Determinan

Dari testwiki
Revisi sejak 28 Februari 2025 08.59 oleh imported>Nur Sifatullah (โ†’growthexperiments-addlink-summary-summary:1|1|0)
(beda) โ† Revisi sebelumnya | Revisi terkini (beda) | Revisi selanjutnya โ†’ (beda)
Loncat ke navigasi Loncat ke pencarian

Templat:About

Luas jajar genjang pada gambar di atas sama dengan nilai absolut dari determinan matriks yang dibentuk oleh vektor (a,b) dan vektor (c,d), yang mewakili sisi-sisi jajar genjang.

Dalam matematika khususnya aljabar linear, determinan (Templat:Lang-en) adalah nilai skalar yang dihasilkan fungsi dari entri-entri suatu matriks persegi. Determinan dari matriks Templat:Math umumnya dinyatakan dengan notasi Templat:Math, Templat:Math, atau Templat:Math. Determinan dapat dianggap sebagai faktor penskalaan transformasi yang digambarkan oleh matriks. Nilai determinan mencirikan beberapa sifat dari matriks tersebut, dan peta linear yang diwakili oleh matriks tersebut. Contohnya, determinan bernilai tidak nol jika dan hanya jika matriks tersebut tidak singular dan peta linear yang diwakilinya merupakan suatu isomorfisme. Determinan dari hasil perkalian matriks-matriks sama dengan hasil perkalian dari determinan matriks-matriks tersebut.

Determinan dari matriks Templat:Math adalah

|abcd|=adbc,

dan determinan dari matriks Templat:Math adalah

|abcdefghi|=aei+bfg+cdhcegbdiafh.

Determinan dari matriks ukuran Templat:Math dapat didefinisikan dalam beberapa cara yang berbeda. Cara paling umum adalah rumus Leibniz, yang menyatakan determinan sebagai jumlah dari n! (Templat:Mvar faktorial) perkalian bertanda dari entri-entri matriks. Cara ini selanjutnya dapat dihitung dengan ekspansi Laplace yang menyatakan determinan sebagai kombinasi linear dari determinan-determinan submatriks; atau dengan eliminasi Gauss yang menyatakan determinan sebagai hasil kali entri-entri diagonal dari matriks diagonal, yang diperoleh dengan serangkaian operasi baris elementer. Determinan juga dapat didefinisikan dari beberapa sifat mereka. Determinan adalah suatu fungsi unik yang didefinisikan pada matriks Templat:Math dan memiliki empat sifat berikut: determinan dari matriks identitas bernilai Templat:Math; pertukaran dua baris matriks akan mengalikan nilai determinan dengan Templat:Math; mengalikan sebuah baris dengan sebuah bilangan, akan mengalikan nilai determinan dengan bilangan tersebut; dan menambahkan kelipatan dari sebuah baris dengan baris lainnya tidak mengubah determinan.

Determinan umum muncul dalam matematika. Sebagai contoh, sebuah matriks sering digunakan untuk merepresentasikan koefisien-koefisien dalam sebuah sistem persamaan linear, dan determinan dapat digunakan untuk menyelesaikan sistem tersebut (aturan Cramer); meskipun ada metode penyelesaian lain yang jauh lebih efisien secara komputasi. Determinan digunakan untuk menentukan polinomial karakteristik dari sebuah matriks, yang akar-akarnya adalah nilai-nilai eigen matriks tersebut. Dalam geometri, volume bertanda dari jajar genjang Templat:Mvar-dimensi dapat dinyatakan dengan sebuah determinan, dan determinan dari (matriks) transformasi linear menentukan cara orientasi dan volume objek Templat:Mvar-dimensi berubah. Hal ini selanjutnya digunakan determinan Jacobi dalam kalkulus, khususnya untuk subtitusi variabel dalam integral lipat.

Matriks persegi dimensi 2

Determinan dari matriks ukuran 2×2 dengan entri-entri (abcd), umumnya disimbolkan antara dengan "Templat:Math" atau dengan garis tegak diantara matriks. Nilai dari determinannya selanjutnya didefinisikan sebagai

det(abcd)=|abcd|=adbc.

Berikut adalah sebuah contoh perhitungan determinan,

det(3714)=|3714|=3(4)71=19.

Determinan memiliki beberapa sifat penting yang dapat dibuktikan dengan menggunakan definisi determinan untuk matriks 2×2. Sifat-sifat ini selanjutnya masih berlaku untuk determinan matriks yang berukuran lebih besar. Sifat-sifat itu adalah:[1] pertama, determinan dari matriks identitas (1001) bernilai 1. Kedua, determinan akan bernilai nol jika ada dua baris yang sama pada matriks; secara aljabar: |abab|=abba=0. Sifat ini juga berlaku ketika ada dua kolom yang sama. Lebih lanjut, mengubah semua entri pada sembarang kolom (atau baris) pada matriks akan menghasilkan hubungan:|ab+bcd+d|=a(d+d)(b+b)c=|abcd|+|abcd|.Terakhir, jika sembarang kolom (atau baris) dikalikan dengan bilangan r (artinya setiap entri pada kolom tersebut dikalikan dengan bilangan tersebut), nilai determinan matriks tersebut juga akan dikalikan dengan bilangan tersebut:

|rabrcd|=radbrc=r(adbc)=r|abcd|.

Makna geometris

Luas jajar genjang adalah nilai absolut dari determinan matriks yang dibentuk oleh vektor-vektor yang mewakili sisi-sisi jajar genjang tersebut.

