Lewati ke konten utama
Logo Memahami Aljabar Linear

Subbab 7.1 Matriks simetris dan varians

Dalam bagian ini, kita akan meninjau kembali teori nilai eigen dan vektor eigen untuk kelas khusus matriks yang bersifat simetris, yaitu matriks yang sama dengan transposnya. Pemahaman tentang matriks simetris ini kelak memungkinkan kita membentuk dekomposisi nilai singular dalam bab ini. Kita juga akan mulai mempelajari varians karena konsep ini menyediakan konteks penting yang memotivasi sebagian pembahasan selanjutnya.

Subbagian 7.1.1 Pendahuluan

Sebagai awal, ingatlah bahwa jika \(A\) merupakan matriks persegi, kita menyebut \(\vvec\) sebagai vektor eigen dari \(A\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda\) apabila \(A\vvec=\lambda\vvec\text{.}\) Dengan kata lain, untuk vektor-vektor khusus ini, operasi perkalian matriks menyederhana menjadi perkalian skalar.

Aktivitas Pratinjau 7.1.1.

Kegiatan pratinjau ini mengingatkan kita bagaimana suatu basis vektor eigen dapat digunakan untuk mengaitkan matriks persegi dengan matriks diagonal.
Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\) dan sepasang sumbu. Rentang horizontal dan vertikal sama-sama membentang dari \(-5\) hingga \(5\text{.}\)
Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\) dan sepasang sumbu. Rentang horizontal dan vertikal sama-sama membentang dari \(-5\) hingga \(5\text{.}\)
Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
Tombol Tindakan
Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
B Aktifkan penjelajahan dengan menu
Escape Keluar dari mode penjelajahan
Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
Spasi Ulangi keluaran suara
M Aktifkan pembesaran bertahap
Koma Aktifkan pembesaran langsung
N Nonaktifkan pembesaran
Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
C Gilir pengaturan kontras
T Gunakan warna monokrom
L Ganti bahasa jika tersedia
K Hentikan suara saat ini
Y Hentikan keluaran suara
O Mulai atau hentikan sonifikasi
P Ulangi keluaran sonifikasi
Gambar 7.1.1. Gunakan gambar-gambar ini untuk membuat sketsa vektor yang diminta dalam kegiatan pratinjau.
(a)
Misalkan \(D=\begin{bmatrix} 3 \amp 0 \\ 0 \amp -1 \end{bmatrix}\) serta \(\evec_1 = \twovec10\) dan \(\evec_2=\twovec01\text{.}\)
  1. Buatlah sketsa vektor \(\evec_1\) dan \(D\evec_1\) pada sisi kiri Gambar 7.1.1.
  2. Buatlah sketsa vektor \(\evec_2\) dan \(D\evec_2\) pada sisi kiri Gambar 7.1.1.
  3. Buatlah sketsa vektor \(\evec_1+2\evec_2\) dan \(D(\evec_1+2\evec_2)\) pada sisi kiri.
  4. Berikan deskripsi geometris tentang transformasi matriks yang didefinisikan oleh \(D\text{.}\)
(b)
Sekarang misalkan kita memiliki vektor \(\vvec_1=\twovec11\) dan \(\vvec_2=\twovec{-1}1\text{,}\) serta \(A\) merupakan matriks \(2\times2\) sedemikian sehingga
\begin{equation*} A\vvec_1 = 3\vvec_1, \hspace{24pt} A\vvec_2 = -\vvec_2\text{.} \end{equation*}
Artinya, \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\) merupakan vektor eigen dari \(A\) dengan nilai eigen terkait \(3\) dan \(-1\text{.}\)
  1. Buatlah sketsa vektor \(\vvec_1\) dan \(A\vvec_1\) pada sisi kanan Gambar 7.1.1.
  2. Buatlah sketsa vektor \(\vvec_2\) dan \(A\vvec_2\) pada sisi kanan Gambar 7.1.1.
  3. Buatlah sketsa vektor \(\vvec_1+2\vvec_2\) dan \(A(\vvec_1+2\vvec_2)\) pada sisi kanan.
  4. Berikan deskripsi geometris tentang transformasi matriks yang didefinisikan oleh \(A\text{.}\)
(c)
Dalam hal apa transformasi matriks yang didefinisikan oleh \(D\) dan \(A\) saling berkaitan?
Kegiatan pratinjau meminta kita membandingkan transformasi matriks yang didefinisikan oleh dua matriks: matriks diagonal \(D\) dan matriks \(A\) yang vektor eigennya telah diberikan. Transformasi yang didefinisikan oleh \(D\) meregangkan secara horizontal dengan faktor 3 dan mencerminkan terhadap sumbu horizontal, sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 7.1.2.
Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\text{,}\) sepasang sumbu, dan persegi satuan yang titik-titik sudutnya berada di titik asal, \((1,0)\text{,}\) \((1,1)\text{,}\) dan \((0,1)\text{.}\)
Diagram di sebelah kanan memperlihatkan unsur-unsur ini setelah ditransformasikan oleh matriks diagonal \(D\text{.}\) Kisi koordinat diregangkan secara horizontal dengan faktor \(3\text{,}\) dan persegi satuan diubah menjadi persegi panjang yang titik-titik sudutnya berada di titik asal, \((3,0)\text{,}\) \((3,-1)\text{,}\) dan \((0,-1)\text{.}\) Persegi panjang ini diperoleh dengan meregangkan persegi satuan secara horizontal dengan faktor \(3\) dan mencerminkannya terhadap sumbu horizontal.
Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
Tombol Tindakan
Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
B Aktifkan penjelajahan dengan menu
Escape Keluar dari mode penjelajahan
Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
Spasi Ulangi keluaran suara
M Aktifkan pembesaran bertahap
Koma Aktifkan pembesaran langsung
N Nonaktifkan pembesaran
Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
C Gilir pengaturan kontras
T Gunakan warna monokrom
L Ganti bahasa jika tersedia
K Hentikan suara saat ini
Y Hentikan keluaran suara
O Mulai atau hentikan sonifikasi
P Ulangi keluaran sonifikasi
Gambar 7.1.2. Transformasi matriks yang didefinisikan oleh \(D\text{.}\)
Sebaliknya, transformasi yang didefinisikan oleh \(A\) meregangkan bidang dengan faktor 3 dalam arah \(\vvec_1\) dan mencerminkan terhadap garis yang didefinisikan oleh \(\vvec_1\text{,}\) sebagaimana terlihat dalam Gambar 7.1.3.
Kisi koordinat berukuran \(1\times1\) yang telah diputar \(45\) derajat berlawanan arah jarum jam sehingga garis-garis kisi sejajar dengan vektor eigen dari \(A\text{.}\) Persegi satuan juga telah diputar.
Kisi dan persegi telah ditransformasikan melalui perkalian dengan matriks \(A\text{.}\) Kisi diregangkan dengan faktor \(3\) dalam arah vektor eigen \(\vvec_1\text{.}\) Persegi juga diregangkan dengan faktor \(3\) dalam arah \(\vvec_1\) dan dicerminkan terhadap garis yang didefinisikan oleh \(\vvec_1\text{.}\)
Diagram ini sangat menyerupai diagram sebelumnya, hanya saja diputar \(45\) derajat sehingga sumbu-sumbunya sejajar dengan vektor-vektor eigen.
Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
Tombol Tindakan
Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
B Aktifkan penjelajahan dengan menu
Escape Keluar dari mode penjelajahan
Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
Spasi Ulangi keluaran suara
M Aktifkan pembesaran bertahap
Koma Aktifkan pembesaran langsung
N Nonaktifkan pembesaran
Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
C Gilir pengaturan kontras
T Gunakan warna monokrom
L Ganti bahasa jika tersedia
K Hentikan suara saat ini
Y Hentikan keluaran suara
O Mulai atau hentikan sonifikasi
P Ulangi keluaran sonifikasi
Gambar 7.1.3. Transformasi matriks yang didefinisikan oleh \(A\text{.}\)
Dengan demikian, kita melihat bahwa transformasi matriks yang didefinisikan oleh kedua matriks ini ekuivalen setelah rotasi sebesar \(45^\circ\text{.}\) Gagasan ekuivalensi ini kita sebut keserupaan dalam Subbab 4.3. Di sana kita meninjau matriks persegi \(m\times m\) \(A\) yang menyediakan cukup banyak vektor eigen untuk membentuk basis bagi \(\real^m\text{.}\) Sebagai contoh, misalkan kita dapat menyusun basis bagi \(\real^m\) menggunakan vektor eigen \(\vvec_1,\vvec_2,\ldots,\vvec_m\) yang memiliki nilai eigen terkait \(\lambda_1,\lambda_2,\ldots,\lambda_m\text{.}\) Dengan membentuk matriks
\begin{equation*} P = \begin{bmatrix} \vvec_1\amp\vvec_2\amp\ldots\amp\vvec_m \end{bmatrix}, \hspace{24pt} D = \begin{bmatrix} \lambda_1 \amp 0 \amp \ldots \amp 0 \\ 0 \amp \lambda_2 \amp \ldots \amp 0 \\ \vdots\amp\vdots\amp\ddots\amp\vdots\\ 0 \amp 0 \amp \ldots \amp \lambda_m \end{bmatrix}, \end{equation*}
kita dapat menulis \(A = PDP^{-1}\text{.}\) Inilah yang dimaksud dengan \(A\) dapat didiagonalisasi.
Untuk contoh dalam kegiatan pratinjau, kita membentuk
\begin{equation*} P = \begin{bmatrix} 1 \amp -1 \\ 1 \amp 1 \end{bmatrix}, \hspace{24pt} D = \begin{bmatrix} 3 \amp 0 \\ 0 \amp - 1 \end{bmatrix} \end{equation*}
yang menunjukkan bahwa \(A=PDP^{-1} = \begin{bmatrix} 1 \amp 2 \\ 2 \amp 1 \end{bmatrix} \text{.}\)
Perhatikan bahwa matriks \(A\) memiliki vektor eigen \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\) yang bukan hanya membentuk basis bagi \(\real^2\text{,}\) tetapi bahkan membentuk basis ortogonal bagi \(\real^2\text{.}\) Mengingat peran penting basis ortogonal dalam bab sebelumnya, kita ingin memahami syarat apa pada suatu matriks yang memungkinkan kita membentuk basis ortogonal yang terdiri atas vektor-vektor eigen.

