\documentclass[12pt]{article}
%100\%   % test comment removal
\begin{document}
\usepackage{graphicx,seminar}
\usepackage{amsmath,amsthm}

\title{Pengayaan Materi Matriks Untuk Sekolah Lanjutan} \author{I Made Tirta} \address{Statistics Laboratory University of Jember} \email{itirta.fmipa@unej.ac.id} \date{Draft 1: Juli 2018} \maketitle \begin{abstract} Matriks merupakan salah satu materi wajib yang dipelajari di sekolah lanjutan baik sekolah menengah maupun sekolah kejuruan. Tulisan ini selain memberikan pengayaan berupa teori matriks, juga secara langsung memberikan kesempatan kepada pembaca untuk melakukan latihan langsung perhitungan operasi matriks yang datanya dibangkitkan secara acak. \end{abstract} \section{Tujuan Khusus} Siswa dapat \begin{enumerate} \item menyebutkan jenis- jenis matriks terutama yang banyak dijumpai dalam statistika \item menyelesaikan operasi matriks \item menggunakan matriks untuk meneyelesaikan sistem persamaan linier (SPL) \end{enumerate} \section{Materi} \noindent \begin{enumerate} \item Definisi dan jenis- jenis matriks \item Operasi hitung matriks (penjumlahan, pengurangan, perkalian, transpose) \item Aplikasi matriks untuk menyelesaikan sistem persamaan linier \end{enumerate} \section{Defenisi dan Jenis Matriks} \begin{definition} Matriks adalah kumpulan unsur yang disusun dalam baris dan kolom yang berbentuk persegi panjang. \end{definition} Matriks biasanya dinotasikan dengan huruf besar tebal, misalnya $\mathbf{A, B}$ sedangkan unsur- unsurnya bisa berupa bilangan atau huruf kecil. Banyaknya baris dan kolom matrks disebut ordo matriks. Matriks biasanya dinotasikan dengan huruf besar tebal, misalnya $\mathbf{A, B}$ sedangkan unsur- unsurnya bisa berupa bilangan atau huruf kecil. Banyaknya baris dan kolom matrks disebut ordo matriks. Matriks berordo $n\times m$ dinotasikan dengan $\mathbf{A}_{n\times m} = [ a_{ij} ],$ dalam hal ini $a_{ij}$ adalah unsur yang berada pada baris ke $i$ dan kolom ke $j$.
\begin{definition} Matriks bujur sangkar, adalah matriks yang banyaknya baris sama dengan banyaknya kolom, yaitu $n=m$. Pada matriks bujur sangkar, unsur unsur yang berada pada baris dan kolom dengan nomor sama disebut diagonal utama (yaitu: $a_{ii}$.) \end{definition} \begin{example} \[\mathbf{B}=\left( \begin{array}{rrr} 3 & 14 & 5 \\ 11 & 3 & 6 \\ 7 & 10 & 20 \end{array} \right)\] \end{example} \begin{definition} Matriks diagonal adalah matriks yang semua unsurnya selain unsur unsurnya pada diagonal utama adalah nol, yaitu $a_{ij} = 0$ untuk setiap $i \neq j$. \end{definition} \begin{example} \[\mathbf{D}=\left( \begin{array}{rrr} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{array} \right)\] \end{example} \begin{definition} Matriks skalar adalah matriks diagonal yang semua unsurnya sama. \end{definition} \begin{example}\[\mathbf{C}=\left( \begin{array}{rrr} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{array} \right)\] \end{example}
\begin{definition} Matriks identitas $\mathbf{I}$ adalah matriks skalar yang semua unsurnya $1$ \end{definition} \begin{example} \[\mathbf{I}=\left( \begin{array}{rrr} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array} \right)\] \end{example} \begin{definition} Matriks nol ($\mathbf{0}$) adalah matriks yang semua unsurnya adalah $0$. \end{definition} \begin{definition} Matriks simetris adalah matriks yang unsur- unsurnya simetris terhadap diagonal utama, yaitu $a_{ij}=a_{ji}$ untuk setiap $i$ dan $j$. \end{definition} \begin{example} \label{eq.mat.sim} \[\mathbf{A}=\left( \begin{array}{rrr} 3 & 1 & 5 \\ 1 & 2 & 0 \\ 5 & 0 & 4 \end{array} \right)\] \end{example} \noindent Dalam statistika, matriks simetrik yang banyak ditemukan adalah matriks korelasi ($\mathbf{R}$) dan matriks varians-kovarians($\mathbf{V}$). \[ \mathbf{R}= \left( \begin{array}{cccc} 1 & r_{12} & \cdots &r_{1n}\\ r_{21}& 1 &\cdots & r_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ r_{n1} & r_{2n} & \cdots & 1 \end{array}\right) \text{ dan }\mathbf{V}= \left( \begin{array}{cccc} \sigma_1^2 & \sigma_{12} & \cdots &\sigma_{1n}\\ \sigma_{21}& \sigma_2^2 &\cdots & \sigma_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \sigma_{n1} & \sigma_{2n} & \cdots & \sigma^2_n \end{array}\right) \]

