Lewati ke konten utama
Logo Memahami Aljabar Linear

Subbab 6.4 Menentukan basis ortogonal

Bagian sebelumnya menunjukkan manfaat bekerja dengan himpunan ortogonal, terutama himpunan ortonormal. Jika kita memiliki basis ortogonal \(\wvec_1,\wvec_2,\ldots,\wvec_n\) untuk suatu subruang \(W\text{,}\) Rumus Proyeksi 6.3.15 menyatakan bahwa proyeksi ortogonal vektor \(\bvec\) pada \(W\) adalah
\begin{equation*} \bhat = \frac{\bvec\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}~\wvec_1 + \frac{\bvec\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}~\wvec_2 + \cdots + \frac{\bvec\cdot\wvec_n}{\wvec_n\cdot\wvec_n}~\wvec_n\text{.} \end{equation*}
Basis ortonormal \(\uvec_1,\uvec_2,\ldots,\uvec_n\) bahkan lebih praktis: setelah membentuk matriks \(Q=\begin{bmatrix} \uvec_1 \amp \uvec_2 \amp \ldots \amp \uvec_n \end{bmatrix}\text{,}\) kita memperoleh \(\bhat = QQ^T\bvec\text{.}\)
Namun, dalam contoh-contoh yang telah kita lihat sejauh ini, basis ortogonal selalu diberikan. Sekarang kita memerlukan cara untuk membentuk basis ortogonal. Dalam bagian ini, kita akan mempelajari suatu algoritma yang bermula dari sebuah basis untuk suatu subruang dan menghasilkan basis ortogonal. Setelah memiliki basis ortogonal, kita dapat mengalikan setiap vektornya dengan skalar yang sesuai untuk menghasilkan basis ortonormal.

Subbagian 6.4.1 Pendahuluan

Aktivitas Pratinjau 6.4.1.

Misalkan kita memiliki basis untuk \(\real^2\) yang terdiri atas vektor-vektor
\begin{equation*} \vvec_1=\twovec11,\hspace{24pt} \vvec_2=\twovec02 \end{equation*}
seperti ditunjukkan pada Gambar 6.4.1. Perhatikan bahwa basis ini tidak ortogonal.
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
Dua vektor \(\vvec_1=\twovec11\) dan \(\vvec_2=\twovec02\) pada kisi koordinat baku \(1\times1\) beserta sumbu-sumbunya.
Gambar 6.4.1. Sebuah basis untuk \(\real^2\text{.}\)
(a)
Tentukan vektor \(\vhat_2\) yang merupakan proyeksi ortogonal \(\vvec_2\) pada garis yang ditentukan oleh \(\vvec_1\text{.}\)
(b)
Jelaskan mengapa \(\vvec_2 - \vhat_2\) ortogonal terhadap \(\vvec_1\text{.}\)
(c)
Definisikan vektor-vektor baru \(\wvec_1=\vvec_1\) dan \(\wvec_2=\vvec_2-\vhat_2\text{,}\) lalu gambarkan keduanya pada Gambar 6.4.2. Jelaskan mengapa \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\) membentuk basis ortogonal untuk \(\real^2\text{.}\)
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
Kisi koordinat \(1\times1\) beserta sumbu-sumbunya. Rentang horizontal dan vertikal membentang dari \(-3\) sampai \(3\text{.}\)
Gambar 6.4.2. Gambarkan basis baru \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\text{.}\)
(d)
Nyatakan vektor \(\bvec=\twovec8{-10}\) sebagai kombinasi linear dari \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\text{.}\)
(e)
Kalikan vektor \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\) dengan skalar yang sesuai untuk menghasilkan basis ortonormal \(\uvec_1\) dan \(\uvec_2\) bagi \(\real^2\text{.}\)

