Modul matematika lanjut 1 SI

Aljabar Linear

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom i

Buku Ajar

Aljabar Linear

Oleh

Yuliant Sibaroni S.Si

PROGRAM PERKULIAHAN DASAR UMUM

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI TELKOM

Aljabar Linear

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom ii

Kata Pengantar

Dengan mengucapkan syukur alhamdulillah ,akhirnya buku ajar aljabar linear dapat diselesaikan. Buku ajar ini merupakan catatan kuliah dari penulis selama penulis memberikan perkulian aljabar linear di STT Telkom . Pembuatan buku ajar ini dimaksudkan untuk membantu mahasiswa STT Telkom dalam memahami perkuliahan aljbar linear maupun kuliah- kuliah lain yang menggunakan aljabar linear sebagai dasarnya .

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan buku ajar ini masih banyak kekurangan yang terjadi . Untuk itu adanya saran dan kritik dari pembaca sangat diperlukan penulis untuk perbaikan diktat ini dimasa mendatang. Penulis juga mengucapkan terima kasih terhadap semua pihak yang telah membantu dalam pembuatan buku ajar ini.

Bandung , Agustus 2002

Aljabar Linear

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom iii

DAFTAR ISI

1. Matriks dan Operasi – Operasinya ……….……

I.1 Pendahuluan ………...

I.2

Jenis – jenis matriks

……….………

I.3 Operasi – operasi matriks ……….…

I.4 Matriks Invers ………

2. Sistem Persamaan Linear

………...

II.1

Pendahuluan

………..

II.2 Operasi baris elementer ………. II.3 Sistem persamaan linear Homogen ……….….. II.4 Menentukan invers matriks ………..

3.

Determinan matriks

……….…..

III.1 Pendahuluan

………..

III.2 Metode perhitungan determinan

……….……..

III.3 Menentukan himpunan penyelesaian sistem persamaan linier dengan metode Crammer ………..………… III.4 Hubungan determinan, invers matriks dan penyelesaian untuk

sistem persaman linier ………

4. Vektor– Vektor di bidang dan di ruang

………

IV.1 Pendahuluan

………….………

IV.2 Operasi – operasi pada vektor

….………

IV.3 Hasil kali titik , panjang vektor dan

jarak antara dua vektor ………

IV.4 Proyeksi orthogonal ……… IV.5 Perkalian silang vektor ………

01

01 01 01 04

06

06 07 10 12

15

15 16 18 19

22

22 22 23 25 27

31

Aljabar Linear

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom iv

5. Ruang – Ruang Vektor

………...………….

V.1 Ruang – n Euclides

……….

V.2 Ruang vektor umum

………

V.3 Sub–ruang vektor ……….

V.4

Membangun dan bebas linier

………..……….

V.5

Basis dan Dimensi

………

V.6 Basis ruang baris dan basis ruang kolom

……….

V.7 Basis ruang solusi ………

6. Ruang Hasil Kali Dalam

………..

VI.1 Hasil kali dalam

………

VI.2 Panjang vektor , jarak antar vektor ,dan besar

sudut dalam RHD …

VI.3 Basis orthonormal

………

VI.4 Perubahan Basis

………

7.

Ruang Eigen ………...……

VII.1 Nilai Eigen suatu matriks

………

44

44 45 46 50

54

54 56 60

63

Aljabar Linear

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom v

VII.2 Diagonalisasi ………

VII.3 Diagonalisasi orthogonal ………

8. Transformasi Linear ………...

VIII.1 Pendahuluan

………

VIII.2 Kernel ( inti ) dan Jangkauan

………

VIII.3 Matriks transformasi

………

Daftar Pustaka

1. Anton , H .( 1991) Elementary Linear Algebra .John Wiley and Sons

2. Leon , S.J.( 2001 ) . Aljabar Linear Dan Aplikasinya edisi 5 . Penerbit Erlangga

Aljabar Linear

Yuliant Sibaroni

Matriks dan operasi – operasinya

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

1

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 =

   

 

   

 

mn m

m

n n

a a

a

a a

a

a a

a

... : ::: : :

... ...

2 1

2 22

21

1 12

11

,

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.