Dalam statistika, matriks simetrik yang banyak ditemukan adalah matriks korelasi ($\mathbf{R}$) dan matriks varians-kovarians($\mathbf{V}$). \[ \mathbf{R}= \left( \begin{array}{cccc} 1 & r_{12} & \cdots &r_{1n}\\ r_{21}& 1 &\cdots & r_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ r_{n1} & r_{2n} & \cdots & 1 \end{array}\right) \text{ dan }\mathbf{V}= \left( \begin{array}{cccc} \sigma_1^2 & \sigma_{12} & \cdots &\sigma_{1n}\\ \sigma_{21}& \sigma_2^2 &\cdots & \sigma_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \sigma_{n1} & \sigma_{2n} & \cdots & \sigma^2_n \end{array}\right) \] Selain matriks-matriks umum di atas, dalam statistika ada yang disebut matriks desain $\mathbf{X}.$ Matriks ini merupakan matriks yang menghubungkan parameter $\boldsymbol{\beta}$ dengan peubah-peubah penjelas $X_j$. Pada umumnya model yang dipergunakan selalu mengandung konstanta sehingga kolom pertama matriks $\mathbf{X}$ biasanya beranggotakan 1. \[\mathbf{X}= \begin{pmatrix} 1&x_{11}&x_{12}& \cdots &x_{1p}\\ 1&x_{21}&x_{22}& \cdots &x_{2p}\\ \vdots & \vdots &\ddots & \vdots \\ 1&x_{n1}&x_{n2}& \cdots &x_{np}\\ \end{pmatrix}\] \section{Matriks dengan R} Pembangkitan matriks dan operasinya menggunakan R, selain menggunakan beberapa fungsi yang telah didefinisikan secara internal, pembaca dapat juga mencari paket/library yang berkaitan dengan matriks. \subsection{Mendefinisikan matriks Langsung Matriks dengan R} Matriks dapat didefinisikan dengan beberapa cara yaitu:

  1. memberikan data elemen matriks c(a11,a21,a31,...,a21,a22,...) yang selanjutnya disusun dalam bentuk baris dan kolom. Ingat bahwa R akan melengkapi seluruh barus kolom 1 baru melengkapi kolom 2 dan seterusnya.
    matrix(data = ..., nrow = 1, ncol = 1, byrow = FALSE,
           dimnames = NULL)
    as.matrix(x, ...)
    
  2. menjadikan matriks data yang sudah tersusun dalam bentuk matriks dengan perintah as.matrix(). Untuk matriks berukuran besar, mungkin tidak praktis mencetak seluruh elemennya, tetapi kita bisa memeriksa dimensi/ordonya dengan dim(). Pada contoh berikut data kecepatan dan jarak tempuh mobil yang berupa tabel dengan 50 baris dan 2 kolom didefinisikan menjadi matriks berordo 50 $\times 2$.
    >data(cars)
    >x<-as.matrix(cars)
    
  3. beberapa matriks didefinisikan secara khusus diantaranya adalah
    • matriks dengan elemen yang sama, misalnya $k$ dengan ormo $m\times n$.
      matrix(k,n,m)
      
    • matriks diagonal atau matriks identitas. Lihat sesi \ref{eq.mqt.sim}
      diag(data,ncolumn=3)
      
      >x<-seq(1,10,1)
      >xmat<-matrix(x,2,5)
      >ymat<-matrix(x,5,2)
      >xmat
           [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
      [1,]    1    3    5    7    9
      [2,]    2    4    6    8   10
      > ymat
           [,1] [,2]
      [1,]    1    6
      [2,]    2    7
      [3,]    3    8
      [4,]    4    9
      [5,]    5   10
      
      >matrix(0,2,3)
           [,1] [,2] [,3]
      [1,]    0    0    0
      [2,]    0    0    0
      >matrix(1,2,3)
           [,1] [,2] [,3]
      [1,]    1    1    1
      [2,]    1    1    1 
      >
      
    • matriks diagonal atau matriks identitas.
      > diag(1,3)
           [,1] [,2] [,3]
      [1,]    1    0    0
      [2,]    0    1    0
      [3,]    0    0    1
      
      > diag(2,3)
           [,1] [,2] [,3]
      [1,]    2    0    0
      [2,]    0    2    0
      [3,]    0    0    2
      >diag(c(1,2,3,4,5))
           [,1] [,2] [,3] [,4] [,5]
      [1,]    1    0    0    0    0
      [2,]    0    2    0    0    0
      [3,]    0    0    3    0    0
      [4,]    0    0    0    4    0
      [5,]    0    0    0    0    5
      
      Sebaliknya jika diag()dilakukan pada matrik bujur sangkar, maka fungsi ini akan mengekstrak diagonal matriks tersebut.
  4. \subsection{Simulasi matriks dengan R} \end{document}

Sesi Praktek Online

Contoh yang ada pada bagian ini dibangkitkan secara acak anda dapat mengubah jenis dan ukuran matriks yang dibangkitkan
Membangkitkan matriks
Membangkitkan matriks 1
Level

Baris Matriks . Kolom Matriks .
Jenis matriks:

M1 (Harus dilakukan refresh beberapa kali untuk menampilkan hasil dalam notasi matematika)


Membangkitkan matriks 2
Baris Matriks . Kolom Matriks .
M2


  

Matriks:
Matriks terpilih untuk pemeriksaan jenis matriks dan operasi uner

Pemeriksaan jenis dan karakteristik matriks
Apakah matriks di atas termasuk:
Hasil pemeriksaan ("TRUE=BENAR Termasuk jenis yang dimaksud", "FALSE=TIDAK termasuk jenis dimaksud")

Akhir Sesi Praktek Online

\documentclass[12pt]{article}
%100\%   % test comment removal
\begin{document}

\section{Operasi Matriks dan Sifat-sifatnya}
Operasi matriks yang penting yang banyak dipergunakan dalam
statistika diantaranya adalah operasi uner
yaitu: invers dan transfose dan operasi biner
yaitu penjumlahan dan perkalian.