Jika entri-entri matriks berupa bilangan riil, matriks Templat:Math dapat digunakan untuk merepresentasikan dua peta linear: satu yang memetakan vektor basis standar ke baris-baris dari Templat:Math, dan satu lagi yang memetakannya ke kolom-kolom dari Templat:Math. Pada kedua kasus tersebut, bayangan dari vektor-vektor basis akan membentuk sebuah jajar genjang yang merepresentasikan bayangan persegi satuan akibat pemetaan tersebut. Menggunakan matriks Templat:Math pada bagian sebelumnya, jajar genjang yang didefinisikan oleh baris-baris matriks memiliki titik-titik sudut di Templat:Math, Templat:Math, Templat:Math, dan Templat:Math, seperti yang ditunjukkan pada diagram disamping.

Nilai absolut dari Templat:Math menyatakan luas dari jajar genjang, dan dengan demikian, mewakili faktor skala yang digunakan untuk mentransformasikan persegi satuan. (Jajar genjang yang dibentuk oleh kolom-kolom Templat:Math pada umumnya merupakan jajar genjang yang berbeda dengan yang dibentuk dari baris-baris Templat:Math, namun karena determinan bersifat simetris terhadap baris dan kolom, maka luasnya akan sama).

Nilai absolut dari determinan bersama dengan tandanya menjadi luas bertanda (oriented area) dari jajar genjang. Luas bertanda sama dengan luas yang biasa, kecuali luas akan bernilai negatif ketika sudut dari vektor pertama ke vektor kedua yang mendefinisikan jajar genjang, bergerak searah jarum jam (yang berlawanan arah, dengan arah yang didapat untuk matriks identitas).

Untuk menunjukkan bahwa Templat:Math adalah luas bertanda, kita dapat memisalkan sebuah matriks yang berisi dua vektor, Templat:Math dan Templat:Math, yang merepresentasikan sisi-sisi jajar genjang. Luas jajar genjang yang dibentuk dari kedua vektor tersebut dapat dinyatakan sebagai Templat:Math, dengan ฮธ adalah sudut diantara vektor-vektor tersebut. Karena sifat sinus, luas ini sudah merupakan luas bertanda. Kosinus dapat digunakan untuk lebih menunjukkan hubungan dengan perkalian vektor, yakni menggunakan sudut komplementer ke vektor tegak lurus, misalnya Templat:Math sehingga luas juga dapat ditulis sebagai Templat:Math:Luas bertanda =|๐’–||๐’—|sinθ=|๐’–||๐’—|cosθ=(ba)(cd)=adbc.Dengan demikian, determinan menyatakan faktor penskalaan dan arah (tanda, orientasi) yang dihasilkan, oleh pemetaan yang diwakili oleh Templat:Math. Ketika determinan bernilai Templat:Math, peta linear yang didefinisikan oleh matriks tersebut bersifat equi-ariil dan orientation-preserving.

Volume balok jajar genjang ini adalah nilai absolut dari determinan matriks yang dibentuk oleh kolom-kolom yang dibangun dari vektor r1, r2, dan r3.

Jika matriks riil Templat:Math ukuran Templat:Math ditulis dalam komponen vektor-vektor kolomnya, sehingga A=[๐š1๐š2๐šn], makaA(100)=๐š1,A(010)=๐š2,,A(001)=๐šn.Hal ini mengartikan Templat:Math memetakan kubus dimensi-Templat:Math menjadi balok jajar genjang dimensi-Templat:Math dengan sisi-sisi berupa vektor-vektor ๐š1,๐š2,,๐šn, dengan domain P={c1๐š1++cn๐šn0ci1 i}.Nilai determinan menyatakan volume dimensi-Templat:Math bertanda dari balok jajar genjang ini, dan secara lebih umum faktor penskalaan objek dimensi-Templat:Math akibat transformasi linear yang dihasilkan oleh Templat:Math.[2] (Tanda dari nilai determinan menunjukkan apakah transformasi mengawetkan (preserve) orientasi atau tidak). Secara khusus, jika determinan bernilai nol, maka balok jajar genjang memiliki volume nol dan tidak berada di dimensi-Templat:Math sepenuhnya, yang selanjutnya mengartikan dimensi dari bayangan Templat:Math kurang dari Templat:Math. Hal ini (menggunakan teorema rank-nolitas) menunjukkan transformasi Templat:Math tidak bersifat surjektif maupun bijektif, sehingga tidak terbalikkan (invertibel).

Sejarah

Dari sisi sejarah, determinan sudah digunakan sebelum konsep matriks muncul. Determinan awalnya dianggap sebagai salah satu sifat dari sistem persamaan linear untuk menentukan (determines) apakah sistem tersebut memiliki solusi yang unik (yang hanya terjadi ketika determinan bernilai tak-nol). Dalam konteks ini, determinan pertama kali digunakan dalam buku teks China Jiuzhang Suanshu sekitar abad ke-3 SM. Di Eropa, solusi dari sistem linear dua persamaan dapat dinyatakan dengan objek mirip-determinan oleh Cardano pada tahun 1545.[3]

Pembahasan yang lebih terstruktur terkait determinan berasal dari karya Seki Takakazu di Jepang pada tahun 1683, dan secara bersamaan oleh Leibniz pada tahun 1693.[4][5][6][7] Templat:Harvtxt menyatakan aturan Cramer, namun tanpa menyertakan bukti.[8] Cramer dan Templat:Harvtxt mempelajari determinan karena hubungannya dengan kurva pada bidang yang melewati suatu himpunan titik.[9]

Vandermonde (1771) adalah yang pertama menganggap determinan sebagai suatu fungsi tersendiri.[5] Templat:Harvtxt menyusun metode umum untuk menjabarkan determinan matriks dengan menggunakan komplemen dari minor-minornya; dengan kasus khusus metode ini sudah dibuat oleh Vandermonde[10] Langsung setelah itu, Lagrange (1773) meneliti determinan orde kedua dan ketiga dan menerapkannya pada pertanyaan-pertanyaan terkait teori eliminasi, nama lawas bagi pendekatan algoritmik untuk menghilangkan beberapa variabel pada beberapa polinomial multivariabel.