Contoh1.2.1

A2x2 =    

 

22 21

12 11

a a

a a

dengan elemen diagonal a11 dan a22

A3x3 =

  

 

  

 

33 32 31

23 22 21

13 12 11

a a a

a a a

a a a

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.

Contoh1.2.2 A = _

    

3 0

0 1

B = _

    

0 0

0 1

, C = _

    

0 0

Matriks dan operasi – operasinya

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

2

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.

Contoh1.2.3 A =

  

 

  

 

1 0 0

2 0 0

1 0 1

, B =

  

 

  

 

0 1 0

0 0 1

0 0 0

, C =

  

 

  

 

2 0 0

0 1 0

0 0 1

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 =

  

 

  

 

0 0 0 0

1 1 0 0

2 0 1 1

, B =

  

 

  

 

1 0 0

0 1 0

0 0 1

, C =

   

 

   

 

0 0 0

0 0 0

1 0 0

0 1 0

Matriks dan operasi – operasinya

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

3

Contoh 1.2.5

D =

  

 

  

 

0 0 0 0

0 1 1 0

2 0 1 1

, E =

  

 

  

 

2 0 1 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 1 1

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:

   

 

+ +

+ + =       +      

h d g c

f b e a h g

f e d c

b a

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 = 

  

 

f e d

c b a

, B =

  

 

  

 

p m

o l

n k

maka A23 B32 = C22 = 

  

 

+ + +

+

+ + +

+

fp eo dn fm el dk

cp bo an cm bl ak

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 

  

 

f e d

c b a

= 

  

 

f e d

c b a

3 3 3

Matriks dan operasi – operasinya

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

4

d. Transpose matriks

Transpose matriks A ( dinotasikan At ) didefinisikan sebagai matriks yang baris – barisnya merupakan kolom dari A.

Contoh : A = _

  

 

6 5 4

3 2 1

Æ At =

  

 

  

 

6 3

5 2

4 1

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 = 

  

  −

−

3 1

5 2

, B =      

2 1

5 3

Æ AB = BA =      

1 0

0 1 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 = _

    

1 0

0 1

, B =

  

 

  

 

1 0 1

0 0 0

0 0 1

, C =

  

 

  

 

0 0 0

2 1 0

2 0 1

, D =

  

 

  

 

1 0 0

0 0 0

2 2 1

2. Diketahui A = _

    

1 0

0 1

, B = _

  

 

0 2 1

2 0 1

dan C = _

  

 

3 2 2

1 1 1

a. Hitung B + C !

b. Hitung AB dan AC , kemudian tentukan AB + AC

Matriks dan operasi – operasinya

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

5

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 =      

0 2

4 2

dan B =    

  −

− −

2 2

4 0 8 1

b. A =      

0 0

3 1

dan B =      

1 0

0 1

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

6

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 Æ persamaan linear dengan 2 peubah b. 2x – 3y = 2z +1 Æ persamaan linear dengan 3 peubah c. 2 log x + log y = 2 Æ bukan persamaan linear

d. 2ex = 2x + 3 Æ 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 :

    

  

banyak solusi

tunggal solusi konsisten

an penyelesai memiliki

konsisten tidak

an penyelesai memiliki

Tidak SPL

) (

) (

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

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

7

b. x – y = 2 , Grafiknya :

[image:13.595.88.425.110.184.2]

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

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

8

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 =

   

 

   

 

mn m

m

n n

a a

a

a a

a

a a

a

... ... ...

2 1

2 22

21

1 12

11

Μ Μ Μ Μ Μ

Μ , X =

   

 

   

 

m

x x x

Μ

2 1

dan B =    

 

   

 

m

b b b

Μ

2 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 Ax = 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 danb yang elemen – elemennya merupakan gabungan elemen matriks A dan vektor b yang dinotasikan

[

A b

]

, yaitu :

[

A b

]

=

   

 

   

 

m mn m

m

n n

b b b

a a

a

a a

a

a a

a

Μ Μ Μ Μ Μ Μ Μ

2 1

2 1

2 22

21

1 12

11

... ... ...

