8.1 Deskripsi Bab
Bab ini membahas penyelesaian sistem persamaan linear menggunakan metode numerik. Sistem persamaan linear sering muncul dalam bidang teknik elektro, misalnya pada analisis rangkaian listrik, analisis jaringan distribusi, pemodelan sistem tenaga, dan simulasi rangkaian elektronik.
Jika hanya terdapat satu persamaan dengan satu variabel, penyelesaian dapat dilakukan secara langsung. Namun, pada kasus nyata, sebuah sistem sering memiliki banyak persamaan dan banyak variabel yang saling berhubungan. Oleh karena itu, diperlukan metode yang sistematis.
Pada bab ini, Anda akan mempelajari bentuk matriks (Ax=b), matriks diperbesar, Eliminasi Gauss, konsep pivoting, serta pengantar dekomposisi LU.
8.2 Capaian Pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan mampu:
- Menuliskan sistem persamaan linear dalam bentuk matriks (Ax=b).
- Menyusun matriks diperbesar dari sistem persamaan linear.
- Menjelaskan konsep Eliminasi Gauss.
- Menggunakan Operasi Baris Elementer untuk membentuk matriks segitiga atas.
- Melakukan substitusi balik untuk memperoleh solusi.
- Menjelaskan pentingnya pivoting dalam perhitungan numerik.
- Membedakan partial pivoting dan full pivoting.
- Menjelaskan konsep dasar dekomposisi LU.
- Menggunakan konsep substitusi maju dan substitusi balik pada dekomposisi LU.
8.3 Materi Inti
8.3.1 Sistem Persamaan Linear
Sistem persamaan linear adalah kumpulan persamaan yang variabelnya berpangkat satu. Contoh sistem tiga variabel adalah:
Sistem tersebut memiliki tiga variabel, yaitu (x), (y), dan (z). Tujuan penyelesaiannya adalah mencari nilai ketiga variabel yang memenuhi semua persamaan secara bersamaan.
8.3.2 Bentuk Matriks (Ax=b)
Sistem persamaan linear dapat ditulis dalam bentuk matriks:
dengan:
| Simbol | Makna |
|---|---|
| (A) | Matriks koefisien |
| (x) | Vektor variabel yang dicari |
| (b) | Vektor konstanta |
Untuk sistem:
bentuk matriksnya adalah:
Sehingga:
8.3.3 Matriks Diperbesar
Matriks diperbesar atau augmented matrix adalah gabungan antara matriks koefisien (A) dan vektor konstanta (b). Matriks ini ditulis sebagai:
Contoh:
Matriks diperbesarnya adalah:
Kolom di sebelah kiri garis vertikal merupakan koefisien variabel, sedangkan kolom di sebelah kanan merupakan konstanta.
8.3.4 Eliminasi Gauss
Eliminasi Gauss adalah metode untuk menyelesaikan sistem persamaan linear dengan mengubah matriks diperbesar menjadi bentuk segitiga atas. Setelah bentuk segitiga atas diperoleh, solusi dicari menggunakan substitusi balik.
Tujuan Eliminasi Gauss adalah mengubah matriks seperti ini:
menjadi bentuk segitiga atas:
Bentuk segitiga atas memudahkan penyelesaian karena variabel paling bawah dapat dicari terlebih dahulu, lalu digunakan untuk mencari variabel di atasnya.
8.3.5 Operasi Baris Elementer
Operasi Baris Elementer atau OBE digunakan untuk membuat elemen di bawah pivot menjadi nol.
Rumus umum OBE adalah:
dengan pengali:
Keterangan:
| Simbol | Makna |
|---|---|
| (R_{\text{target}}) | Baris yang akan diubah |
| (R_{\text{pivot}}) | Baris acuan |
| (m) | Pengali eliminasi |
| Pivot | Elemen utama yang digunakan untuk eliminasi |
8.3.6 Langkah Eliminasi Gauss
Langkah umum Eliminasi Gauss adalah:
- Susun sistem persamaan dalam bentuk matriks diperbesar.