Subbagian 7.1.2 Matriks simetris dan diagonalisasi ortogonal

Mari kita mulai dengan menelaah beberapa contoh dalam kegiatan berikut.

Kegiatan 7.1.2.

Ingatlah bahwa perintah Sage A.right_eigenmatrix() berupaya mencari basis bagi \(\real^m\) yang terdiri atas vektor eigen dari \(A\text{.}\) Secara khusus, penetapan D, P = A.right_eigenmatrix() menghasilkan matriks diagonal \(D\) yang dibentuk dari nilai-nilai eigen \(A\text{,}\) sedangkan kolom-kolom \(P\) memuat vektor eigen yang terkait.
  1. Untuk setiap matriks berikut, tentukan apakah terdapat basis bagi \(\real^2\) yang terdiri atas vektor eigen dari matriks tersebut. Jika basis semacam itu ada, bentuklah matriks \(P\) dan \(D\text{,}\) lalu verifikasikan bahwa matriks tersebut sama dengan \(PDP^{-1}\text{.}\)
    1. \(\begin{bmatrix} 3 \amp -4 \\ 4 \amp 3 \end{bmatrix} \text{.}\)
    2. \(\begin{bmatrix} 1 \amp 1 \\ -1 \amp 3 \end{bmatrix} \text{.}\)
    3. \(\begin{bmatrix} 1 \amp 0\\ -1 \amp 2 \end{bmatrix} \text{.}\)
    4. \(\begin{bmatrix} 9 \amp 2 \\ 2 \amp 6 \end{bmatrix} \text{.}\)
  2. Pada contoh manakah dapat dibentuk basis ortogonal bagi \(\real^2\) yang terdiri atas vektor-vektor eigen?
  3. Untuk setiap matriks \(A\) semacam itu, carilah basis ortonormal yang terdiri atas vektor-vektor eigen dan jelaskan mengapa \(A=QDQ^{-1}\text{,}\) dengan \(Q\) merupakan matriks ortogonal.
  4. Terakhir, jelaskan mengapa \(A=QDQ^T\) dalam kasus ini.
  5. Jika \(A=QDQ^T\text{,}\) bagaimana hubungan antara \(A\) dan \(A^T\text{?}\)
Contoh-contoh dalam kegiatan ini menggambarkan berbagai kemungkinan. Pertama, suatu matriks dapat memiliki nilai eigen kompleks; dalam hal ini matriks tersebut tidak dapat didiagonalisasi. Kedua, meskipun semua nilai eigennya real, belum tentu terdapat basis vektor eigen apabila dimensi salah satu ruang eigen lebih kecil daripada multiplisitas aljabar nilai eigen yang terkait.
Kita tertarik pada matriks yang memiliki basis ortogonal yang terdiri atas vektor-vektor eigen. Jika demikian, kita dapat membentuk basis ortonormal vektor eigen dengan menskalakan setiap vektor eigen dalam basis tersebut agar panjangnya 1. Menempatkan vektor-vektor ortonormal ini ke dalam matriks \(Q\) menghasilkan matriks ortogonal, sehingga \(Q^T=Q^{-1}\text{.}\) Dengan demikian,
\begin{equation*} A = QDQ^{-1} = QDQ^T. \end{equation*}
Dalam kasus ini, kita mengatakan bahwa \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal.

