sudut antara a dan a pastilah

bernilai 0 karena keduanya saling berhimpit. Dari persamaan 1 dan 2 , didapatkan persamaan berikut :

2a = a . a ���� a = ( a . a )

1/2 = 23

22

21 aaa ++

Jarak antara dua vektor

Jarak antara vektor a dan b didefinisikan sebagai panjang dari vektor ( a – b ) dan biasa dinotasikan dengan d ( a , b ).

d ( a , b ) = ( a – b . a – b )1/2 = )ba()ba()ba( 2

32

32

22

22

12

1 −+−+−

Secara geometris , dapat digambarkan seperti berikut ini :

Misalkan a = AC dan b = AB , maka jarak antara a dan b merupakan panjang dari ruas garis berarah BC Contoh 4.3.2

Diketahui u = ( 2, –1,1 ) dan v = ( 1,1,2 ) Tentukan besar sudut yang dibentuk oleh u dan v !

B C

A

Matematika Teknik 1

Halaman 20

Page 23: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jawab

u . v = 2 –1 + 2 = 3

u = 222 1)1(2 +−+ = 6

v = 222 211 ++ = 6

2

1

6

3

vu

v.ucos ===θ � φ = 60o

Jadi sudut yang dibentuk antara u dan v adalah 60o Beberapa sifat yang berlaku dalam hasil kali titik

a. a . b = b . a b. a . ( b + c ) = a . b + a . c c. m ( a . b ) = (m a ). b = a . ( m b ) = ( a . b ) m

IV.4 Proyeksi orthogonal

Diketahui vektor a dan b adalah vektor – vektor pada ruang yang sama seperti terlihat pada gambar dibawah ini : Vektor a disusun dari dua vektor yang saling tegak lurus yaitu 1w dan 2w ,

jadi dapat dituliskan a = 1w + 2w ,Dari proses pembentukannya 1w juga

disebut sebagai vektor proyeksi orthogonal a terhadap b karena merupakan

hasil proyeksi secara orthogonal vektor a terhadap b , sedangkan 2w disebut

sebagai komponen dari a yang tegak lurus terhadap b .

Karena 1w merupakan hasil proyeksi di b maka dapat dituliskan 1w = k b ,

nilai k ini akan menentukan arah dan panjang dari 1w . Jika sudut antara

a dan b adalah tumpul , maka tentunya nilai k akan negatif ini juga berarti arah

1w akan berlawanan dengan arah b . Menghitung 1w

Untuk menghitung 1w , harus dihitung terlebih dahulu nilai k. Dengan menggunakan aturan hasil kali titik , diperoleh : a . b = ( 1w + 2w ) . b

a

b w1

w2

Matematika Teknik 1

Halaman 21

Page 24: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

= 1w . b ( karena 2w dan b saling tegak lurus maka 2w . b = 0 )

= 1w b cos θ

= bk b cos 0 ( sudut yang dibentuk adalah 0 atau 180 )

= k 2

b

Jadi k = 2

b

b.a

1w = k b = 2

b

b.a b dan 2w = a – 1w

Panjang dari 1w adalah b

b.a

Contoh 4.4.1 Diketahui a = ( 4,1,3 ) dan b = ( 4,2,–2 ) Tentukan

a. Vektor proyeksi tegak lurus dari a terhadap b ! b. Panjang dari vektor proyeksi tersebut ! c. Komponen dari a yang tegak lurus terhadap b ! Jawab a. Misalkan 1w adalah vektor proyeksi tegak lurus dari a terhadap b , maka

1w = k b sedangkan k = 2

b

b.a=

222 )2(24

)2.32.14.4(

−++−++

= 2

1

24

12 =

Jadi 1w = ½ ( 4,2,–2 ) = ( 2,1,–1 )

b. Panjang 1w adalah b

b.a=

6

3

24

12 =

c. Misalkan 2w merupakan komponen dari a yang tegak lurus terhadap b ,

maka 2w = a – 1w = ( 4,1,3 ) – ( 2,1,–1 ) = ( 2,0,2 ) IV.5 Perkalian silang vektor

Sebelum membahas ke masalah perkalian silang dari dua buah vektor, akan

dijelaskan beberapa definisi terlebih dahulu Vektor satuan

Vektor satuan didefinisikan sebagai vektor yang memiliki panjang satu satuan. Di bidang , vektor satuan yang searah dengan sumbu x dan y dinyatakan sebagai

Matematika Teknik 1

Halaman 22

Imron
Rejected
Page 25: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

i = ( 1,0 ) dan j = ( 0,1 ), sedangkan pada ruang ( R3) , vektor satuan yang

searah sumbu x,y dan z adalah i = ( 1,0,0 ) , j = ( 0,1,0 ) dan k = ( 0,0,1 ).

Penulisan komponen dari vektor juga dapat menggunakan vektor satuan . Misalkan u = ( a,b ) , maka u juga dapat dituliskan u = a i + b j

v = ( a,b,c ) , maka v juga dapat dituliskan v = a i + b j + c k

Perkalian silang antara dua vektor di R

3

Diketahui u = ( u1,u2,u3 ) dan v = ( v1,v2,v3 ) Perkalian silang antara u dan v didefinisikan sebagai :

u x v =

321

321

vvvuuukji

= 32

32

vvuu

i – 31

31

vvuu

j + 21

21

vvuu

k

= ( u2.v3 – u3.v2 ) i – (u1.v3 – u3.v1) j + ( u1.v2 – u2.v1) k Hasil kali silang dari dua buah vektor akan menghasilkan suatu vektor tegak lurus terhadap u dan v . Sedangkan untuk mengetahui panjang dari vektor ini, akan dilakukan analisa yang lebih jauh untuk mengetahuinya .

Kuadrat dari norm u x v adalah 2vxu

2vxu = ( u2.v3 – u3.v2 )

2 + (u1.v3 – u3.v1)2 + ( u1.v2 – u2.v1)

2

: = (u1

2 + u22 + u3

2 ) ( v12 + v2

2 + v32 ) – ( u1v1 + u2v2 + u3v3 )

2

= 222)v.u(vu − � biasa disebut identitas Lagrange

Dari identitas Lagrange

2vxu = 222

)v.u(vu −

= 222)cosv.u(vu θ− ( θ sudut yang dibentuk oleh u dan v )

= 222)cos1(vu θ−

= θ222sinvu

atau

vxu = θsinvu

Nilai ini merupakan luas segi empat yang dibentuk u dan v seperti ditunjukkan dari gambar berikut :

lul

θ

lul sinθ

lvl

Matematika Teknik 1

Halaman 23

Page 26: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Luas segi empat = panjang alas x tinggi = v x θsinu

= θsinvu

Jadi hasil kali silang dua vektor u dan v akan menghasilkan suatu vektor yang tegak lurus terhadap u dan v serta memiliki panjang sama dengan luas dari segi empat yang dibentuk oleh vektor u dan v .

Contoh 4.5.1

Diketahui a = ( 1,2,1 ) dan b = ( 2,2,3 ) Hitung luas segi empat yang dibentuk oleh a dan b ! Jawab

Luas segi empat = bxa

a x b = 322

121

kji = ( 6 – 2 ) i – ( 3 – 2 ) j + ( 2 – 4 ) k

= 4 i – j – 2 k = ( 4 ,–1,–2 )

Jadi luas segi empat = 222 )2()1(4 −+−+ = 21

Contoh 4.5.2

Diketahui segitiga ABC dengan titik – titik sudut adalah : A (2,1,–2 ) , B ( 0,–1,0 ) dan C ( –1,2,–1 ) Hitung luas segitiga ABC !

Jawab Misalkan segitiga ABC yang dimaksud berbentuk seperti dibawah ini :

Segitiga ABC tersebut dapat dipandang sebagai bangun yang dibentuk oleh dua vektor AC dan AB , BA dan BC atau oleh CA dan CB .

Misalkan a = AB = B – A = ( –2,–2,2 ) dan b = AC = ( –3,1,1 ) maka luas segitiga ABC merupakan ½ kali luas segiempat yang dibentuk oleh vektor a dan b , jadi

Luas segitiga ABC = ½ . bxa

a x b = 113

222

−−−

kji = ( –2 –2 ) i – ( –2 –6 ) j + ( –2+6 ) k = – 4 i –8 j + 4 k

A B

C

Matematika Teknik 1

Halaman 24

Page 27: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

bxa = 222 4)8()4( +−+− = 96

Jadi luas segitiga ABC = ½ 96 Pemilihan titik sudut dalam hal ini adalah bebas , sedangkan hasil akhirnya akan tetap sama.