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

[

A b

]

=

  

 

  

 

−6 6 1 8 0 1

3 5 2

3 2 1

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

9

[

A b

]

=

          −6 6 1 8 0 1 3 5 2 3 2 1 ~           − − − − − 7 4 1 5 2 0 3 1 0 3 2 1 1 3 1 2 2 b b b b ~           − − − + − 1 4 7 1 0 0 3 1 0 9 0 1 2 2 3 2 2 1 b b b b ~           − − − − 1 4 7 1 0 0 3 1 0 9 0 1 3 b ~           − + − 1 1 2 1 0 0 0 1 0 0 0 1 3 3 2 3 9 1 b b b b

Æ bentuk eselon baris tereduksi

Dari bentuk eselon baris tereduksi maka dapat dibuat persamaannya , yaitu : Dari baris 1 (b1) Æx + 0y + 0z = 2 Æ x = 2

Dari baris 2 (b2) Æ0x + y + 0z = 1 Æ y = 1 Dari baris 3 (b3) Æ0x + 0y + z = –1 Æ z = –1 Jadi penyelesaian SPL diatas adalah tunggal , yaitu :

          − =           1 1 2 z y x

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

[

A b

]

=

          − − 3 0 1 5 1 2 1 1 1 2 0 1

[

A b

]

=

          − − 3 0 1 5 1 2 1 1 1 2 0 1 ~           1 1 1 1 1 0 1 1 0 2 0 1 ~           0 1 1 0 0 0 1 1 0 2 0 1

Persamaannya :

Dari baris 1 Æ x + 2z = 1Æ x = 1 – 2z

Dari baris 2 Æ y + z = 1 Æ 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

          − − =           s s s z y x 1 2 1

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

10

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

[

A b

]

=

  

 

  

 

− −

6 3 4 5 2 1

0 1 2

2 0 2

[

A b

]

=

  

 

  

 

− −

6 3 4 5 2 1

0 1 2

2 0 2

~

  

 

  

 

4 1 2 4 2 0

2 1 0

1 0 1

~

  

 

  

 

2 1 2 0 0 0

2 1 0

1 0 1

Pada baris ketiga matriks eselon baris tereduksi didapatkan persamaan:

0x + 0y + 0z = 2Æ 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 Ax = b untuk kasus b = 0. Karena bentuknya yang demikian maka pastilah pada matriks diperbesar

[

A b

]

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

[

A b

]

( 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 1 3 2

1 2 1

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

11

Penyelesaian dari SPL homogen diatas adalah

[

A b

]

=

          − − 0 0 0 1 3 2 1 2 1 0 2 1 ~           − 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 2 1 ~           0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1

Pada matriks yang terakhir terlihat bahwa semua kolom matriks A memiliki satu utama sehingga penyelesaiannya adalah trivial yaitu

          =           0 0 0 z y x Contoh 2.3.2

Diketahui sistem persamaan linear homogen

            − − − − − − − 3 0 0 3 1 4 2 1 2 2 1 2 1 2 1 1             =             0 0 0 0 w z y x

Penyelesaian dari SPL homogen diatas adalah :

[

A b

]

=

            − − − − − − − 0 0 0 0 3 0 0 3 1 4 2 1 2 2 1 2 1 2 1 1 ~             − − − − − 0 0 0 0 0 6 3 0 0 2 1 0 0 6 3 0 1 2 1 1 ~             − − 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 1 0 0 1

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 :

            =             w z z w w z y x 2

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

            =             t s s t w z y x 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

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

12

invers maka matriks eselon baris tereduksinya akan berbentuk

[

−1

]

A

I . Jika setelah melakukan eliminasi Gauss–Jordan tidak diperoleh bentuk

[

−1

]

A

I maka disimpulkan bahwa matriks tersebut tidak memiliki invers.

Contoh 2.4.1

Diketahui A =

          − − 3 4 2 0 1 1 5 5 2

, tentukan A–1 jika ada !

