Matriks (matematika)

Dalam matematika, matriks adalah susunan^[1] bilangan, simbol, atau ekspresi, yang disusun dalam baris dan kolom sehingga membentuk suatu bangun persegi.^[2]^[3] Sebagai contoh, dimensi matriks di bawah ini adalah 2 × 3 (baca "dua kali tiga"), karena terdiri dari dua baris dan tiga kolom:

Baris m adalah horizontal dan kolom n vertikal. Setiap elemen matriks sering dilambangkan menggunakan variabel dengan dua notasi indeks. Misalnya, a_2,1 mewakili elemen pada baris kedua dan kolom pertama dari matriks A.

{\begin{bmatrix}1&9&-13\\20&5&-6\end{bmatrix}}.

Jika dua matriks memiliki ukuran yang sama (masing-masing matriks memiliki jumlah baris dan jumlah kolom yang sama), kedua matriks tersebut dari dijumlahkan maupun dikurangkan secara elemen demi elemen). Namun, berdasarkan aturan perkalian matriks, dua matriks hanya dapat dikalikan jika jumlah kolom matriks pertama sama dengan jumlah baris matriks kedua (artinya, perkalian matriks (m×n) dengan matriks (n×p) menghasilkan matriks (m×p)). Perkalian matriks tidak bersifat komutatif.

Setiap objek dalam matriks ${\boldsymbol {A}}$ ukuran $m\times n$ , sering dilambangkan dengan $a_{i,j}$ dimana nilai maksimum $i=m$ dan nilai maksimum $j=n$ , disebut elemen, entri atau anggota matriks.^[4]

Matriks umumnya digunakan untuk merepresentasikan transformasi linear, yakni suatu generalisasi fungsi linear seperti $f(x)=4x$ . Sebagai contoh, efek rotasi pada ruang dimensi tiga merupakan sebuah transformasi linear yang dapat dilambangkan dengan matriks rotasi $R$ . jika $v$ adalah sebuah vektor di dimensi tiga, hasil dari $Rv$ menyatakan posisi titik tersebut setelah sebuah rotasi. Hasil perkalian dari dua matriks adalah sebuah matriks yang melambangkan komposisi dari dua transformasi linear. Salah satu aplikasi lain dari matriks adalah menemukan solusi sistem persamaan linear. Jika matriks merupakan matriks persegi, beberapa sifat dari matriks tersebut dapat diketahui dengan menghitung nilai determinan. Misalnya, matriks persegi memiliki invers jika dan hanya jika nilai determinannya tidak sama dengan nol. Sisi geometri dari sebuah transformasi linear (dan beberapa hal lain) dapat diketahui dari eigenvalue dan eigenvector matriks.

Aplikasi dari matriks ditemukan pada banyak bidang sains. Pada bidang-bidang fisika, contohnya mekanika klasik, mekanika kuantum, dan optika, matriks digunakan untuk mempelajari keadaan fisis, seperti pergerakan planet. Dalam bidang computer graphics, matriks digunakan untuk memanipulasi model 3D dan memproyeksikannya ke sebuah layar dua dimensi. Pada bidang teori probabilitas dan statistika, matriks stokastik digunakan untuk menjelaskan probabilitas keadaan; contohnya dalam algoritma PageRank dalam menentukan urutan halaman pada pencarian Google. Kalkulus matriks menggeneralisasi bentuk analitik klasik dari turunan dan eksponensial ke dimensi yang lebih tinggi. Matriks juga digunakan dalam bidang ekonomi untuk menjelaskan sistem dari relasi ekonomi.

Definisi

Matriks adalah susunan angka atau objek matematika lainnya yang disusun dalam bentuk baris dan kolom, dimana operasi seperti penjumlahan dan perkalian dapat didefinisikan. Umumnya, matriks di atas medan $F$ berisi elemen-elemen dari $F$ . Sebagian besar artikel ini berfokus pada matriks riil dan kompleks, yaitu matriks yang masing-masing elemennya berupa bilangan riil atau bilangan kompleks. Jenis elemen matriks yang umum akan dibahas di bawah. Sebagai contoh, ini adalah sebuah matriks riil:

$\mathbf {A} ={\begin{bmatrix}-1.3&0.6\\20.4&5.5\\9.7&-6.2\end{bmatrix}}.$

Ukuran

Ukuran matriks ditentukan oleh jumlah baris dan kolom yang dikandungnya. Matriks dengan $m$ kolom dan $n$ baris disebut matriks $m\times n$ atau matriks "m kali n", dimana $m$ dan $n$ disebut dimensinya. Sebagai contoh, matriks ${\boldsymbol {A}}$ di atas adalah matriks $3\times 2$ . Matriks dengan satu baris disebut vektor baris, dan matriks dengan satu kolom disebut vektor kolom. Matriks dengan jumlah baris dan kolom yang sama disebut matriks persegi. Matriks dengan jumlah baris atau kolom yang tak terbatas (atau keduanya) disebut matriks tak terbatas. Dalam beberapa konteks, akan bermanfaat untuk mempertimbangkan sebuah matriks tanpa baris atau tanpa kolom, yang disebut matriks kosong.

