6 Sistem Persamaan Linear

Transkripsi

1 6 Sistem Persamaan Linear Pada bab, kita diminta untuk mencari suatu nilai x yang memenuhi persamaan f(x) = 0. Pada bab ini, masalah tersebut diperumum dengan mencari x = (x, x,..., x n ) yang secara sekaligus memenuhi beberapa persamaan berikut f (x, x,..., x n ) =0 f (x, x,..., x n ) =0 f n (x, x,..., x n ) =0 Atau dapat ditulis dalam bentuk sebagai berikut.. denganf, f,..., f n fungsi linear a x + a x a n x n = b a x + a x a n x n = b.. a m x + a m x a mn x n = b n Untuk menyelesaikan sistem persamaan linear seperti ini, akan digunakan metode, yakni: Sistem Linear segitiga atas, eliminasi Gauss dan pivoting dan faktorisasi LU. 6. Sistem Linear Segitiga Atas Metode ini pernah dipelajari pada tingkat yang lebih awal. Caranya adalah mengeliminasi sistem persamaan sehingga didapatkan sistem linear dalam bentuk segitiga atas. Bentuk seperti ini memudahkan kita untuk melakukan substitusi balik dan mendapatkan solusi bagi sistem persamaan linear yang dimaksud. Contoh: Selesaikan sistem persamaan linear berikut x x + 4 = x x + = 7 x + x 5 = 7 Solusi: Eliminasi Gauss akan dikenakan pada matriks lengkap dari sistem persamaan linear di atas sebagai berikut Yang diberi tanda kotak adalah baris yang menjadi tumpuan (pivot row). Sistem persamaan linear di atas telah menjadi bentuk matriks segitiga atas. Dengan menggunakan substitusi balik, diperoleh solusi bagi sistem persamaan linear di atas adalah = 7/5 7 = x + 0( ) = 4 x = = x ( 0.848) + 4( ) = x =.7596

2 Latihan : Selesaikan sistem persamaan linear berikut dengan menggunakan substitusi balik 4x x + + = 0 x = = = 4 = 6 Latihan : Tunjukkan bahwa sistem persamaan linear berikut tidak memiliki solusi 4x x + + = 0 0x = = 4 = 6 Contoh : Tunjukkan bahwa sistem persamaan linear berikut memiliki solusi tak hingga banyak. 4x x + + = 0 0x = 7 6. Eliminasi Gauss dan Pivoting = 4 = 6 Eliminasi Gauss yang biasa kadang tidak memberikan hasil sesuai kenyataan, terutama dimana elemen tumpuan nol. Untuk lebih jelasnya, perhatikan kasus berikut. Ini adalah matriks lengkap dari suatu sistem persamaan linear Ax = b Solusi dari sistem ini adalah [0.9999; ]. Periksalah bahwa nilai-nilai ini memenuhi kedua persamaa tersebut secara sekaligus. Selanjutnya dengan menggunakan cara yang diberikan pada subbab sebelumnya akan diperiksa bahwa hasil yang diperoleh ternyata berbeda. Gunakan baris sebagai tumpuan. Dengan demikian entri- akan berisi nol dan entri- = /0.000 = 000 dan entri- = /0.000 = Dengan menggunakan substitusi balik, diperoleh bahwa x = = x = = 0 Ini jelas jauh berbeda dari solusi sebenarnya. Hal ini disebabkan oleh pemilihan elemen tumpuan yang sangat kecil. Hal ini ditanggulangi dengan mencari elemen pada kolom