Definisi 7.1.4.

Jika terdapat basis ortonormal bagi \(\real^n\) yang terdiri atas vektor eigen dari matriks \(A\text{,}\) kita mengatakan bahwa \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal. Secara khusus, kita dapat menulis \(A=QDQ^T\text{,}\) dengan \(Q\) merupakan matriks ortogonal.
Jika \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal, perhatikan bahwa
\begin{equation*} A^T=(QDQ^T)^T = (Q^T)^TD^TQ^T = QDQ^T = A. \end{equation*}
Jadi, apabila \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal, \(A=A^T\text{,}\) dan kita mengatakan bahwa \(A\) simetris.

Definisi 7.1.5.

Matriks simetris \(A\) adalah matriks yang memenuhi \(A=A^T\text{.}\)

Contoh 7.1.6.

Tinjau matriks \(A = \begin{bmatrix} -2 \amp 36 \\ 36 \amp -23 \end{bmatrix} \text{,}\) yang memiliki vektor eigen \(\vvec_1 = \twovec43\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda_1=25\text{,}\) serta \(\vvec_2=\twovec{3}{-4}\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda_2=-50\text{.}\) Perhatikan bahwa \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\) ortogonal, sehingga kita dapat membentuk basis ortonormal vektor eigen:
\begin{equation*} \uvec_1 = \twovec{4/5}{3/5}, \hspace{24pt} \uvec_2 = \twovec{3/5}{-4/5}\text{.} \end{equation*}
Dengan cara ini, kita menyusun matriks
\begin{equation*} Q = \begin{bmatrix} 4/5 \amp 3/5 \\ 3/5 \amp -4/5 \\ \end{bmatrix}, \hspace{24pt} D = \begin{bmatrix} 25 \amp 0 \\ 0 \amp -50 \end{bmatrix} \end{equation*}
dan memperoleh \(A = QDQ^T\text{.}\)
Perhatikan pula bahwa, sebagaimana diharapkan, \(A\) simetris; yakni, \(A=A^T\text{.}\)

Contoh 7.1.7.

Jika \(A = \begin{bmatrix} 1 \amp 2 \\ 2 \amp 1 \\ \end{bmatrix} \text{,}\) maka terdapat basis ortogonal vektor eigen \(\vvec_1 = \twovec11\) dan \(\vvec_2 = \twovec{-1}1\) dengan nilai eigen \(\lambda_1=3\) dan \(\lambda_2=-1\text{.}\) Dengan menggunakan vektor-vektor eigen ini, kita membentuk matriks ortogonal \(Q\) yang kolomnya terdiri atas vektor eigen serta matriks diagonal \(D\text{,}\) yaitu
\begin{equation*} Q = \begin{bmatrix} 1/\sqrt{2} \amp -1/\sqrt{2} \\ 1/\sqrt{2} \amp 1/\sqrt{2} \end{bmatrix},\hspace{24pt} D = \begin{bmatrix} 3 \amp 0 \\ 0 \amp - 1 \end{bmatrix}. \end{equation*}
Dengan demikian, \(A = QDQ^T\text{.}\)
Perhatikan bahwa transformasi matriks yang direpresentasikan oleh \(Q\) merupakan rotasi \(45^\circ\text{,}\) sedangkan yang direpresentasikan oleh \(Q^T=Q^{-1}\) merupakan rotasi \(-45^\circ\text{.}\) Oleh karena itu, jika kita mengalikan vektor \(\xvec\) dengan \(A\text{,}\) perkalian tersebut dapat diuraikan sebagai
\begin{equation*} A\xvec = Q(D(Q^T\xvec)). \end{equation*}
Artinya, mula-mula kita memutar \(\xvec\) sebesar \(-45^\circ\text{,}\) kemudian menerapkan matriks diagonal \(D\) yang melakukan peregangan dan pencerminan, lalu akhirnya memutar sebesar \(45^\circ\text{.}\) Faktorisasi ini dapat divisualisasikan seperti dalam Gambar 7.1.8.
Kisi koordinat berukuran \(1\times1\) dan persegi satuan yang diputar \(45\) derajat berlawanan arah jarum jam.
\begin{equation*} \stackrel{Q^T}{\longrightarrow} \end{equation*}
Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\) dan persegi satuan.
\begin{gather*} D\\ \swarrow \end{gather*}
Hasil penerapan matriks berikutnya, \(D\text{,}\) dalam faktorisasi yang telah kita telaah. Kisi koordinat diregangkan secara horizontal dengan faktor \(3\text{,}\) dan persegi satuan diubah menjadi persegi panjang melalui peregangan horizontal dengan faktor \(3\) dan pencerminan terhadap sumbu horizontal.
\begin{equation*} \stackrel{Q}{\longrightarrow} \end{equation*}
Penerapan matriks terakhir \(Q\) dalam faktorisasi memutar diagram sebelumnya sebesar \(45\) derajat berlawanan arah jarum jam.
Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
Tombol Tindakan
Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
B Aktifkan penjelajahan dengan menu
Escape Keluar dari mode penjelajahan
Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
Spasi Ulangi keluaran suara
M Aktifkan pembesaran bertahap
Koma Aktifkan pembesaran langsung
N Nonaktifkan pembesaran
Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
C Gilir pengaturan kontras
T Gunakan warna monokrom
L Ganti bahasa jika tersedia
K Hentikan suara saat ini
Y Hentikan keluaran suara
O Mulai atau hentikan sonifikasi
P Ulangi keluaran sonifikasi
Gambar 7.1.8. Transformasi yang didefinisikan oleh \(A=QDQ^T\) dapat ditafsirkan sebagai rangkaian transformasi geometris: \(Q^T\) memutar sebesar \(-45^\circ\text{,}\) \(D\) meregangkan dan mencerminkan, serta \(Q\) memutar sebesar \(45^\circ\text{.}\)
Sebenarnya, gambaran serupa berlaku setiap kali matriks \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
Kita telah melihat bahwa matriks yang dapat didiagonalisasi secara ortogonal haruslah simetris. Ternyata, setiap matriks simetris dapat didiagonalisasi secara ortogonal. Fakta ini kita catat dalam teorema berikut.