Jawab:

[

A I

]

=

          − − 1 0 0 1 0 0 0 0 1 3 4 2 0 1 1 5 5 2 ~           − 1 2 0 2 0 1 0 1 0 3 2 0 5 3 0 0 1 1 ~           − − 1 2 0 1 0 1 0 1 0 3 2 0 2 1 0 0 1 1 ~           − − − − − − 3 2 2 1 0 1 1 1 1 1 0 0 2 1 0 2 0 1 ~           − − − − − 3 2 2 5 4 3 5 5 3 1 0 0 0 1 0 0 0 1

=

[

−1

]

A I

Jadi A–1 =

          − − − − − 3 2 2 5 4 3 5 5 3

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 =

          − − 5 2 1 1 4 2 4 6 1

Tentukan invers matriks A jika ada !

Jawab:

[

A I

]

=

          − − 1 0 0 0 1 0 0 0 1 5 2 1 1 4 2 4 6 1 ~           − − − 1 0 1 0 1 2 0 0 1 9 8 0 9 8 0 4 6 1 ~           − − − − 1 1 1 0 1 2 0 0 1 0 0 0 9 8 0 4 6 1

Walaupun matriks belum dalam bentuk eselon baris tereduksi, tapi perhitungan sudah dapat dihentikan pada tahap ini sudah terlihat bahwa bentuk

[

−1

]

A

I tidak akan bisa didapatkan sehingga dapat disimpulkan matriks A tidak memiliki invers.

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

13

Latihan II

1. Gunakan eliminasi Gauss–Jordan untuk mendapatkan bentuk eselon baris tereduksi dari matriks – matriks berikut :

a. A =

          − − 3 3 3 1 2 2 1 2 1 1 2 1

b. B =

            − 3 3 1 1 1 2 1 2 2 3 2 1

2. Tuliskan sistem persamaan linear berikut dalam bentuk matriks kemudian tentukan penyelesaiannya ( jika ada ) !

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

x + y + z = 5 x + y + z = 3

c. 2x + y = 3z + 1 d. 6x + y = 0 x – 2y + 2 = 0 x + 5y = 0 x = 4y

3. Tentukan invers matriks dari matriks berikut ( jika ada ) !

a. A =

          2 3 3 1 1 2 2 2 1

b. B =

          1 1 1 2 1 0 0 1 2

c. C =

          − 1 1 1 1 0 2 3 1 2

d. C =

          8 0 1 3 5 2 3 2 1

4. Diketahui persamaan Rx = b dengan R matriks konstanta pada nomor 3 , dan b =

          2 3 1

. Tentukan solusi SPL ( jika ada ) !

5. Diketahui persamaan Rx = 0 dengan R matriks konstanta pada nomor 3 , Tentukan jenis solusi dari SPL dan tuliskan solusinya !

6. Diketahui SPL berbentuk :       =             2 2 y x b 1 2 a

a. Tentukan nilai a dan b agar SPL memiliki solusi tunggal , kemudian tulis solusi SPL nya !

b. Tentukan nilai a dan b agar SPL memiliki solusi banyak, kemudian tulis solusi SPL nya!

Sistem persamaan linear

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi TeknologiTelkom

14

Tentukan nilai untuk a dan b agar SPL memiliki solusi banyak dan tulis solusi SPL tersebut !

8. Diketahui SPL berikut :

a2 x + y – z = a x + by – z = –1 by + z = 0

Yuliant sibaroni STT Telkom

15

Determinan matriks

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 = _

    

d c

b a

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 =

  

 

  

 

33 32 31

23 22 32

13 12 11

a a a

a a a

a a a

,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

Yuliant sibaroni STT Telkom

16

Determinan matriks

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 =

  

 

  

 

1 3 4

1 2 2

3 2 1

, 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 = 1 3

1 2

= 2 – 3 = −1 C12 = (−1 )1+2 M12 = − M12 = −

1 4

1 2

= − (2 – 4) = 2 C13 = (−1 )1+3 M13 = M13 =

3 4

2 2

= 6 – 8 = −2 Jadi det (A) = (1 . −1) + (2 . 2) + (3 . −2) = −3

Contoh 3.2.2

Diketahui B =

  

 

  

 

1 0 1

1 2 2

3 0 1

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 .