Beberapa sifat yang berlaku dalm hasil kali silang

1. a x b = – ( b x a ) 2. a x ( b + c ) = a x b + a x c 3. ( a + b ) x c = a x c + b x c 4. k ( a x b ) = ( k a ) x b = a x k b 5. a x a = 0

Matematika Teknik 1

Halaman 25

Page 28: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB V

Ruang – Ruang Vektor

V.1 Ruang – n Euclides

Pada saat pertama kali ilmu vektor dikembangkan , hanya dikenal vektor – vektor di R2 dan R3 saja, tetapi dalam perkembangannya ternyata didapatkan permasalahan yang lebih kompleks sehingga dikembangkan vektor – vektor di ruang berdimensi 4 , 5 atau secara umum merupakan vektor – vektor di Rn . Secara geometris memang vektor – vektor di R4 dan seterusnya memang belum bisa digambarkan , tetapi dasar yang digunakan seperti operasi – operasi vektor masih sama seperti operasi pada vektor – vektor di R2 dan R3 . Orang yang pertama kali mempelajari vektor – vektor di Rn adalah Euclidis sehingga vektor – vektor yang berada di Rn dikenal sebagai vektor Euclidis , sedangkan ruang vektornya disebut ruang –n Euclidis. Operasi standar / baku pada vektor Euclidis

Diketahui u dan v adalah vektor – vektor di ruang –n Euclidis dengan u = ( u1,u2,…,un ) dan v = ( v1,v2,…,vn )

Penjumlahan vektor

u + v = ( u1+v1, u2+v2,…,un+vn ) Perkalian titik

u . v = ( u1.v1+ u2.v2 +…+ un.vn ) Perkalian dengan skalar

k u = ( ku1, ku2 , . .., kun ) Panjang vektor

222

21

2/1 ...).( nuuuuuu +++==

Jarak antara vektor

d ( u , v ) = ( u – v . u – v ) = 2222

211 )(...)()( nn vuvuvu −++−+−

Contoh 5.1.1

Diketahui a = ( 1,1,2,3 ) dan b = ( 2,2,1,1 ) Tentukan jarak antara a dan b ! Jawab

a – b = (–1, –1,1,2 )

d ( a , b ) = 2222 21)1()1( ++−+− = 7

Matematika Teknik 1

Halaman 26

Page 29: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

V.2 Ruang vektor umum

Selama ini kita telah membahas vektor – vektor di Rn Euclides dengan operasi – operasi standarnya. Sekarang akan membuat konsep tentang ruang vektor dengan konsep yang lebih luas. Ada 10 syarat agar V disebut sebagai ruang vektor , yaitu : 1. Jika vektor – vektor u , v ∈ V , maka vektor u + v ∈ V 2. u + v = v + u 3. u + ( v + w ) = ( u + v ) + w 4. Ada 0 ∈ V sehingga 0 + u = u + 0 untuk semua u ∈ V , 0 : vektor

nol 5. Untuk setiap u ∈ V terdapat – u ∈ V sehingga u + (– u ) = 0 6. Untuk sembarang skalar k , jika u ∈ V maka k u ∈ V 7. k ( u + v ) = k u + k v , k sembarang skalar 8. (k + l) u = k u + l u , k dan l skalar 9. k( l u ) = ( kl ) u 10. 1 u = u Dalam hal ini tentunya yang paling menentukan apakah V disebut ruang vektor atau tidak adalah operasi – operasi pada V atau bentuk dari V itu sendiri . Jika V merupakan ruang vektor dengan operasi – operasi vektor ( operasi penjumlahan dan operasi perkalian dengan skalar ) yang bukan merupakan operasi standar , tentunya V harus memenuhi 10 syarat diatas , jika satu saja syarat tidak dipenuhi maka tentunya V bukan merupakan ruang vektor. Contoh ruang vektor :

1. V adalah himpunan vektor euclides dengan operasi standar ( operasi penjumlahan dan operasi perkalian dengan skalar ), notasinya Rn .

2. V adalah himpunan polinom pangkat n dengan operasi standar Bentuk umum polinom orde – n pn(x) = a0 + a1x +… + anxn qn(x) = b0 + b1x +… + bnxn Operasi standar pada polinom orde – n pn(x) + qn(x) = a0+ b0 + (a1 +b1)x +… + (an +bn)xn k pn = ka0 + ka1x +… + kanxn notasi untuk ruang vektor ini adalah Pn

3. V adalah himpunan matriks berukuran mxn dengan operasi standar ( penjumlahan matriks dan perkalian matriks dengan skalar ) , ruang vektor ini sering di notasikan dengan Mmn

Contoh bukan ruang vektor

1. V adalah himpunan vektor yang berbentuk ( 0 ,y ) di R2 dengan operasi vektor sebagai berikut : untuk u = ( 0,u2 ) , v = (0,u2 ) , maka k u = ( 0,–ku2 ) dan u + v = ( 0, u2+v2 )

2. V himpunan matriks yang berbentuk ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡b

a1

1 dengan operasi standar , a,b ∈ R

Matematika Teknik 1

Halaman 27

Page 30: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 5.2.1

Tunjukkan bahwa V yaitu himpunan matriks yang berbentuk ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡b

a1

1 dengan

operasi standar bukan merupakan ruang vektor , (a,b ∈ R ) ! Jawab

Untuk membuktikan V bukan merupakan ruang vektor adalah cukup dengan menunjukkan bahwa salah satu syarat ruang vektor tidak dipenuhi . Akan ditunjukkan apakah memenuhi syarat yang pertama

Misalkan A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡q

p1

1 dan B = ⎥

⎤⎢⎣

⎡s

r1

1 , p,q,r,s ∈ R maka A,B ∈ V

A + B = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

+sq

rp2

2 ∉ V → syarat 1 tidak dipenuhi

Jadi V bukan merupakan ruang vektor

V.3 Sub–ruang vektor

Diketahui V ruang vektor dan U subhimpunan V. Kemudian U dikatakan sub–ruang dari V jika memenuhi dua syarat berikut : 1. Jika u , v ∈ U maka u + v ∈ U 2. Jika u ∈ U , untuk skalar k berlaku k u ∈ U

Contoh 5.3.1

Diketahui U adalah himpunan titik – titik di bidang dengan ordinat 0 dengan operasi standar R2 , tunjukkan bahwa U merupakan sub–ruang dari R2 ! Jawab

Akan ditunjukkan bahwa U memenuhi dua syarat sub–ruang vektor , yaitu : 1. U = { x,0 } untuk sembarang nilai x ,x ∈ R

Misalkan a = ( x1,0 ) dan b = ( x2,0 ) dengan x1,x2 ∈ R , maka a , b ∈ U a + b = ( x1 + x2,0 ) dengan x1+x2 ∈ R , jadi a + b ∈ R Jadi syarat ke–1 terpenuhi.

2. Untuk skalar k , maka k a = ( kx1,0 ) dengan kx1 ∈ R , jadi k a ∈ R Jadi syarat ke–2 terpenuhi Kedua syarat terpenuhi , maka U merupakan sub–ruang R2

Contoh 5.3.2

Diketahui U adalah himpunan vektor – vektor yang berbentuk ( a,b,c ) dengan a = b – c – 1 , a,b,c ∈ R dengan operasi standar R3 , tunjukkan apakah U merupakan sub–ruang R3 atau bukan ! Jawab

Akan ditunjukkan apakah U memenuhi syarat sub–ruang vektor R3

Matematika Teknik 1

Halaman 28

Page 31: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Misalkan a = ( b1 – c1 – 1, b1, c1 ) dan b = ( b2 – c2 – 1, b2, c2 ) dengan b1,b2,c1,c2 ∈ R maka a , b ∈ R . a + b = (b1+b2 ) – (c1+c2) – 2 , b1+b2, c1+c2 ) ∉ U Syarat ke–1 tidak dipenuhi , jadi U bukan merupakan sub–ruang vektor .

V.4 Membangun dan bebas linier

Sebelum membahas lebih jauh tentang vektor – vektor yang membangun ruang vektor dan vektor – vektor yang bebas linier , sebelumnya akan diberikan definisi yang berkaitan dengan masalah yang yang akan dibahas . Kombinasi linier

Vektor v dikatakan merupakan kombinasi linier dari vektor – vektor v 1, v 2,…, v n bila v bisa dinyatakan sebagai : v = k1 v 1 + k2 v 2+…+ kn v n , k1,k2,…,kn : skalar

Diketahui V ruang vektor dan S = { s 1, s 2 ,…, s n } dimana s 1, s 2 ,…, s n ∈ V S dikatakan membangun V bila untuk setiap v ∈ V, v merupakan kombinasi linier dari S ,yaitu : v = k1 s 1 +k2 s 2+…+ kn s n , k1,k2,…,kn : skalar Vektor – vektor di S dikatakan bebas linier jika persamaan 0 = k1 s 1 +k2 s 2+…+ kn s n hanya memiliki penyelesaian k1= k2 =…= kn = 0 ( atau jika diubah ke bentuk SPL , penyelesaiannya adalah trivial ) , jika ada penyelesaian lain untuk nilai k1,k2,…,kn selain 0 maka dikatakan vektor – vektor di S bergantung linier. Contoh 5.4.1

Diketahui a = ( 1,2 ) , b = ( –2,–3 ) dan c = ( 1,3 ) Apakah c merupakan kombinasi linier dari a dan b ? Jawab

