Aljabar Linear


Pengantar Sistem Pesamaan Linear 2 Variabel Sistem Persamaan Linear $n$ Variabel Matriks Matriks Bujur Sangkar Determinan Ruang Vektor Euclide Ruang Vektor Umum Tes Formatif

Determinan

Perhatikan sistem persamaan linear berikut, \begin{alignat*}{5} a_{11}x_1+a_{12}x_2=b_1\\ a_{21}x_1+a_{22}x_2=b_2\\ \end{alignat*} Diasumsikan sistem persamaan linear tersebut memiliki penyelesaian. Untuk mencari penyelesaiannya, dieliminasi terlebih dahulu variabel $x_2$ dengan cara mengalikan persamaan pertama dengan $a_{22}$ dan mengalikan persamaan kedua dengan $a_{12}$, kemudian mengurangkannya, \[ \begin{array}{lrrrll} a_{22}B1 : &a_{11} a_{22}x_1&+&a_{12}a_{22}x_2&=&b_1 a_{22}\\ a_{12}B2 : &a_{12}a_{21}x_1&+&a_{12}a_{22}x_2&=&b_2 a_{12}\\ \hline a_{22}B1-a_{21}B2: &a_{11} a_{22}x_1&-&a_{12}a_{21}x_1 &=& b_1 a_{22}- b_2 a_{12} \\ \end{array} \] Dari baris terakhir diperoleh penyelesaian untuk $x_1$, yaitu \[ x_1 = \frac{ b_1 a_{22}- b_2 a_{12}}{a_{11} a_{22}-a_{12}a_{21}}\] Dengan cara serupa, diperoleh penyelesaian untuk $x_2$, yaitu \[ x_2 = \frac{ b_2 a_{11}- b_1 a_{21}}{a_{11} a_{22}-a_{12}a_{21}}.\] Tampak bahwa pembilang maupun penyebut pada penyelesaian sistem persamaan linear tersebut merupakan seilisih hasil kali koefisien-koefisien pada matrik $AX=B$. Determinan suatu matriks bujur sangkar $A$ dituliskan $\det{A}$ atau $|A|$.

Determinan matriks orde 2, \begin{alignat*}{4} A= \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \\ \end{bmatrix} \end{alignat*} didefinisikan \begin{alignat*}{4} \det(A)= \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}. \end{alignat*}
CONTOH. Determinan matriks \begin{alignat*}{4} A= \begin{bmatrix} 2&4\\ -1&3 \end{bmatrix} \end{alignat*} adalah \[ \det(A) = \begin{vmatrix} 2&4\\ -1&3 \end{vmatrix} = 2\cdot 3 - 4 \cdot (-1) =10. \]
Determinan matriks orde 3 \begin{alignat*}{4} A= \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{bmatrix} \end{alignat*} didefinisikan \begin{alignat*}{4} \det(A)= \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} =a_{11}a_{22}a_{33}+a_{21}a_{32}a_{13}+a_{31}a_{12}a_{23} -a_{13}a_{22}a_{31}-a_{23}a_{32}a_{11}-a_{33}a_{12}a_{21} \end{alignat*}

Skema berikut dapat digunakan untuk membantu mengingat rumus determinan matriks orde 2 dan orde 3. Skema determinan

CONTOH. Determinan matriks \begin{alignat*}{4} B= \begin{bmatrix} 2&2&6\\ 4&4&3\\ 0&-3&5 \end{bmatrix} \end{alignat*} adalah \[ \det(B) = \begin{vmatrix} 2&2&6\\ 4&4&3\\ 0&-3&5\\ \end{vmatrix} = 2\cdot 4 \cdot 5 + 2\cdot3\cdot0+6\cdot4\cdot(-3) - 2\cdot3\cdot(-3)-2\cdot4\cdot5-6\cdot4\cdot0=-54. \]

Sifat-sifat determinan

SIFAT

CONTOH.

