MERUMUSKAN HASIL PERHITUNGAN PANGKAT BILANGAN BULAT POSITIF
MATRIKS TRIDIAGONAL
KARYA ILMIAH
OLEH
DIYAN NURJANNAH NIM. 1803110421
PROGRAM STUDI S1 MATEMATIKA JURUSAN MATEMATIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU 2022
MERUMUSKAN PERHITUNGAN HASIL PANGKAT BILANGAN BULAT POSITIF MATRIKS TRIDIAGONAL
Diyan Nurjannah
Mahasiswa Program Studi S1 Matematika Jurusan Matematika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya, Pekanbaru 28293
diyan.nurjannah0421@student.unri.ac.id
ABSTRACT
This article disccuses a new approach to evaluate the integer positive powers from tridiagonal matrices by using Chebyshev polynomials in two cases, when the tridi- agonal matrix has even order n = 2p and the tridiagonal matrix has odd order n = 2p + 1 with p ∈ N. In addition, this article also aims to show how the Cheby- shev polynomial can be used to determine the formulation of the transformation matrix and the inverse of the transformation matrix.
Keywords: Chebyshev polynomial, telescoping series, characteristic polynomial, eigenvalue, tridiagonal matrix.
ABSTRAK
Artikel ini membahas sebuah pendekatan baru untuk menghitung pangkat bilangan bulat positif dari matriks tridiagonal menggunakan polinomial Chebyshev dengan menimbang dua kasus yakni saat matriks tridiagonal berorde genap n = 2p dan saat matriks tridiagonal berorde ganjil n = 2p + 1 dengan p ∈ N. Selain itu, juga menunjukkan bagaimana polinomial Chebyshev dapat digunakan untuk menentukan formulasi dari matriks transformasi dan invers dari matriks tranformasi.
Kata kunci: polinomial Chebyshev, deret teleskopik, polinolial karakteristik, nilai eigen, matriks tridiagonal.
1. PENDAHULUAN
Aljabar merupakan salah satu cabang dari ilmu matematika yang di dalamnya secara khusus memuat tentang matriks. Matriks terbagi menjadi beberapa bentuk yang mempunyai sifat khusus, salah satu jenis dari matriks adalah matriks tridiagonal.
Suatu matriks tridiagonal yang berukuran n × n adalah matriks dengan entri-entri tij = 0 jika |i − j| > 1, seperti [13]
Tn=
a b 0 · · · 0 0 c a b · · · 0 0 0 c a · · · 0 0 ... ... ... ... ... ...
0 0 0 · · · a b 0 0 0 · · · c a
,
Terdapat beberapa matematikawan yang telah membahas mengenai pangkat dari suatu jenis matriks tridiagonal antara lain pada tahun 2008, Jesus Gutier- rez [8] membahas mengenai perhitungan pangkat dari matriks tridiagonal hermitian orde n × n tridiagn(a1, a0, a1) dengan mengeneralisasikan setiap entri dari pangkat matriks ke-l, l ∈ N. Selanjutnya pada tahun 2013 Jesus Gutierrez [7] membahas perhitungan pangkat ke-q dari matriks tridiagn(a1, a0, a−1), ∀n ≥ 2(q − 1) dengan q ∈ N menggunakan koefisien binomial. Lalu pada tahun yang sama, Oteles dan Akbulak [11] membahas mengenai pangkat bilangan bulat positif matriks tridiago- nal komples dengan menentukan dua faktorisasi kompleks untuk bilangan Fibonacci dan Pell. Pada tahun 2021, Beiranvand dan Ghasemi Kamalvand [3] membahas mengenai cara menentukan pangkat dari matriks tridiagonal orde genap dengan menggunakan polinomial Chebyshev jenis pertama dalam mengeneralisasikan ben- tuk matriks transformasi dan invers dari matriks transformasi.