Subbagian 6.4.2 Ortogonalisasi Gram–Schmidt

Aktivitas pendahuluan menggambarkan gagasan utama di balik suatu algoritma yang dikenal sebagai ortogonalisasi Gram–Schmidt. Algoritma ini bermula dari sebuah basis untuk suatu subruang dari \(\real^m\) dan menghasilkan basis ortogonal atau ortonormal. Algoritma tersebut bertumpu pada konstruksi proyeksi ortogonal. Ingat bahwa kita membentuk proyeksi ortogonal \(\bhat\) dari \(\bvec\) pada subruang \(W\) dengan mensyaratkan agar \(\bvec-\bhat\) ortogonal terhadap \(W\text{,}\) seperti ditunjukkan pada Gambar 6.4.3.
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
Dua vektor ortogonal \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\) beserta bidang \(W\) yang ditentukannya dalam tiga dimensi. Ditampilkan pula vektor \(\bvec\text{,}\) proyeksi ortogonalnya \(\bhat\) pada \(W\text{,}\) dan vektor \(\bvec-\bhat\) yang ortogonal terhadap \(W\text{.}\)
Gambar 6.4.3. Jika \(\bhat\) merupakan proyeksi ortogonal \(\bvec\) pada \(W\text{,}\) maka \(\bvec-\bhat\) ortogonal terhadap \(W\text{.}\)
Pengamatan ini memandu konstruksi basis ortogonal karena memungkinkan kita membentuk vektor yang ortogonal terhadap suatu subruang. Mari kita lihat cara kerja algoritma Gram–Schmidt.

Kegiatan 6.4.2.

Misalkan \(W\) adalah subruang berdimensi tiga dari \(\real^4\) dengan basis:
\begin{equation*} \vvec_1 = \fourvec1111,\hspace{24pt} \vvec_2 = \fourvec1322,\hspace{24pt} \vvec_3 = \fourvec1{-3}{-3}{-3}\text{.} \end{equation*}
Kita dapat melihat bahwa basis ini tidak ortogonal dengan memperhatikan bahwa \(\vvec_1\cdot\vvec_2 = 8\text{.}\) Tujuan kita adalah membentuk basis ortogonal \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\) untuk \(W\text{.}\)
Sebagai langkah awal, kita tetapkan \(\wvec_1=\vvec_1\text{,}\) dan kita sebut \(W_1\) sebagai garis yang ditentukan oleh \(\wvec_1\text{.}\)
  1. Tentukan vektor \(\vhat_2\) yang merupakan proyeksi ortogonal \(\vvec_2\) pada \(W_1\text{,}\) yaitu garis yang didefinisikan oleh \(\wvec_1\text{.}\)
  2. Bentuk vektor \(\wvec_2 = \vvec_2-\vhat_2\) dan verifikasi bahwa vektor tersebut ortogonal terhadap \(\wvec_1\text{.}\)
  3. Jelaskan mengapa \(\laspan{\wvec_1,\wvec_2} = \laspan{\vvec_1,\vvec_2}\) dengan menunjukkan bahwa setiap kombinasi linear dari \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\) dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\text{,}\) dan sebaliknya.
  4. Vektor \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\) merupakan basis ortogonal bagi subruang berdimensi dua \(W_2\) dari \(\real^4\text{.}\) Tentukan vektor \(\vhat_3\) yang merupakan proyeksi ortogonal \(\vvec_3\) pada \(W_2\text{.}\)
  5. Verifikasi bahwa \(\wvec_3 = \vvec_3-\vhat_3\) ortogonal terhadap \(\wvec_1\) maupun \(\wvec_2\text{.}\)
  6. Jelaskan mengapa \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\) membentuk basis ortogonal untuk \(W\text{.}\)
  7. Sekarang tentukan sebuah basis ortonormal untuk \(W\text{.}\)
Seperti digambarkan oleh aktivitas ini, ortogonalisasi Gram–Schmidt bermula dari basis \(\vvec_1,\vvec_2,\ldots,\vvec_n\) untuk subruang \(W\) dari \(\real^m\) dan membentuk basis ortogonal untuk \(W\text{.}\) Mari kita selesaikan contoh kedua.

Contoh 6.4.4.