Kegiatan 7.1.3.

Setiap matriks berikut bersifat simetris, sehingga Teorema Spektral menyatakan bahwa masing-masing dapat didiagonalisasi secara ortogonal. Tujuan kegiatan ini adalah mencari diagonalisasi ortogonal untuk setiap matriks.
Sebagai awal, carilah basis untuk setiap ruang eigen. Gunakan basis tersebut untuk mencari basis ortogonal bagi setiap ruang eigen, lalu gabungkan basis-basis ini untuk memperoleh basis ortogonal bagi \(\real^m\) yang terdiri atas vektor eigen. Gunakan basis ini untuk menuliskan diagonalisasi ortogonal matriks tersebut.
  1. \(\begin{bmatrix} 0 \amp 2 \\ 2 \amp 3 \end{bmatrix} \text{.}\)
  2. \(\begin{bmatrix} 4 \amp -2 \amp 14 \\ -2 \amp 19 \amp -16 \\ 14 \amp -16 \amp 13 \end{bmatrix} \text{.}\)
  3. \(\begin{bmatrix} 5 \amp 4 \amp 2 \\ 4 \amp 5 \amp 2 \\ 2 \amp 2 \amp 2 \end{bmatrix} \text{.}\)
  4. Tinjau matriks \(A = B^TB\text{,}\) dengan \(B = \begin{bmatrix} 0 \amp 1 \amp 2 \\ 2 \amp 0 \amp 1 \end{bmatrix} \text{.}\) Jelaskan bagaimana kita mengetahui bahwa \(A\) simetris, kemudian carilah diagonalisasi ortogonal dari \(A\text{.}\)
Sebagaimana diperlihatkan oleh contoh-contoh dalam Kegiatan 7.1.3, Teorema Spektral memiliki sejumlah konsekuensi. Jika \(A\) merupakan matriks simetris \(m\times m\text{,}\) maka
  • nilai-nilai eigen \(A\) bersifat real;
  • terdapat basis bagi \(\real^m\) yang terdiri atas vektor-vektor eigen; dan
  • dua vektor eigen yang terkait dengan nilai eigen berbeda saling ortogonal.
Kita tidak akan membuktikan dua fakta pertama di sini karena pembahasannya akan membawa kita terlalu jauh. Namun, akan bermanfaat untuk menjelaskan fakta ketiga. Sebagai awal, perhatikan bahwa
\begin{equation*} \vvec\cdot(A\wvec) = \vvec^TA\wvec = (A^T\vvec)^T\wvec = (A^T\vvec)\cdot \wvec. \end{equation*}
Fakta ini berguna dan akan sering kita gunakan selanjutnya, sehingga kita rangkum dalam proposisi berikut.

Contoh 7.1.11.

Misalkan matriks simetris \(A\) memiliki vektor eigen \(\vvec_1\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda_1=3\text{,}\) serta \(\vvec_2\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda_2 = 10\text{.}\) Perhatikan bahwa
\begin{align*} (A\vvec_1)\cdot\vvec_2 \amp = 3\vvec_1\cdot\vvec_2\\ \vvec_1\cdot(A\vvec_2) \amp = 10\vvec_1\cdot\vvec_2. \end{align*}
Karena \((A\vvec_1)\cdot\vvec_2 = \vvec_1\cdot(A\vvec_2)\) menurut Proposisi 7.1.10, kita memperoleh
\begin{equation*} 3\vvec_1\cdot\vvec_2 = 10 \vvec_1\cdot\vvec_2, \end{equation*}
yang hanya mungkin terjadi jika \(\vvec_1\cdot\vvec_2 = 0\text{.}\) Oleh karena itu, \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\) saling ortogonal.
Secara lebih umum, argumen yang sama menunjukkan bahwa dua vektor eigen dari matriks simetris yang terkait dengan nilai eigen berbeda saling ortogonal.

Subbagian 7.1.3 Varians

Banyak gagasan yang akan kita jumpai dalam bab ini, seperti diagonalisasi ortogonal, dapat diterapkan untuk mempelajari data. Memahami penerapan tersebut berguna karena menyediakan konteks penting tempat gagasan matematika memiliki makna yang lebih konkret dan motivasinya tampak lebih jelas. Oleh karena itu, sekarang kita akan memperkenalkan konsep statistik varians untuk memperoleh wawasan tentang arti penting diagonalisasi ortogonal.
Untuk suatu himpunan titik data, varians mengukur seberapa tersebar titik-titik tersebut. Kegiatan berikut menelaah beberapa contoh.

Kegiatan 7.1.4.

