\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:
- 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, ...)
- 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)
- 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.
\subsection{Simulasi matriks dengan R}
\end{document}
M1 (Harus dilakukan refresh beberapa kali untuk menampilkan
hasil dalam notasi matematika)
\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 |
\documentclass[12pt]{article}
%100\% % test comment removal
\begin{document}
\usepackage{graphicx,seminar}
\usepackage{amsmath,amsthm}
\section{Latihan Soal-soal}
- 1. Sebutkan definisi matriks berikut dan beri masing- masing 1
contoh.
- a. Matriks diagonal
- b. Matriks
skalar
- c. Matriks simetrik
- d. Matriks nonsinguler.
- 2. Buatlah dua buah matriks ($\mathbf{A, B}$), masing- masing
berordo $2 \times 2$ , selanjutnya hitung
- a. $\mathbf{ AB}$
- c. $\mathbf{BA}$
- b. $\mathbf{ A}^{-1}$
- 3. Selesaikan Contoh dengan persamaan \eqref{eq:wls} sebelumnya secara lengkap.
- 4. Selidiki apakah matriks-matriks berikut mempunyai rank kolom
lengkap atau tidak.
- a. $\displaystyle \mathbf{A}=
\begin{pmatrix}
1 & 2 & 4 \\
3 & 3 & 6 \\
2 & 4 & 1 \\
5 & 5 & 3 \\
6 & 2 &-1
\end{pmatrix}$
- 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} $
- 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}
$
- 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 $\mathbf{Ax=c}$
- 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}$
- 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:}
-
Davies, T.M., 2015. The Book of R. Early Access. No Startch Press
-
Novomestky, F. 2012. matrixcalc: Collection of functions for matrix calculations. R package version 1.0-3.
http://CRAN.R-project.org/package=matrixcalc
-
Venables, W. N. & Ripley, B. D. 2002. Modern Applied Statistics with S. Fourth Edition. Springer, New York. ISBN
0-387-95457-0
-
Searle. S.R. 1982. Matrix Algebra Useful for Statistics. John Wiley and Sons, New York, 1st
edition.
- Banerjee, S. and Roy, A. 2014. Linear Algebra and Matrix Analysis for Statistics. CRC Press
\end{document}