- Pilih elemen pivot pada kolom pertama.
- Gunakan OBE untuk membuat elemen di bawah pivot menjadi nol.
- Lanjutkan proses pada kolom berikutnya.
- Bentuk matriks segitiga atas.
- Gunakan substitusi balik untuk mencari nilai variabel.
8.3.7 Substitusi Balik
Substitusi balik digunakan setelah matriks berada dalam bentuk segitiga atas.
Misalkan diperoleh sistem:
Langkah penyelesaiannya dimulai dari baris terakhir:
Lalu substitusi ke baris kedua:
Substitusi ke baris pertama:
Jadi, solusinya adalah:
8.3.8 Pivoting
Pivoting adalah proses menukar baris atau kolom untuk memilih pivot yang lebih baik. Pivoting penting karena pivot yang bernilai nol atau sangat kecil dapat menyebabkan masalah numerik.
Masalah yang dapat terjadi:
| Kondisi Pivot | Dampak |
|---|---|
| Pivot bernilai nol | Terjadi pembagian dengan nol |
| Pivot sangat kecil | Pengali menjadi sangat besar |
| Pengali sangat besar | Error pembulatan dapat membesar |
Pivoting membantu menjaga stabilitas perhitungan, terutama ketika sistem diselesaikan menggunakan komputer.
8.3.9 Partial Pivoting dan Full Pivoting
| Jenis Pivoting | Penjelasan |
|---|---|
| Partial pivoting | Memilih elemen terbesar berdasarkan nilai mutlak pada kolom pivot, lalu menukar baris. |
| Full pivoting | Memilih elemen terbesar berdasarkan nilai mutlak pada seluruh sisa matriks, lalu dapat menukar baris dan kolom. |
Partial pivoting lebih sering digunakan karena lebih sederhana dan sudah cukup stabil untuk banyak kasus.
Langkah partial pivoting:
- Lihat kolom pivot yang sedang diproses.
- Cari elemen dengan nilai mutlak terbesar dari baris pivot ke bawah.
- Tukar baris yang memiliki elemen terbesar ke posisi pivot.
- Lanjutkan Eliminasi Gauss.
8.3.10 Mengapa Pivoting Meningkatkan Stabilitas?
Misalkan terdapat sistem dengan matriks awal:
Jika pivot pertama adalah 2, maka pengali untuk baris kedua adalah:
Nilai mutlak pengali lebih besar dari 1, sehingga error pembulatan lebih mudah membesar.
Jika baris ditukar sehingga pivot pertama menjadi (-5), maka pengali menjadi:
Nilai mutlak pengali lebih kecil dari 1. Kondisi ini lebih stabil untuk perhitungan numerik.
8.3.11 Dekomposisi LU
Dekomposisi LU adalah metode yang memfaktorkan matriks (A) menjadi dua matriks:
dengan:
| Matriks | Makna |
|---|---|
| (L) | Lower triangular matrix atau matriks segitiga bawah |
| (U) | Upper triangular matrix atau matriks segitiga atas |
Dalam metode Doolittle, matriks (L) memiliki nilai 1 pada diagonal utamanya.
Jika sistem awal adalah:
dan:
maka:
Misalkan:
maka:
Penyelesaian dilakukan dalam dua tahap:
- Selesaikan (Ly=b) dengan substitusi maju.
- Selesaikan (Ux=y) dengan substitusi balik.
8.3.12 Mengapa Dekomposisi LU Berguna?
Dekomposisi LU sangat berguna jika kita harus menyelesaikan banyak sistem dengan matriks koefisien (A) yang sama, tetapi vektor konstanta (b) berbeda.
Contoh dalam teknik elektro:
- Topologi rangkaian tetap, tetapi sumber tegangan berubah.
- Matriks jaringan tetap, tetapi kondisi beban berubah.
- Sistem tenaga dianalisis pada beberapa skenario operasi.