\subsection{Operasi uner}
Untuk melakukan operasi uner diperlukan cukup satu matriks. Yang
termasuk operasi uner adalah operasi invers baik untuk penjumlahan
maupun perkalian dan operasi transfus.


\begin{definition} Inverse penjumlahan suatu matriks $\mathbf{A}$ ditulis $\mathbf{-A}$, adalah matriks yang unsur-unsurnya adalah negatif dari unsur-unsur matrks $\mathbf{A}$ \end{definition} \begin{example} \[\text{Jika }\mathbf{A}=\left( \begin{array}{rrr} 3 & 1 & 5 \\ 1 & -2 & 0 \\ 5 & 0 & -4 \end{array} \right),\text{ maka } \mathbf{-A}=\left( \begin{array}{rrr} -3 & -1 & -5 \\ -1 & 2 & 0 \\ -5 & 0 & 4 \end{array} \right).\] \end{example} \begin{definition} Transpos matriks $\mathbf{A}$ (berordo $m\times n$) ditulis $\mathbf{A}^T$ adalah matriks berordo $n\times m$ yang diperoleh dengan menukar baris matriks $\mathbf{A}$ menjadi kolom dan sebaliknya, yaitu jika $\mathbf{B}=\mathbf{A}^T$, maka $b_{ij}=a_{ji}.$ \end{definition}
\begin{example} \noindent \[ \text{Jika } \mathbf{A}= \begin{pmatrix} 4 & 5 \\ 1 & 7 \\ 2 & 4 \end{pmatrix} \text{ maka } \mathbf{A^T}= \begin{pmatrix} 4 & 1 & 2 \\ 5 & 7 & 4 \end{pmatrix}\] \end{example} \begin{definition} Matriks $\mathbf{A}$ adalah matriks simetris, jika dan hanya jika $\forall i,j $ berlaku $a_{ij}=a_{ji}$
\end{definition} \begin{corollary} Jika $\mathbf{A}$ adalah matriks simetris, maka $\mathbf{A}=\mathbf{A}^T$
\end{corollary} \begin{definition} Invers perkalian suatu matriks $\mathbf{A}$ ditulis $\mathbf{A}^{-1},$ adalah matriks yang jika dikalikan dengan $\mathbf{A}$ menghasilkan matriks identitas yaitu $\mathbf{A}.\mathbf{A}^{-1} =\mathbf{A}^{-1}. \mathbf{A} = \mathbf{I}.$
\end{definition} \subsection{Operasi biner} Dalam operasi matriks secara simbolik kita akan banyak menggunakan notasi $\sum$(operator sigma) dan $\prod$(operator Produk) Untuk itu dalam subbab ini akan dibahas secara sepintas kedua notasi tersebut.
\begin{definition} \[\sum_{i=1}^n f(x_i) = f(x_1)+f(x_2)+\cdots+f(x_i)+\cdots+f(x_n).\] \end{definition} Sifat-sifat operator Sigma diberikan dalam hasil berikut ini.
\begin{theorem} Sifat- sifat operator Sigma adalah \begin{enumerate} \item Jika $k$ adalah suatu konstanta, maka $\displaystyle \sum_{i=1}^n k = nk.$ \item Jika $k$ adalah suatu konstanta, dan $f$ adalah fungsi dalam $x_i$ maka \[\displaystyle \sum_{i=1}^n k f(x_i) = k\sum_{i=1}^n f(x_i).\] \item Jika $k_1,\;k_2$ adalah konstanta dan $f(x_i)= x_i^2 + k_1x_i + k_2$, maka \[\displaystyle \sum_{i=1}^n f(x_i)=\sum_{i=1}^n x_i^2 + k_1 \sum_{i=1}^n +nk_2.\] \end{enumerate}
\end{theorem} \begin{proof} \begin{eqnarray*} 1&\sum_{i=1}^n k & = \underbrace{k+k+\cdots +k}_n\\ & & = nk. \qed \\ 2&\sum_{i=1}^n k f(x_i) & = k f(x_1) +k f(x_2) +\cdots +k f(x_n)\\ & & = k (f(x_1) + f(x_2) +\cdots + f(x_n)) \\ & & = k \sum_{i=1}^n f(x_i). \qed \\ 3&\sum_{i=1}^n f(x_i) & = \sum_{i=1}^n \left(x_i^2 + k_1x_i + k_2\right) \\ & & =\left(x_1^2 + k_1x_1 + k_2\right)+ \cdots + \left(x_n^2 + k_1x_n + k_2\right) \\ & & = x_1^2+\cdots+x_n^2 + k_1x_1+\cdots+k_1x_n +\underbrace{k_2+\cdots+k_2}_n \\ & & = \sum_{i=1}^n x_i^2 + \sum_{i=1}^n k_1x_i + nk_2\\ & & = \sum_{i=1}^n x_i^2 + k_1\sum_{i=1}^n x_i + nk_2.\quad \qed \end{eqnarray*} \end{proof} Untuk lebih meringkas notasi, kadang-kadang jumlah untuk seluruh rentangan indeks hanya dinotasikan dengan tanda titik (.) untuk indeks tersebut, misalnya \begin{align*} x_{i.} &= \sum_{j=1}^n x_{ij} \\ x_{.j} & = \sum_{i=1}^m x_{ij}. \end{align*} Jika operator $\sum$ merupakan penjumlahan yang berulang, maka operator untuk perkalian berulang disebut operator $\prod$ yang didefinisikan seperti berikut ini. \begin{definition}\[\prod_{i=1}^n f(x_i) = f(x_1)\times f(x_2) \times \cdots \times f(x_i)\times \cdots \times f(x_n).\] \end{definition} Sedangkan sifat- sifat operator $\prod$ dinyatakan dalam hasil berikut.