Kita mulai dengan himpunan tiga titik data
\begin{equation*} \dvec_1=\twovec11, \hspace{24pt} \dvec_2=\twovec21, \hspace{24pt} \dvec_3=\twovec34. \end{equation*}
  1. Carilah sentroid, atau rata-rata, \(\overline{\dvec}=\frac1N\sum_j \dvec_j\text{.}\) Kemudian gambarkan titik-titik data beserta sentroidnya dalam Gambar 7.1.12.
    Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
    Tombol Tindakan
    Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
    B Aktifkan penjelajahan dengan menu
    Escape Keluar dari mode penjelajahan
    Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
    Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
    Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
    Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
    X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
    W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
    Spasi Ulangi keluaran suara
    M Aktifkan pembesaran bertahap
    Koma Aktifkan pembesaran langsung
    N Nonaktifkan pembesaran
    Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
    C Gilir pengaturan kontras
    T Gunakan warna monokrom
    L Ganti bahasa jika tersedia
    K Hentikan suara saat ini
    Y Hentikan keluaran suara
    O Mulai atau hentikan sonifikasi
    P Ulangi keluaran sonifikasi
    Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\) dan sepasang sumbu. Rentang horizontal dan vertikal membentang dari \(-4\) hingga \(4\text{.}\)
    Gambar 7.1.12. Gambarkan titik-titik data dan sentroidnya di sini.
  2. Perhatikan bahwa sentroid berada di pusat data, sehingga sebaran data akan diukur berdasarkan seberapa jauh titik-titik tersebut dari sentroid. Untuk menyederhanakan perhitungan, carilah titik-titik data terpusat
    \begin{equation*} \dtil_j = \dvec_j - \overline{\dvec} \end{equation*}
    dan gambarkan dalam Gambar 7.1.13.
    Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
    Tombol Tindakan
    Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
    B Aktifkan penjelajahan dengan menu
    Escape Keluar dari mode penjelajahan
    Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
    Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
    Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
    Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
    X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
    W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
    Spasi Ulangi keluaran suara
    M Aktifkan pembesaran bertahap
    Koma Aktifkan pembesaran langsung
    N Nonaktifkan pembesaran
    Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
    C Gilir pengaturan kontras
    T Gunakan warna monokrom
    L Ganti bahasa jika tersedia
    K Hentikan suara saat ini
    Y Hentikan keluaran suara
    O Mulai atau hentikan sonifikasi
    P Ulangi keluaran sonifikasi
    Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\) dan sepasang sumbu. Rentang horizontal dan vertikal membentang dari \(-4\) hingga \(4\text{.}\)
    Gambar 7.1.13. Gambarkan titik-titik data terpusat \(\dtil_j\) di sini.
  3. Setelah data dipusatkan, kita mendefinisikan varians total sebagai rata-rata kuadrat jarak dari titik asal; yakni, varians total adalah
    \begin{equation*} V = \frac 1N\sum_j~|\dtil_j|^2. \end{equation*}
    Carilah varians total \(V\) untuk himpunan tiga titik kita.
  4. Sekarang gambarkan proyeksi data terpusat pada sumbu \(x\) dan \(y\) menggunakan Gambar 7.1.14, lalu carilah varians \(V_x\) dan \(V_y\) dari titik-titik hasil proyeksi.
    Garis bilangan horizontal yang bermula di sebelah kiri pada \(-4\) dan berakhir di sebelah kanan pada \(4\text{.}\)
    Garis bilangan vertikal yang bermula di bawah pada \(-4\) dan berakhir di atas pada \(4\text{.}\)
    Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
    Tombol Tindakan
    Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
    B Aktifkan penjelajahan dengan menu
    Escape Keluar dari mode penjelajahan
    Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
    Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
    Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
    Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
    X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
    W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
    Spasi Ulangi keluaran suara
    M Aktifkan pembesaran bertahap
    Koma Aktifkan pembesaran langsung
    N Nonaktifkan pembesaran
    Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
    C Gilir pengaturan kontras
    T Gunakan warna monokrom
    L Ganti bahasa jika tersedia
    K Hentikan suara saat ini
    Y Hentikan keluaran suara
    O Mulai atau hentikan sonifikasi
    P Ulangi keluaran sonifikasi
    Gambar 7.1.14. Gambarkan proyeksi data terpusat pada sumbu \(x\) dan \(y\text{.}\)
  5. Di antara varians \(V_x\) dan \(V_y\text{,}\) manakah yang lebih besar, dan bagaimana gambar titik-titik hasil proyeksi menjelaskan jawaban Anda?
  6. Apa yang Anda perhatikan tentang hubungan antara \(V\text{,}\) \(V_x\text{,}\) dan \(V_y\text{?}\) Bagaimana teorema Pythagoras menjelaskan hubungan ini?
  7. Gambarkan proyeksi titik-titik data terpusat pada garis yang didefinisikan oleh vektor \(\vvec_1=\twovec11\) dan \(\vvec_2=\twovec{-1}1\) menggunakan Gambar 7.1.15, lalu carilah varians \(V_{\vvec_1}\) dan \(V_{\vvec_2}\) dari titik-titik hasil proyeksi ini.
    Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
    Tombol Tindakan
    Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
    B Aktifkan penjelajahan dengan menu
    Escape Keluar dari mode penjelajahan
    Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
    Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
    Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
    Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
    X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
    W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
    Spasi Ulangi keluaran suara
    M Aktifkan pembesaran bertahap
    Koma Aktifkan pembesaran langsung
    N Nonaktifkan pembesaran
    Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
    C Gilir pengaturan kontras
    T Gunakan warna monokrom
    L Ganti bahasa jika tersedia
    K Hentikan suara saat ini
    Y Hentikan keluaran suara
    O Mulai atau hentikan sonifikasi
    P Ulangi keluaran sonifikasi
    Kisi koordinat baku berukuran \(1\times1\text{,}\) sepasang sumbu, dan dua garis ortogonal yang sejajar dengan vektor \(\vvec_1=\twovec11\) dan \(\vvec_2=\twovec{-1}1\text{.}\)
    Gambar 7.1.15. Gambarkan proyeksi data terpusat pada garis yang didefinisikan oleh \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\text{.}\)
  8. Bagaimana hubungan antara varians total \(V\) dengan \(V_{\vvec_1}\) dan \(V_{\vvec_2}\text{?}\) Bagaimana teorema Pythagoras menjelaskan jawaban Anda?
Perhatikan bahwa varians memiliki sifat aditif. Sebagai contoh, tinjau keadaan ketika titik-titik data kita berdimensi dua dan misalkan titik-titik terpusatnya adalah \(\dtil_j=\twovec{\widetilde{x}_j}{\widetilde{y}_j}\text{.}\) Kita memiliki
\begin{equation*} |\dtil_j|^2 = \widetilde{x}_j^2 + \widetilde{y}_j^2. \end{equation*}
Jika kita mengambil rata-rata atas semua titik data, kita memperoleh bahwa varians total \(V\) merupakan jumlah varians dalam arah \(x\) dan \(y\text{:}\)
\begin{align*} \frac1N \sum_j~ |\dtil_j|^2 \amp = \frac1N \sum_j~ \widetilde{x}_j^2 + \frac1N \sum_j~ \widetilde{y}_j^2 \\ V \amp = V_x + V_y. \end{align*}
Secara lebih umum, misalkan kita memiliki basis ortonormal \(\uvec_1\) dan \(\uvec_2\text{.}\) Jika kita memproyeksikan titik-titik terpusat pada garis yang didefinisikan oleh \(\uvec_1\text{,}\) kita memperoleh titik-titik \((\dtil_j\cdot\uvec_1)\uvec_1\text{,}\) sehingga
\begin{equation*} V_{\uvec_1} = \frac1N\sum_j ~|(\dtil_j\cdot\uvec_1)~\uvec_1|^2 = \frac1N\sum_j~(\dtil_j\cdot\uvec_1)^2. \end{equation*}
Untuk setiap titik data terpusat, Rumus Proyeksi menyatakan bahwa
\begin{equation*} \dtil_j = (\dtil_j\cdot\uvec_1)~\uvec_1 + (\dtil_j\cdot\uvec_2)~\uvec_2. \end{equation*}
Selanjutnya,
\begin{equation*} |\dtil_j|^2 = \dtil_j\cdot\dtil_j = (\dtil_j\cdot\uvec_1)^2 + (\dtil_j\cdot\uvec_2)^2 \end{equation*}
karena \(\uvec_1\cdot\uvec_2 = 0\text{.}\) Ketika kita mengambil rata-rata atas semua titik data, kita memperoleh bahwa varians total \(V\) merupakan jumlah varians dalam arah \(\uvec_1\) dan \(\uvec_2\text{.}\) Hal ini menghasilkan proposisi berikut, yang menyatakan pengamatan tersebut secara lebih umum.
Kegiatan berikut memperlihatkan cara yang lebih efisien untuk mencari varians \(V_{\uvec}\) dalam arah tertentu dan menghubungkan pembahasan varians dengan matriks simetris.