Perbandingan:
| Tanpa LU | Dengan LU |
|---|---|
| Eliminasi Gauss diulang untuk setiap (b) baru | Faktorisasi (A=LU) cukup dilakukan sekali |
| Lebih mahal secara komputasi | Lebih efisien untuk banyak sistem |
| Cocok untuk satu kasus | Cocok untuk kasus berulang |
8.3.13 Perbandingan Metode
| Metode | Karakteristik | Cocok Digunakan Ketika |
|---|---|---|
| Eliminasi Gauss tanpa pivoting | Sederhana dan langsung | Pengerjaan manual, pivot aman |
| Eliminasi Gauss dengan partial pivoting | Lebih stabil | Implementasi komputer |
| Dekomposisi LU | Faktorisasi sekali, digunakan berulang | Matriks (A) sama, vektor (b) berbeda |
8.4 Fitur Interaktif
Bagian ini dapat digunakan sebagai rancangan komponen interaktif pada halaman web.
8.4.1 Input Matriks
Mahasiswa dapat memasukkan matriks koefisien dan vektor konstanta.
Contoh input:
Sistem kemudian menampilkan matriks diperbesar:
8.4.2 Highlight Pivot
Pada setiap langkah eliminasi, sistem menandai elemen pivot.
Contoh:
| Langkah | Pivot | Aksi |
|---|---|---|
| 1 | (a_{11}) | Buat nol elemen di bawah pivot kolom 1 |
| 2 | (a_{22}) | Buat nol elemen di bawah pivot kolom 2 |
| 3 | (a_{33}) | Lanjutkan ke substitusi balik |
Fitur ini membantu mahasiswa memahami urutan proses Eliminasi Gauss.
8.4.3 Tombol Langkah Selanjutnya
Mahasiswa dapat menekan tombol Langkah Selanjutnya untuk melihat proses eliminasi secara bertahap.
Setiap klik menampilkan:
- Pivot yang digunakan.
- Pengali (m).
- Operasi baris yang dilakukan.
- Matriks terbaru.
- Penjelasan singkat perubahan matriks.
Contoh tampilan operasi:
8.4.4 Animasi Tukar Baris
Jika partial pivoting diaktifkan, sistem dapat menampilkan animasi pertukaran baris.
Contoh:
Tujuannya adalah menunjukkan bahwa pivoting bukan mengubah solusi, tetapi hanya mengubah urutan persamaan agar perhitungan lebih stabil.
8.4.5 Tampilkan Bentuk Segitiga Atas
Setelah eliminasi selesai, sistem menampilkan bentuk segitiga atas:
Kemudian sistem melanjutkan ke substitusi balik untuk memperoleh solusi.
8.4.6 Compare Mode
Compare mode dapat membandingkan:
- Eliminasi Gauss tanpa pivoting.
- Eliminasi Gauss dengan partial pivoting.
- Dekomposisi LU.
Contoh tampilan:
| Metode | Stabilitas | Jumlah Langkah | Catatan |
|---|---|---|---|
| Gauss tanpa pivoting | Sedang | Lebih sedikit | Berisiko jika pivot kecil |
| Gauss dengan pivoting | Tinggi | Sedikit lebih banyak | Lebih aman untuk komputer |
| LU | Tinggi | Efisien untuk kasus berulang | Cocok jika (A) tetap |
8.5 Contoh Soal
Contoh 8.1 Eliminasi Gauss Tanpa Pivoting
Selesaikan sistem berikut:
Penyelesaian
Matriks diperbesar:
Gunakan pivot pertama (a_{11}=1).
Untuk baris kedua:
Hasil:
Untuk baris ketiga:
Hasil:
Matriks menjadi:
Gunakan pivot kedua (a_{22}=2).
Pengali:
Operasi:
Hasil:
Matriks segitiga atas:
Substitusi balik:
Baris kedua:
Baris pertama:
Jadi, solusi sistem adalah:
Contoh 8.2 Eliminasi Gauss dengan Partial Pivoting
Selesaikan sistem berikut:
Penyelesaian
Matriks diperbesar awal:
Pivot pertama bernilai 0, sehingga perlu partial pivoting. Pada kolom pertama, nilai mutlak terbesar adalah 2 pada baris ketiga. Maka:
Matriks menjadi:
Eliminasi kolom pertama.