\begin{theorem} Sifat- sifat operator $\prod$ adalah: \begin{itemize} \item jika $k$ adalah suatu konstanta, maka $\displaystyle \prod_{i=1}^n k = k^n;$ \item jika $k$ adalah suatu konstanta, dan $f$ adalah fungsi dalam $x_i$ maka \[\displaystyle \prod_{i=1}^n k f(x_i) = k^n \prod_{i=1}^n f(x_i);\] \item jika $k_1,\;k_2$ adalah konstanta dan $f(x_i)= (x_i^2) (k_1x_i) (k_2)$, maka \[\displaystyle \prod_{i=1}^n f(x_i)=\prod_{i=1}^n x_i^2 \times k_1 ^n \prod_{i=1}^n x_i \times k_2^n.\] \end{itemize}
Pembuktian hasil $\prod$ di atas analog dengan pembuktian sifat- sifat operator $\sum$. \end{theorem} \subsubsection{Penjumlahan Matriks} Matriks yang bisa dijumlahkan (ditambah dan dikurangi) adalah matriks yang berdordo sama. Matriks yang berordo sama disebut compormable terhadap penjumlahan. Penjumlahan matriks dilakukan dengan menjumlahkan unsur unsur yang seletak, yaitu unsur unsur yang terletak pada baris dan kolom yang sama atau yang mempunyai indeks yang sama. \begin{definition} Jika $\mathbf{A}=\left(a_{ij}\right)$ dan $\mathbf{B}=\left(b_{ij}\right)\; i=1,2,\cdots,m; j=1,2,\cdots,n$ maka $\mathbf{A+B}$ adalah matriks $\mathbf C$ yang berordo $m\times n$ dengan unsur unsurnya adalah $c_{ij}=a_{ij}+b_{ij}$. \end{definition} \begin{example} \noindent Jika \[ \mathbf{A}= \begin{pmatrix} 3&5 &\\\ 8 & 4 \\ 6 & 10 \end{pmatrix} \text{ dan } \mathbf{B}= \begin{pmatrix} 6 &8 \\ 2 & 4 \\ 3 & 10 \end{pmatrix}, \] maka \[ \mathbf{A+B}= \begin{pmatrix} 3+6 & 5+8 \\ 8+2 & 4+4 \\ 6+3 & 10+10 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 9 & 13 \\ 10 & 8 \\ 9 & 20 \end{pmatrix}. \] \end{example} \begin{definition} Selisih dua matriks didefinisikan sebagai jumlah dengan negatif matriks pengurang, yaitu $\mathbf{A-B}=\mathbf{A}+(-\mathbf{B}).$ \end{definition}
\begin{theorem} Sifat- sifat penting dari penjumlahan matriks adalah \begin{table} \begin{tabular}{ll} $\mathbf{ A+B=B+A}$ & komutatif \\ $\mathbf{A+0=0+A}$ & identitas\\ $\mathbf{A+(-A)=0}$ & invers\\ $\mathbf{ A+(B+C)=(A+B)+C }$ & assosatif\\ $\mathbf{ (A+B)^T = A^T + B^T }$ & distribusi transpus \end{tabular} \end{table} \end{theorem} \subsubsection{Perkalian matriks} Perkalian matriks bisa dilakukan apabila banyaknya kolom matriks yang terkali sama dengan banyaknya baris matriks pengali. Matriks-matriks yang dapat dikalikan disebut matriks- matriks yang conformable terhadap perkalian. Selain perkalian dengan sesama matriks, matriks juga dapat dikalikan dengan skalar. \begin{definition} Hasil kali suatu matriks dengan suatu skalar adalah matriks yang unsur- unsurnya adalah hasil kali setiap unsur matriks dengan skalar tersebut, yaitu $k\mathbf{A}=\left(ka_{ij}\right).$ \end{definition} \begin{example} \[3\left( \begin{array}{rrr} 3 & -2 & -6 \\ 1 & 2 & 0 \\ -5 & 0 & 4 \end{array} \right)= \left(\begin{array}{rrr} 9 & -6 & -18 \\ 3 & 6 & 0 \\ -15 & 0 & 12 \end{array} \right)\] \end{example} \begin{definition} Hasil kali dua matriks adalah matriks yang berordo sedemikian sehingga barisnya sama dengan baris matriks yang dikalikan dan kolomnya sama dengan kolom matriks pengali. Unsur unsur dari matruiks pengali merupakan kombinasi linier dari baris matriks terkali dengan kolom dari matriks pengali. Jadi jika $\mathbf{A}_{m\times n} \mathbf{B}_{n\times p}$, maka $\mathbf{C}_{m\times p}=\mathbf{AB}$ dengan \begin{align*} c_{ik}&= a_{i1}b_{1k}+a_{i2}b_{2k}+\cdots+a_{in}b_{nk} \\&=\sum_{j=1}^n a_{ij}b_{jk}. \end{align*} \end{definition} \begin{example} Jika \[\mathbf{A}=\left( \begin{array}{rrr} 3 & -2 & -6 \\ 1 & 2 & 0 \\ -5 & 0 & 4 \end{array} \right) \text{ dan } \mathbf{B}= \left( \begin{array}{rrr} 3 & -1 & 2 \\ 5 & 2 & 0 \\ 0 & 2 & 4 \end{array} \right),\] maka $ \mathbf{AB}$ \begin{align*}&=\left( {\small \begin{array}{ccc} (3)(3)+(-2)(5)+(-6)(0) & (3)(-1)+(-2)(2)+(-6)(2) & (3)(2)+(-2)(0)+(-6)(4) \\ (1)(3)+(2)(5)+(0) (0) & (1)(-1)+(2)(2)+(0)(2) & (1)(2)+(2)(0)+(0)(4) \\ (-5)(3)+(0)(5)+(4)(0) & (-5)(-1)+(0)(2)+(4)(2) & (-5)(2)+(0)(0)+(4)(4) \end{array} }\right)\\ &= \left( \begin{array}{rrr} -1 & -19 & -18 \\ 13& 3 & 2\\ -15 & 13 & 6 \end{array} \right).