3 tumpuan dan mengubah entri terbesar menjadi elemen tumpuan. Pada soal ini, karena 0.4 > 0.000, kedua baris dipertukarkan sehingga baris kedua menjadi baris tumpuan sebagai berikut Dengan substitusi balik diperoleh x = = x = (0. + (0.)) = 0.4 Solusi ini mendekati solusi yang sebenarnya. Proses eliminasi Gauss dengan cara seperti ini dinamakan eliminasi Gauss dengan strategi penumpuan parsial. Sementara jika strategi ini dilakukan dengan mencari nilai terbesar dari suatu submatriks maka dinamakan dengan eliminasi Gauss dengan penumpuan total. Teknik lain dengan menggunakan penumpuan adalah dengan eliminasi Gauss dengan pivot parsial terskala. Misalkan urutan persamaan yang digunakan dinotasikan dengan vektor baris {l, l,..., l n }. Sebut l = [l, l,..., l n ] vektor indeks. Definisikan s i = max a ij dengan i n j n sehingga s = [s, s,..., s n ] disebut vektor skala. Pada awal proses, kita tidak langsung menggunakan persamaan () sebagai persamaan pivot tetapi menggunakan persamaan yang rasio antara a i, dengan s i untuk i n terbesar. Cara yang terbaik adalah:. Definisikan vektor indeks l = [l, l,..., l n ] = [,,..., n]. Pilih j indeks yang mempunyai rasio terbesar dalam himpunan ali : i n. Tukar l j menjadi l vektor indeks l 4. Kalikan baris l dengan konstanta a li a l dan kurangkan dengan baris l i dengan i n 5. Ulangi langkah () (4) s li Tentukan solusi dari SPL berikut ini: x x =

4 Mula-mula vektor indeks l = [,,, 4] dan vektor skala s = [, 8, 6, ] Perhatikan rasio berikut: ali max : i =,,, 4 = max s li, 6 8, 6 6, = Nilai maksimumnya muncul pada indeks j =. Sehingga baris () menjadi persamaan pivot. Diperoleh: x x = sehingga vektor indeks yang baru l = [,,, 4]. Langkah selanjutnya perhatikan rasio berikut: ali max : i =,, 4 = max s li 8,, 4 = maka pilih j = dan vektor indeks yang baru l = [,,, 4] dan = Perhatikan rasio berikut: ali max : i =, 4 s li x x 45 / = max 8, / = 54 maka pilih j = dan vektor indeks yang baru tetap l = [,,, 4] dan Jadi solusi SPL tersebut adalah = 6 6 x x = = 45 6 x = = 7 8( ) () x = = 6 + () ( ) 4() = = 6 Tugas Mandiri: Untuk tiap soal berikut, kecuali yang soalnya diberikan, selesaikan dengan menggunakan eliminasi Gauss baik dengan tanpa penumpuan maupan dengan penumpuan (parsial dan total). Bandingkan hasil yang diperoleh. 5

5 .. x + 4x + = 6 x + 5x = 6x + x + 7 = x x =. Tunjukkan bahwa SPL berikut mempunyai solusi tunggal jika α = 0, tidak ada solusi jika α = dan mempunyai banyak solusi jika α =. x + 4x + α = 6 x x + α = αx + x + = 5 4. x + x = 7 x + x = 9 4x + + = 0 4 = 5. Tentukan parabola y = A + Bx + Cx yang melalui (,4), (,7), dan (,4). 6. Analogi soal nomor 5 melalui titik (,6),(,5), dan (,) 7. Tentukan persamaan kubik y = A + Bx + Cx + D yang melalui (0,0),(,),(,) dan (,). 8. Selesaikan dengan menggunakan pembulatan 4 digit di belakan koma. Gunakan eliminasi Gauss dengan pivot parsial dan eliminasi Gauss dengan pivot parsial terskala. (a) (b) x x + 00 = x + 0x 0.00 = 0 x 00x = 0 x + 0x = 0 x 5x = 5x + x 00 0 = 0 x 00x + = 0 6