SIFAT

CONTOH. Matriks berikut merupakan matriks segitiga. \begin{alignat*}{4} A= \begin{bmatrix} 1&9&3\\ 0 & -2 &2\\ 0&0&17 \end{bmatrix} \end{alignat*} Oleh karena itu determinan matriks ini sama dengan perkalian unsur-unsur pada diagonal utamanya, yaitu \begin{alignat*}{4} det(A)= \begin{vmatrix} 1&9&3\\ 0 & -2 &2\\ 0&0&17 \end{vmatrix} = 1 \cdot (-2) \cdot 17 = -34 \end{alignat*}

SIFAT Determinan matriks jika dikenai operasi baris elementer adalah sebagai berikut:

CONTOH. Diketahui \begin{alignat*}{4} A= \begin{bmatrix} 1&-2\\ 3&1\\ \end{bmatrix} \qquad \text{dan} \qquad B= \begin{bmatrix} 4&-8\\ 3&1\\ \end{bmatrix} \end{alignat*} Perhatikan bahwa matriks $\mathbf{B}$ diperoleh dengan cara mengalikan baris pertama matriks dengan bilangan $4$. Oleh karena itu \begin{alignat*}{4} \det{B}= 4\cdot \det(A) & =4 \begin{vmatrix} 1&-2\\ 3&1\\ \end{vmatrix} & =4\cdot 7=28 \end{alignat*}

Pengaruh operasi baris elementer terhadap sifat determinan ini sering digunakan untuk membantu mencari determinan. Seperti contoh berikut, operasi baris elementer digunakan untuk merubah matriks asal menjadi matriks segitiga.


CONTOH. Carilah determinan matriks \begin{alignat*}{4} A= \begin{bmatrix} 1&2&3\\ 4&5&6\\ 7&8&1\\ \end{bmatrix} \end{alignat*} PENYELESAIAN. Dengan operasi baris elementer dan menggunakan sifat di atas, \begin{alignat*}{4} \det{A}&= \begin{vmatrix} 1&2&3\\ 4&5&6\\ 7&8&1\\ \end{vmatrix} \\ \\ &= \begin{vmatrix} 1&2&3\\ 0&-3&-6\\ 0&-6&-20\\ \end{vmatrix} \\ \\ & =(-3) \begin{vmatrix} 1&2&3\\ 0&1&2\\ 0&-6&-20\\ \end{vmatrix} \\ \\ & =(-3) \begin{vmatrix} 1&2&3\\ 0&1&2\\ 0&0&-8\\ \end{vmatrix} \\ \\ & =(-3)\cdot 1 \cdot 1 \cdot (-8) = 24. \end{alignat*}

Adjoin

Diketahui Matriks \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}= \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12}&\cdots &a_{1n} \\ a_{21} & a_{22}&\cdots &a_{2n} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots\\ a_{m1} & a_{m2}& \cdots &a_{mn} \end{bmatrix} \end{alignat*} Tranpos matriks $A$ dituliskan $A^T$, didefinisikan \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}^T= \begin{bmatrix} a_{11} & a_{21}&\cdots &a_{m1} \\ a_{12} & a_{22}&\cdots &a_{m2} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots\\ a_{1n} & a_{2n} & \cdots &a_{nm} \end{bmatrix} \end{alignat*} Dengan demikian $\mathbf{A}^T$ adalah matriks yang dihasilkan dengan cara merubah baris-baris matriks $\mathbf{A}$ menjadi kolom-kolom.

CONTOH \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}= \begin{bmatrix} 2&2&6\\ 4&4&3\\ 0&-3&5 \end{bmatrix} \qquad \mathbf{B}= \begin{bmatrix} 1&-2&3\\ 5 & 7 & 3 \end{bmatrix} \end{alignat*} Tranpos matriks $A$ dan $B$ adalah \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}^T= \begin{bmatrix} 2&4&0\\ 2&4&-3\\ 6&3&5 \end{bmatrix} \qquad \mathbf{B}^T= \begin{bmatrix} 1&5\\ -2&7\\ 3&3 \end{bmatrix} \end{alignat*}

Diketahui $A$ matriks orde $n$. Kofaktor matriks $A$ adalah matriks \begin{alignat*}{4} \mathbf{C}= \begin{bmatrix} C_{11} & C_{12}&\cdots &C_{1n} \\ C_{21} & C_{22}&\cdots &C_{2n} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots\\ C_{n1} & C_{n2}& \cdots &C_{nn} \end{bmatrix} \end{alignat*} dimana $C_{ij}$ adalah kofaktor $ij$ matriks $A$, dengan $i=1,2,\cdots, n$ dan $j=1,2,\cdots, n$.