Penulis ingin menunjukkan bahwa polinomial Chebyshev dapat digunakan dalam menentukan pangkat dari matriks tridiagonal, dengan menimbang dua kasus yakni saat matriks tridiagonal berorde genap n = 2p dan saat matriks tridiagonal berorde ganjil n = 2p+1 dengan p ∈ N. Selain itu, juga menunjukkan bagaimana polinomial Chebyshev dapat digunakan untuk menentukan formulasi dari matriks transformasi dan invers dari matriks tranformasi.
2. POLINOMIAL CHEBYSHEV
Polinomial Chebyshev terdiri dari dua jenis, yaitu polinomial Chebyshev jenis per- tama Tn(x) dan polinomial Chebyshev jenis kedua Un(x), adapun penjelasan men- genai kedua jenis dari polinomial Chebyshev antara lain sebagai berikut.
Definisi 1 [3, h. 60] Polinomial Chebyshev jenis pertama Tn(x) adalah polinomial terhadap x berderajat n yang didefinisikan oleh
Tn(x) = cos(nθ) dengan x = cos(θ), n ≥ 0. (1) Bentuk rekursif dari polinomial jenis pertama terhadap x berderajat n sebagai berikut:
Tn(x) = 2xTn−1(x) − Tn−2(x), n ≥ 2, T0(x) = 1 T1(x) = x, (2) Definisi 2 [10, h. 3] Polinomial Chebyshev jenis kedua Un(x) adalah polinomial terhadap x berderajat n yang didefinisikan oleh
Un(x) = sin(n + 1)θ
, x= cos θ. (3)
Bentuk rekursif dari polinomial Chebyshev jenis kedua yaitu
Un(x) = 2xUn−1(x) − Un−2(x), n ≥ 2, U0(x) = 1, U1(x) = 2x. (4)
3. NILAI EIGEN DARI MATRIKS TRIDIAGONAL Pada artikel ini akan digunakan bentuk matriks tridiagonal sebagai berikut:
A=
0 2 0 · · · 0 0 1 0 1 · · · 0 0 ... ... ... ... ... ...
0 0 1 · · · 0 1 0 0 0 · · · 2 0
. (5)
Dalam menentukan nilai eigen dari matriks tridiagonal pada persamaan (5), diberikan lema sebagai berikut.
Lema 3 [12, h. 1039] Nilai eigen dari matriks A yaitu λk = −2 cos(k − 1)π
n− 1 , k= 1, 2, . . . , n. (6) Bukti. Misal dinotasikan polinomial karakteristik dari persamaan (5) sebagai berikut
Dn(−λ) = |A − λI| =
−λ 2 0 · · · 0 0
1 −λ 1 · · · 0 0 0 1 −λ · · · 0 0 ... ... ... ... ... ...
0 0 0 · · · −λ 1
0 0 0 · · · 2 −λ
, (7)
dengan λ ∈ R. Selanjutnya dinotasikan
∆n(−λ) =
−λ 1 0 · · · 0 0
1 −λ 1 · · · 0 0 0 1 −λ · · · 0 0 ... ... ... ... ... ...
0 0 0 · · · −λ 1
0 0 0 · · · 1 −λ
, (8)
dengan menyelesaikan determinant persamaan (8) menggunakan kofaktor sehingga diperoleh bentuk rekursif dari persamaan (8) yaitu
∆n(−λ) = −λ∆n−1(−λ) − ∆n−2(−λ), (9) dengan ∆2(−λ) = λ2− 1, ∆1(−λ) = −λ, dan ∆0(λ) = 1.
Selanjutnya, dengan mensubstitusikan n = 3, 4, . . . , 6 ke persamaan (7) diperoleh D3(−λ) = −λ3+ 4λ = (λ2− 4)(−λ) = (λ2− 4)∆1(−λ),
D4(−λ) = λ4− 5λ2+ 4 = (λ2− 4)(λ2− 1) = (λ2− 4)∆2(−λ), D5(−λ) = −λ5+ 6λ3− 8λ = (λ2− 4)(−λ3+ 2x) = (λ2− 4)∆3(−λ),
D6(−λ) = λ6− 7λ4+ 13λ2− 4 = (λ2− 4)(λ4− 3λ2+ 1) = (λ2− 4)∆4(−λ).