\end{align*} \end{example} \begin{theorem} Sifat- sifat operasi perkalian yang penting diantaranya \begin{enumerate} \item Nonkomutatif, yaitu secara umum $\mathbf{AB \neq BA};$ \item Assosiatif, yaitu $\mathbf{(AB)C = A(BC)};$ \item Distributif perkalian terhadap jumlah, yaitu $\mathbf{A(B+C)=AB+AC}.$ \item Distributif transfos terhadap perkalian, yaitu $\mathbf{(AB)^T=B^TA^T}.$ \end{enumerate} \end{theorem} \begin{definition} Hasil kali bersesuaian dua matriks $ \mathbf{A, B}$ (tidak harus bujur sangkar) (pada R ditulis A*B ) adalah matriks $\mathbf{C}$ yang berordo sama $ \mathbf{A}$ dan $ \mathbf{B}$ dengan $ c_{ij}= a_{ij}b_{ij},\;\forall i,j $\end{definition} \subsection{Determinan dan invers matriks} \begin{definition} Determinan dari suatu matriks bujur sangkar $\mathbf{A}$, dinotasikan dengan $|\mathbf{A}|$ atau det($\mathbf{A}$) adalah fungsi skalar yang didefinisikan sedemikian rupa sehingga merupakan jumlah hasilkali unsur- unsur yang sejajar diagonal utama dikurangi jumlah unsur- unsur yang sejajar diagonal lain. Dalam bentuk notasi \[|\mathbf{A}|=\prod_{i=1}^na_{ii}+ \prod_{i=1}^n a_{i,i+1}+\cdots +a_{1n}\prod _{i=1}^{n-1} a_{i+1,i}-\prod_{i=1}^n a_{n+1-i,i}-\cdots -a_{11}\prod_{i=2}^{n-1} a_{n+2-i,i}. \] \end{definition} \begin{definition} Matriks yang determinannya tidak nol disebut matriks nonsinguler. Sedangkan matriks yang determinannya 0 disebut matriks singuler. \end{definition} \begin{example} \noindent Jika $\mathbf{A}= \begin{pmatrix} 3 & 4 & 1\\ 5 & 7 & 6\\ 3 & 2 & 5 \end{pmatrix},$ maka det $\mathbf{A}$ adalah \begin{align*} |\mathbf{A}|&= (3)(7)(5)+(4)(6)(3)+(1)(5)(2) \\ & \hspace{0.5cm} -(3)(7)(1)-(5)(4)(5)-(3)(2)(6) \\ &= 105 + 72 + 10 - 21-100-36\\ &= 187-157 = 30 \end{align*} \end{example} \begin{definition} Teras( trace) suatu matriks bujur sangkar adalah jumlah unsur diagonal utama dari matriks tersebut, yaitu tr$(\mathbf{A})=\sum_{i=1}^n a_{ii}.$ \end{definition} \begin{example} Dari \[\mathbf{A}= \left( \begin{array}{rrr} -1 & -19 & -18 \\ 13& 3 & 2\\ -15 & 13 & 6 \end{array} \right),\] maka tr$(\mathbf{A})=-1+3+6=8.$ \end{example} Untuk matriks bujur sangkar beordo 2, cara mencari invers adalah sebagai berikut.
\begin{theorem} Jika $\displaystyle \mathbf{A}=\begin{pmatrix} a & c \\ b & d \end{pmatrix},$ maka \begin{itemize} \item $\mid\mathbf{A}\mid=ac-bd$ \item $\mathbf{A}^{-1} =\frac{1}{|\mathbf{A}|} \begin{pmatrix} d & -c \\ -b & a \end{pmatrix}$ \end{itemize} \end{theorem} \subsection{Kebergantungan Linier dan Rank Matriks} Dalam statistika pada umumnya kolom-kolom matriks mewakili peubah-peubah acak yang bisa saling bebas atau tidaksaling bebas satu sama lain. Kondisi ini akan mempengaruhi apakah matriks yang akan dihasilkan mempunyai rank penuh atau tidak, apakah matriks yang dihasilkan akan mempunyai invers atau tidak. \begin{definition} Suatu kolom dari matriks $\mathbf{A}$ dikatakan bergantung linier dengan kolom-kolom lainnya jika dia dapat dinyatakan sebagai kombinasi linier dari kolom-kolom lainnya tersebut. \end{definition} \begin{definition} Rank suatu matriks adalah bilangan yang menunjukkan banyaknya maksimum kolom yang saling independen. \end{definition} \begin{definition} Suatu matriks dikatakan mempunyai rank penuh jika ranknya sama dengan banyaknya kolom \end{definition} \begin{theorem} Suatu matriks bujur sangkar akan non singular jika mempunyai rank penuh, sebaliknya akan singular jika tidak mempuyai rank penuh. \end{theorem} \begin{example} Matriks $\mathbf{A}= \begin{pmatrix} 3 & 4 & 1\\ 5 & 7 & 6\\ 3 & 2 & 5 \end{pmatrix}$ adalah matriks nonsingular dengan rank penuh 3. Tetapi $\mathbf{B}= \begin{pmatrix} 3 & 4 & 1\\ 18 & 7 & 6\\ 15 & 2 & 5 \end{pmatrix} $ tidak mempunyai rank penuh karena kolom pertama merupakan $3 \times$ kolom ketiga dan karenanya $\mathbf{B}$ adalah matriks singular dan tidak memiliki invers. Penyelesaian konkrit dari kegergantungan ini dapat dihitung dengan membentuk sistim persamaan homogen antara kolom-kolom matriks dan mencari apakah sistem persamaan homogen tersebut mempunyai atau tidak penyelesaian tidak nol. \end{example}