Misalkan c merupakan kombinasi linier dari a dan b , maka dapat ditentukan nilai untuk k1 dan k2 dari persamaan c = k1 a + k2 b

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡3

2

2

1

3

121 kk � ⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

3

1

32

21

2

1

kk

Digunakan operasi baris elementer untuk menyelesaikan sistem persamaan linier diatas , yaitu :

[ ]bA = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

332

121~ ⎥

⎤⎢⎣

⎡ −110

121 ~ ⎥

⎤⎢⎣

⎡110

301

Didapatkan ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡1

3

2

1

kk

Matematika Teknik 1

Halaman 29

Page 32: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Nilai k1 dan k2 bisa didapatkan , jadi c merupakan kombinasi linier dari a dan b yaitu c = 3 a + b

Contoh 5.4.2

Apakah u = ( 1,2,3 ) , v = ( 2,4,6 ) dan w = ( 3,4,7 ) membangun R3 ? Jawab

Misalkan u , v dan w membangun R3 , maka untuk sembarang vektor di R3 ( x,y,z ) , maka ( x,y,z ) haruslah merupakan kombinasi linier dari dari u , v dan w

. Jika dituliskan dalam bentuk matriks akan berbentuk :

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zyx

kkk

3

2

1

763

442

321

Jika ( x,y,z ) ini merupakan kombinasi linier dari u , v dan w maka ini sama saja dengan mengatakan bahwa SPL A x = b diatas adalah SPL yang konsisten ( memiliki penyelesaian ). Karena SPL diatas bukan merupakan SPL homogen , maka SPL akan konsisten

jika tidak ada baris 0 pada matriks A setelah dilakukan reduksi baris.

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

763

442

321

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

200

200

321

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

100

021

Karena terdapat baris 0 maka pastilah ada vektor di R3 yang bukan merupakan kombinasi linier dari u , v dan w . Jadi u , v dan w tidak membangun R3 . Contoh 5.4.3

Diketahui u = ( 1,2 ) , v = ( 2,2 ) , w = ( 1,3 ) a. Apakah u , v dan w membangun R2 ? b. Apakah u , v dan w bebas linier ?

Jawab

a. Misalkan u , v dan w membangun R2 , maka SPL berikut

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡yx

kkk

3

2

1

322

121 merupakan SPL yang konsisten .

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡322

121~ ⎥

⎤⎢⎣

⎡− 120

121~

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡− 2

110

201� tidak terdapat baris 0.

Jadi SPL konsisten � u , v dan w membangun R2 b. Akan dilihat apakah persamaan k1 u +k2 v + kn w = 0 akan memiliki

penyelesaian k1 = k2 =…= kn = 0.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡0

0

322

121

3

2

1

kkk

, Dari operasi baris elementer pada jawaban a

didapatkan bahwa

Matematika Teknik 1

Halaman 30

Page 33: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

sss

kkk

21

2

3

2

1

jadi dapat disimpulkan bahwa u , v dan w bergantung

linier. Contoh 5.4.4

Apakah s(x) = –6x2 merupakan kombinasi linier dari p(x) = 1 +2x +x2 , q(x) = –x + 2x2 dan r(x) = 1 – x2 ? Jawab

s(x) merupakan kombinasi linier dari p(x) , q(x) dan r(x) jika dan hanya jika s(x) bisa dituliskan sebagai : s(x) = k1 p(x) +k2 q(x) +k3 r(x) atau ekuivalen dengan

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

121

012

101

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

kkk

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 6

0

0

merupakan SPL yang konsisten

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

6

0

0

121

012

101

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−−

6

0

0

220

210

101

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−− 6

0

0

600

210

101

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

2

1

100

010

001

SPL konsisten , Jadi s(x) merupakan kombinasi linier dari p(x) , q(x) dan r(x)

dengan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

kkk

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

2

1

V.5 Basis dan Dimensi

Misalkan V ruang vektor dan S = { s 1, s 2 ,…, s n }. S disebut basis dari V bila memenuhi dua syarat , yaitu : 1. S bebas linier 2. S membangun V Basis dari suatu ruang vektor tidak harus tunggal tetapi bisa lebih dari satu. Ada dua macam basis yang kita kenal yaitu basis standar dan basis tidak standar.

Contoh basis standar :

1. S = { e 1, e 2,…, e n } , dengan e 1, e 2,…, e n ∈ Rn

e1 = ( 1,0,…,0) ,e2 = ( 0,1,0,…,0 ),…,en = ( 0,0,…,1 ) Merupakan basis standar dari Rn . 2. S = { 1,x, x2…,xn

} merupakan basis standar untuk Pn ( polinom orde n )

3. S =⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡10

00,

01

00,

00

10,

00

01 merupakan basis standar untuk M22

Matematika Teknik 1

Halaman 31

Page 34: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Dimensi ruang vektor didefinisikan sebagai banyaknya unsur basis ruang vektor tersebut. Jadi dim R3 = 3 , dim P2 = 3 dan dim M22 = 4 dan sebagainya. Pada pembahasan mengenai membangun dan bebas linier , suatu himpunan vektor dapat ditunjukkan merupakan himpunan yang bebas linier atau membangun ruang vektor V hanya dengan melihat dari jumlah vektor dan dim ruang vektor. Pada contoh 5.4.3 ,banyaknya vektor = 3 dan dim ( R2 ) = 2 , sebenarnya tanpa menghitung kita sudah bisa menyimpulkan bahwa himpunan vektor tersebut tidak bebas linier karena agar bebas linier maksimal jumlah

vektor = dim ruang vektor. Sebaliknya jika suatu himpunan vektor hanya memuat vektor dengan jumlah kurang dari dim ruang vektor , maka dapat disimpulkan bahwa himpunan vektor tersebut tidak membangun . Berdasarkan hal ini, maka suatu himpunan vektor kemungkinan bisa menjadi basis ruang vektor berdimensi n jika jumlah vektornya = n. Jika jumlah vektor < n maka tidak membangun sebaliknya jika jumlah vektor > n maka bergantung linier. Jika jumlah vektor = n , maka dapat dihitung nilai determinan dari ruang yang dibangun oleh himpunan vektor tersebut. Jika det = 0 , maka ia tidak bebas linier dan tidak membangun Jika det ≠ 0 , maka ia bebas linier dan membangun � merupakan basis .

Contoh 5.5.1

Tentukan apakah H = ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡31

20,

10

00,

10

01,

11

21merupakan basis M22

?

Jawab

Jumlah matriks ( bisa dipandang sebagai vektor di R4 ) dalam H = 4 = dim M22 ,

Jadi untuk menentukan apakah H merupakan basis dari R4 atau bukan adalah dengan melihat nilai determinan dari ruang yang dibangun oleh H. Misalkan W adalah ruang yang dibangun oleh H , maka untuk sembarang w ∈

W berlaku : w = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

1111

3001

2002

0011

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

4

3

2

1

kkkk

= A k

Untuk menentukan apakah H merupakan basis atau tidak adalah dengan menghitung nilai det (A) dari SPL diatas.

111

001

011

2

111

300

001

2

1111

3001

2002

0011

+−= = –2 .3. 1 + 2.1.1 = – 4

Jadi H merupakan basis dari M22 .

Matematika Teknik 1

Halaman 32

Page 35: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

V.6 Basis ruang baris dan basis ruang kolom

Suatu matriks berukuran mxn dapat dipandang sebagai susunan bilangan yang tersusun dari bilangan dalam kolom 1 sampai kolom n atau dalam baris 1 sampai

baris m. Jadi jika A =

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

mn2m1m

n22221

n11211

a..aa

::::

a..aa

a..aa

Maka A tersusun atas vektor –vektor baris r i dengan r i = (ai1,ai2,…,ain ) atau bisa juga dikatakan A tersusun atas vektor – vektor kolom c j = (c1j,c2j,…,cmj } dengan i = 1,2,…,m dan j =1,2,…,n

Subruang Rn yang dibangun oleh vektor– vektor baris disebut ruang baris dari

A Subruang Rm yang dibangun oleh vektor– vektor kolom disebut ruang kolom

dari A.

Menentukan basis ruang kolom / baris

Basis ruang kolom A didapatkan dengan melakukan OBE pada A, sedangkan basis ruang kolom A didapatkan dengan melakukan OBE pada At

.

Banyaknya unsur basis ditentukan oleh banyaknya satu utama pada matriks eselon baris tereduksi.

Dimensi ( ruang baris ) = dimensi ( ruang kolom ) = rank matriks

Contoh 6.1

Diketahui A = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡−

102

113

012

321

, Tentukan basis ruang baris dan basis ruang kolom !

A =

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡−

102

113

012

321

~ ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−−

440

850

350

321

~ ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

000

100

010

001

Jadi basis ruang baris { r 1 , r 2 , r 3 }, sedangkan basis ruang kolom adalah { c 1 , c 2 , c 3 }, sedangkan rank A = 3

V.7 Basis ruang solusi

Pada suatu sistem persamaan linear homogen A x = 0 dengan solusi yang tak –trivial dan A berukuran m x n , ruang solusi dari SPL biasa disebut dengan ruang null dari A, sedangkan dimensi dari ruang null disebut nullitas A . Ada hubungan antara rank A dengan nulitas A yaitu rank A + nullitas A = n . Basis ruang solusi tentunya diperoleh dari ruang nullnya.