Kegiatan 7.1.5.

Mari kembali ke himpunan data dari kegiatan sebelumnya, tempat kita memiliki titik-titik data terpusat:
\begin{equation*} \dtil_1=\twovec{-1}{-1},\hspace{24pt} \dtil_2=\twovec{0}{-1},\hspace{24pt} \dtil_3=\twovec{1}{2}. \end{equation*}
Tujuan kita adalah menghitung varians \(V_{\uvec}\) dalam arah yang didefinisikan oleh vektor satuan \(\uvec\text{.}\)
Sebagai awal, bentuklah matriks data terpusat
\begin{equation*} A = \begin{bmatrix} \dtil_1 \amp \dtil_2 \amp \dtil_3 \end{bmatrix} \end{equation*}
dan misalkan \(\uvec\) merupakan vektor satuan.
  1. Tuliskan vektor \(A^T\uvec\) dalam hasil kali titik \(\dtil_j\cdot\uvec\text{.}\)
  2. Jelaskan mengapa \(V_{\uvec} = \frac13|A^T\uvec|^2\text{.}\)
  3. Terapkan Proposisi 7.1.10 untuk menjelaskan mengapa
    \begin{equation*} V_{\uvec} = \frac13|A^T\uvec|^2 = \frac13 (A^T\uvec)\cdot(A^T\uvec) = \uvec^T\left(\frac13 AA^T\right)\uvec = \uvec\cdot\left(\frac13 AA^T\right)\uvec \end{equation*}
  4. Secara umum, matriks \(C=\frac1N~AA^T\) disebut matriks kovarians dari himpunan data. Matriks ini berguna karena, sebagaimana baru saja kita lihat, varians \(V_{\uvec}=\uvec\cdot(C\uvec)\text{.}\) Carilah matriks \(C\) untuk himpunan data kita yang terdiri atas tiga titik.
  5. Gunakan matriks kovarians untuk mencari varians \(V_{\uvec_1}\) jika \(\uvec_1=\twovec{1/\sqrt{5}}{2/\sqrt{5}}\text{.}\)
  6. Gunakan matriks kovarians untuk mencari varians \(V_{\uvec_2}\) jika \(\uvec_2=\twovec{-2/\sqrt{5}}{1/\sqrt{5}}\text{.}\) Karena \(\uvec_1\) dan \(\uvec_2\) ortogonal, verifikasikan bahwa jumlah \(V_{\uvec_1}\) dan \(V_{\uvec_2}\) menghasilkan varians total.
  7. Jelaskan mengapa matriks kovarians \(C\) merupakan matriks simetris.
Kegiatan ini memperkenalkan matriks kovarians suatu himpunan data, yang didefinisikan sebagai \(C=\frac1N~AA^T\text{,}\) dengan \(A\) merupakan matriks titik-titik data terpusat. Perhatikan bahwa
\begin{equation*} C^T = \frac1N~(AA^T)^T = \frac1N~AA^T = C, \end{equation*}
yang menunjukkan bahwa \(C\) simetris. Secara khusus, kita mengetahui bahwa matriks ini dapat didiagonalisasi secara ortogonal, suatu pengamatan yang akan berperan penting selanjutnya.
Kegiatan ini juga memperlihatkan arti penting matriks kovarians, yang dicatat dalam proposisi berikut.
Selanjutnya, tujuan kita adalah mencari arah \(\uvec\) tempat varians sebesar mungkin dan arah tempat varians sekecil mungkin. Kegiatan berikut memperlihatkan mengapa hal ini berguna.

Kegiatan 7.1.6.