\begin{theorem} Jika matriks $\mathbf{A}_{np}$ bukan matriks bujur sangkar ($n < p$), paling tidak ada ($p-n$) kolom yang dapat dinyatakan sebagai kombinasi linier dari kolom lainnya. Dengan demikian maka $\mathbf{A}$ tidak akan mempunyai rank penuh. \end{theorem} \begin{example} Matriks $\mathbf{A}= \begin{pmatrix} 3 & 4 & 1 & 1\\ 5 & 7 & 6 & 1\\ 3 & 2 & 5 & 1 \end{pmatrix}$ mempunyai banyak kolom yang lebih besar dari banyaknya baris, karena itu pasti salah satu dari kolom yang ada dapat dinyatakan sebagai kombinasi linier dari yang lainnya. Secara aljabar hal ini mengandung pengertian bahwa sistim persamaan $ak_1+ b+k_2+ck_3+d_k4=0$, dengan $k_j$ adalah kolom ke $j$, mempunyai penyelesaian dimana sekalar $a,b,c,d$ tidak semuanya sama dengan nol. \begin{align*} 3a+4b+c+d&=0\quad (1) \\ 5a+7b+6c+d&=0\quad (2)\\ 3a+2b+5c+d&=0\quad (3) \end{align*} Selanjutnya (1)-(3) dan (2)-(3) akan menghasilkan \begin{align*} 2b+-4c&=0\quad (4) \\ 2a+5b+c&=0\quad (5)\\ \end{align*} Persamaan (4) menghasilkan hubungan $b=2c$ yang dapat disubstitusikan ke (5) \begin{align*} 2a+10c+c7& =0 \\ 2a+11c& = 0 \\ a&=-11/2 c \quad (7) \\ \end{align*} Selanjutnya jika (7) disubstitusikan ke persamaan (1) akan menghasilkan \begin{align*} -33/2 c + 8c +c +d &=0 \\ d& = 33/2c-9c = 15/2c \end{align*} Jadi sistim persamaan ini mempunyai penyelesaian yang bersifat parametrik, salah satu diantaranya adalah untuk $c=2$, maka diperoleh $b=4, a= -11, d= 15.$ \end{example} Dalam statistika, jika $\mathbf{X}$ adalah matriks desain yang kolomnya menunjukkan peubah-peubah penjelas dan barisnya merupakan sampel, untuk menjamin agar $\mathbf{X}$ mempunyai rank penuh, selain variabelnya harus independen, maka banyaknya sampel selalu diusahakan jauh lebih banyak dari banyaknya peubah penjelas yang menjadi perhatian. \setion{Aplikasi Matriks untuk menyelesaikan SPL} Sistem Persamaan Linier adalah sekumpulan persamaan linier yang memiliki jenis variabel yang sama yang nilainya secera simultan memenuhi persamaan-persamaan tersebut. Agar dapat diselesaikan dengan baik banyaknya variabel sama dengan banyaknya persamaan yang tersedia, misalnya $\begin{eqnarray} x + 2y + 5z= 2\\ 5x + 3y + 4z= 3\\ 4x + 6y + 3z= 6 \end{eqnarray}; $ dan $\begin{eqnarray} 2x + y + 3z+4u= 1\\ 4x + 3y + 2z+3u= 3\\ x + 3y + 4z+2u= 6 \\ 3x + 2y + z+u= 5 \end{eqnarray} $ Dalam bentuk matriks persamaan itu dapat dinyatakan sebagai $\mathbf {Ax=c}$. Untuk enyelesaikan persamaan di atas salah satunya dapat memanfaatkan opersi matriks. Menyelesaikan persamaan di atas pada dasarnyasama dengan mencari nilai $\mathbf x$ yang memenuhi persamaan di atas. Jika $\mathbf A$ adalah bujursangkar yang memiliki invers, maka penyelesaiannya dapat dicari dengan
$\begin{eqnarray} \mathbf{Ax} &=\mathbf c \\ \mathbf{A^{-1}Ax} &=\mathbf{A^{-1}c}\\ \mathbf x&=\mathbf{ A^{-1}c} \end{eqnarray}$
Untuk contoh SPL di atas terlebih dahulu persamaan tersebut harus diubah dalam bentuk matriks $\mathbf {Ax=c}$, misalnya $ \begin{pmatrix} 1 &2& 5\\ 5&3&4\\ 4&6& 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x\\ y\\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2\\ 3\\ 6 \end{pmatrix}$ maka $ \begin{pmatrix} x\\ y\\ z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 &2& 5\\ 5&3&4\\ 4&6& 3 \end{pmatrix}^{-1} \begin{pmatrix} 2\\ 3\\ 6 \end{pmatrix}$