Kita mulai dengan basis
\begin{equation*} \vvec_1=\threevec{2}{-1}2,\hspace{24pt} \vvec_2=\threevec{-3}{3}0,\hspace{24pt} \vvec_3=\threevec{-2}71\text{,} \end{equation*}
yang merupakan basis untuk \(\real^3\text{.}\)
Sebagai langkah awal, kita tetapkan \(\wvec_1=\vvec_1=\threevec{2}{-1}2\text{.}\) Kita membentuk \(\wvec_2\) dari \(\vvec_2\) dengan mengurangkan proyeksi ortogonalnya pada \(W_1\text{,}\) yaitu garis yang ditentukan oleh \(\wvec_1\text{.}\) Hasilnya adalah
\begin{equation*} \wvec_2 = \vvec_2 - \frac{\vvec_2\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 = \vvec_2 + \wvec_1 = \threevec{-1}22\text{.} \end{equation*}
Perhatikan bahwa kita memperoleh \(\vvec_2 = -\wvec_1 + \wvec_2\text{.}\) Oleh karena itu, kita dapat menulis ulang setiap kombinasi linear dari \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\) sebagai
\begin{equation*} c_1\vvec_1 + c_2\vvec_2 = c_1\wvec_1 + c_2(-\wvec_1+\wvec_2) = (c_1-c_2)\wvec_1 + c_2\wvec_2\text{,} \end{equation*}
yaitu kombinasi linear dari \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\text{.}\) Hal ini menyatakan bahwa
\begin{equation*} W_2 = \laspan{\wvec_1,\wvec_2} = \laspan{\vvec_1,\vvec_2}\text{.} \end{equation*}
Dengan kata lain, \(\wvec_1\) dan \(\wvec_2\) merupakan basis ortogonal untuk \(W_2\text{,}\) subruang berdimensi dua yang merupakan rentang dari \(\vvec_1\) dan \(\vvec_2\text{.}\)
Terakhir, kita membentuk \(\wvec_3\) dari \(\vvec_3\) dengan mengurangkan proyeksi ortogonalnya pada \(W_2\text{:}\)
\begin{equation*} \wvec_3 = \vvec_3 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}\wvec_2 = \vvec_3 + \wvec_1 - 2\wvec_2 = \threevec22{-1}\text{.} \end{equation*}
Sekarang kita dapat memeriksa bahwa
\begin{equation*} \wvec_1=\threevec2{-1}2,\hspace{24pt} \wvec_2=\threevec{-1}22,\hspace{24pt} \wvec_3=\threevec22{-1},\hspace{24pt} \end{equation*}
merupakan himpunan ortogonal. Selain itu, seperti sebelumnya, kita memiliki \(\laspan{\wvec_1,\wvec_2,\wvec_3} = \laspan{\vvec_1,\vvec_2,\vvec_3}\text{,}\) yang berarti bahwa kita telah menemukan basis ortogonal baru untuk \(\real^3\text{.}\)
Untuk membentuk basis ortonormal, kita membentuk vektor satuan yang sejajar dengan setiap vektor dalam basis ortogonal:
\begin{equation*} \uvec_1 = \threevec{2/3}{-1/3}{2/3},\hspace{24pt} \uvec_2 = \threevec{-1/3}{2/3}{2/3},\hspace{24pt} \uvec_3 = \threevec{2/3}{2/3}{-1/3}\text{.} \end{equation*}
Secara umum, jika kita memiliki basis \(\vvec_1,\vvec_2,\ldots,\vvec_n\) untuk suatu subruang \(W\) dari \(\real^m\text{,}\) algoritma Gram–Schmidt membentuk basis ortogonal untuk \(W\) dengan cara berikut:
\begin{align*} \wvec_1 \amp = \vvec_1\\ \wvec_2 \amp = \vvec_2 - \frac{\vvec_2\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1\\ \wvec_3 \amp = \vvec_3 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}\wvec_2\\ \amp \vdots\\ \wvec_n \amp = \vvec_n - \frac{\vvec_n\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 - \frac{\vvec_n\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}\wvec_2 - \ldots - \frac{\vvec_n\cdot\wvec_{n-1}} {\wvec_{n-1}\cdot\wvec_{n-1}}\wvec_{n-1} \text{.} \end{align*}
Dari sini, kita dapat membentuk basis ortonormal dengan mengonstruksi vektor satuan yang sejajar dengan setiap vektor dalam basis ortogonal: \(\uvec_j = 1/\len{\wvec_j}~\wvec_j\text{.}\)

Kegiatan 6.4.3.