Dapat dilihat bahwa persamaan (7) memiliki pola sebagai berikut
Dn(−λ) = (λ2− 4)∆n−2(−λ). (10) Dalam menentukan nilai eigen digunakan pedekatan polinomial Chebyshev un- tuk persamaan karakteristik pada persamaan (10), sehingga akan diubah bentuk polinomial karakteristik ke dalam bentuk polinomial Chebyshev. Berdasarkan per- samaan (4) dapat ditulis bentuk rekursif dari polinomial Chebysev berderajat n terhadap −λ2 sebagai berikut
Un −λ 2
= 2 −λ 2
Un−1 −λ 2
− Un−2 −λ 2
Un −λ 2
= −λUn−1 −λ 2
− Un−2 −λ 2
. (11)
dengan Un(−λ2 ) = 2(−λ2 ) = −λ dan U0(−λ2 ) = 1. Dikarnakan bentuk rekursif dari
∆n(−λ) pada persamaan (9) sama dengan bentuk rekursif polinomial Chebyshev pada persamaan (11), sehingga diperoleh
∆n(−λ) = Un
−λ 2
. (12)
Berdasarkan persamaan (12), sehingga persamaan (10) dapat ditulis Dn(−λ) = (λ2− 4)Un−2 −λ
2 = 0, (13)
Selanjutnya, untuk mencari akar dari persamaan karakteristik pada persamaan (13), dicari akar dari polinomial chebyshev jenis kedua Un−2(−λ2 ) pada persamaan (13), adapun syarat mencari akar dari polinomial chebyshev yaitu Un−2(−λ2 ) = 0, sehingga
Un−2(−λ 2 ) = 0 sin((n − 2) + 1)θ
sin(θ) = 0 sin(n − 1)θ
sin(θ) = 0 sin(n − 1)θ = 0
θ= kπ
(n − 1), k ≥ 0,
berdasarkan Definisi 2 sehingga diperoleh solusi dari Un−2(−λ2 ) yaitu
−λk
2 = cos(k − 1)π
((n − 1), k= 1, 2, . . . , n, λk = −2 cos(k − 1)π
(n − 1) , k = 1, 2, . . . , n.
Jadi, terbukti nilai eigen dari matriks tridiagonal A yaitu λk= −2 cos(k−1)πn−1 , dengan
k = 1, 2, 3, . . . , n. ✷
4. PERUMUSAN PANGKAT BILANGAN BULAT POSITIF MATRIKS TRIDIAGONAL ORDE GENAP
Pada bagian ini dibahas rumusan dalam menentukan pangkat bilangan bulat positif matriks tridiagonal orde genap. Pertama-tama akan ditentukan matriks transfor- masi dari persamaan (5) orde genap menggunakan persamaan sebagai berikut
T−1AT = J
AT = T J (14)
dengan J merupakan matriks jordan yang dinotasikan J = diag(λ1, λ2, λ3, . . . , λn), dan T merupakan matriks transformasi yang dinotasikan T = [T1, T2, . . . , Tn], dengan Ti = [T1i, T2i, . . . , Tni]T untuk i = 1, 2, . . . , n merupakan vektor eigen, sehinggga per- samaan (14), dapat ditulis sebagai berikut
ATi = λiTi, dengan i = 1, 2, 3, . . . , n, (15) dengan mensubstitusikan persamaan (5) ke dalam persamaan (15) diperoleh
2T2i
T1i+ T3i
T2i+ T4i
...
Tn−2i+ Tni
2Tn−1i
=
λiT1i λiT2i λiT3i
...
λiTn−1i λiTni
, i= 1, 2, . . . , n. (16)
Misalkan T1i = miuntuk i = 1, 2, 3, . . . , n, berdasarkan persamaan (16) dapat ditulis sebagai berikut:
Tki = miTk−1(λi
2), k = 1, 2, . . . , n, (17) dengan Tk−1(λ2i) adalah polinomial Chebyshev jenis pertama. Adapun vektor eigen dari persamaan (17) dapat ditulis sebagai
Ti =
T1i T2i ...