Nama	Ukuran	Contoh	Deskripsi
Vektor baris	1 × n	${\begin{bmatrix}3&7&2\end{bmatrix}}$	Sebuah matriks dengan satu baris, terkadang digunakan untuk melambangkan sebuah vektor
Vektor kolom	n × 1	${\begin{bmatrix}4\\1\\8\end{bmatrix}}$	Sebuah matriks dengan satu kolom, terkadang digunakan untuk melambangkan sebuah vektor
Matriks persegi	n × n	${\begin{bmatrix}9&13&5\\1&11&7\\2&6&3\end{bmatrix}}$	Sebuah matriks dengan jumlah baris dan jumlah kolom yang sama, terkadang digunakan untuk melambangkan sebuah transformasi linear dari sebuah ruang vektor ke dirinya sendiri, seperti refleksi, rotasi, dan shear.

Notasi

Matriks pada umumnya ditulis dalam tanda kurung siku/kurung kurawal: $\mathbf {A} ={\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots &a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&\cdots &a_{2n}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\a_{m1}&a_{m2}&\cdots &a_{mn}\end{bmatrix}}={\begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots &a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&\cdots &a_{2n}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\a_{m1}&a_{m2}&\cdots &a_{mn}\end{pmatrix}}=\left(a_{ij}\right)\in \mathbb {R} ^{m\times n}.$

Spesifikasi notasi simbolik dari matriks sangat bervariasi, dengan beberapa tren yang umum dipakai. Matriks biasanya dilambangkan dengan menggunakan huruf besar (seperti ${\boldsymbol {A}}$ pada contoh di atas). Sedangkan huruf kecil yang sesuai, dengan dua indeks subskrip, misal $a_{1,1}$ , untuk menyebutkan elemen matriks tersebut. Selain menggunakan huruf besar untuk melambangkan matriks, banyak penulis menggunakan gaya tipografi khusus, yang biasanya dicetak tebal tegak, untuk lebih membedakan matriks dari objek matematika lainnya. Notasi alternatif melibatkan penggunaan double-underline dengan nama variabel, dengan atau tanpa gaya cetak tebal (contohnya ${\underline {\underline {A}}}$ ).

Elemen baris ke- $i$ dan kolom ke- $j$ dari matriks ${\boldsymbol {A}}$ terkadang dirujuk sebagai elemen ke $(i,\,j)$ dari matriks, dan umumnya ditulis sebagai $a_{i,\,j}$ atau $a_{ij}$ . Alternatif notasi yang lain adalah $A[i,j]$ atau $A_{i,j}$ . Sebagai contoh, elemen ke $(1,3)$ dari matriks ${\boldsymbol {A}}$ berikut dapat ditulis sebagai $a_{1,\,3}$ , $a_{13}$ , $A[1,\,3]$ atau $A_{1,\,3}$ .

$\mathbf {A} ={\begin{bmatrix}4&-7&\color {red}{5}&0\\-2&0&11&8\\19&1&-3&12\end{bmatrix}}$

Terkadang, elemen dari sebuah matriks dapat didefinisikan dengan menggunakan suatu rumus $a_{i,j}=f(i,j)$ . Sebagai contoh, setiap elemen dari matriks ${\boldsymbol {A}}$ berikut didefinisikan sebagai $a_{i,j}=i-j$

\mathbf {A} ={\begin{bmatrix}0&-1&-2&-3\\1&0&-1&-2\\2&1&0&-1\end{bmatrix}}

.

Dalam kasus seperti ini, matriks tersebut juga dapat didefinisikan oleh rumus yang sama, dengan menggunakan kurung siku atau kurung kurawal ganda. Pada contoh di atas, matriks dapat didefinisikan sebagai ${\boldsymbol {A}}=[i-j]$ atau ${\boldsymbol {A}}=((i-j))$ .

Simbol asterisk terkadang digunakan untuk merujuk sebuah baris atau sebuah kolom pada matriks. Sebagai contoh, $a_{i,\star }$ merujuk pada baris ke- $i$ dari matriks ${\boldsymbol {A}}$ , dan $a_{\star ,j}$ merujuk pada baris ke- $j$ dari matriks ${\boldsymbol {A}}$ . Himpunan semua matriks $m\times n$ dilambangkan dengan $\mathbb {M} _{m\times n}$ .

Jenis-Jenis Matriks

Matriks Bujur Sangkar: apabila ukuran baris dan kolom sama atau m = n
Matriks Diagonal: merupakan matriks bujur sangkar yang $a_{ij}=0$ , untuk i ≠ j
Matriks Skalar: merupakan matriks diagonal yang memiliki unsur diagonal utamanya sama, misalnya k
Matriks identitas: merupakan matriks skalar di mana k = 1
Matriks simetrik: merupakan matriks bujur sangkar dengan $a_{ij}=a_{ji}$ untuk $\forall _{i,j}$ .
Matriks anti simetris: merupakan matriks bujur sangkar yang transposenya adalah negatif dari matriks tersebut dengan $a_{ij}=-a_{ji}$
Matriks Segitiga atas (Upper triangular): merupakan matriks bujur sangkar yang semua unsurnya dibawah diagonal utamanya adalah 0, $a_{ij}=0$ dan $\forall i>j$
Matriks Segitiga bawah (Lower triangular): merupakan matriks bujur sangkar yang semua unsurnya di atas diagonal utamanya adalah 0, $a_{ij}=0$ dan $\forall i<j$

Operasi dasar

Ada sejumlah operasi dasar yang dapat diterapkan untuk memodifikasi matriks, yang disebut penambahan matriks, perkalian skalar, transposisi, perkalian matriks, operasi baris, dan submatriks.

Penjumlahan dan pengurangan matriks

Penjumlahan dan pengurangan matriks hanya dapat dilakukan apabila kedua matriks memiliki ukuran atau tipe yang sama. Elemen-elemen yang dijumlahkan atau dikurangi adalah elemen yang posisi atau letaknya sama.