Sage dapat mengotomatiskan perhitungan ini. Namun sebelum mulai, kita perlu memahami cara menggabungkan beberapa objek menggunakan sebuah list dalam Python. Misalnya, jika vektor v1, v2, dan v3 membentuk basis suatu subruang, kita dapat menghimpunnya menggunakan tanda kurung siku: [v1, v2, v3]. Kita juga dapat menetapkan himpunan ini pada sebuah variabel, misalnya basis = [v1, v2, v3].
Menjalankan sel berikut akan memuat beberapa perintah khusus.
  • Tersedia perintah untuk menerapkan rumus proyeksi: projection(b, basis) mengembalikan proyeksi ortogonal b pada subruang yang direntang oleh basis, yang berupa sebuah daftar vektor.
  • Perintah unit(w) mengembalikan vektor satuan yang sejajar dengan w.
  • Jika diberikan sekumpulan vektor, misalnya v1 dan v2, kita dapat membentuk matriks yang kolom-kolomnya adalah v1 dan v2 dengan menggunakan matrix([v1, v2]).T. Ketika diberi sebuah list vektor, Sage membentuk matriks yang baris-barisnya adalah vektor-vektor tersebut. Karena itu, kita perlu menerapkan transpos.
Sekarang perhatikan \(W\text{,}\) subruang dari \(\real^5\) yang memiliki basis
\begin{equation*} \vvec_1 = \fivevec{14}{-6}{8}2{-6},\hspace{24pt} \vvec_2 = \fivevec{5}{-3}{4}3{-7},\hspace{24pt} \vvec_3 = \fivevec{2}30{-2}1. \end{equation*}
  1. Terapkan algoritma Gram–Schmidt untuk menentukan basis ortogonal \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\) bagi \(W\text{.}\)
  2. Tentukan \(\bhat\text{,}\) yaitu proyeksi ortogonal dari \(\bvec = \fivevec{-5}{11}0{-1}5\) pada \(W\text{.}\)
  3. Jelaskan mengapa kita mengetahui bahwa \(\bhat\) merupakan kombinasi linear dari vektor-vektor asal \(\vvec_1\text{,}\) \(\vvec_2\text{,}\) dan \(\vvec_3\text{,}\) kemudian tentukan koefisien-koefisien sehingga
    \begin{equation*} \bhat = c_1\vvec_1 + c_2\vvec_2 + c_3\vvec_3. \end{equation*}
  4. Tentukan basis ortonormal \(\uvec_1\text{,}\) \(\uvec_2\text{,}\) dan \(\uvec_3\) untuk \(W\text{,}\) lalu bentuk matriks \(Q\) yang kolom-kolomnya adalah vektor-vektor tersebut.
  5. Tentukan hasil kali \(Q^TQ\) dan jelaskan hasilnya.
  6. Tentukan matriks \(P\) yang memproyeksikan vektor secara ortogonal pada \(W\text{,}\) dan verifikasi bahwa \(P\bvec\) menghasilkan \(\bhat\text{,}\) yaitu proyeksi ortogonal yang Anda tentukan sebelumnya.

Subbagian 6.4.3 Faktorisasi \(QR\)

Setelah melihat bagaimana algoritma Gram–Schmidt membentuk basis ortonormal untuk suatu subruang, kita akan mempelajari bagaimana algoritma tersebut menghasilkan suatu faktorisasi matriks penting yang dikenal sebagai faktorisasi \(QR\text{.}\)

Kegiatan 6.4.4.