Tni
= mi[T0(λi
2), T1(λi
2), · · · , Tn−1(λi
2)]T, i= 1, 2, . . . , n. (18)
Jika m1, m2, . . . , mn= 1, maka persamaan (18) menjadi
T =
T0(λ21) T0(λ22) · · · T0(λn−12 ) T0(λ2n) T1(λ21) T1(λ22) · · · T1(λn−12 ) T1(λ2n)
... ... · · · ... ...
Tn−2(λ21) Tn−2(λ22) · · · Tn−2(λn−12 ) Tn−2(λ2n) Tn−1(λ21) Tn−1(λ22) · · · Tn−1(λn−12 ) Tn−1(λ2n)
, (19)
dengan mensubstitusikan persamaan (6) ke dalam persamaan (19) diperoleh pola matriks transformasi sebagai berikut:
T =
1 1 1 · · · 1 1 1
−1 − cosn−1π − cos n−12π · · · cosn−12π cosn−1π 1 1 cosn−12π cosn−14π · · · cosn−14π cosn−12π 1
... ... ... · · · ... ... ...
−1 cosn−12π − cos n−14π · · · cosn−14π − cosn−12π 1 1 − cosn−1π cosn−12π · · · cosn−12π − cosn−1π 1
−1 1 −1 · · · 1 −1 1
. (20)
selanjutnya akan dicari invers dari persamaan (20) dengan menggunakan per- samaan
T−1A= J T−1 (21)
dengan T−1 = [τ1, τ2, . . . , τn] serta τi merupakan vektor eigen dari invers matriks transformasi dengan nilai τi = [τ1i, τ2i, . . . , τni]T untuk i = 1, 2, . . . , n, sehingga persamaan (21) dapat ditulis yaitu
[τ1, τ2, . . . , τn]A = J [τ1, τ2, . . . , τn], (22) dengan mensubsitusikan persamaan (5) orde genap ke dalam persamaan (22) diper- oleh
τ12 2τ11+ τ13 . . . τ1n−2+ 2τ1n τ1n−1 τ22 2τ21+ τ23 . . . τ2n−2+ 2τ2n τ2n−1
... ... · · · ... ...
τn−12 2τn−11+ τn−13 . . . τn−1n−2+ 2τn−1n τn−1n−1 τn2 2τn1+ τn3 . . . τnn−2+ 2τnn τnn−1
=
λ1τ11 λ1τ12 . . . λ1τ1n−1 λ1τ1n λ2τ21 λ2τ22 . . . λ2τ2n−1 λ2τ2n
... ... · · · ... ...
λn−1τn−11 λn−1τn−12 . . . λn−1τn−1n−1 λn−1τn−1n λnτn1 λnτn2 . . . λnτnn−1 λnτnn
. (23)
Jika τi1 = mi, maka persamaan (23) dapat ditulis sebagai
T−1=
m1T0(λ21) m1T1(λ22) · · · m1Tn−2(λn−12 ) m1Tn−1(λ2n) m2T0(λ21) m2T1(λ22) · · · m2Tn−2(λn−12 ) m2Tn−1(λ2n)
..
. ... · · ·
..
. ...
mn−1T0(λ21) mn−1T1(λ22) · · · mn−1Tn−2(λn−12 ) mn−1Tn−1(λ2n) mnT0(λ21) mnT1(λ22) · · · mnTn(λn−12 ) mnTn−1(λ2n)
. (24)
Kemudian dengan mensubstitusikan persamaan (6) ke dalam persamaan (24) diper- oleh pola invers matriks transformasi sebagai berikut
T−1=
m1 −2m1 2m1 · · · −2m1 2m1 −m1
m2 −2 cosn−1π m2 2 cosn−12π m2 · · · 2 cosn−12π m1 −2 cosn−1π m2 m2
m3 −2 cosn−12π m3 2 cosn−14π m3 · · · −2 cosn−14π m3 2 cosn−12π m3 −m3
..
. ... ... · · ·
..