Matematika Teknik 1

Halaman 33

Page 36: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 5.7.1

Diketahui SPL homogen A x = 0 dengan A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡422

121 , tentukan ruang

null dari A dan rank A ! Jawab

A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡422

121 ~ ⎥

⎤⎢⎣

⎡− 220

121 ~ ⎥

⎤⎢⎣

⎡−110

301

Jadi ruang null = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

ss

s3

= s⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

1

1

3

Jadi ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

1

1

3

bisa diambil sebagai basis untuk ruang null .

Nullitas A = 1. Bisa juga diperiksa bahwa nullitas A + rank A = 3 = n.

Matematika Teknik 1

Halaman 34

Page 37: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB VI

Ruang Hasil Kali Dalam

VI.1 Hasil kali dalam

Definisi

Hasil kali dalam adalah fungsi yang mengaitkan setiap pasangan vektor di ruang vektor V ( misalkan pasangan u dan v , dinotasikan dengan < u , v > ) dengan bilangan riil dan memenuhi 4 aksioma , yaitu : 1. Simetris : < u , v > = < v , u > 2. Aditivitas : < u + v , w > = < u , w > + < v , w > 3. Homogenitas : < k u , v > = k< u , v > , k skalar 4. Positivitas : < u , u > ≥ 0 dan ( < u , u > = 0 ↔ u = 0 ) Ruang vektor yang dilengkapi hasil kali dalam seperti diatas disebut Ruang hasil kali

dalam yang biasa disingkat dengan RHD. Contoh 6.1.1

Tunjukkan bahwa operasi perkalian titik titik standar di R3 Euclides merupakan hasil kali dalam ! Jawab

Akan ditunjukkan bahwa perkalian titik standar memenuhi keempat aksioma hasil kali dalam , yaitu : Misalkan a = ( a1,a2,a3 ) , b = ( b1,b2,b3 ) , c = ( c1,c2,c3 ) maka a , b , c ∈ R3 1. Simetris

< a , b > = ( a . b ) = (a1b1 + a2b2 + a3b3 ) = (b1a1 + b2a2 + b3a3 ) = < b , a > ………… ( terpenuhi )

2. Aditivitas < a + b , c > = ( ( a + b ) . c ) = ((a1+b1 , a2+b2 , a3+b3 ) . ( c1,c2,c3 ) ) = ((a1c1 + b1c1) + ( a2c2+b2c2 ) + (a3c3 + b3c3 ) = (a1c1 + a2c2 + a3c3 ) + (b1c1 + b2c2 + b3c3 ) = ( a . c ) + ( b . c )

= < a , c > + < b , c > …… ( terpenuhi ) 3. Homogenitas

< k a , b > = ( k a . b ) = ( ka1b1 + ka2b2 + ka3b3 ) = k(a1b1 + a2b2 + a3b3 ) = k( a . b ) = k< a , b > ………… ( terpenuhi )

Matematika Teknik 1

Halaman 35

Page 38: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

4. Positivitas

< a , a > = ( a . a ) = ( a12 + a2

2 + a32 ) ≥ 0 ………… ( terpenuhi )

dan < u , u > = ( a1

2 + a22 + a3

2 ) = 0 ↔ u = ( 0,0,0 ) = 0 . … …( terpenuhi ) RHD yang memiliki hasil kali dalam berupa perkalian titik standar seperti diatas biasa disebut RHD Euclides. Contoh 6.1.2

Diketahui < u , v > = ad + cf dengan u = ( a,b,c ) dan v = ( d,e,f ) , Apakah < u , v > tersebut merupakan hasil kali dalam ? Jawab

Akan ditunjukkan apakah < u , v > tersebut memenuhi keempat aksioma hasil kali dalam Aksioma 1. Simetris

< u , v> = ad + cf = da + fc = < v , u > ………… ( terpenuhi )

2. Aditivitas Misalkan w = ( g,h,i ) < u + v , w > = < (a+d , b+e , c+f) , ( g,h,i ) > = (a+d )g + (c+f)i = ( ag + ci ) + ( dg + fi )

= < u , w > + < v , w > …… ( terpenuhi ) 3. Homogenitas

< k u , v > = (kad + kcf) = k( ad + cf ) = k< u , v > ………… ( terpenuhi )

4. Positivitas < u , u > = ( u . u ) = ( a2 + c2 ) ≥ 0 ………… ( terpenuhi ) dan ( < u , u > = (a2 + c2) = 0 tidak selalu ↔ u = ( 0,0,0 ) karena untuk nilai u = ( 0,b,0 ) dengan b ≠ 0 maka nilai < u , u > = 0 …… ( tidak terpenuhi ) Aksioma positivitas tidak terpenuhi maka < u , v > = ad + cf dengan u = ( a,b,c ) dan v = ( d,e,f ) bukan merupakan hasil kali dalam.

VI.2 Panjang vektor , jarak antar vektor ,dan besar sudut dalam RHD

Ketika kita membahas tentang panjang vektor , maka kita harus menghilangkan rumusan yang selama ini kita gunakan mengenai panjang vektor dalan ruang –n Euclides berdasarkan operasi hasil kali titik . Kita akan menghitung panjang suatu berdasarkan hasil kali dalam yang telah diberikan, dan sudah dibuktikan bersama – sama bahwa hasil

Matematika Teknik 1

Halaman 36

Page 39: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

kali titik dalan ruang – n Euclides juga merupakan hasil kali dalam jadi konsep yang digunakan ini akan lebih luas daripada konsep sebelumnya. Misalkan V merupakan ruang hasil kali dalam , u , v ∈ V maka a. Panjang u = < u , u > ½ b. Jarak u dan v , d( u , v ) = < u − v , u − v > ½ c. Misalkan φ sudut antara u dan v dalam RHD , maka besar cos φ adalah :

vu

vu ,cos =θ

Jika u dan v saling tegak lurus maka 222 vuvu +=+

Bukti

vuvuvu ++=+ ,2

= vvuuvu ,, +++

= vuvvuu ,2,, ++

= 22 vu +

Contoh 6.2.1

Diketahui V adalah RHD dengan hasil kali dalam < u , v > = (u1v1 + 2u2v2 + u3v3 ) dengan u = ( u1,u2,u3 ) , v = ( v1,v2,v3 ) . Jika vektor – vektor a , b ∈ V dengan a = ( 1,2,3 ) dan b = ( 1,2,2 ) , Tentukan a. Besar cos α jika sudut yang dibentuk antara a dan b adalah α ! b. Jarak antara a dan b ! Jawab

ba

ba ,cos =θ

< a , b > = 1.1 + 2.(2.2) + 2.3 = 15 222 32.21 ++=a = 18 222 22.21 ++=b = 13

Jadi ba

ba ,cos =θ =

1318

15 = 234

15

VI.3 Basis orthonormal

Diketahui V ruang hasil kali dalam dan v 1, v 2,…, v n adalah vektor – vektor dalam V.

Beberapa definisi penting

a. H = { v 1, v 2,…, v n } disebut himpunan orthogonal bila setiap vektor dalam V saling tegak lurus ,yaitu < v i, v j > = 0 untuk i ≠ j dan i,j = 1,2,…,n.

Matematika Teknik 1

Halaman 37

Page 40: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

b. G = { v 1, v 2,…, v n }disebut himpunan orthonormal bila

- G himpunan orthogonal - Norm dari vi = 1 , i = 1,2,…,n atau < v i, v i > = 1

Metode Gramm–Schimdt

Metode Gramm–Schimdt digunakan untuk merubah suatu himpunan vektor yang bebas linier menjadi himpunan yang orthonormal. , jadi dalam hal ini disyaratkan himpunan yang ditransformasikan ke himpunan orthonormal adalah himpunan yang bebas linier.

Jika yang akan ditransformasikan adalah himpunan vektor yang merupakan basis dari ruang vektor V maka metode Gramm–Schimdt akan menghasilkan basis orthonormal

untuk V. Sebelum membahas tentang metode ini, akan dibahas tentang proyeksi orthogonal

vektor terhadap ruang yang dibangun oleh himpunan vektor.