Misalkan \(A\) adalah matriks \(4\times3\) yang kolom-kolomnya adalah
\begin{equation*} \vvec_1 = \fourvec1111,\hspace{24pt} \vvec_2 = \fourvec1322,\hspace{24pt} \vvec_3 = \fourvec1{-3}{-3}{-3}\text{.} \end{equation*}
Vektor-vektor ini membentuk basis untuk \(W\text{,}\) yaitu subruang dari \(\real^4\) yang kita jumpai dalam Kegiatan 6.4.2. Karena vektor-vektor ini merupakan kolom-kolom \(A\text{,}\) kita memiliki \(\col(A) = W\text{.}\)
  1. Saat menerapkan Gram–Schmidt, mula-mula kita menentukan basis ortogonal \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\) dengan menggunakan
    \begin{equation*} \begin{aligned} \wvec_1 \amp = \vvec_1 \\ \wvec_2 \amp = \vvec_2 - \frac{\vvec_2\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 \\ \wvec_3 \amp = \vvec_3 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}\wvec_2\text{.} \\ \end{aligned} \end{equation*}
    Gunakan bentuk-bentuk ini untuk menyatakan \(\vvec_1\text{,}\) \(\vvec_2\text{,}\) dan \(\vvec_3\) sebagai kombinasi linear dari \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\text{.}\)
  2. Selanjutnya, kita menormalkan basis ortogonal \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\) untuk memperoleh basis ortonormal \(\uvec_1\text{,}\) \(\uvec_2\text{,}\) dan \(\uvec_3\text{.}\)
    Nyatakan vektor \(\wvec_i\) sebagai kelipatan skalar dari \(\uvec_i\text{.}\) Kemudian gunakan bentuk-bentuk tersebut untuk menyatakan \(\vvec_1\text{,}\) \(\vvec_2\text{,}\) dan \(\vvec_3\) sebagai kombinasi linear dari \(\uvec_1\text{,}\) \(\uvec_2\text{,}\) dan \(\uvec_3\text{.}\)
  3. Misalkan \(Q = \left[ \begin{array}{ccc} \uvec_1 \amp \uvec_2 \amp \uvec_3 \end{array} \right]\text{.}\) Gunakan hasil dari bagian sebelumnya untuk menentukan vektor \(\rvec_1\) sehingga \(Q\rvec_1 = \vvec_1\text{.}\)
  4. Kemudian tentukan vektor \(\rvec_2\) dan \(\rvec_3\) sedemikian sehingga \(Q\rvec_2 = \vvec_2\) dan \(Q\rvec_3 = \vvec_3\text{.}\)
  5. Bentuk matriks \(R = \left[ \begin{array}{ccc} \rvec_1 \amp \rvec_2 \amp \rvec_3 \end{array} \right]\text{.}\) Dengan mengingat bahwa \(A = \left[ \begin{array}{ccc} \vvec_1 \amp \vvec_2 \amp \vvec_3 \end{array} \right]\text{,}\) jelaskan mengapa \(A = QR\text{.}\)
  6. Apa yang istimewa dari bentuk \(R\text{?}\)
  7. Misalkan \(A\) adalah matriks \(10\times 6\) yang kolom-kolomnya bebas linear. Artinya, kolom-kolom \(A\) membentuk basis untuk \(W=\col(A)\text{,}\) sebuah subruang berdimensi 6 dari \(\real^{10}\text{.}\) Misalkan kita menerapkan ortogonalisasi Gram–Schmidt untuk membentuk basis ortonormal yang vektor-vektornya menjadi kolom \(Q\text{,}\) lalu menulis \(A=QR\text{.}\) Berapakah ukuran \(Q\) dan ukuran \(R\text{?}\)
Ketika kolom-kolom suatu matriks \(A\) bebas linear, kolom-kolom tersebut membentuk basis untuk \(\col(A)\) sehingga kita dapat menerapkan algoritma Gram–Schmidt. Aktivitas sebelumnya menunjukkan bahwa hal ini menghasilkan faktorisasi \(A\) sebagai hasil kali matriks \(Q\text{,}\) yang kolom-kolomnya merupakan basis ortonormal untuk \(\col(A)\text{,}\) dengan matriks segitiga atas \(R\text{.}\)

Contoh 6.4.6.