. ... ...
mn−2 2 cosn−12π mn−2 2 cosn−14π mn−2 · · · 2 cosn−14π mn−2 2 cosn−12π mn−2 mn−2
mn−1 2 cosn−1π mn−1 2 cosn−12π mn−1 · · · −2 cosn−12π mn−1 −2 cosn−1π mn−1 −mn−1
mn 2mn 2mn · · · 2mn 2mn mn
,
(25)
dengan mensubsitusikan persamaan (20) dan persamaan (25) ke dalam persamaan T−1T = I diperoleh
m1 = mn= 1
2n − 2, (26)
dan untuk i ∈ {2, 3, . . . , n − 1} diperoleh mi = 1
2k − 1 = 1
n− 1. (27)
Berdasarkan persamaan (25) dan persamaan (27), diperoleh nilai invers dari matriks transformasi sebagai berikut:
T−1= 1 2n − 2
1 −2 2 · · · −2 2 −1
2 −4 cosn−1π 4 cosn−12π · · · 4 cosn−12π −4 cosn−1π 2 2 −4 cosn−12π 4 cosn−14π · · · −4 cosn−14π 4 cosn−12π −2 ... .
.. .
.. · · ·
... .
.. .
..
2 4 cosn−12π 4 cosn−14π · · · 4 cosn−14π 4 cosn−12π 2 2 4 cosn−1π 4 cosn−12π · · · −4 cosn−12π −4 cosn−1π −2
1 2 2 · · · 2 2 1
(28)
5. PANGKAT BILANGAN BULAT POSITIF MATRIKS TRIDIAGONAL ORDE GANJIL
Pada bagian ini dibahas rumusan dalam menentukan pangkat bilangan bulat positif matriks tridiagonal orde ganjil pada persamaan (5), dengan menggunakan rumusan pada bagian 4 dalam merumuskan matriks transformasi dan invers matriks trans- formasi. Dalam menentukan transformasi matriks yaitu dengan mensubstitusikan persamaan (6) ke dalam persamaan (19) sehingga diperoleh pola sebagai berikut:
T =
1 1 1 · · · 1 · · · 1 1 1
−1 − cosn−1π − cosn−12π · · · cosπ2 · · · cosn−12π cosn−1π 1 1 cosn−12π cosn−14π · · · cos2π2 · · · cosn−14π cosn−12π 1 ..
. ... ... · · ·
..
. · · · ..
. ... ... cos(n−1)π2 − cosπ2 − cos2π2 · · · cos(n−122 )π · · · cos2π2 cosπ2 1
..
. ... ... · · ·
..
. · · · ..
. ... ...
−1 cosn−12π − cosn−14π · · · − cos2π2 · · · cosn−14π − cosn−12π 1 1 − cosn−1π cosn−12π · · · − cosπ2 · · · cosn−12π − cosn−1π 1
1 −1 1 · · · cos(n−1)π2 · · · 1 −1 1
. (29)
Akan dicari invers dari persamaan (29). Dalam menentukan invers transfor- masi matriks dari matriks tridiagonal orde ganjil yakni dengan mensubstitusikan persamaan (6) ke dalam persamaan (24) sehingga diperoleh pola yaitu
T−1=
m1 −2m1 · · · 2 cos(n−1)π2 m1 · · · −2m1 m1
m2 −2 cosn−1π m2 · · · −2 cosπ2m2 · · · 2 cosn−1π m2 −m2
... .
.. · · ·
... · · ·
... .
..
mj 2 cosπ2mj · · · 2 cos(n−122 )πmj · · · −2 cosπ2mj 2 cos(n−1)π2 mj
... .
.. · · ·
... · · ·
... .
..
mn−1 2 cosn−1π mn−1 · · · 2 cosπ2mn−1 · · · −2 cosn−1π mn−1 −mn−1
mn 2mn · · · 2mn · · · 2mn mn
(30)
dengan j = n+12 . Substitusikan persamaan (29) dan persamaan (30) ke dalam per- samaan T−1T = I sehingga diperoleh
m1 = mn= 1
2n − 2, (31)
dan untuk i ∈ {2, 3, . . . , n − 1},
mi = 1
n− 1. (32)
Misalkan b = n − j dan j = n+12 dan dari persamaan (30) dan persamaan (32), diperoleh nilai invers dari persamaan (29) yaitu:
T−1=
1 −2 2 · · · 2 cos(n−1)π2 · · · −2 2 −1
2 −4 cosn−1π 4 cosn−12π · · · 4 cos(n−2)π2 · · · −4 cosn−12π 4 cosn−1π −2 2 −4 cosn−12π 4 cosn−14π · · · 2 cos(n−3)π2 · · · 4 cosn−14π −4 cosn−12π 2
..