Perkembangan besar selanjutnya dibuat oleh Gauss pada tahun 1801. Seperti Lagrange, ia banyak menggunakan determinan dalam teori bilangan. Ia juga memperkenalkan istilah "determinant" (Laplace menggunakan istilah "resultant"), walau tidak dalam pemahaman modern melainkan sebagai diskriminan dari polinomial homogen.[11] Gauss juga mengembangkan konsep kebalikan (invers) dari determinan.

Selanjutnya pada tahun 1811-1812, Binet menyatakan secara formal teorema terkait perkalian dua matriks dengan m kolom dan n baris, yang pada kasus khusus m=n=1 tereduksi menjadi teorema perkalian bilangan. Pada hari yang sama (30 November 1812) Binet mempresentasikan karyanya ke Akademi, Cauchy juga mempresentasikan karya dengan topik serupa. (lihat rumus Cauchyโ€“Binet.) Dalam karya ini Cauchy menggunakan istilah "determinan" dalam pengertian modern saat ini,[12][13] merangkum dan menyederhanakan hal-hal yang telah diketahui, memperbaiki notasi, dan memberikan bukti teorema perkalian yang lebih memuaskan ketimbang Binet.[5][14] Hal ini yang memulai teori terkait determinan secara umum.

Templat:Harvtxt mengembangkan determinan fungsional yang selanjutnya oleh Sylvester disebut matriks Jacobi.[15] Templat:Harvnb memperkenalkan notasi modern untuk determinan, yang menggunakan dua bar tegak.[16][17] Penelitian terkait bentuk-bentuk khusus dari determinan selanjutnya muncul secara alami sebagai akibat dari teori umum yang sudah lengkap.

Definisi

Misalkan A adalah matriks persegi berdimensi-n, yang dapat dituliskan sebagai berikutA=[a1,1a1,2a1,na2,1a2,2a2,nan,1an,2an,n].Elemen-elemen dari A umumnya berupa bilangan riil atau bilangan kompleks, namun determinan juga dapat didefinisikan untuk matriks dengan elemennya berasal dari gelanggang komutatif. Terdapat banyak cara berbeda namun setara untuk mendefinisikan determinan dari A. Rumus Leibniz mendefinisikan rumus eksplisit yang menggunakan penjumlahan dari perkalian elemen-elemen matriks. Beberapa cara lain menggunakan fungsi dari elemen-elemen matriks yang memenuhi sifat-sifat tertentu; pendekatan ini dapat digunakan untuk mempermudah perhitungan dengan menyederhanakan matriks yang dikerjakan.

Rumus Leibniz

Templat:Main Rumus Leibniz, yang dinamakan demikian untuk menghormati Gottfried Leibniz, menyatakan determinan dari matriks persegi A sebagai permutasi dari elemen-elemen matriks. Secara lebih formal, definisi ini didasarkan dari fakta (lebih tepatnya teorema) hanya ada satu fungsi multilinear alternating F(A) terhadap kolom-kolom matriks, yang memenuhi F(I)=1 dengan I adalah matriks identitas.[18] Determinan selanjutnya dapat ditulis secara eksplisit sebagaidet(A)=F(A)=τSnsgn(τ)i=1naiτ(i)=σSnsgn(σ)i=1naσ(i)idengan sgn adalah fungsi tanda (signum) dari permutasi dalam grup permutasi Sn, yang menghasilkan nilai +1 dan 1 masing-masing untuk permutasi genap dan ganjil. Fungsi multilinear alternating dan sifat F(I)=1 dipilih agar fungsi determinan memenuhi sifat-sifat yang diharapkan dari determinan (lihat pembahasan pada bagian ยง Matriks persegi dimensi 2).

Rumus Leibniz untuk determinan dari matriks 3×3 adalah|abcdefghi|=aei+bfg+cdhcegbdiafh.Dalam ekspresi tersebut, setiap suku memiliki satu faktor dari setiap baris dan kolom yang unik. Sebagai contoh, bdi memiliki faktor b dari elemen baris pertama kolom kedua, d dari baris kedua kolom pertama, dan i dari baris ketiga kolom ketiga. Tanda dari suku ditentukan dari banyaknya pertukaran faktor-faktor agar terurut menaik berdasarkan urutan kolomnya. Tanda positif untuk pertukaran berjumlah genap dan negatif untuk berjumlah genap. Sebagai contoh, suku bdi memerlukan satu pertukaran agar menjadi dbi, yang masing-masing faktornya sekarang terurut menaik: kolom pertama, kedua, dan ketiga. Karena pertukaran berjumlah ganjil, suku bdi akan dikalikan 1.

Bentuk visual dari aturan Sarrus untuk menghitung determinan matriks dimensi 3.