Yuliant sibaroni STT Telkom

17

Determinan matriks

det(B) = a12C12 + a22C22 + a32C32 = a22C22 ( karena a12 dan a32 bernilai 0 ) C22 = (−1 )2+2

M22 = M22 = 1 1

3 1

= 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 =

  

 

  

 

i h g

f e d

c b a

dan det (A) = r

Tentukan determinan dari matriks – matriks berikut ; a. X =

  

 

  

 

i h g

c b a

f e d

b. Y =

  

 

  

 

i h g

f e d

c b a

2 2

2 c. Z =

  

 

  

 

+ + +g b h c i a

f e d

c b a

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

Yuliant sibaroni STT Telkom

18

Determinan matriks

Contoh 3.2.4

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

Jawab

Diketahui A =

  

 

  

 

1 3 4

1 2 2

3 2 1

Eliminasi Gauss |A| =

1 3 4

1 2 2

3 2 1

=

11 5 0

5 2 0

3 2 1

− −

− − =

11 5 0

2 5 1 0

3 2 1 ). 2 (

− −

− =

2 3 0 0

2 5 1 0

3 2 1 ). 2

(−

= (−2).1.1. 2 3 _{= −3}

III.3 Menentukan himpunan penyelesaian sistem persamaan linier dengan metode Crammer

Metode Crammer didasarkan atas perhitungan determinan matriks. Suatu SPL yang berbentuk Ax = 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 Ax = b dengan A adalah matriks bujur sangkar berukuran nxn dan det (A) ≠ 0 sedangkan nilai x dan b adalah :

x =    

 

   

 

n x x x

:

2 1

, b =    

 

   

 

n b b b

:

2 1

maka penyelesaian untuk x adalah :

x1 =

A A1

, x2 =

A A2

,…, xn =

A An

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

Contoh 3.3.1

Diketahui sistem persamaan linier berbentuk Ax = b

  

 

  

 

− =   

 

  

 

  

 

  

 

− −

1 1 1 3

4 2

0 1 1

5 5 2

z y x

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

Yuliant sibaroni STT Telkom

19

Determinan matriks

Jawab

a. Det (A) =

3 4 2

0 1 1

5 5 2

−

− = (−1).( −1) 3 4

5 5

+ (−1). 3 2

5 2

= ( 15 – 20) – (6 – 10) = –1 Karena det (A) = –1 maka metode Crammer dapat digunakan .

b. Det (A1) =

3 4 1

0 1 1

5 5 1 −

− = (−1).1. 3 4

5 5

+ (–1). 3 1

5 1

− = – (15 – 20) – (3 + 5) = –3

Det (A2) =

3 1 2

0 1 1

5 1 2

−

− = (−1).( −1) 3 1

5 1

− + 2 3 5 2

= ( 3+5) + (6 – 10) = 4

Det (A3) =

1 4 2

1 1 1

1 5 2

− −

− =

1 4 2

0 3 1

0 9 4

−

= (–1). 3 1

9 4

= –3

Jadi nilai untuk x, y dan z adalah :

x =

A A1

= 3

1 3

= − −

, y =

A A2

= 4

1 4

− =

− dan z = A A3

= 3

1 3

= − −

Menentukan invers suatu matriks dapat juga menggunakan rumus berikut : A–1 =

A A adj( )

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 Ax = 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 ↔↔↔↔ Atidak memilikiinvers

Det (A) = 0

an penyelesai memiliki

tidak SPL

banyak an penyelesai memiliki

Yuliant sibaroni STT Telkom 20 Determinan matriks

Pada kasus det (A) ≠≠≠≠ 0 untuk menentukan penyelesaiannya dapat digunakan invers matriks untuk menghitungnya, yaitu x= A–1b . Sedangkan pada kasus det (A) = 0 , untuk menentukan penyelesaian SPL harus digunakan eliminasi Gauss–Jordan pada matriks diperbesar

[

A b

]

.

Latihan III

1. Gunakan ekspansi kofaktor untuk menghitung determinan dari matriks – matriks berikut :

a. A =

            3 3 1 3 2 0 1 4 0 1 0 2 1 0 1 1

b. B =

            2 0 2 4 3 2 3 2 2 0 1 0 1 0 0 3

2. Gunakan reduksi baris untuk menghitung determinan dari matriks – matriks berikut

a. A =

          − 1 2 5 1 1 3 1 2 2

b. B =

            3 2 5 2 2 1 3 2 5 2 2 1 2 2 2 0

3. Diketahui sistem persamaan linier x = b

          =                     3 2 1 1 1 1 1 2 2 3 2 1 z y x

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

b. Jika ya, tentukan nilai untuk x!