Diketahui H = { v 1, v 2,…, v n } adalah himpunan vektor yang bebas linier dari ruang vektor V dengan dim ≥ n dan S = { w 1, w 2,…, w n } merupakan himpunan yang orthonormal . Jika W menyatakan ruang yang dibangun oleh w 1, w 2,…, w n maka untuk setiap vektor z 1 dalam W , dapat dituliskan z 1 = k1 w 1 + k2 w 2 +…+ kn w n

dengan k1, k2, …,kn skalar. Jika u adalah sembarang vektor dalam V , maka tentunya u dapat dituliskan sebagai jumlah dari dua vektor yang saling tegak lurus misalkan z 1 dan z 2 , jadi dapat dituliskan u = z 1 + z 2 . Karena z 1 dalam W , maka sebenarnya z 1 merupakan proyeksi orthogonal u terhadap W , sedangkan z 2 merupakan komponen vektor u yang tegak lurus terhadap W. Jadi untuk menentukan z 1 , maka harus ditentukan nilai k1, k2, …,kn sedemikian hingga nilai k1 merupakan panjang proyeksi u terhadap w 1 , k2 merupakan panjang proyeksi u terhadap w 2 dan seterusnya sehingga kn merupakan panjang proyeksi u terhadap w n . Proyeksi orthogonal u terhadap w i adalah proy Wi ( u ) = < u , w i > , dikarenakan w 1, w 2,…, w n merupakan vektor – vektor yang orthonormal . Jadi dapat dituliskan bahwa proyeksi orthogonal u terhadap W adalah : proyw ( u ) = z 1 = < u , w 1 > w 1 + < u , w 2 > w 2 +…+ < u , w n > w n dengan { w 1, w 2,…, w n } merupakan himpunan orthonormal. Komponen u yang tegak lurus terhadap W adalah z 2 = u – (< u , w 1 > w 1 + < u , w 2 > w 2 +…+ < u , w n > w n ) Misal diketahui K = { v 1, v 2, …, v n } adalah himpunan yang bebas linier, maka K dapat dirubah menjadi himpunan S = { w 1, w 2, …, w n } yang orthonormal dengan menggunakan metode Gramm–Schimdt yaitu :

1. 1

11 v

vw = , ini proses normalisasi yang paling sederhana karena hanya melibatkan

satu vektor saja. Pembagian dengan 1v bertujuan agar w i memiliki panjang =

1 , pada akhir langkah ini didapatkan w 1 orthonormal.

Matematika Teknik 1

Halaman 38

Page 41: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

2. 1122

11222

,

,

wwvv

wwvvw

−=

Pada akhir langkah ini didapatkan dua vektor w 1 dan w 2 yang orthonormal.

3. 2231133

22311333

,,

,,

wwvwwvvwwvwwvv

w−−

−−=

.

.

.

n. 112211

112211

,...,,

,...,,

−−

−−

−−−

−−−=

nnnnnn

nnnnnnn wwvwwvwwvv

wwvwwvwwvvw

Secara umum w i = )(

)(

iWi

iWi

vprovvprov

−−

dengan W merupakan ruang yang dibangun oleh

w 1,.., w i–1 . Pada metode ini, pemilihan v 1, v 2,…, v n tidak harus mengikuti urutan vektor yang diberikan tetapi bebas sesuai keinginan kita karena satu hal yang perlu diingat bahwa basis suatu ruang vektor tidak tunggal. Jadi dengan mengubah urutan dari v 1, v 2,…, v n sangat memungkinkan didapatkan jawaban yang berbeda – beda . Pemilihan urutan dari v 1, v 2,…, v n yang disarankan adalah yang mengandung hasil kali dalam yang bernilai 0 yaitu < v i, v j > = 0, dalam kasus ini bisa diambil v 1 = v i dan v 2 = v j dan seterusnya. Contoh 6.3.1

Diketahui H = { a , b , c } dengan a = ( 1,1,1 ) , b = ( 1,2,1 ) , c = (−1,1,0 ) a. Apakah H basis R3 ? b. Jika ya , transformasikan H menjadi basis orthonormal dengan menggunakan hasil

kali dalam Euclides ! Jawab

a. Karena dim( R3 ) = 3 dan jumlah vektor dalam H = 3 , maka untuk menentukan apakah H merupakan basis R3 atau bukan , adalah dengan cara menghitung determinan matriks koefisien dari SPL A x = b dengan b adalah sembarang vektor

dalam R3, yaitu = det ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

011

121

111

. Jika det = 0 maka berarti H bukan merupakan

basis R3 , sebaliknya jika det ≠ 0 maka berarti vektor – vektor di H bebas linier dan membangun R3 , jadi H merupakan basis R3 . Dengan ekspansi kofaktor sepanjang baris ketiga, didapatkan

Matematika Teknik 1

Halaman 39

Page 42: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

11

11

12

11

011

121

111−

−−

=−

= 3 − 2 = 1

Karena det = 1 ,ini berarti H merupakan basis dari R3 b. Hasil kali dalam antara a , b dan c < a , b > = 4, < a , c > = 0 , < b , c > = 1 Untuk memilih basis yang perhitungannya lebih sederhana dapat diambil v 1 = a , v 2 = c , v 3 = b

a. 3

)1,1,1(1 ==

aaw

b. ==−

−=

cc

wwccwwcc

w11

112

,

,

2

)0,1,1(−

{ Karena < a , c > = 0 maka < c , 1w > = 0,,

=><

=><

aca

aac

}

c. 2211

22113

,,

,,

wwbwwbb

wwbwwbbw

−−

−−= =

ccbaabb

ccbaabb

,2

1,

3

1

,2

1,

3

1

−−

−−

ccbaabb ,2

1,

3

1 −− = =⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

1

1

2

1

1

1

1

3

4

1

2

1

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

− 316

16

1

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 2

1

1

6

1

6

1

6

6,

2

1,

3

1 ==−− ccbaabb

Jadi w 3 = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 2

1

1

6

1 s

Normalisasi himpunan orthogonal ke himpunan orthonormal

Diketahui V RHD dan H = { v 1 , v 2,…, v n }∈ V merupakan himpunan orthogonal dengan v i ≠ 0 maka bisa didapatkan himpunan orthonormal yang didefinisikan sebagai

S = { s 1, s 2,…, s n } dengan si = i

i

vv

, i = 1,2,…,n. Kalau dilihat secara seksama ,

sebenarnya rumusan ini merupakan rumusan dari metode Gramm– Schimdt yang telah mengalami reduksi yaitu untuk nilai proy W(vi) = 0 akibat dari v 1 , v 2,…, v n yang

saling orthogonal. Proses untuk mendapatkan vektor yang orthonormal biasa disebut dengan menormalisasikan vektor. Jika dim (V) = n , maka S juga merupakan basis orthonormal dari V.

Matematika Teknik 1

Halaman 40

Page 43: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 6.3.2

Diketahui dan a , b , c ∈ R3 dengan a = ( 2,–1,1 ) , b = ( 2,5,1 ) , c = ( –1,0,2 ) .Jika R3 merupakan RHD Euclides, Transformasikan a , b , c ke basis orthonormal !

Jawab

< a , b > = 0 , < a , c > = 0 , < b , c > = 0 222 1)1(2a +−+= = 6 , 30152b 222 =++= ,

520)1(c 222 =++−=

Misalkan H = { a , b , c } maka H merupakan himpunan orthogonal

Dim( R3 ) = 3 jadi dapat ditentukan basis orthonormal untuk R3.

Misalkan s 1 = )1,1,2(6

1 −=aa , s 2 = )1,5,2(

30

1=bb , s 3 = )2,0,1(

5

1 −=cc

Basis orthonormal untuk R3 adalah { )1,1,2(6

1 − , )1,5,2(30

1 , )2,0,1(5

1 − }

VI.4 Perubahan Basis

Seperti diketahui bahwa suatu ruang vektor bisa memiliki beberapa basis . Dari sifat inilah tentunya jika terdapat sembarang vektor x dalam suatu ruang vektor V yang memiliki himpunan vektor A dan B sebagai basisnya maka x tentunya merupakan kombinasi linier dari vektor – vektor di A dan B. Kajian yang dilakukan sekarang ini adalah melihat hubungan antar kombinasi linier tersebut . Secara sistematis , langkah – langkahnya dapat dilihat seperti berikut ini; Jika V ruang vektor, S : { s 1, s 2,…, s n } merupakan basis V maka untuk sembarang x ∈ V, dapat dituliskan : x = k1 s 1 + k2 s 2…+kn s n dengan k1, k2, …, kn skalar. k1, k2, …, kn juga disebut koordinat x relatif terhadap basis S.

[ ]⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

n

S

k

kk

x:2

1

disebut matriks x relatif terhadap basis S.

Jika S merupakan basis orthonormal , maka

[ ]

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

\,

:

,

,

2

1

n

S

sx

sxsx

x

Matematika Teknik 1

Halaman 41

Page 44: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jika A = { x 1, x 2 } dan B = { y 1, y 2 } berturut – turut merupakan basis dari V , maka

untuk sembarang z ∈ V bisa didapatkan [ ]Az dan [ ]Bz . Bagaimana hubungan

[ ]Az dan [ ]Bz ?