Aturan Sarrus dapat digunakan sebagai jembatan keledai untuk mengingat rumus eksplisit dari determinan ini: tulis salinan dari dua kolom pertama matriks di sisi kanan kolom ketiga. Determinan adalah jumlah dari tiga perkalian elemen-elemen diagonal matriks dari kiri-atas ke kanan-bawah, lalu dikurang dengan jumlah dari tiga perkalian elemen-elemen diagonal matriks dari kiri-bawah ke kanan-atas. Malangnya, aturan ini tidak dapat diterapkan untuk matriks dengan dimensi yang lebih besar.

Notasi lain yang umum digunakan untuk menuliskan rumus Leibniz adalah dengan menggunakan simbol Levi-Civita dengan penjumlahan Einstein. Simbol Levi-Civita εi1,,in terdefinisi pada rangkap-n dari bilangan bulat {1,,n}.[19][20] Simbol akan bernilai 0 jika ada dua bilangan bulat yang sama, dan bernilai tanda dari permutasi dari rangkap-n untuk kasus-kasus lainnya. Rumus Leibniz dalam notasi ini adalahdet(A)=i1,i2,,inεi1ina1,i1an,in.

Ekspansi Laplace

Ekspansi Laplace, rumus Laplace, atau ekspansi baris/kolom, mendefinisikan determinan dari matriks A ukuran n×n secara rekursif sebagai penjumlahan determinan matriks-matriks yang lebih kecil, yang disebut minor. Minor Mi,j didefinisikan sebagai determinan matriks berukuran (n1)×(n1) yang dihasilkan dari menghapus baris ke-i dan kolom ke-j matriks A. Untuk sembarang i, akan berlaku hubungandet(A)=j=1n(1)i+jai,jMi,j

Ekspresi (1)i+jMi,j dikenal dengan sebutan kofaktor. Definisi determinan tersebut juga disebut sebagai "ekspansi Laplace baris ke-i". Sebagai contoh, ekspansi Laplace baris pertama (i=1) dari matriks ukuran 3×3 menghasilkan rumus |abcdefghi|=a|efhi|b|dfgi|+c|degh|Ekspansi Laplace dapat digunakan secara iteratif untuk menghitung determinan, namun cara ini tidak efisien untuk matriks berukuran besar. Walau demikian, ekspansi Laplace ini berguna untuk menghitung determinan dari matriks-matriks tertentu seperti matriks Vandermonde:|1111x1x2x3xnx12x22x32xn2x1n1x2n1x3n1xnn1|=1i<jn(xjxi).Ekspansi Laplace juga dapat digunakan untuk membantu menemukan invers dari matriks. Matriks adjugat adj(A) didefinisikan sebagai transpos dari matriks-matriks kofaktor, secara matematis (adj(A))i,j=(1)i+jMji.Definisi ini memastikan perkalian matriks A dengan adjugatnya akan menghasilkan menghasilkan matriks diagonal yang elemen diagonal utamanya bernilai det(A).[21] Hubungan ini ditulis secara matematis sebagai AadjA=(adjA)A=(detA)I, dengan I merupakan matriks identitas. Hubungan tersebut menunjukkan sifat penting dalam aljabar matriks, yakni A memiliki invers jika dan hanya jika det(A) tidak bernilai 0. Ketika sifat ini berlaku, hubungan di atas dapat disusun (dengan mengalikan ruas tengah dan ruas kanan dengan A1 dari kanan) sehingga adj(A)=det(A)A1,A1=det(A)1adj(A).

Sifat-sifat determinan

Fungsi determinan dapat dicirikan dari tiga sifat utama berikut. Untuk lebih mudah menyebutkannya, pandang matriks A berukuran n×n sebagai rangkap-n dari vektor-vektor kolomnya; secara notasi, A=(๐š1,,๐šn), dengan ๐ši adalah vektor di kolom ke-i matriks.

  1. det(I)=1, dengan I adalah matriks identitas.
  2. Determinan merupakan pemetaan multilinear: jika kolom ke-j matriks A dapat ditulis sebagai kombinasi linear ๐šj=r๐ฏ+๐ฐ dari dua vektor kolom ๐ฏ dan ๐ฐ dan skalar r, maka determinan dari A dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear: |A|=|๐š1,,๐šj1,r๐ฏ+๐ฐ,๐šj+1,,๐šn|=r|๐š1,,๐ฏ,๐šn|+|๐š1,,๐ฐ,,๐šn|
  3. Determinan bersifat alternating: ketika ada dua kolom matriks yang identik, determinan matriks tersebut sama dengan 0; secara matematis |๐š1,,๐ฏ,,๐ฏ,,๐šn|=0.

Ketiga sifat tersebut mengakibatkan beberapa sifat turunan:

  • Determinan termasuk fungsi homogen, yakni, det(cA)=cndet(A)
  • Menukar dua kolom pada matriks akan mengalikan nilai determinan dengan 1: |๐š1,,๐šj,๐ši,,๐šn|=|๐š1,,๐ši,,๐šj,,๐šn|.Rumus di atas dapat diterapkan secara iteratif jika ada beberapa kolom yang ingin ditukar. Sebagai contoh |๐š3,๐š1,๐š2,๐š4,๐šn|=|๐š1,๐š3,๐š2,๐š4,,๐šn|=|๐š1,๐š2,๐š3,๐š4,,๐šn|.Lebih umum lagi, sebarang permutasi kolom-kolom akan mengalikan determinan dengan tanda dari permutasi tersebut.
  • Jika ada kolom pada matriks yang dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari kolom-kolom lainnya (dengan kata lain kolom-kolom matriks saling bergantung linear), determinan matriks tersebut sama dengan 0. Salah satu contoh kasus ini adalah ketika ada kolom yang semua elemennya bernilai 0.
  • Jika suatu kelipatan skalar suatu kolom ditambahkan ke kolom yang lain, determinan dari matriks yang dihasilkan tidak berubah.
  • Jika A adalah matriks segitiga, yakni yang semua elemen aij=0 ketika i>j (atau alternatif lain, ketika i<j), maka determinannya sama dengan hasil perkalian dari elemen-elemen diagonal utamanya, det(A)=a11a22ann=i=1naii.