Perhatikan matriks \(A=\begin{bmatrix} 2 \amp -3 \amp -2 \\ -1 \amp 3 \amp 7 \\ 2 \amp 0 \amp 1 \\ \end{bmatrix}\) yang kolom-kolomnya, yang kita nyatakan sebagai \(\vvec_1\text{,}\) \(\vvec_2\text{,}\) dan \(\vvec_3\text{,}\) merupakan basis \(\real^3\) yang kita kaji dalam Contoh 6.4.4. Di sana kita menentukan basis ortogonal \(\wvec_1\text{,}\) \(\wvec_2\text{,}\) dan \(\wvec_3\) yang memenuhi
\begin{align*} \vvec_1 \amp {}={} \wvec_1\\ \vvec_2 \amp {}={} -\wvec_1 + \wvec_2\\ \vvec_3 \amp {}={} -\wvec_1 + 2\wvec_2 + \wvec _3\text{.} \end{align*}
Dalam basis ortonormal yang dihasilkan, yaitu \(\uvec_1\text{,}\) \(\uvec_2\text{,}\) dan \(\uvec_3\text{,}\) kita memiliki
\begin{equation*} \wvec_1 = 3 \uvec_1,\hspace{24pt} \wvec_2 = 3 \uvec_2,\hspace{24pt} \wvec_3 = 3 \uvec_3 \end{equation*}
sehingga
\begin{align*} \vvec_1 \amp {}={} 3\uvec_1\\ \vvec_2 \amp {}={} -3\uvec_1 + 3\uvec_2\\ \vvec_3 \amp {}={} -3\uvec_1 + 6\uvec_2 + 3\uvec _3\text{.} \end{align*}
Oleh karena itu, jika \(Q=\begin{bmatrix} \uvec_1 \amp \uvec_2 \amp \uvec_3 \end{bmatrix}\text{,}\) kita memperoleh faktorisasi \(QR\)
\begin{equation*} A = Q\begin{bmatrix} 3 \amp -3 \amp -3 \\ 0 \amp 3 \amp 6 \\ 0 \amp 0 \amp 3 \\ \end{bmatrix} =QR\text{.} \end{equation*}
Kegunaan faktorisasi \(QR\) akan menjadi jelas pada bagian berikutnya ketika kita menggunakannya untuk menyelesaikan masalah kuadrat terkecil.

Kegiatan 6.4.5.

Seperti sebelumnya, kita ingin menggunakan Sage untuk mengotomatiskan proses menentukan dan menggunakan faktorisasi \(QR\) dari suatu matriks \(A\text{.}\) Menjalankan sel berikut menyediakan perintah QR(A) yang mengembalikan faktorisasi tersebut, yang dapat disimpan, misalnya, menggunakan Q, R = QR(A).
Misalkan \(A\) adalah matriks berikut yang kolom-kolomnya bebas linear.
\begin{equation*} A = \begin{bmatrix} 1 \amp 0 \amp -3 \\ 0 \amp 2 \amp -1 \\ 1 \amp 0 \amp 1 \\ 1 \amp 3 \amp 5 \\ \end{bmatrix}. \end{equation*}
  1. Jika \(A=QR\text{,}\) berapakah ukuran \(Q\) dan \(R\text{?}\) Apa yang istimewa dari bentuk \(R\text{?}\)
  2. Tentukan faktorisasi \(QR\) menggunakan Q, R = QR(A), lalu verifikasi bahwa \(R\) memiliki ukuran yang diprediksi dan bahwa \(A=QR\text{.}\)
  3. Tentukan matriks \(P\) yang memproyeksikan vektor secara ortogonal pada \(\col(A)\text{.}\)
  4. Tentukan \(\bhat\text{,}\) yaitu proyeksi ortogonal dari \(\bvec=\fourvec4{-17}{-14}{22}\) pada \(\col(A)\text{.}\)
  5. Jelaskan mengapa persamaan \(A\xvec=\bhat\) pasti konsisten, lalu tentukan \(\xvec\text{.}\)
Sebenarnya, Sage menyediakan versi faktorisasi \(QR\)-nya sendiri yang agak berbeda dari cara kita mengembangkan faktorisasi tersebut di sini. Karena itu, kita menyediakan versi faktorisasi kita sendiri.

