Fungsi sebuah Matriks

6.7 Fungsi sebuah Matriks

6.7.1 Fungsi Polinomial sebuah Matriks

Matriks persegi sebarang A bisa dikalikan dengan dirinya sendiri. Hukum asosiatif dari perkalian matriks menjamin perkalian A dengan dirinya sendiri sebanyak n kali, yang dinyatakan dengan A n , merupakan operasi tak ambigu. Maka

A m A n =A m+n .

6. Nilai Eigen Matriks

Selanjutnya kita telah mendefinisikan invers sebuah matriks tak singular A −1 yaitu AA −1 =A −1

A = I. Sehingga secara alami kita bisa mendefinisikan

A 0 =A 1−1 = AA −1 = I, dan A −n =A −1 n . Dengan definisi ini, kita bisa mendefinisikan fungsi polinomial dari matriks persegi

melalui cara yang persis sama dengan polinomial skalar.

2 Sebagai contoh, jika f (x) = x 11 + 5x + 4 dan A = , kita mendefinsikan f (A)

23 01 18 30 Menarik untuk memperhatikan bahwa f (A) bisa dihitung dengan menggunakan

suku yang difaktorkan dari f (x). Sebagai contoh

f (x) = x 2 + 5x + 4 = (x + 1)(x + 4),

sehingga

f (A) = (A + I)(A + 4I)

Contoh 6.7.1. Carilah f (A) jika

6 2 1 Perhatikan bahwa f (A) juga bisa dihitung dengan pecahan parsial. Karena

A −1

f (x) = 2 =

x −1

2 x−1

2 x+1

6.7. Fungsi sebuah Matriks 303

6.7.2 Evaluasi Fungsi Matriks dengan Pendiagonalan

Ketika terdapat matriks persegi A mirip dengan matriks diagonal, penghitungan f (A) bisa lebih disederhanakan.

Jika A terdiagonalkan maka

S −1 AS = D,

dengan D adalah matriks diagonal. Maka:

Jika f (A) merupakan sebuah polinomial, maka:

f (A) = Sf (D)S −1 .

Selanjutnya karena D adalah matriks diagonal, maka elemennya adalah nilai eigen dari A

λ k 1 0 ···

 0 λ k 2 ···

0 0 ··· λ k n

f (λ 1 )

0 ···  0 f (λ 2 ) ···

f (D) = 

f (λ n )

Sehingga

f (λ 1 )

 0 f (λ 2 ) ···

f (A) = S   S −1

f (λ n )

6. Nilai Eigen Matriks

Contoh 6.7.2. Carilah f (A) jika

Solusi 6.7.2. Pertama, kita cari nilai eigen dari A,

1 3−λ Vektor eigen untuk λ 1 = 1 dan λ 2 = 2 berturut-turut adalah

f (A) = Sf (D)S −1

f (1) = −1, f(2) = 3,

f (A) = Sf (D)S

Contoh 6.7.3. Carilah matriks A sehingga

A 2 − 4A + 4I = 43 .

Solusi 6.7.3. Pertama, marilah kita diagonalkan ruas kanan

5 6−λ Vektor eigen untuk λ 1 = 1 dan λ 2 = 9 berturut-turut adalah

6.7. Fungsi sebuah Matriks 305

(A 2 − 4A + 4I)S = S −1

S=

56 09 Ruas kiri persamaan juga harus diagonal, karena ruas kanan berupa matriks diago-

nal. Karena kita telah menunjukkan sepanjang S −1 AS diagonal, maka S −1 A k S akan diagonal. Kita bisa mengasumsikan

S −1 AS =

Dari sini kita bisa memperoleh

S −1

10 (A 2 − 4A + 4I)S = 1 = ,

x − 4x 1 +4

09 yang memberikan

0 x 2 2 − 4x 2 +4

x 2 1 − 4x 1 +4=1 x 2 2 − 4x 2 + 4 = 9.

Dari persamaan pertama kita mempunyai x 1 = 1, 3, dan dari persamaan kedua kita ! x 1 0

memperoleh x 2 = 5, −1. Sehingga terdapat empat buah kombinasi untuk

0 x 2 yaitu !

05 0 −1 Sehingga persamaan asalnya memiliki empat buah solusi

05 8 1 1 2 57 dan dengan cara yang sama

6. Nilai Eigen Matriks

Untuk tiap fungsi skalar yang bisa dinyatakan dalam deret tak hingga, sebuah fungsi matriks yang berhubungan bisa didefinisikan. Sebagai contoh, dengan

=1+x+ x 2 + 1 x 3

A 1 2 e 1 =I+A+ A + A 3 +···.