Contoh

Selain penting dari aspek teoritis, ketiga sifat utama dan sifat-sifat turunan dari matriks dapat digunakan untuk mempermudah perhitungan nilai determinan. Sebagai contoh, metode eliminasi Gauss dapat diterapkan untuk mengubah matriks ke bentuk matriks segitiga atas, dalam langkah-langkah yang teratur. Contoh berikut mengilustrasikan cara menghitung determinan matriks A dengan metode tersebut:A=[212214331].

Perhitungan determinan dari matriks A
Matriks B=[312314031] C=[3523134001] D=[5321334001] E=[1832034001]
Dihasilkan dari menambahkan kolom kedua ke yang pertama menambahkan 3 kali kolom ketiga ke yang kedua menukar dua kolom pertama menambahkan 133 kali kolom kedua ke yang pertama
Determinan |A|=|B| |B|=|C| |D|=|C| |E|=|D|

Menggabungkan semua persamaan ini menghasilkan |A|=|E|=(183(1))=54.

Transpos

Determinan dari transpos matriks A sama dengan determinan dari A: det(AT)=det(A).Hubungan ini dapat ditunjukan dengan menginspeksi rumus Leibniz.[22] Hal ini mengakibatkan semua penggunaan kata "kolom" pada semua sifat-sifat sebelumnya, dapat digantikan dengan kata "baris". Sebagai contoh, menukar dua baris pada matriks akan mengalikan nilai determinan dengan 1.

Multiplikativitas dan grup matriks

Determinan merupakan sebuah pemetaan multiplikatif. Hal ini mengartikan untuk sebarang matriks persegi A dan B yang berukuran sama, determinan dari perkalian matriks sama dengan perkalian dari determinan-determinan matriks, det(AB)=det(A)det(B) Fakta penting ini dapat dibuktikan dengan menunjukkan bahwa, untuk matriks B yang sudah ditetapkan, kedua sisi persamaan di atas merupakan fungsi yang bersifat multilinear dan alternating terhadap kolom-kolom A. Lebih lanjut, kedua sisi bernilai detB ketika A berupa matriks identitas. Ketiga sifat unik ini membuktikan fakta tersebut.[23] Rumus Cauchyโ€“Binet adalah perumuman rumus determinan untuk perkalian matriks-matriks umum (tidak harus persegi).

Matriks A dengan elemen-elemen berasal dari sebuah lapangan, dapat dibalikkan (invertibel, memiliki invers) jika dan hanya jika determinan matriks tersebut tidak nol. Hal ini berasal dari sifat multiplikatif determinan, juga dari rumus yang melibatkan matriks adjugat dari ekspansi Laplace. Ketika determinan bernilai tak-nol, determinan dari matriks inversnya adalah det(A1)=1det(A)=[det(A)]1.Secara khusus, hasil perkalian maupun invers dari matriks-matriks dengan determinan tak-nol, masih memiliki sifat tersebut. Akibatnya, himpunan matriks-matriks tersebut (yang berukuran n atas suatu lapangan K) membentuk sebuah grup linear umum GLn(K); dan ketika semua matriks memiliki determinan bernilai 1, membentuk sebuah subgrup bernama grup linear khusus SLn(K)GLn(K). Umumnya, kata "khusus" ("special") digunakan untuk menandakan subgrup dari grup matriks dengan determinan bernilai 1. Contoh lainnya adalah grup ortogonal khusus (yang berisi semua matriks rotasi ketika n=2 dan n=3), dan grup uniter khusus.

Matriks blok

Rumus determinan untuk matriks ukuran 2×2 masih berlaku untuk matriks blok, dengan beberapa asumsi tambahan. Matriks blok adalah matriks yang terdiri dari submatriks A,B,C,D, masing masing berdimensi m×m, m×n, n×m dan n×n. Rumus dalam bentuk yang paling sederhana, yang dapat dibukti dengan rumus Leibniz atau lewat faktorisasi dengan komplemen Schur, adalah det(A0CD)=det(A)det(D)=det(AB0D). Jika matriks A terbalikkan, dengan menggunakan hasil pada bagian multiplikativitas, dapat ditemukan det(ABCD)=det(A)det(ABCD)det(A1A1B0In)=det(A1)=(detA)1=det(A)det(Im0CA1DCA1B)=det(A)det(DCA1B), yang dapat disederhanakan menjadi det(A)(DCA1B) ketika D merupakan matriks ukuran 1×1. Rumus ini dapat digunakan untuk membantu menghasilkan teorema determinan Sylvester, yang menyatakan untuk matriks A berukuran m×n dan matriks B berukuran n×m, berlaku hubungan det(I๐‘š+AB)=det(I๐‘›+BA),dengan Im dan In masing-masing adalah matriks identitas dimensi m dan n.