Misalkan [ ]Bx1 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ba

dan [ ]Bx2 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡dc

Dari [ ]Bx1 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ba

didapatkan x 1 = a y 1 + b y 2 ……………. .(1)

Dari [ ]Bx2 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡dc

didapatkan x 2 = c y 1 + d y 2 ……………. (2)

Untuk [ ]Az = ⎥⎦

⎤⎢⎣

2

1

kk

maka didapatkan z = k1 x 1 +k2 x 2 ……...(3)

Dengan melakukan substitusi dari persamaan 1 dan 2 ke persamaan 3 didapatkan : z = k1 (a y 1 + b y 2 ) +k2 (c y 1 + d y 2 )

= ( k1 a + k2 c ) y 1 + ( k1 b + k2 d ) y 2

Ini berarti [ ]Bz = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++

dkbkckak

21

21 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡dbca

⎥⎦

⎤⎢⎣

2

1

kk

= P [ ]Az

P disebut matriks transisi dari basis A ke basis B. Secara umum , jika A = { x 1, x 2, …, x n } dan B = { y 1, y 2, …, y n } berturut – turut merupakan basis dari ruang vektor V , maka matriks transisi basis A ke basis B adalah : P = [ ] [ ] [ ][ ]BnBB xxx ...21

Jika P dapat dibalik , maka P–1 merupakan matriks transisi dari basis B ke basis A. Contoh 6.4

Diketahui A = { v , w } dan B = { x , y } berturut – turut merupakan basis R2 , dengan v = ( 2, 2 ) , w = ( 3, –1 ) , x = ( 1 , 3 ) dan y = ( –1 , –1 ) Tentukan a. Matriks transisi dari basis A ke basis B !

b. Hitung A⎥

⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−3

1

c. Hitung B⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−3

1dengan menggunakan hasil pada (b) !

d. Matriks transisi dari basis B ke basis A !

Jawab

a. Misalkan [ ]Bv = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ba

maka ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ba

13

11

2

2 , didapatkan ⎥

⎤⎢⎣

⎡ba

= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡− 2

0 dan untuk

[ ]Bw = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡dc

maka ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡− d

c13

11

1

3 , maka didapatkan ⎥

⎤⎢⎣

⎡−−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡5

2

dc

Jadi matriks transisi dari basis A ke basis B adalah : P = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−

52

20

Matematika Teknik 1

Halaman 42

Page 45: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

b. Misalkan A⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−3

1= ⎥

⎤⎢⎣

2

1

kk

maka ,didapatkan ⎥⎦

⎤⎢⎣

2

1

kk

= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−1

1

c. Dari (a) dan (b) didapatkan P = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−

52

20 dan

A⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−3

1= ⎥

⎤⎢⎣

⎡−1

1 sehingga

B⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−3

1=

P A⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−3

1= ⎥

⎤⎢⎣

⎡−−−

52

20⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−1

1= ⎥

⎤⎢⎣

⎡3

2

d. Matriks transisi dari basis B ke basis A adalah P–1 dengan P merupakan matriks transisi terhadap basis A ke basis B .

Jadi P–1 = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

02

25

4

1 merupakan matriks transisi dari basis B ke basis A.

Matematika Teknik 1

Halaman 43

Page 46: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB VII

Ruang Eigen

VII.1 Nilai Eigen suatu matriks

Diketahui A matriks berukuran n x n, x vektor tak–nol berukuran n x 1 , x ∈ Rn . Karena A berukuran n x n , maka A x akan berupa vektor yang berukuran n x 1 juga. Bila terdapat skalar λ , λ ∈ Riil sedemikian hingga A x = λ x (A x menghasilkan vektor yang besarnya λ kali x ). Semua nilai λ yang memenuhi persamaan tersebut sehingga ada nilai x yang nyata ( bukan vektor 0 saja ) disebut nilai eigen ( karakteristik ).

Untuk menentukan nilai λ , dari persamaan A x = λ x sebelumnya dirubah

dahulu menjadi persamaan (A − λ I ) x = 0 = (λ I − A ) x . Agar persamaan tersebut memiliki penyelesaian tak–trivial ( sejati ) , maka dapat ditentukan melalui nilai det (A − λ I ) yaitu det (A − λ I ) = det (λ I − A ) = 0. Persamaan det (A − λ I ) = det (λ I − A ) = 0 ini disebut persamaan karakteristik. Banyaknya nilai eigen maksimal adalah n buah.

Dari nilai eigen yang telah diperoleh tersebut dapat ditentukan ruang solusi

untuk x dengan memasukkan nilai eigen yang yang diperoleh kedalam persamaan (A − λ I ) x = 0 . Ruang solusi yang dperoleh dengan cara demikian ini disebut juga dengan ruang eigen. Dari ruang eigen yang bersesuaian dengan nilai eigen tertentu tersebut dapat dicari minimal sebuah basis ruang eigen yang saling bebas linear.

Contoh 7.1.1

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

001

210

201

Tentukan nilai Eigen beserta basis ruang eigennya ! Jawab

Persamaan karakteristik dari A adalah det (λ I − A ) = 0 .

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

λ−−λ

−λ

01

210

201

det = ( λ − 1 )2 λ − 2 (λ − 1 ) = ( λ − 1 ) [( λ − 1 ) λ − 2 ]

= ( λ − 1 ) (λ2 − λ − 2 ) = ( λ − 1 ) ( λ + 1 ) ( λ − 2 ) Jadi nilai eigen untuk A adalah : −1, 1, 2 .

Basis ruang eigen diperoleh dengan memasukkan nilai eigen yang diperoleh kedalam persamaan (A – λ I ) x = 0 .

Matematika Teknik 1

Halaman 44

Page 47: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Untuk λ = −1

Didapatkan persamaan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

101

220

202

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

x

x

x

= 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

101

220

202

~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−−

000

220

101

~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

000

110

101

Ruang eigen = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

x

x

x

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−s

s

s

, basis ruang eigen bisa berupa ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−1

1

1

Untuk λ = 1

Didapatkan persamaan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−101

200

200

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

x

x

x

= 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−101

200

200

~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−200

200

101

~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

100

001

Ruang eigen = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

x

x

x

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

s

0

, basis ruang eigen bisa berupa ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

1

0

Untuk λ = 2

Didapatkan persamaan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−201

210

201

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

x

x

x

= 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−201

210

201

~

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−000

210

201

Ruang eigen = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

3

2

1

x

x

x

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

s

s2

s2

, basis ruang eigen bisa berupa ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

1

2

2

Jadi terdapat tiga buah basis ruang eigen yang bebas linear yang bersesuaian dengan nilai eigen –1 , 1 dan 2. Untuk kasus yang khusus , jika A memiliki n buah nilai eigen = λ , maka akan memiliki nilai eigen λk . Jika banyaknya nilai eigen dari Ak sebanyak n juga maka basis ruang eigennya tatap sama , tetapi jika jumlah nilai eigennya kurang dari n ( ini terjadi jika ada nilai eigen yang saling berlawanan tanda ), maka salah satu nilai eigennya akan memiliki basis ruang eigen yang berbeda .

Matematika Teknik 1

Halaman 45

Page 48: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 7.1.2

B = A2 = =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

201

212

203

Maka nilai eigen untuk B adalah : −12 , 12 ,22 dengan basis ruang eigen untuk

λ = 1 , basis ruang eigennya : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

0

1

dan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

1

0

λ = 4 , basis ruang eigennya : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

1

2

2

Pada contoh ini, untuk λ = 1 , memiliki dua basis ruang eigen yang berasal dari nilai eigen –1 dan 1 . Karena berasal dari dua nilai eigen yang berbeda maka basis ruang eigennya juga mengalami sedikit perubahan yaitu untuk basis ruang

eigen dengan λ = −1. Basis ruang eigen ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

0

1

ini merupakan vektor proyeksi

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−1

1

1

terhadap vektor ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

0

1

. Dalam hal ini basis ruang eigen untuk λ = −1 dibuat

saling orthogonal . Cara lain yang bisa digunakan untuk menentukan basis ruang eigen tentunya dengan memasukkan nilai λ = −1 kedalam persamaan karakteristik seperti cara sebelumnya.

VII.2 Diagonalisasi

Pada pembahasan kali ini adalah mengenai penentuan matriks diagonal D dan matriks pendiagonal P yang berkaitan dengan basis ruang eigen yang telah dipelajari pada bahasan sebelumnya. Jika A matriks bujursangkar berukuran n , dan terdapat matriks diagonal D sedemikian hingaga D = P–1AP sehingga dikatakan matriks A dapat didiagonalisasi. P merupakan matriks n x n yang kolom – kolomnya merupakan vektor – vektor kolom dari basis ruang eigen A. P disebut matriks yang mendiagonalisasi A , sedangkan D merupakan matriks diagonal yang elemen diagonalnya merupakan semua nilai eigen dari A. Tidak semua matriks bujur sangkar dapat didiagonalisasi tergantung dari jumlah basis ruang eigen yang dimiliki. Jika matriks bujur sangkar berukuran n dan basis ruang eigen yang bebas linear berjumlah n juga, maka matriks tersebut dapat didiagonalisai , jika jumlahnya kurang dari n maka tidak dapat didiagonalisasi. Pada saat matriks memiliki nilai eigen sejumlah n , maka basis ruang eigennya juga akan berjumlah n , sedangkan pada saat jumlah nilai eigennya kurang dari n , masih ada dua kemungkinan yaitu jumlah nilai eigennya sama dengan n atau jumlah nilai eigennya kurang dari n . Jadi pada saat jumlah nilai eigen sama dengan n maka matriks dapat didiagonalisasi,

Matematika Teknik 1

Halaman 46

Page 49: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

sedangkan pada saat jumlah nilai eigen kurang dari n belum bisa ditentukan apakah matriks bisa didiagonalisasi atau tidak . Secara umum untuk menentukan matriks pendiagonal P dan matriks diagonal D adalah sebagai berikut : Misal A matriks bujur sangkar n x n memiliki n buah basis ruang eigen yang bebas linear x 1 , x 2, …, x n yang bersesuaian dengan nilai eigen λ1, λ2, . . ., λn

(λi tidak harus berbeda dengan λj ),maka matriks pendigonal P bisa diambil sebagai , P = [ x 1 x 2 x n ] dengan matriks diagonalnya adalah :

D = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

λ

λλ

n

2

1

000

::::

000

000

.