  1. Menjalankan sel Sage berikut memuat himpunan data yang terdiri atas 100 titik data terpusat dan menampilkan gambarnya. Sel ini juga menghasilkan matriks data terpusat \(A\text{.}\)
    Berapakah ukuran matriks kovarians \(C\text{?}\) Carilah \(C\) dan verifikasikan jawaban Anda.
  2. Dengan memeriksa data secara visual, tentukan mana yang lebih besar, \(V_x\) atau \(V_y\text{.}\) Kemudian hitung kedua besaran tersebut untuk memverifikasi jawaban Anda.
  3. Berapakah varians total \(V\text{?}\)
  4. Kira-kira dalam arah manakah varians terbesar? Pilih vektor \(\uvec\) yang wajar dan kurang lebih menunjuk dalam arah tersebut, lalu carilah \(V_{\uvec}\text{.}\)
  5. Kira-kira dalam arah manakah varians terkecil? Pilih vektor \(\wvec\) yang wajar dan kurang lebih menunjuk dalam arah tersebut, lalu carilah \(V_{\wvec}\text{.}\)
  6. Bagaimana arah \(\uvec\) dan \(\wvec\) pada dua bagian terakhir soal ini saling berkaitan? Mengapa hubungan tersebut berlaku?
Kegiatan ini memperlihatkan bagaimana varians dapat mengidentifikasi garis tempat data terkonsentrasi. Jika data terutama terletak di sepanjang garis yang didefinisikan oleh vektor \(\uvec_1\text{,}\) maka varians dalam arah tersebut akan besar, sedangkan varians dalam arah ortogonal \(\uvec_2\) akan kecil.
Ingatlah bahwa varians bersifat aditif menurut Proposisi 7.1.16, sehingga jika \(\uvec_1\) dan \(\uvec_2\) merupakan vektor satuan yang saling ortogonal, maka varians total adalah
\begin{equation*} V = V_{\uvec_1} + V_{\uvec_2}. \end{equation*}
Oleh karena itu, jika kita memilih \(\uvec_1\) sebagai arah tempat \(V_{\uvec_1}\) maksimum, maka \(V_{\uvec_2}\) akan minimum.
Dalam bagian berikutnya, kita akan menggunakan diagonalisasi ortogonal matriks kovarians \(C\) untuk mencari arah dengan varians terbesar dan terkecil. Dengan cara ini, kita dapat menentukan kapan data terkonsentrasi di sepanjang garis atau subruang.

Subbagian 7.1.4 Ringkasan

Bagian ini membahas matriks simetris dan varians. Secara khusus, kita telah melihat bahwa
  • matriks \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal jika terdapat basis ortonormal yang terdiri atas vektor eigen. Secara khusus, kita dapat menulis \(A=QDQ^T\text{,}\) dengan \(D\) merupakan matriks diagonal nilai eigen dan \(Q\) merupakan matriks ortogonal vektor eigen;
  • Teorema Spektral menyatakan bahwa matriks \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal jika dan hanya jika matriks tersebut simetris; yakni, \(A=A^T\text{;}\)
  • varians suatu himpunan data dapat dihitung menggunakan matriks kovarians \(C=\frac1N~AA^T\text{,}\) dengan \(A\) merupakan matriks titik-titik data terpusat. Secara khusus, varians titik-titik data terpusat yang diproyeksikan pada garis yang didefinisikan oleh vektor satuan \(\uvec\) adalah \(V_{\uvec} = \uvec\cdot C\uvec\text{.}\)
  • varians bersifat aditif, sehingga jika \(W\) merupakan subruang dengan basis ortonormal \(\uvec_1, \uvec_2,\ldots,\uvec_n\text{,}\) maka
    \begin{equation*} V_W = V_{\uvec_1} + V_{\uvec_2} + \ldots + V_{\uvec_n}. \end{equation*}

Latihan 7.1.5 Latihan

1.

Untuk setiap matriks berikut, tentukan nilai-nilai eigen dan sebuah basis untuk setiap ruang eigen. Tentukan apakah matriks tersebut dapat didiagonalisasi dan, jika ya, tentukan suatu diagonalisasinya. Tentukan apakah matriks tersebut dapat didiagonalisasi secara ortogonal dan, jika ya, tentukan suatu diagonalisasi ortogonal.
  1. \(\displaystyle \begin{bmatrix} 5 \amp 1 \\ -1 \amp 3 \\ \end{bmatrix}\)
  2. \(\displaystyle \begin{bmatrix} 0 \amp 1 \\ 1 \amp 0 \\ \end{bmatrix}\)
  3. \(\displaystyle \begin{bmatrix} 1 \amp 0 \amp 0 \\ 2 \amp -2 \amp 0 \\ 0 \amp 1 \amp 4 \\ \end{bmatrix}\)
  4. \(\displaystyle \begin{bmatrix} 2 \amp 5 \amp -4\\ 5 \amp -7 \amp 5 \\ -4 \amp 5 \amp 2 \\ \end{bmatrix}\)

2.

Perhatikan matriks \(A = \begin{bmatrix} 1 \amp 2 \amp 2 \\ 2 \amp 1 \amp 2 \\ 2 \amp 2 \amp 1 \\ \end{bmatrix}\) yang nilai-nilai eigennya adalah \(\lambda_1=5\text{,}\) \(\lambda_2=-1\text{,}\) dan \(\lambda_3 = -1\text{.}\)
  1. Jelaskan mengapa \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
  2. Tentukan sebuah basis ortonormal untuk ruang eigen \(E_5\text{.}\)
  3. Tentukan sebuah basis untuk ruang eigen \(E_{-1}\text{.}\)
  4. Sekarang tentukan sebuah basis ortonormal untuk \(E_{-1}\text{.}\)
  5. Tentukan matriks \(D\) dan \(Q\) sedemikian sehingga \(A=QDQ^T\text{.}\)

3.

Tentukan suatu diagonalisasi ortogonal, jika ada, untuk matriks-matriks berikut.
  1. \(\begin{bmatrix} 11 \amp 4 \amp 12 \\ 4 \amp -3 \amp -16 \\ 12 \amp -16 \amp 1 \end{bmatrix} \text{.}\)
  2. \(\begin{bmatrix} 1 \amp 0 \amp 2 \\ 0 \amp 1 \amp 2 \\ -2 \amp -2 \amp 1 \\ \end{bmatrix} \text{.}\)
  3. \(\begin{bmatrix} 9 \amp 3 \amp 3 \amp 3\\ 3 \amp 9 \amp 3 \amp 3\\ 3 \amp 3 \amp 9 \amp 3\\ 3 \amp 3 \amp 3 \amp 9\\ \end{bmatrix} \text{.}\)

4.

Misalkan \(A\) adalah matriks \(m\times n\) dan \(B=A^TA\text{.}\)
  1. Jelaskan mengapa \(B\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
  2. Jelaskan mengapa \(\vvec\cdot(B\vvec) = \len{A\vvec}^2\text{.}\)
  3. Misalkan \(\uvec\) adalah vektor eigen \(B\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda\) dan \(\uvec\) memiliki panjang satu. Jelaskan mengapa \(\lambda = \len{A\uvec}^2\text{.}\)
  4. Jelaskan mengapa nilai-nilai eigen \(B\) taknegatif.
  5. Jika \(C\) adalah matriks kovarians yang terkait dengan suatu himpunan data terpusat, jelaskan mengapa nilai-nilai eigen \(C\) taknegatif.