. ... ... · · ·
..
. · · ·
..
. ... ...
2 4 cosπ2 4 cosn−12π · · · 4 cos(n−122 )π · · · 4 cos(n−3)π2 4 cos(n−2)π2 2 cos(n−1)π2
... ... ... · · · ... · · · ... ... ...
2 4 cosn−12π 4 cosn−14π · · · 4 cos2π2 · · · 4 cosn−14π 4 cosn−12π 2 2 4 cosn−1π 4 cosn−12π · · · 4 cosπ2 · · · −4 cosn−12π −4 cosn−1π −2
1 2 2 · · · 2 · · · 2 2 1
,
dengan y = 2n−21 (33)
4. KESIMPULAN
Berdasarkan pembahasan yang telah dikemukakan sebelumnya, disimpulkan bahwa dengan menggunakan polinomial Chebyshev dapat ditentukan pangkat dari matriks tridiagonal. Misalkan jika B = Ak maka pangkat dari matriks tridiagonal A dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan B = T JkT−1, serta pada skripsi ini juga menimbang 2 kasus kondisi saat matriks tridiagonal berorde genap n = 2p dan saat matriks tridiagonal berorde ganjil n = 2p + 1 dengan p ∈ N.
Langkah pertama yaitu menentukan nilai eigen dari matriks tridiagonal A. Ke- mudian dengan menggunakan formulasi transformasi matriks dan invers matriks tridiagonal A yang diperoleh untuk menentukan pangkat dari matriks tridiagonal A.
Ucapan terima kasih Ucapan terima kasih kepada Dr. Sri Gemawati, M.Si.
yang telah membimbing dan memberikan arahan dalam penulisan artikel ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] H. Anton dan C. Rorres, Elementary Linear Algebra, Eleventh Edition, John Wiley and Sons, Hoboken, 2013.
[2] H. Anton dan C. Rorrer, Aljabar Linear Elementary, Eighth Edition. Jakarta, 2004.
[3] M. Beiranvand dan M. G. Kamalvand, On computing of integer positive powers for one type of tridiagonal and antitridiagonal matrices of even order, Journal of Linear and Topological Algebra, 10 (2021), 59-69.
[4] R. Bronson, Matrix Methods, Academic Press, INC., New Jersey, 1991.
[5] S. K. Jain dan A. D. Gunawaderna, Linear Algebra An Interactive Approach, Brooks/Cole Publishing Company, Canada, 2004.
[6] M. Golubitsky dan M. Dellnitz, Linear Algebra and Differential Equation Using Matlab, Brooks/Cole Publishing Company, Pacific Grove, 1999.
[7] J. Gutierrez , Binomial coefficients and powers of large tridiagonal matrices with constant diagonals, Applied Mathematics Computation, 219 (2013), 9219-9222.
[8] J. Gutierrez , Positive integer powers of certain tridiagonal matrices, Applied Mathematics Computation, 202 (2008), 133-140.
[9] C. Clapham, J. Nicholson, Concise Dictionary of Mathematics, Oxford Univer- sity Press Inc., New York, 2003.
[10] J. C. Mason, Chebysev Polinomials, CRC Press Company, New York, 2003.
[11] A. Oteles, M. Akbulak, Positive integer powers of certain complex tridiagonal matrices , Mathematical Sciences Letters, 1 (2013), 63-72.
[12] J. Rimas, On computing of arbitrary positive integer powers for one type of symmetric tridiagonal matrices of even order—II, Applied Mathematics Com- putation 172 (2006), 245–251
[13] F. Zhang, Matrix Theory, Second Edition, Springer, New York, 2011.