Subbagian 6.4.4 Ringkasan

Bagian ini membahas algoritma ortogonalisasi Gram–Schmidt dan bagaimana algoritma tersebut menghasilkan faktorisasi matriks \(A=QR\) ketika kolom-kolom \(A\) bebas linear.
  • Dengan bermula dari basis \(\vvec_1, \vvec_2,\ldots,\vvec_n\) untuk subruang \(W\) dari \(\real^m\text{,}\) vektor-vektor
    \begin{align*} \wvec_1 \amp = \vvec_1\\ \wvec_2 \amp = \vvec_2 - \frac{\vvec_2\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1\\ \wvec_3 \amp = \vvec_3 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 - \frac{\vvec_3\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}\wvec_2\\ \amp \vdots\\ \wvec_n \amp = \vvec_n - \frac{\vvec_n\cdot\wvec_1}{\wvec_1\cdot\wvec_1}\wvec_1 - \frac{\vvec_n\cdot\wvec_2}{\wvec_2\cdot\wvec_2}\wvec_2 - \ldots - \frac{\vvec_n\cdot\wvec_{n-1}} {\wvec_{n-1}\cdot\wvec_{n-1}}\wvec_{n-1} \end{align*}
    membentuk basis ortogonal untuk \(W\text{.}\)
  • Kita dapat mengalikan setiap vektor \(\wvec_i\) dengan skalar yang sesuai untuk memperoleh basis ortonormal \(\uvec_1,\uvec_2,\ldots,\uvec_n\text{.}\)
  • Menyatakan algoritma Gram–Schmidt dalam bentuk matriks menunjukkan bahwa, jika kolom-kolom \(A\) bebas linear, kita dapat menulis \(A=QR\text{,}\) dengan kolom-kolom \(Q\) membentuk basis ortonormal untuk \(\col(A)\) dan \(R\) berbentuk segitiga atas.

Latihan 6.4.5 Latihan

1.

Misalkan subruang \(W\) dari \(\real^3\) memiliki basis yang dibentuk oleh
\begin{equation*} \vvec_1=\threevec111, \hspace{24pt} \vvec_2=\threevec1{-2}{-2}. \end{equation*}
  1. Tentukan basis ortogonal untuk \(W\text{.}\)
  2. Tentukan basis ortonormal untuk \(W\text{.}\)
  3. Tentukan matriks \(P\) yang memproyeksikan vektor secara ortogonal ke \(W\text{.}\)
  4. Tentukan proyeksi ortogonal \(\threevec34{-2}\) ke \(W\text{.}\)

2.

Tentukan faktorisasi \(QR\) dari \(A=\begin{bmatrix} 4 \amp 7 \\ -2 \amp 4 \\ 4 \amp 4 \end{bmatrix} \text{.}\)

3.

Perhatikan basis \(\real^3\) yang diberikan oleh vektor-vektor
\begin{equation*} \vvec_1=\threevec2{-2}2,\hspace{24pt} \vvec_2=\threevec{-1}{-3}1,\hspace{24pt} \vvec_3=\threevec{2}0{-5}\text{.} \end{equation*}
  1. Terapkan algoritme ortogonalisasi Gram–Schmidt untuk menentukan basis ortonormal \(\uvec_1\text{,}\) \(\uvec_2\text{,}\) \(\uvec_3\) bagi \(\real^3\text{.}\)
  2. Jika \(A\) adalah matriks \(3\times3\) yang kolom-kolomnya ialah \(\vvec_1\text{,}\) \(\vvec_2\text{,}\) dan \(\vvec_3\text{,}\) tentukan faktorisasi \(QR\) dari \(A\text{.}\)
  3. Misalkan kita ingin menyelesaikan persamaan \(A\xvec=\bvec = \threevec{-9}17\text{,}\) yang dapat kita tulis ulang sebagai \(QR\xvec = \bvec\text{.}\)
    1. Jika kita menetapkan \(\yvec=R\xvec\text{,}\) persamaan \(QR\xvec=\bvec\) menjadi \(Q\yvec=\bvec\text{.}\) Jelaskan cara menyelesaikan persamaan \(Q\yvec=\bvec\) secara efisien dari segi komputasi.
    2. Jelaskan cara menyelesaikan persamaan \(R\xvec=\yvec\) secara efisien dari segi komputasi.
    3. Tentukan solusi \(\xvec\) dengan terlebih dahulu menyelesaikan \(Q\yvec = \bvec\text{,}\) kemudian \(R\xvec = \yvec\text{.}\)

4.