Jika A terdiagonalkan, maka

S −1 AS = D, A n = SD n S −1 ,

e A =S 1 I+D+ D 2 + 1 D 3 +··· S −1 ,

Sehingga kita bisa memperoleh 

0 0 ··· 1+λ n + 1 λ 2 2 n +···

Contoh 6.7.4. Hitunglah e A , jika !

Solusi 6.7.4. Karena A simetrik maka terdiagonalkan.

yang memberikan λ = 6, −4. Vektor eigennya adalah

6.7. Fungsi sebuah Matriks 307

6.7.3 Teorema Cayley-Hamilton

Teorem Cayley-Hamilton yang terkenal menyatakan bahwa setiap matriks persegi me- menuhi persamaan karakteristiknya sendiri.

Hal ini berarti, jika P (λ) adalah polinomial karakteristik dari matriks A orde ke−n, maka P (λ) = |A − λI| = c n λ n +c n−1 λ n−1 +···+c 0 ,

sehingga P (A) = c n A n +c n−1 A n−1 +···+c 0 I = 0.

Untuk membuktikan teorema ini, misalkan x i adalah vektor eigen untuk λ i . Se- hingga

P (λ i ) = 0, Ax i =λ i x i .

Sekarang P (A)x

i =c n A +c n−1 A n−1 +···+c 0 I x i =c n λ n i +c n−1 λ n−1 i +···+c 0 x i

= P (λ i )x i = 0x i .

Karena ini berlaku untuk semua vektor eigen dari A, P (A) haruslah matriks nol. Sebagai contoh, jika

12 A=

P (λ) =

P (A) =

6. Nilai Eigen Matriks

Invers dengan Teorema Cayley-Hamilton Teorema Cayley-Hamilton bisa digunakan untuk mencari invers dari matriks persegi.

Kita mulai dari persamaan karakteristik dari A P (λ) = |A − λI| = c n λ n +c n−1 λ n−1 +···+c 1 λ+c 0 , kita memiliki

P (A) = c n A n +c n−1 A n−1 +···+c 1 A+c 0 I = 0. Mengalikan persamaan dari kiri dengan A −1 , kita peroleh

A −1 P (A) = c n A n−1 +c n−1 A n−2 +···+c 1 I+c 0 A −1 = 0. Sehingga

A −1 =−

c n−1 A +···+c 1 I 0 .

c n A n−1 +c

n−2

Contoh 6.7.5. Carilah A −1 dengan teorema Cayley-Hamilton jika

A= 

Solusi 6.7.5. 

P (λ) =   2 0 4−λ 3 −1   = 6 − 11λ + 6λ −λ ,

kemudian

2 P (A) = 6I − 11A + 6A 3 −A ,

A −1 P (A) = 6A −1

− 11I + 6A − A 2 = 0,

A −1 =

6 − 6A + 11I

A −1 =   0 4 −1   04 −1 

6.7. Fungsi sebuah Matriks 309

Dapat dengan mudah diverifikasi bahwa

Matriks dengan Pangkat yang Tinggi Salah satu aplikasi penting dari teorema Cayley-Hamilton adalah dalam representasi

matriks dengan pangkat yang derajatnya tinggi. Dari persamaan P (A) = 0, kita mempunyai

(6.39) Kalikan dengan A

c n n−1 A +c n−2 A +···+c 1 A+c 0 I .

A n+1

c n−1 A n +c n−2 A n−1 +···+c 1 A 2 +c 0 A , (6.40)

dan menggantikan A n dari (6.39) ke (6.40), kita mempunyai

A +···+ n−1 − + I. (6.41)

c 2 n Jelas bahwa proses ini bisa dilanjutkan. Sehingga sebarang pangkat bilangan bulat

dari sebuah matriks berorde n bisa direduksi menjadi polinomial dari matriks, dengan derajat pangkat paling tinggi adalah n − 1. Sehingga kita bisa memperoleh pangkat

yang tinggi dari A.

Contoh 6.7.6. Carilah A 100 , jika

Solusi 6.7.6. Karena 1−λ

nilai eigen dari A adalah λ 1 = 4 dan λ 2 = −2. Nilai eigen dari A 100 haruslah λ 100 1 dan λ 100 2 , yaitu

A 100 x 1 =λ 100 1 x 1 , A 100 x 2 =λ 100 2 x 2 .

6. Nilai Eigen Matriks

Di lain pihak, dari teorema Cayley-Hamilton, kita tahu bahwa A 100 bisa dinyatakan sebagai kombinasi linier dari A dan I karena A adalah matriks dengan orde 2 (n = 2).

A 100 = αA + βI,

dan

A 100 x 1 = (αA + βI)x 1 = (αλ 1 + β)x 1 ,

A 100 x 2 = (αA + βI)x 2 = (αλ 2 + β)x 2 .

Sehingga

Dari sini