Tranpos matriks kofaktor $A$ dinamakan adjoin $A$, ditulis $adj(A)$, yakni \begin{alignat*}{4} adj(\mathbf{A})= \begin{bmatrix} C_{11} & C_{21}&\cdots &C_{n1} \\ C_{12} & C_{22}&\cdots &C_{n2} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots\\ C_{1n} & C_{2n}& \cdots &C_{nn} \end{bmatrix} \end{alignat*}

CONTOH \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}= \begin{bmatrix} 2&2&6\\ 4&4&3\\ 0&-3&5 \end{bmatrix} \end{alignat*} Dapat dicari kofaktor-kofaktor matriks $\mathbf{A}$: \[ C_{11}=29, \quad C_{12}=-20, \quad C_{13}=-12,\] \[ C_{21}=-28, \quad C_{22}=10, \quad C_{23}=6, \] \[ C_{31}=-18, \quad C_{32}=18, \quad C_{33}=0.\] Dengan demikian \begin{alignat*}{4} \mathbf{C}= \begin{bmatrix} 29&-20&-12\\ -28&10&6\\ -18&18&0 \end{bmatrix} \end{alignat*} dan \begin{alignat*}{4} adj(\mathbf{A})= \begin{bmatrix} 29&-28&-18\\ -20&10&18\\ -12&6&0 \end{bmatrix} \end{alignat*}
Adjoint dapat digunakan untuk mencari invers seperti dinyatakan dalam teorema berikut.
TEOREMA Jika matriks $\mathbf{A}$ memiliki invers, maka \[ \mathbf{A}^{-1}=\frac{1}{det(\mathbf{A})}adj(\mathbf{A}). \]
CONTOH Carilah invers matriks \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}= \begin{bmatrix} 1&-1&3\\ 7&1&2\\ 5&0&1 \end{bmatrix} \end{alignat*} PENYELESAIAN Kofaktor-kofaktor $\mathbf{A}$ adalah \[ C_{11}=1, \quad C_{12}=3, \quad C_{13}=-5,\] \[ C_{21}=1, \quad C_{22}=-14, \quad C_{23}=-5,\] \[ C_{31}=-5, \quad C_{32}=19,\quad C_{33}=8 \] Dengan demikian kofaktor $\mathbf{A}$ adalah \begin{alignat*}{4} \mathbf{C}= \begin{bmatrix} 1&3&-5\\ 1&-14&-5\\ -5&19&8 \end{bmatrix}, \end{alignat*} sehingga adjoin $\mathbf{A}$ adalah \begin{alignat*}{4} adj(\mathbf{A})= \begin{bmatrix} 1&1&-5\\ 3&-14&19\\ -5&-5&8 \end{bmatrix}. \end{alignat*} Determinan $\mathbf{A}$ dapat dihitung, misalnya dengan ekspasi Laplace baris ketiga, \[ det(\mathbf{A})= 5\cdot C_{31}+ 0\cdot C_{32}+ 1 \cdot C_{33} = 5\cdot (-5)+ 0\cdot 19+ 1 \cdot 8=-17. \] Akhirnya invers $adj(\mathbf{A})$ dapat diperoleh \begin{alignat*}{4} \mathbf{A}^{-1}= \frac{1}{det(\mathbf{A})}adj(\mathbf{A}) =\frac{1}{-17} \begin{bmatrix} 1&1&-5\\ 3&-14&19\\ -5&-5&8 \end{bmatrix} = adj(\mathbf{A})= \begin{bmatrix} \frac{-1}{17}&\frac{-1}{17}&\frac{5}{17}\\ \frac{-3}{17}&\frac{14}{17}&\frac{-19}{17}\\ \frac{5}{17}&\frac{5}{17}&\frac{-8}{17} \end{bmatrix}. \end{alignat*}
TEOREMA Pernyataan-pernyataan berikut ekivalen:
CONTOH Apakah sistem persamaan linear berikut memiliki penyelesaian? \begin{alignat*}{3} 2x_1+x_2+x_3=3\\ x_1-x_2-x_3=5\\ 3x_1+2x_2=1 \end{alignat*} PENYELESAIAN Matriks koefisien sistem persamaan linear tersebut adalah \begin{alignat*}{3} \mathbf{A}&= \begin{bmatrix} 2&1&1\\ 1&-1&-1\\ 3&2&0 \end{bmatrix} \end{alignat*} Determinannya adalah \[ det(\mathbf{A})= 2\cdot(-1)\cdot 0 + 1\cdot (-1)\cdot 3+1\cdot 1 \cdot 2 -1\cdot (-1)\cdot 3 - 1\cdot 1\cdot 0 - 2\cdot (-1) \cdot 2=6. \] Karena $det(\mathbf{A})\neq 0$ maka berdasarkan teorema di atas, sistem persaman tersebut memiliki penyelesaian tunggal.