Perhatikan vektor-vektor
\begin{equation*} \vvec_1=\fivevec1{-1}{-1}11,\hspace{24pt} \vvec_2=\fivevec2{1}{4}{-4}2,\hspace{24pt} \vvec_3=\fivevec5{-4}{-3}71 \end{equation*}
dan subruang \(W\) dari \(\real^5\) yang direntangnya.
  1. Tentukan basis ortonormal untuk \(W\text{.}\)
  2. Tentukan matriks \(5\times5\) yang memproyeksikan vektor secara ortogonal ke \(W\text{.}\)
  3. Tentukan \(\bhat\text{,}\) yaitu proyeksi ortogonal \(\bvec=\fivevec{-8}3{-12}8{-4}\) ke \(W\text{.}\)
  4. Nyatakan \(\bhat\) sebagai kombinasi linear dari \(\vvec_1\text{,}\) \(\vvec_2\text{,}\) dan \(\vvec_3\text{.}\)

5.

Perhatikan himpunan vektor
\begin{equation*} \vvec_1=\threevec211,\hspace{24pt} \vvec_2=\threevec122,\hspace{24pt} \vvec_3=\threevec300. \end{equation*}
  1. Apa yang terjadi ketika kita menerapkan algoritme ortogonalisasi Gram–Schmidt?
  2. Mengapa algoritme tersebut gagal menghasilkan basis ortogonal bagi \(\real^3\text{?}\)

6.

Misalkan \(A\) adalah matriks dengan kolom-kolom yang bebas linear dan memiliki faktorisasi \(A=QR\text{.}\) Tentukan apakah pernyataan-pernyataan berikut benar atau salah, dan jelaskan alasan Anda.
  1. Dari sini diperoleh \(R=Q^TA\text{.}\)
  2. Matriks \(R\) dapat dibalik.
  3. Hasil kali \(Q^TQ\) memproyeksikan vektor secara ortogonal ke \(\col(A)\text{.}\)
  4. Kolom-kolom \(Q\) merupakan basis ortogonal bagi \(\col(A)\text{.}\)
  5. Komplemen ortogonal \(\col(A)^\perp = \nul(Q^T)\text{.}\)

7.

Misalkan kita memiliki faktorisasi \(QR\text{,}\) yaitu \(A=QR\text{,}\) dengan \(A\) matriks berukuran \(7\times 4\text{.}\)
  1. Berapakah ukuran hasil kali \(QQ^T\text{?}\) Jelaskan arti penting hasil kali ini.
  2. Berapakah ukuran hasil kali \(Q^TQ\text{?}\) Jelaskan arti penting hasil kali ini.
  3. Berapakah ukuran matriks \(R\text{?}\)
  4. Jika \(R\) adalah matriks diagonal, apa yang dapat Anda simpulkan tentang kolom-kolom \(A\text{?}\)

8.

Misalkan kita memiliki faktorisasi \(QR\text{,}\) yaitu \(A=QR\text{,}\) dengan kolom-kolom \(A\) berupa \(\avec_1,\avec_2,\ldots,\avec_n\) dan kolom-kolom \(R\) berupa \(\rvec_1,\rvec_2,\ldots,\rvec_n\text{.}\)
  1. Bagaimana hasil kali matriks \(A^TA\) dapat dinyatakan dengan hasil kali titik?
  2. Bagaimana hasil kali matriks \(R^TR\) dapat dinyatakan dengan hasil kali titik?
  3. Jelaskan mengapa \(A^TA=R^TR\text{.}\)
  4. Jelaskan mengapa hasil kali titik \(\avec_i\cdot\avec_j = \rvec_i\cdot\rvec_j\text{.}\)