6 6. Faktorisasi LU Sistem Persamaan Linear n n dapat ditulis dalam bentuk matriks: dengan A merupakan matriks koefisien yang berbentuk: a a a a n a a a a n A = a a a a n a n a n a n a nn Ax = b () Akan ditunjukkan bahwa algoritma Gauss sederhana yang diterapkan pada A dapat memfaktorkan A menjadi hasil kali dua matriks sederhana yaitu matriks diagonal bawah l L = l l l n l n l n dan matriks diagonal atas U = u u u u n u u u n u u n.... u nn Dengan kata lain, dapat diperoleh A = LU Contoh: Misalkan diberikan SPL sebagai berikut: 6 4 x x = Setelah dilakukan eliminasi Gauss sederhana diperoleh SPL sebagai berikut: 6 4 x x = 6 9 () Eliminasi ini dapat diinterpretasikan bahwa dari persamaan () dapat diperoleh: MAx = Mb (4) 7

7 dengan matriks M dipilih sedemikian sehingga M A adalah matriks koefisien untuk SPL pada persamaan (). Sehingga diperoleh MA = = U Langkah pertama pada eliminasi Gauss sederhana menghasilkan SPL: 6 4 x x 0 8 = Langkah ini dapat diinterpretasikan dari persamaan () dapat diperoleh: dengan M = M Ax = M b Perhatikan bahwa matriks M merupakan matriks dengan diagonal utamanya bernilai, dan hanya kolom pertama yang berisi elemen tak nol dan bilangan ini merupakan negatif dari koefisien pengali masing-masing baris. Langkah kedua pada eliminasi Gauss sederhana menghasilkan SPL: x x = yang ekivalen dengan M M Ax = M M b dengan M = Begitu juga dengan langkah ketiga ekivalen dengan M M M Ax = M M M b dengan M =

8 Secara lengkap diperoleh: M = M M M (5) Sehingga dari persamaan (4) dan (5) diperoleh A = M U = (M M M ) U = M M M U = LU Karena M k adalah matriks spesial maka M k pada elemen negatif pengali Sehingga diperoleh L = M = = M M dapat diperoleh dengan mengubah tanda Penyelesaian sistem persamaan linear ini adalah sebagai berikut. Bentuk di atas dapat dituliskan sebagai berikut (LU)x = b LY = b dengan Y = Ux = Selesaikan sistem persamaan LY = b untuk nilai - nilai Y. Kemudian dari Y yang diperoleh, selesaikan untuk nilai- nilai x, yakni solusi sistem persamaan linear yang dikehendaki. Matriks Permutasi Pada contoh yang dikerjakan di atas, diasumsikan tidak terdapat pertukaran baris pada saat melakukan eliminasi Gauss. Akan tetapi hal ini tidak dapat selalu terjadi. Sebagai contoh, perhatikan contoh berikut. A = (6) 9

9 Misalkan matriks A di atas memiliki faktorisasi LU, yakni u u u 4 8 = m 0 0 u u 5 m m 0 0 u Periksalah bahwa kita akan mendapatkan hal - hal yang bertentangan, sehingga matriks A di atas tidak dapat dibuat faktorisasi LU. Akan tetapi, hal ini dapat diatasi dengan mengalikan matriks A dengan matriks permutasi. Matriks Permutasi Matriks Permutasi N N adalah matriks yang mempunyai tepat satu buah elemen pada setiap baris dan kolom, yakni dan 0 selain itu. Dengan demikian, baris-baris pada P adalah permutasi baris-baris dari matriks identitas. Sebagai contoh, matriks berikut adalah matriks permutasi P = = baris I 4 baris I 4 baris 4 I 4 baris I 4 Mengalikan sebarang matriks A 4 4 dari kiri dengan matriks permutasi di atas akan menghasilkan matriks A dengan baris bertukar dengan baris serta baris bertukar dengan baris 4. Verifikasilah hal ini. Pada masalah semula, faktorisasi LU atas matriks pada persamaan (6) tidak dapat dikerjakan. Hal ini dapat ditanggulangai dengan mengalikan A pada persamaan tersebut dengan matriks permutasi P sehingga diperoleh PA = = Verifikasilah bahwa matriks tersebut dapat difaktorisasi LU Tugas Mandiri: Tentukan faktorisasi LU dari matriks - matriks berikut