Contoh 7.2.1

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

001

210

201

, tentukan matriks yang mendiagonalisasi A dan

matriks diagonalnya ! Jawab

Dari jawaban pada contoh 7.1.1 , didapatkan nilai eigen : −1 , 1, dan 2 dengan

basis ruang eigen yang bersesuaian berturut – turut adalah ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−1

1

1

, ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

1

0

, ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

1

2

2

.

Jadi matriks pendiagonal P bisa ditentukan sebagai :

P = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

101

211

201

dengan matriks diagonalnya adalah , D = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

200

010

001

.

Kolom – kolom pada matriks P juga dapat dirubah– ubah urutannya sehingga kalau dihitung ada sebanyak 6 matriks yang memenuhi jawaban , selanjutnya matriks D akan mengikuti urutan dari matriks P .

Contoh 7.2.2

Diketahui B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

020

110

112

Apakah B dapat didiagonalisasi ? Jika dapat tentukan matriks yang mendiagonalisasi B beserta matriks diagonalnya !

Matematika Teknik 1

Halaman 47

Page 50: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jawab

Persamaan karakteristik : det (λ I – B ) = 0

Det ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

λ−−−λ

−−λ

20

110

112

= ( λ – 2 ) (λ2 – λ –2 ) = ( λ – 2 ) (λ + 1 ) ( λ –2 ) = 0

Jadi nilai eigen : –1 , 2 Karena hanya ada dua nilai eigen , maka belum bisa ditentukan apakah B dapat didiagonalisasi ataukah tidak. Untuk itu akan dicari banyaknya basis ruang eigen. Untuk λ = 2 , substitusi nilai λ = 2 ke persamaan ( λ I – B ) x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

220

110

110

x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

220

110

110

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

000

000

110

Ruang eigen : x = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

t

t

s

= s

0

0

1

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ +

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

1

0

t

Jadi untuk λ = 2 terdapat dua basis ruang eigen : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

0

1

dan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

1

0

Untuk λ = –1 , substitusi nilai λ = –1 ke persamaan ( λ I – B ) x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−−

−−

120

120

113

x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−−

−−

120

120

113

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

000

120

113

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

120

0323

Ruang eigen : x = t

2

1

1

t2

t

t

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

Jadi untuk λ = −1 terdapat satu basis ruang eigen : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

2

1

1

Jadi B dapat didiagonalisasi dengan matriks yang mendiagonalisasi

Matematika Teknik 1

Halaman 48

Page 51: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

P = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

210

110

101

dengan matriks diagonal D = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−100

020

002

Contoh 7.2.3

Diketahui C = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

210

010

201

Jawab

Persamaan karakteristik : det (λ I − C ) = 0

Det ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−λ−−λ

−λ

210

010

201

= ( λ – 1 )2 ( λ –2 ) = 0

Jadi nilai eigen : 1 , 2 Karena hanya ada dua nilai eigen maka belum bisa ditentukan apakah C dapat didiagonalisasi ataukah tidak. Untuk itu akan diperiksa banyaknya basis ruang eigen. Untuk λ = 1 , substitusi nilai λ = 2 ke persamaan ( λ I – C ) x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−− 110

000

200

x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−− 110

000

200

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

100

010

Ruang eigen : x = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

0

s

Jadi untuk λ = 1, ada satu basis ruang eigen yaitu : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

0

1

Untuk λ = 2 , substitusi nilai λ = 2 ke persamaan ( λ I – C ) x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 010

010

201

x = 0

Matematika Teknik 1

Halaman 49

Page 52: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 010

010

201

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

010

201

Ruang eigen : x = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

s

0

s2

Jadi untuk λ = 1, ada satu basis ruang eigen yaitu : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

1

0

2

Karena hanya ada dua basis ruang eigen yang bebas linear, maka C tidak dapat didiagonalisasi

VII.3 Diagonalisasi orthogonal

Sebelum membahas lebih lanjut mengenai diagonalisasi orthogonal akan didefinisikan tentang matriks orthogonal. Matriks bujur sangkar P disebut matriks orthogonal bila berlaku Pt = P−1. Matriks A dapat didiagonalisasi secara orthogonal jika terdapat P orthogonal sehingga P−1 A P = D dengan D adalah matriks diagonal. Berbeda dengan masalah diagonalisasi sebelumnya , maka pada pembahasan kali ini ada sedikit perbedaan tentang matriks yang bisa didiagonalisasi ataukah tidak , yaitu : P−1 A P = D P D P−1 = A P D Pt = A ( dari sifat Pt = P−1 ) ……………………………………….( 1 ) (P D Pt )t = At ( kedua ruas ditransposekan ) P D Pt = At ……………………………………………………………. ( 2 ) Dari persamaan 1 dan 2 didapatkan agar A bisa didiagonalisasi secara orthogonal maka matriks A harus memenuhi sifat A = At ( A harus matriks simetri ). Menentukan matriks P yang mendiagonalisasi secara orthogonal

Cara menentukan matriks P pada diagonalisasi orthogonal ini sebenarnya hampir sama dengan penentuan P pada diagonalisasi sebelumnya yaitu didasarkan pada basis ruang eigen yang telah diperoleh sebelumnya. Misalkan x 1 , x 2, …, x n merupakan basis ruang eigen yang bersesuaian dengan nilai eigen λ1, λ2, . . ., λn kemudian u 1 , u 2, …, u n merupakan himpunan orthonormal hasil transformasi dari x 1 , x 2, …, x n dengan hasil kali dalam Euclides , maka matriks yang mendiagonalisasi secara orthogonal adalah P = [ u 1 u 2, … u n ] sedangkan matriks diagonal D sama dengan matriks diagonal D pada bahasan sebelumnya.

Matematika Teknik 1

Halaman 50

Page 53: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Contoh 7.3.1

Diketahui A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

101

000

101

Tentukan matriks yang mendiagonalisasi A secara orthogonal beserta matriks diagonalnya ! Jawab

Persamaan karakteristik : det (λ I − A ) = 0

Det ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−λ−λ

−−λ

101

00

101

= ( λ − 1 )2 λ − λ = λ { ( λ − 1 )2 – 1 } = 0

Nilai eigen : 0 , 2 Untuk λ = 0 , substitusi nilai λ = 0 ke persamaan ( λ I – A ) x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

−−

101

000

101

x = 0

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

−−

101

000

101

~ ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

000

000

101

Ruang eigen : x = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−

S

t

s

= s

1

0

1

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡− +

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

1

0

t

Jadi untuk λ = 0 terdapat dua basis ruang eigen : ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

0

0

1

dan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

1

0

Matematika Teknik 1

Halaman 51

Page 54: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

BAB VIII

Transformasi Linear

VIII.1 Pendahuluan

Suatu fungsi yang memetakan suatu vektor di ruang vektor V ke ruang vektor W ( dinotasikan dengan T : V � W ) disebut sebagai transformasi linear bila untuk setiap u , v ∈ V berlaku: 1. T ( u + v ) = T ( u ) + T ( v ) 2. T ( k u ) = k T ( u ) , dengan k skalar. Contoh 8.1.1

Diketahui T : R2 � R3 dengan ⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛ −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

yx

yx

yx

T , Apakah T merupakan

transformasi linear ? Jawab

Misalkan u = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

1

1

yx

, v = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

2

2

yx

Syarat 1

u + v = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

21

21

yyxx

maka

T ( u + v ) = T ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

21

21

yyxx

= ⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

++

+−+

21

21

2121 )(

yyxx

yyxx =

⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛ −

1

1

11

yx

yx +

⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛ −

2

2

22

yx

yx

= T ( u ) + T ( v ) Syarat 2

Untuk sembarang skalar k , k u = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

1

1

ykxk

T ( k u ) = T ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

1

1

ykxk

= ⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛ −

1

1

11

kykx

kykx = k

⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛ −

1

1

11

yx

yx = k T ( u )

Kedua syarat terpenuhi , jadi ⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛ −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

yx

yx

yx

T merupakan transformasi linear.

Contoh 8.1.2

Apakah T :R2 � R3 dengan ⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

2

2

2

yx

x

yx

T merupakan transformasi linear ?