4. Dari soal nomor 3,

a. Tentukan invers A dengan menggunakan rumus A–1 =

A A adj( )

! b. Tentukan nilai x dengan menggunakan hasil dari 4.a !

5. Diketahui SPL Ax = b dengan matriks diperbesar [ A l b ] sebagai berikkut :

[ ]

A b =

          − + − − − 3 3 4 ) 1 ( 0 2 1 1 2 3 2 1 2 a a

Tentukan nilai a agar

Yuliant sibaroni STT Telkom

21

Determinan matriks

6. Dari sifat – sifat determinan berikut ; Det ( AB ) = Det A . Det B

Det ( At ) = Det A

Jika R

d c

b a Det _=

    

, L

h g

f e

Det _=

    

Hitung

     

 

     

 

−

    

  

   

  −

−     

  

+ +

+ +

fg eh

e g

f h 2 d 2 c bd ac

bd ac 2 b 2 a

Det !

7. Jika det A = X dan det B = Y , Tentukan Det ( At BA–1 ) !

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

22

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

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

23

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

dengan arah :

Jika k > 0 Æ searah dengan u

Jika k < 0 Æ 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 adanb 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 danb didefinisikan sebagai :

a . b = a b cos φ , φ∈ [ 0,π ]

X Y

u 2u

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

24

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 adan b saling tegak lurus !

Jawab

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

3 2 2 2

1 a a

a + + …(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 :

2

a = a . a ÆÆÆÆ a = ( a.a)1/2 = a₁2 +a₂2 +a₃2

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 = (a b ) (a b ) (a b32) 2 3 2 2 2 2 2 1 2

1 − + − + −

Secara geometris , dapat digambarkan seperti berikut ini :

Misalkan a = AC dan b =AB , maka jarak antara adanb 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 danv!

B _C

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

25

Jawab

u .v = 2 –1 + 2 = 3

u = 22 +(−1)2 +12 = 6

v = 12 +12 +22 = 6

2 1 6 3 v u

v . u

cosθ= = = Æ 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 w dan ₁ w₂ ,

jadi dapat dituliskan a = w + ₁ w₂ ,Dari proses pembentukannya w juga 1

disebut sebagai vektor proyeksi orthogonal a terhadap b karena merupakan hasil proyeksi secara orthogonal vektor a terhadap b, sedangkan w₂ disebut sebagai komponen dari a yang tegak lurus terhadap b.

Karena w merupakan hasil proyeksi di b₁ maka dapat dituliskan w = k b₁ ,

nilai k ini akan menentukan arah dan panjang dari w₁. Jika sudut antara

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

1

w akan berlawanan dengan arah b .

Menghitung w ₁

Untuk menghitung w ₁ , harus dihitung terlebih dahulu nilai k. Dengan

menggunakan aturan hasil kali titik , diperoleh : a.b = (w + ₁ w )₂ . b

a

b

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

26

= w ₁ . b ( karena w dan₂ b saling tegak lurus maka w ₂ . b = 0 ) = w₁ b cos θ

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

= k b 2

Jadi k =

2

b b . a

1

w = k b = ₂ b

b . a

b dan w₂ = a – w₁

Panjang dari w₁ 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 w adalah vektor proyeksi tegak lurus dari a terhadap b , maka ₁

1

w = k b sedangkan k =

2

b b . a

= _{2 2 2}

) 2 ( 2 4

) 2 . 3 2 . 1 4 . 4 (

− + +

− + +

=

2 1 24 12

=

Jadi w₁ = ½ ( 4,2,–2 ) = ( 2,1,–1 )

b. Panjang w₁ adalah b

b . a

=

6 3

24 12

=

c. Misalkan w₂ merupakan komponen dari a yang tegak lurus terhadap b , maka w₂ = a – w1 = ( 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 – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