Ketika semua submatriks merupakan matriks persegi yang berukuran sama, beberapa rumus lain juga berlaku. Sebagai contoh, ketika C dan D komutatif (artinya CD=DC), maka[24] det(ABCD)=det(ADBC).Rumus ini dapat diperumum ke matriks blok dengan lebih dari 2×2 submatriks, dengan beberapa syarat tambahan terkait kekomutatifan antar submatriks.[25]

Sifat-sifat terkait notasi matriks lainnya

Nilai eigen dan polinomial karakteristik

Determinan berkaitan erat dengan dua konsep lain di aljabar linear, yakni nilai eigen dan polinomial karakteristik dari matriks. Misalkan A adalah matriks ukuran n×n dengan elemen berupa bilangan kompleks. Dengan menggunakan teorema dasar aljabar, disimpulkan A pasti memiliki tepat n nilai eigen λ1,λ2,,λn (dalam konteks ini, nilai eigen dengan kegandaan aljabar μ muncul μ kali di daftar tersebut). Selanjutnya, determinan dari A ternyata bernilai sama dengan hasil perkalian nilai-nilai eigen ini,det(A)=i=1nλi=λ1λ2λn.Dari hubungan ini, terlihat bahwa matriks A memiliki invers (determinannya tak-nol) jika dan hanya jika 0 bukan nilai eigen dari A. Di sisi lain, polinomial karakteristik didefinisikan sebagai[26]χA(t)=det(tIA),dengan t merupakan variabel (lebih tepatnya indeterminate) dari polinomial, dan I adalah matriks identitas berukuran sama dengan A. Polinomial ini selanjut memiliki akar berupa nilai-nilai eigen dari A; yakni bilangan-bilangan kompleks λ yang memenuhi χA(λ)=0.

Teras

Teras (trace) dari matriks A, dinotasikan dengan tr(A), didefinisikan sebagai hasil penjumlahan elemen-elemen diagonal A, dan nilainya juga sama dengan hasil penjumlahan dari nilai-nilai eigen. Akibatnya, untuk sebarang matriks kompleks A, berlaku det(exp(A))=exp(tr(A))atau ekuivalen untuk matriks riil A, berlaku hubungan tr(A)=log(det(exp(A))). Disini, notasi exp(A) menyatakan perpangkatan matriks A, mengingat setiap nilai eigen λ dari A berkorespodensi dengan nilai eigen exp(λ) dari exp(A). Secara khusus, untuk sebarang logaritma dari A, dengan kata lain sebarang matriks L yang memenuhi exp(L)=A, determinan dari A memiliki hubungan

det(A)=exp(tr(L)).

Sebagai contoh, untuk Templat:Math, Templat:Math, dan Templat:Math, secara berurutan akan berlaku,

det(A)=12((tr(A))2tr(A2)),det(A)=16((tr(A))33tr(A)tr(A2)+2tr(A3)),det(A)=124((tr(A))46tr(A2)(tr(A))2+3(tr(A2))2+8tr(A3)tr(A)6tr(A4)).

Batas atas dan batas bawah

Untuk matriks definit positif A, operator teras memberikan batas batas dan batas bawah berikut, yang rapat untuk logaritma dari determinan:tr(IA1)logdet(A)tr(AI),dengan kesamaan terjadi jika dan hanya jika A=I. Hubungan ini dapat didapatkan dengan menggunakan rumus divergensi Kullback-Leibler antara dua distribusi normal multivariat. Selain itu, dari menyatakan teras dan determinan sebagai nilai-nilai eigen, dapat ditemukan hubungan ntr(A1)det(A)1n1ntr(A)1ntr(A2).Hubungan ini menyatakan fakta umum yang terkenal, bahwa rerata harmonik lebih kecil daripada rerata geometrik, yang selanjutnya lebih kecil daripada rerata aritmetika, yang selanjutnya lagi lebih kecil daripada rerata kuadrat.

Turunan

Rumus Leibniz menunjukkan bahwa determinan dari matriks persegi dengan elemen bilangan riil (atau analog dengan itu, bilangan kompleks) merupakan sebuah fungsi polinomial dari โ„n×n ke โ„. Secara khusus, fungsi tersebut terdiferensial (dapat diturunkan) dimanapun. Turunan dari determinan selanjutnya dapat dinyatakan menggunakan rumus Jacobi:[27]ddet(A)dα=tr(adj(A)dAdα).dengan adj(A) menyatakan adjugat dari A. Khususnya ketika A memiliki invers, terdapat hubunganddet(A)dα=det(A)tr(A1dAdα).

Penerapan

Aturan Cramer

Determinants dapat digunakan untuk menentukan solusi-solusi dari sistem persamaan linear, yang dinyatakan sebagai A๐ฑ=๐› dalam bentuk matriks. Persamaan ini memiliki solusi unik ๐ฑ jika dan hanya jika det(A) tak-nol. Ketika syarat tersebut dipenuhi, solusi dari sistem dapat ditentukan dengan aturan Cramer:xi=det(Ai)det(A)i=1,2,3,,ndengan Ai adalah matriks yang dibentuk dengan menukar kolom ke-i matriks A dengan vektor ๐›. Rumus ini didapatkan dari ekspansi kolom dari determinan; secara matematis:

det(Ai)=det[๐š1๐›๐šn]=j=1nxjdet[๐š1๐ši1๐šj๐ši+1๐šn]=xidet(A)

dengan ๐šj adalah vektor kolom ke-j dari A. Aturan ini juga dapat dihasilkan dari identitas Aadj(A)=adj(A)A=det(A)In.