Operasi Matriks dengan program R

Untuk aplikasi R tentang matriks dan operasinya, selain menggunakan beberapa fungsi yang telah didefinisikan secara internal, pembaca dapat juga mencari paket/library yang berkaitan dengan matriks.

Operasi Matriks dengan R

Beberapa operasi matriks yang dapat dilakukan yang terkait dengan kebutuhan statistika diantaranya adalah perkalian matriks, determinan ((det()) invers dan transpose matriks.
» xmat%*%ymat
     [,1] [,2]
[1,]   95  220
[2,]  110  260
>det(xmat%*%ymat)
[1] 500
> solve(xmat%*%ymat)
      [,1]  [,2]
[1,]  0.52 -0.44
[2,] -0.22  0.19
» det(ymat%*%xmat)
[1] 0
» solve(ymat%*%xmat) #tes walau kita tahu det=0.s
Error in ... system is exactly singular
Pesan di atas menunjukkan matriksnya singular. Untuk latihan yang menggunakan program R langsung secara online klik alamat berikut. Berikut adalah contoh beberapa matriks dengan inversnya.
Matriks bujursangkar berordo 3
> x
     [,1] [,2] [,3]
[1,]    1    5    4
[2,]    2    3    6
[3,]    5    4    3
> solve(x)
            [,1]        [,2]        [,3]
[1,] -0.19480519  0.01298701  0.23376623
[2,]  0.31168831 -0.22077922  0.02597403
[3,] -0.09090909  0.27272727 -0.09090909
Matriks bujur sangkar beroro 4
> x
     [,1] [,2] [,3] [,4]
[1,]    1    3    3    4
[2,]    2    4    1    7
[3,]    5    4    2    6
[4,]    5    6    3    5
> solve(x)
            [,1]       [,2]       [,3]        [,4]
[1,] -0.12698413 -0.1904762  0.3333333 -0.03174603
[2,] -0.19047619  0.2142857 -0.5000000  0.45238095
[3,]  0.46031746 -0.3095238  0.1666667 -0.13492063
[4,]  0.07936508  0.1190476  0.1666667 -0.23015873
Untuk menyelesaikan SPL dengan matriks koefisien $\mathbf A$ dan vektor nilai persamaan $c$ solusinya dapat langsung dicari dengan
solve(A,c)
atau
 solve(A)\%*\%c  

Misalkan diketahui SPL
$ \begin{eqnarray} x + 3 y + 3 z + 4 u &=1\\ 2 x + 4 y + 1 z + 7 u&=2 \\ 5 x + 4 y + 2 z + 6 u &=3 \\ 5 x + 6 y + 3 z + 5 u &=4 \end{eqnarray} $
dan dalam persamaan matriks
$\begin{pmatrix} 1 & 3 & 3 & 4 \\ 2 & 4 & 1 & 7\\ 5 & 4 & 2 & 6\\ 5 & 6 & 3 & 5 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \\ u \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{pmatrix} $
Perhitungan dengan R menghasilkan
> A
     [,1] [,2] [,3] [,4]
[1,]    1    3    3    4
[2,]    2    4    1    7
[3,]    5    4    2    6
[4,]    5    6    3    5

>c
     [,1]
[1,]    1
[2,]    2
[3,]    3
[4,]    4

solve(A,c)
           [,1]
[1,]  0.3650794
[2,]  0.5476190
[3,] -0.1984127
[4,] -0.1031746

> solve(A)%*%c
           [,1]
[1,]  0.3650794
[2,]  0.5476190
[3,] -0.1984127
[4,] -0.1031746

maka solusinya adalah \[ \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \\ u \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0,3650794 \\ 0,5476190 \\ -0,1984127 \\ -0,1031746 \\ \end{pmatrix} \] \subsection{Ringkasan Fungsi terkait Matriks pada R} \end{document}
No Fungsi Paket Sintaks Keterangan
1 matrix base matrix(data,nbaris,nkolom) menyusun matriks dengan elemen dari data dengan ordo nbaris dan nkolom
2 eigen eigen(matriks,...) menghitung nilai dan vektor karakteristik (eigen)
3 apply apply(matriks,val,fun) menghitung marjin suatu matriks, val=1 marjin baris, val=2 marjin kolom, fun=fungsi internal, seperti mean, sum, var , atau fungsi yang didefinisikan sendiri
4 operasi uner t(matriks) menghitung transpose matriks
5 solve(m) invers matriks
6 diagonal diag(m) mengekstraks elemen diagonal dari matriks bujur sangkar
7 teras (trace) trace(m) menghitung jumlah dari elemen diagonal matriks bujur sangkar
8 Operasi biner m1%*%m2 perkaian matriks seperti umumnya
9 m1*m2 perkaian matriks berdasarkan kesesuaian elemen
10 is....? matrixcalc is.... matrix(matriks) memeriksa apakah sebuah matriks memenuhi sifat tertentu
11 toeplitz toeplitz(data) membentuk matriks Toeplitz
12 upper triangle upper.triangle(matriks) mengekstrak bagian segitiga atas dari sebuat matriks bujursangkar m dan menyajikan dalam bentuk matriks
13 lower triangle lower.triangle(matriks) mengekstrak bagian segitiga bawah dari sebuat matriks bujursangkar m dan menyajikan dalam bentuk matriks
14 rank Matrix rankMatrix(matriks) menghitung rank matriks