Matematika Teknik 1

Halaman 52

Page 55: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jawab

Fungsi diatas bukan transformasi linear karena tidak memenuhi syarat ke–2

yaitu untuk sembarang skalar k, T( k u ) = ⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

2)(

)(

2

1

21

1

kykx

xk ≠ k T( u ) = k

⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

21

21

12

yxx

Beberapa istilah dalam transformasi linear

Diketahui ruang vektor V, W - Transformasi linear yang bekerja pada ruang vektor yang sama , T : V �V

disebut operator linear . - Transformasi linear T : V � W dengan dengan T( u ) = 0 disebut

transformai nol . - Transformasi linear T : V � W dengan dengan T( u ) = A u disebut

transformasi matriks sedangkan A disebut matriks transformasi. VIII.2 Kernel ( inti ) dan Jangkauan

Diketahui transformasi linear T : V � W dengan fungsi T( u ) , u ∈ V Kernel dari T ( disingkat Ker(T) ) adalah himpunan u sedemikian hingga T( u ) = 0 atau { u | T( u ) = 0 }. Ker (T) juga disebut ruang nol dari T.

Himpunan dari b sedemikian hingga T( u ) = b disebut Jangkauan dari T atau disingkat R(T) R.(T) disebut juga dengan bayangan u oleh T( u ) Contoh 8.2.1

Tentukan basis dan dimensi dari Ker(T) dan R(T) dari transformasi linear

T : R3 � R2 dengan T( u ) = A u , dengan u ∈ R3 dan A = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

−422

211

Jawab

a. Kernel Ker(T) adalah ruang nol dari T( u ) = A u = 0 . Jadi Ker(T) merupakan ruang solusi dari SPL A u = 0 . Dengan melakukan eliminasi Gauss– Jordan

didapatkan solusi SPL adalah u = tsts

ts

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−+

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

1

0

2

0

1

12

Jadi basis Kert(T) = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

0

2

,

0

1

1

dan dim Ker(T) = 2

Matematika Teknik 1

Halaman 53

Page 56: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

b. Jangkauan R(T) merupakan himpunan dari b dengan A u = b . Kalau kita perhatikan maka R(T) merupakan ruang kolom dari A. Dari eliminasi Gauss – Jordan

pada A didapatkan A ~ …~ ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −000

211

Jadi basis R(T) merupakan basis ruang kolom A yaitu : ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡− 2

1 dan dim R(T) = 1.

VIII.3 Matriks transformasi

Ketika membahas masalah transformasi matriks , maka hal utama yang ingin diketahui tentunya adalah bayangan suatu vektor dari transformasi tersebut dan matriks transformasinya . Penentuan matriks transformasi tergantung dari faktor – faktor yang diketahui.

Contoh 8.3.1

Misal { v 1, v 2, v 3 } merupakan basis R3. Transformasi linear T : R3 � P2 memiliki fungsi T( v i ) = w i dengan v 1= ( 1,1,–1 ) , v 2 = ( 0,1,–1 ) , v 3 = ( 0,0,–1 ) , p(x) = 1 – x +x2 , q(x) = 1+ 2x2 r(x) = 2x – x2 . a. Tentukan matriks transformasi A sedemikian hingga A v i = w i !

b. Tentukan bayangan ( 1,2,1 ) dari transformasi tersebut !

c. Jika [ z ]A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

1

1

, tentukan bayangan z !

Jawab

A v i = w i , jika B =[ v 1 v 2 v 3 ] dan C = [ p(x) q(x) r(x) ] maka AB = C Karena v 1, v 2, v 3 basis R3 , maka B bujursangkar dan B–1 ada sehingga didapatkan A = CB–1 . Pada soal diatas

a. B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−− 111

011

001

, C = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

222 2

20

011

xxxxx

Kemudian B–1 dicari dan didapatkan B–1 = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−

110

011

001

Jadi A = CB–1 = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−−−

222 2

22

010

xxxxxx

Matematika Teknik 1

Halaman 54

Page 57: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

b. Bayangan dari ( 1,2,1) adalah

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

2

1

1

2

1

AT = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−−−−

222 2

22

010

xxxxxx

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

2

1

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

24

5

2

xx = 2 –5x –4x2

c. [ z ]B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

1

1

berarti z = – v 1 − v 2 + v 3 , bayangan z dapat ditentukan

dengan beberapa cara , yaitu : 1. T( z ) = A z , dengan A adalah matriks transformasi pada

jawaban (a)!

2. dapat dicari tanpa menggunakan A . Karena [ z ]A = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

1

1

= k ,

maka z = B k sehingga T( z ) = T( B k ) = AB k = C k . Jadi

T( z ) = C k = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

222 2

20

011

xxxxx

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡−−

1

1

1

= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

24

3

2

xx = −2 +3x – 4x2

Matriks baku / standar

Misal transformasi matriks T : Rn � Rm dengan T( x ) = A x memiliki basis standar S = { e 1, e 2,… , e n } . Maka matriks transformasi dari transformasi diatas ( matriks standar untuk T ) adalah A = [ T( e 1) T( e 2) … T( e n) ] Contoh 8.3.2

Diketahui transformasi matriks T : R3 � R4 dengan ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

++−+

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zyzxyx

yx

zyx

T

22

,

Tentukan matriks standar untuk T ! Jawab

[ ]⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

++−+

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

0

1

1

2

00

01

01

0.21.2

0

0

1

1 TeT , [ ]⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡−

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

1

0

1

2

0

1

0

2 TeT , [ ]⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

1

1

0

0

1

0

0

3 TeT

Matematika Teknik 1

Halaman 55

Page 58: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jadi matriks standar untuk T = A = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡−

110

101

011

022

dengan A⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

++−+

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zyzxyx

yx

zyx

22

Matriks Transformasi terhadap basis A dan B

Diketahui ruang V,W dengan dimensi ruang vektor berturut–turut n dan m dan transformasil linear T: V � W dengan fungsi T( x ) , x ∈ V. Jika A,B merupakan basis V,W maka untuk setiap x ∈ V dapat ditentukan [ ]Ax

dengan [ ]Ax ∈ V. Karena T( x ) ∈ V maka juga dapat ditentukan [ ]B)x(T

dengan [ ]B)x(T ∈ B.

Sekarang misalnya dimiliki transformasi linear yang lain T: V � W dengan fungsi T([ ]Ax ) = [ ]B)x(T = D [ ]Ax , maka matriks transformasi dari

transformasi linear diatas ( D ) disebut matriks T terhadap basis A dan B.

Menentukan matriks T terhadap basis A dan B.

Misal D = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

121

22221

21211

...

::::

:

:

mmm

m

m

aaa

aaaaaa

, A = { a 1, a 2,…, a n } , B = { b 1, b 2,…, b n }

Maka untuk x = a 1 didapatkan T( [ a 1]A ) = D [ a 1]A = D e 1 = ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

1

21

11

:

ma

aa

=

[ ]B1 )a(T , kalau diperhatikan secara seksama maka vektor ini merupakan

kolom pertama dari D. Secara umum matriks Transformasi (T) terhadap

basis A dan B = [ ] [ ] [ ][ ]BnB2B1 )a(T...)a(T)a(T .

Jika transformasi linear bekerja diruang vektor yang sama , T : V � V , maka

matriks T terhadap basis A = [ ] [ ] [ ][ ]AnA2A1 )a(T...)a(T)a(T

Contoh 8.3.3

Diketahui transformasi linear T : R2 � R3 = dengan ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

+−+−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

yxyx

y

yx

T167

135

Jika A = { (3,1), ( 5,2) } dan B = { ( 1,0,–1) , ( –1,2,2 ) , ( 0,1,2) } berturut –

turut merupakan basis R2 dan R3 .

a. Tentukan matriks T terhadap basis A dan B !

b. Untuk x = ( 2,1 ) , tentukan T([ ]Ax ) !

Matematika Teknik 1

Halaman 56

Page 59: BUKU AJAR MATEMATIKA TEKNIK 1 - …imron.hadi.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/56144/Buku+Ajar... · eliminasi Gauss– Jordan . Pada proses eliminasi tersebut operasi – operasi

Jawab

a. Misal D adalah matriks T terhadap basis A dan B , maka D =

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

BB

TT2

5

1

3

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡1

3T =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−−

5

2

1

, ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡2

5T =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 3

1

2

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−==

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛−=

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

2

0

1

...

5

2

1

1

3

BB

T , ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡2

5T =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

− 3

1

2

= …= ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−1

1

3

Jadi matriks T terhadap basis A dan B = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−− 12

10

31

b. [ ]Ax = ⎥⎦

⎤⎢⎣

2

1

kk

� ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡21

53⎥⎦

⎤⎢⎣

2

1

kk

= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡1

2 didapatkan ⎥

⎤⎢⎣

2

1

kk

= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−1

1

Jadi T([ ]Ax ) = ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−− 12

10

31

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−1

1 =

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

1

1

2

Matematika Teknik 1

Halaman 57