Aturan Cramer dapat diimplementasikan dengan kompleksitas waktu O(n3), yang sebanding dengan metode-metode lainnya terkait penyelesaian sistem persamaan linear, seperti penguraian (dekomposisi) LU, QR, maupun SVD.[28]

Kebebasan linear

Templat:See also Determinan dapat digunakan untuk mencirikan vektor-vektor yang bergantung linear, dengan menggunakan fakta detA bernilai 0 jika dan hanya jika vektor-vektor kolom (atau ekuivalen dengan itu, vektor-vektor baris) di A saling bergantung linear.[29] Sebagai contoh, untuk sebarang ๐ฏ1,๐ฏ2โ„3, vektor ๐ฏ3 akan berada di bidang yang direntang (spanned) oleh kedua vektor sebelumnya, jika matriks yang dibentuk dari ketiga vektor tersebut memiliki determinan bernilai 0. Ide yang sama juga digunakan dalam teori persamaan diferensial: determinan Wronski (Wronskian) dari fungsi f1(x),,fn(x) (yang dianggap terdiferensialkan n1 kali) didefinisikan sebagaiW(f1,,fn)(x)=|f1(x)f2(x)fn(x)f1(x)f2(x)fn(x)f1(n1)(x)f2(n1)(x)fn(n1)(x)|.Fungsi ini bernilai tak-nol (untuk nilai x tertentu) di suatu selang yang ditetapkan, jika dan hanya jika fungsi-fungsi tersebut berserta semua turunan sampai orde ke-(n1) saling bebas linear. Ketika Wronskian bernilai nol dimanapun pada suatu selang, maka pada kasus fungsi analitik, hal ini mengartikan fungsi tersebut bergantung linear. Selain Wronskian, penerapan lain determinan dalam hal kebebasan linear adalah resultan, yang memberikan kriteria untuk dua polinomial memiliki [beberapa] akar solusi yang sama.[30]

Volume dan determinan Jacobi

Seperti yang ditunjukkan pada beberapa bagian sebelumnya, nilai mutlak dari determinan vektor-vektor riil sama dengan volume balok jajar genjang yang dibentuk oleh vektor-vektor tersebut. Sebagai konsekuensinya, jika f:โ„nโ„n adalah peta linear yang diberikan oleh perkalian dengan sebuah matriks A, dan Sโ„n adalah sebarang subset yang terukur, maka volume f(S) dapat dihitung lewat mengalikan |det(A)| dengan volume S.[31] Secara lebih umum, jika peta linear f:โ„nโ„m direpresentasikan oleh matriks A berukuran m×n, maka volume dimensi-n dari f(S) diberikan lewat hubungan:volume(f(S))=det(ATA)volume(S).

Sebuah peta nonlinear f:โ„2โ„2 mengubah persegi kecil (kiri, warna merah) ke suatu jajar genjang yang melengkung (kanan, warna merah). Matris Jacobi di suatu titik akan memberikan hampiran linear terbaik dari jajar genjang melengkung di titik tersebut (kanan, warna putih), dan determinannya memberikan rasio luas hampiran jajar genjang dengan luas persegi awalnya.

Sifat di atas juga berlaku untuk fungsi terdiferensial f, dengan memperhatikan matriks Jacobi dari fungsi tersebut. Untuk f:โ„nโ„n, matriks Jacobi adalah matriks berukuran n×n yang elemen-elemennya adalah turunan parsial dari f, yang secara matematis ditulis

D(f)=(fixj)1i,jn.

Determinan matriks tersebut (juga disebut dengan Jacobian) muncul dalam integrasi dengan substitusi: untuk fungsi multivariabel f yang sesuai dan himpunan terbuka Uโ„n (domain dari f), integral atas f(U) dari suatu fungsi ϕ:โ„nโ„m adalahf(U)ϕ(๐ฏ)d๐ฏ=Uϕ(f(๐ฎ))|det(Df)(๐ฎ)|d๐ฎ.Jacobian juga muncul dalam teorema fungsi invers.

Dalam penerapannya di bidang kartografi, determinan Jacobi dapat digunakan untuk mengukur laju perluasan (rate of expansion) dari peta di sekitar kutub.[32]

Perhitungan

Perhitungan determinan matriks orde ketiga menggunakan aturan Sarrus

Determinan umumnya digunakan sebagai alat teoritis. Determinan jarang dihitung secara eksplisit dalam aljabar linear numerik, karena penerapannya untuk mengecek keterbalikan dan mencari nilai-nilai eigen dapat digantikan oleh teknik-teknik lain.[33] Tapi di sisi lain, geometri komputasi sering melakukan perhitungan yang terkait dengan determinan.[34]

Walau nilai determinan dapat dihitung secara langsung menggunakan rumus Leibniz, metode ini sangat tidak efisien untuk matriks berukuran besar. Hal ini disebabkan dari formulasi yang memerlukan perhitungan n! (n faktorial) perkalian untuk matriks n×n; menyebabkannya memiliki kompleksitas O(n!). Serupa dengan itu, ekspansi Laplace juga tidak efisien. Akibatnya, beberapa teknik yang lebih lanjut dikembangkan untuk menghitung determinan.