5.

Misalkan diberikan titik-titik data
\begin{equation*} (2,0), (2,3), (4,1), (3,2), (4,4). \end{equation*}
  1. Tentukan titik-titik data terpusat.
  2. Tentukan varians total \(V\) dari himpunan data tersebut.
  3. Tentukan varians pada arah \(\evec_1 = \twovec10\) dan varians pada arah \(\evec_2=\twovec01\text{.}\)
  4. Proyeksikan titik-titik data terpusat ke garis yang ditentukan oleh \(\vvec_1=\twovec21\text{,}\) lalu tentukan varians titik-titik hasil proyeksi tersebut.
  5. Proyeksikan titik-titik data terpusat ke garis yang ditentukan oleh \(\vvec_2=\twovec1{-2}\text{,}\) lalu tentukan varians titik-titik hasil proyeksi tersebut.
  6. Bagaimana hasil dari dua bagian terakhir berkaitan dengan varians total, dan mengapa hubungan itu berlaku?

6.

Misalkan terdapat enam titik data berdimensi dua yang disusun dalam matriks
\begin{equation*} \begin{bmatrix} 2 \amp 0 \amp 4 \amp 4 \amp 5 \amp 3 \\ 1 \amp 0 \amp 3 \amp 5 \amp 4 \amp 5 \end{bmatrix}. \end{equation*}
  1. Tentukan matriks \(A\) yang memuat titik-titik data terpusat dan gambarkan titik-titik tersebut pada Gambar 7.1.18.
    Kontrol papan ketik untuk menjelajahi diagram
    Tombol Tindakan
    Enter, A Aktifkan penjelajahan dengan papan ketik
    B Aktifkan penjelajahan dengan menu
    Escape Keluar dari mode penjelajahan
    Panah bawah Jelajahi tingkat berikutnya di bawah
    Panah atas Jelajahi tingkat berikutnya di atas
    Panah kanan Jelajahi elemen berikutnya pada tingkat ini
    Panah kiri Jelajahi elemen sebelumnya pada tingkat ini
    X Aktifkan atau nonaktifkan mode ahli
    W Tampilkan rincian tambahan jika tersedia
    Spasi Ulangi keluaran suara
    M Aktifkan pembesaran bertahap
    Koma Aktifkan pembesaran langsung
    N Nonaktifkan pembesaran
    Z Tampilkan atau sembunyikan subtitel
    C Gilir pengaturan kontras
    T Gunakan warna monokrom
    L Ganti bahasa jika tersedia
    K Hentikan suara saat ini
    Y Hentikan keluaran suara
    O Mulai atau hentikan sonifikasi
    P Ulangi keluaran sonifikasi
    Kisi koordinat standar dengan petak berukuran \(1\times1\) dan sepasang sumbu. Rentang horizontal dan vertikal membentang dari \(-4\) hingga \(4\text{.}\)
    Gambar 7.1.18. Plot titik-titik data terpusat.
  2. Bentuklah matriks kovarians \(C\) dan jelaskan mengapa matriks tersebut dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
  3. Tentukan suatu diagonalisasi ortogonal dari \(C\text{.}\)
  4. Sketsalah garis-garis yang bersesuaian dengan kedua vektor eigen pada plot di atas.
  5. Tentukan varians pada arah kedua vektor eigen.

7.

Misalkan \(C\) adalah matriks kovarians dari suatu himpunan data terpusat.
  1. Misalkan \(\uvec\) adalah vektor eigen \(C\) dengan nilai eigen terkait \(\lambda\) dan \(\uvec\) memiliki panjang satu. Jelaskan mengapa \(V_{\uvec} = \lambda\text{.}\)
  2. Misalkan matriks kovarians suatu himpunan data terpusat dapat ditulis sebagai \(C=QDQ^T\text{,}\) dengan
    \begin{equation*} Q = \begin{bmatrix} \uvec_1 \amp \uvec_2 \end{bmatrix}, \hspace{24pt} D = \begin{bmatrix} 10 \amp 0 \\ 0 \amp 0 \\ \end{bmatrix}. \end{equation*}
    Berapakah \(V_{\uvec_2}\text{?}\) Apa yang dapat disimpulkan tentang data terpusat tersebut?
  3. Jelaskan mengapa varians total suatu himpunan data sama dengan jumlah nilai-nilai eigen matriks kovariansnya.

8.

Tentukan apakah pernyataan-pernyataan berikut benar atau salah, lalu jelaskan alasan Anda.
  1. Jika \(A\) adalah matriks yang dapat dibalik dan dapat didiagonalisasi secara ortogonal, maka \(A^{-1}\) juga demikian.
  2. Jika \(\lambda=2+i\) adalah nilai eigen \(A\text{,}\) maka \(A\) tidak dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
  3. Jika terdapat basis \(\real^m\) yang terdiri atas vektor-vektor eigen \(A\text{,}\) maka \(A\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
  4. Jika \(\uvec\) dan \(\vvec\) adalah vektor-vektor eigen suatu matriks simetris yang terkait dengan nilai eigen -2 dan 3, maka \(\uvec\cdot\vvec=0\text{.}\)
  5. Jika \(A\) adalah matriks persegi, maka \(\uvec\cdot(A\vvec) = (A\uvec)\cdot\vvec\text{.}\)

9.

Misalkan \(A\) adalah matriks simetris \(3\times3\) yang tidak dapat dibalik dan memiliki vektor-vektor eigen
\begin{equation*} \vvec_1 = \threevec2{-1}2,\hspace{24pt} \vvec_2 = \threevec141 \end{equation*}
dengan nilai-nilai eigen terkait \(\lambda_1 = 20\) dan \(\lambda_2 = -4\text{.}\) Tentukan matriks \(Q\) dan \(D\) sedemikian sehingga \(A = QDQ^T\text{.}\)

10.

Misalkan \(W\) adalah suatu bidang dalam \(\real^3\) dan \(P\) adalah matriks \(3\times3\) yang memproyeksikan vektor secara ortogonal ke \(W\text{.}\)
  1. Jelaskan mengapa \(P\) dapat didiagonalisasi secara ortogonal.
  2. Apa saja nilai eigen \(P\text{?}\)
  3. Jelaskan hubungan antara vektor-vektor eigen \(P\) dan bidang \(W\text{.}\)