Luaran Operasi Matriks dengan R

Sesi Praktek Online

Dari Matriks


diperoleh hasil perhitungan  determinan, rank,  nilai  dan vektor Eigen
(Lihat Banerjee & Roy, 2014)
Bandingkan besarnya determinan dan hasil kali nilai eigen untuk setiap jenis matriks ! ($|\mathbf{M}|=\prod_{i=1}^p\lambda_i$)



Operasi uner matriks

Operasi:
Catatan:
  1. Untuk Cholesky, check bahwa $\mathbf{U^TU=M}$ sedangkan untuk SVD, check bahwa $\mathbf{VDU^T=M}$ (Lihat Banerjee & Roy, 2014)
    Hasil operasi
  2. Perhatikan adanya baris/kolom tambahan untuk operasi jumlah, mean baris/kolom



Operasi konstanta dengan matriks

konstanta k: . Operasi
Hasil operasi

Operasi Biner Matriks

Untuk M1

dan M2



Operasi:
diperoleh hasil operasi

Dalam notasi matriks dapat ditulis seperti berikut (refresh beberapa kali!!!)

Akhir Sesi Praktek Online

\documentclass[12pt]{article}
%100\%   % test comment removal
\begin{document}
\usepackage{graphicx,seminar}
\usepackage{amsmath,amsthm}

\section{Latihan Soal-soal}
  1. 1. Sebutkan definisi matriks berikut dan beri masing- masing 1 contoh.
    1. a. Matriks diagonal
    2. b. Matriks skalar
    3. c. Matriks simetrik
    4. d. Matriks nonsinguler.
  2. 2. Buatlah dua buah matriks ($\mathbf{A, B}$), masing- masing berordo $2 \times 2$ , selanjutnya hitung
    1. a. $\mathbf{ AB}$
    2. c. $\mathbf{BA}$
    3. b. $\mathbf{ A}^{-1}$
    4. 3. Selesaikan Contoh dengan persamaan \eqref{eq:wls} sebelumnya secara lengkap.
    5. 4. Selidiki apakah matriks-matriks berikut mempunyai rank kolom lengkap atau tidak.
      1. a. $\displaystyle \mathbf{A}= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 4 \\ 3 & 3 & 6 \\ 2 & 4 & 1 \\ 5 & 5 & 3 \\ 6 & 2 &-1 \end{pmatrix}$
      2. b. $\displaystyle \mathbf{B}= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 4 &1\\ 5 & 5 & 3 & 0 \\ 2 & 4 & 1 & 2\\ 6 & 2 &-1 & -4 \\ 3 & 3 & 6 & 0 \end{pmatrix} $
      3. c. $\displaystyle \mathbf{C}= \begin{pmatrix} 3 & 3 & 6 & 3 & 3 & -1 \\ 1 & 2 & 4 &1 & 1 & 1 \\ 5 & 5 & 3 & 0 & 0 & 1\\ 6 & 2 &-1 & 4 & 3 & 5\\ 2 & 4 & 1 & 2 & 5 & 10 \end{pmatrix} $
    6. 4. Diketahui $\displaystyle \mathbf{A}= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 4 \\ 2 & 3 & 6 \\ 4 & 6 & 1 \end{pmatrix},$ $\displaystyle \mathbf{x}= \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix}$ dan $\displaystyle \mathbf{c}= \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix}.$
      Tentukan $\mathbf{x}$ yang memenuhi $\mathbf{Ax=c}$
    7. 5. Tentukan $x,y,z$ yang memenuhi $ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 4 \\ 5 & 3 & 6 \\ 4 & 6 & 3 \end{pmatrix} $ $ \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} $=$ \begin{pmatrix} 3 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}$
    8. 5. Selesaikan sistem persamaan berikut
      $ \begin{eqnarray} x + 2y + 5z= 2\nonumber\\ 5x + 3y + 4z= 3\nonumber\\ 4x + 6y + 3z= 6\nonumber \end{eqnarray} $
    \section{Sumber Bacaan Teori:}
    1. Davies, T.M., 2015. The Book of R. Early Access. No Startch Press
    2. Novomestky, F. 2012. matrixcalc: Collection of functions for matrix calculations. R package version 1.0-3. http://CRAN.R-project.org/package=matrixcalc
    3. Venables, W. N. & Ripley, B. D. 2002. Modern Applied Statistics with S. Fourth Edition. Springer, New York. ISBN 0-387-95457-0
    4. Searle. S.R. 1982. Matrix Algebra Useful for Statistics. John Wiley and Sons, New York, 1st edition.
    5. Banerjee, S. and Roy, A. 2014. Linear Algebra and Matrix Analysis for Statistics. CRC Press
    \end{document}