Metode penguraian

Beberapa teknik menghitung det(A) dilakukan dengan menulis matriks sebagai perkalian beberapa matriks yang determinannya lebih mudah dihitung. Teknik-teknik tersebut dirujuk sebagai teknik penguraian. Contoh teknik ini adalah penguraian LU, penguraian QR, dan penguraian Cholesky (untuk matriks definit positif). Teknik-teknik ini memiliki kompleksitas O(n3), yang jauh lebih baik dibandingkan dengan O(n!).[35]

Sebagai contoh, penguraian LU menyatakan A sebagai perkalian

A=PLU,

dengan P adalah matriks permutasi (matriks yang setiap kolomnya hanya mengandung satu nilai 1, dan sisanya bernilai 0), matriks segitiga bawah L, dan matriks segitiga atas U. Determinan dari matriks segitiga L dan U dapat dengan mudah dihitung, karena nilainya sama dengan hasil perkalian elemen-elemen diagonal utama. Sedangkan determinan dari P hanya nilai tanda ε dari permutasi kolom-kolom P (yang bernilai +1 untuk permutasi genap dan 1 untuk permutasi ganjil). Ketika penguraian LU dihasilkan untuk A, nilai determinannya dapat dihitung sebagai

det(A)=εdet(L)det(U).

Metode lainnya

Kompleksitas O(n3) yang dihasilkan oleh metode penguraian telah ditingkatkan lewat beberapa teknik berbeda. Jika dua matriks dimensi n dapat dikalikan dalam waktu M(n), dengan M(n)na untuk suatu a>2, maka ada algoritma untuk menghitung determinan dalam waktu O(M(n)).[36] Hal ini mengartikan ada algoritma O(n2.376) untuk menghitung determinan, berdasarkan algoritma Coppersmithโ€“Winograd. Nilai pangkat ini telah diperkecil lebih lanjut; sampai tahun 2016, nilainya menjadi 2.373.[37]

Selain kompleksitas, kriteria-kriteria lain dapat digunakan untuk membandingkan algoritma perhitungan determinan. Algoritma dapat diukur dari kompleksitas bit mereka, yakni besar bit yang diperlukan untuk menjaga akurasi perhitungan ketika algoritma berjalan. Sebagai contoh, eliminasi Gauss (atau penguraian LU) yang memiliki kompleksitas O(n3), dapat memiliki bit yang dapat membesar secara eksponensial dalam pengerjaannya.[38] Sebagai pembanding, algoritma Bareiss, masih dengan kompleksitas yang sama, menggunakan pembagian eksak (exact-division) memiliki kompleksitas bit yang kurang-lebih sama dengan n kali ukuran bit elemen-elemen matriks.[39]

Charles Dodgson (nama asli dari Lewis Carroll pencipta Alice's Adventures in Wonderland) menemukan metode menghitung determinan yang disebut kondensasi Dodgson. Malangnya metode menarik ini tidak selalu berhasil dalam bentuk orisinalnya.[40]

Catatan kaki

  1. โ†‘ Templat:Harvnb
  2. โ†‘ Templat:Cite web
  3. โ†‘ Templat:Harvnb
  4. โ†‘ Templat:Cite book
  5. โ†‘ 5,0 5,1 5,2 Campbell, H: "Linear Algebra With Applications", pages 111โ€“112. Appleton Century Crofts, 1971
  6. โ†‘ Templat:Harvnb
  7. โ†‘ Templat:Cite web
  8. โ†‘ Templat:Harvnb
  9. โ†‘ Templat:Harvtxt
  10. โ†‘ Muir, Sir Thomas, The Theory of Determinants in the historical Order of Development [London, England: Macmillan and Co., Ltd., 1906].
  11. โ†‘ Templat:Harvnb
  12. โ†‘ Penggunaan istilah "determinan" dalam sudut pandang modern muncul di Cauchy, Augustin-Louis "Memoire sur les fonctions qui ne peuvent obtenir que deux valeurs รฉgales et des signes contraires par suite des transpositions operรฉes entre les variables qu'elles renferment," yang pertama kali dibacakan di Institute de France di Paris pada 30 November 1812, dan selanjutnya dipublikasikan dalam Journal de l'Ecole Polytechnique, Cahier 17, Tome 10, pages 29โ€“112 (1815).
  13. โ†‘ Templat:Cite web
  14. โ†‘ Templat:Cite web
  15. โ†‘ Templat:Harvnb
  16. โ†‘ Templat:Harvnb
  17. โ†‘ Templat:Cite web
  18. โ†‘ Serge Lang, Linear Algebra , 2nd Edition, Addison-Wesley, 1971, pp 173, 191.
  19. โ†‘ Templat:Harvnb
  20. โ†‘ Templat:Cite book
  21. โ†‘ Templat:Harvnb.
  22. โ†‘ Templat:Harvnb
  23. โ†‘ Templat:Harvnb menunjukkan cara lain membuktikan hubungan ini dengan menggunakan functorialitas dari exterior power.
  24. โ†‘ Templat:Cite journal
  25. โ†‘ Templat:Cite journal
  26. โ†‘ Templat:Harvnb, Templat:Harvnb
  27. โ†‘ Templat:Harvnb
  28. โ†‘ Templat:Harvnb
  29. โ†‘ Templat:Harvnb
  30. โ†‘ Templat:Harvnb
  31. โ†‘ Templat:Harvnb
  32. โ†‘ Templat:Cite book
  33. โ†‘ (Terj.) "... kita menyebutkan bahwa determinan, dengan notasi teoritis yang umum, jarang memainkan peran penting dalam algoritma numerik.", lihat Templat:Harvnb.
  34. โ†‘ Templat:Harvnb
  35. โ†‘ Templat:Cite arXiv
  36. โ†‘ Templat:Harvnb
  37. โ†‘ Templat:Harvnb
  38. โ†‘ Templat:Cite conference
  39. โ†‘ Templat:Harvnb, Templat:Harvnb
  40. โ†‘ Templat:Cite journal

Referensi

Referensi sejarah