27

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 = ai + b j

v = ( a,b,c ) , maka v juga dapat dituliskan v = ai + b j + ck

Perkalian silang antara dua vektor di R3

Diketahui u = ( u1,u2,u3 ) dan v = ( v1,v2,v3 )

Perkalian silang antara u dan v didefinisikan sebagai :

u x v =

3 2 1

3 2 1

v v v

u u u

k j i

=

3 2

3 2

v v

u u

i –

3 1

3 1

v v

u u

j +

2 1

2 1

v v

u u

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 uxv 2 2

v x

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

:

= (u12 + u22 + u32 ) ( v12 + v22 + v32 ) – ( u1v1 + u2v2 + u3v3 )2

= u 2 v 2 −(u.v)2 Æ biasa disebut identitas Lagrange

Dari identitas Lagrange

2 v x

u = u 2 v 2 −(u.v)2

= u 2 v2 −( u. v cosθ)2 ( θsudut yang dibentuk oleh u danv ) = u 2 v2 (1− cosθ)2

= u 2 v2 sin2θ

atau

v x

u = u v sinθ

Nilai ini merupakan luas segi empat yang dibentuk u danv seperti

ditunjukkan dari gambar berikut :

lul

θ

lulsinθ

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

28

Luas segi empat = panjang alas x tinggi = v x u sinθ = u v sinθ

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

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 = axb

axb =

3 2 2

1 2 1

k j i

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

= 4 i–j –2 k = ( 4 ,–1,–2 )

Jadi luas segi empat = 42 +(−1)2 +(−2)2 = 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 . axb

axb =

1 1 3

2 2 2

− − −

k j i

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

A B

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

29

b x

a = (−4)2 +(−8)2 +42 = 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. axb = – ( b x a )

Vektor – vektor di bidang dan di ruang

Yuliant Sibaroni

Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

30

Latihan IV

1. Diketahui u adalah vektor yang merupakan ruas garis dari titik A ( 2,3,4 ) ke titik B ( 5,5,5 )

a. Tentukan vektor u tersebut dan hitung berapa norm dari u ! b. Hitung jarak antara u dengan v=( 1,1,3 )

2. Diketahui u = ( 2,k,3 ) danv = ( 4,2,7 ) sedangkan jarak antara u dan

v = 6 satuan , Tentukan nilai k !

3. Tentukan nilai k agar vektor u = ( 2k,k,3 ) dan v = ( k,5,–1 ) saling tegak lurus !

4. Tentukan nilai k agar sudut antara u danv = 180o dengan

u = ( k+1,k+1,1 ) dan v= (–k–1, –k–1, k ) !

5. Diketahui u = (–1,3 ) dan v = ( 4,1 )

a. Tentukan vektor proyeksi tegak lurus u terhadap v ! b. Tentukan komponen u yang tegak lurus terhadap v !

6. Diketahui segitiga ABC dengan titik – titik sudut A (1,2,3) ,B ( –2,2,1 ) dan C (3,1,3 )

a. Hitung luas segitiga ABC dengan menggunakan A sebagai titik sudut ! b. Hitung luas segitiga ABC dengan menggunakan B sebagai titik sudut !

7. Diketahui a = ( 1,2,1 ) , b = ( 1, –1,1 ) dan c = ( 1,3,2 )

a. Tentukan vektor – vektor yang tegak lurus terhadap a dan c ( berikan contoh 3 vektor ) !

Ruang – Ruang vektor

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

31

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

2 2

2 2 1 2 / 1

... )

.

(uu u u un

u = = + + +

Jarak antara vektor

d (u , v ) = (u – v . u – v ) = 2 2 2

2 2 1

1 ) ( ) ... ( )

(u −v + u −v + + un−vn

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 ) = 2 2 2 2

2 1 ) 1 ( ) 1

Ruang – Ruang vektor

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

32

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 a

1 1

Ruang – Ruang vektor

Yuliant Sibaroni Sekolah Tinggi Teknologi Telkom

33

Contoh 5.2.1

Tunjukkan bahwa V yaitu himpunan matriks yang berbentuk _

    

b a

1 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 p

1 1

dan B = _

    

s r

1 1

, p,q,r,s ∈ R maka A,B ∈ V

A + B = _

  

 

+ +

s q r p

2 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 ka = ( k