Pengali baris kedua:
Operasi:
Hasil baris kedua:
Matriks menjadi:
Pada kolom kedua, nilai mutlak terbesar dari baris kedua ke bawah adalah 2 pada baris ketiga. Maka:
Matriks menjadi:
Eliminasi kolom kedua.
Pengali baris ketiga:
Operasi:
Hasil baris ketiga:
Bentuk segitiga atas:
Substitusi balik:
Baris kedua:
Baris pertama:
Jadi, solusi sistem adalah:
Contoh 8.3 Konsep Dekomposisi LU
Misalkan matriks (A) dapat difaktorkan menjadi:
dan sistem yang akan diselesaikan adalah:
Maka:
Misalkan:
maka:
Penyelesaiannya dilakukan dengan dua tahap:
- Selesaikan (Ly=b) menggunakan substitusi maju.
- Selesaikan (Ux=y) menggunakan substitusi balik.
Interpretasi
Dekomposisi LU sangat efisien jika matriks (A) tetap, tetapi vektor (b) berubah. Dalam analisis rangkaian, ini dapat terjadi ketika struktur rangkaian tetap, tetapi nilai sumber atau beban berubah.
8.6 Kuis
Pilihlah satu jawaban yang paling tepat.
-
Bentuk umum sistem persamaan linear dalam matriks adalah...
a. (Ax=b)
b. (A+b=x)
c. (x=A-b)
d. (A=x/b) -
Pada bentuk (Ax=b), matriks (A) menyatakan...
a. Variabel yang dicari
b. Koefisien sistem persamaan
c. Hasil akhir sistem
d. Error perhitungan -
Matriks diperbesar ditulis sebagai...
a. ([A+b])
b. ([A|b])
c. ([x|b])
d. ([A|x]) -
Tujuan utama Eliminasi Gauss adalah...
a. Mengubah sistem menjadi bentuk segitiga atas
b. Mengubah semua elemen menjadi nol
c. Mengubah matriks menjadi skalar
d. Menghapus semua variabel -
Operasi Baris Elementer digunakan untuk...
a. Membuat elemen di bawah pivot menjadi nol
b. Mengubah semua angka menjadi positif
c. Menghilangkan konstanta
d. Mengubah matriks menjadi vektor -
Pivoting diperlukan ketika...
a. Pivot bernilai nol atau sangat kecil
b. Semua pivot sudah besar
c. Sistem hanya memiliki satu variabel
d. Tidak ada error pembulatan -
Partial pivoting berarti...
a. Menukar seluruh matriks dengan vektor konstanta
b. Memilih elemen terbesar pada kolom pivot berdasarkan nilai mutlak
c. Menghapus kolom pivot
d. Mengubah semua elemen diagonal menjadi nol -
Dekomposisi LU memfaktorkan matriks (A) menjadi...
a. (A=L+U)
b. (A=L-U)
c. (A=LU)
d. (A=U/L) -
Pada dekomposisi LU, matriks (L) adalah...
a. Matriks segitiga bawah
b. Matriks segitiga atas
c. Vektor konstanta
d. Matriks identitas selalu -
Dekomposisi LU sangat berguna ketika...
a. Matriks (A) berubah setiap waktu
b. Matriks (A) sama, tetapi vektor (b) berbeda-beda
c. Sistem tidak memiliki solusi
d. Semua elemen matriks bernilai nol
8.7 Latihan
Kerjakan latihan berikut secara sistematis.
-
Tuliskan sistem berikut dalam bentuk matriks (Ax=b):
-
Susun matriks diperbesar dari sistem pada latihan nomor 1.
-
Selesaikan sistem berikut menggunakan Eliminasi Gauss tanpa pivoting:
-
Selesaikan sistem berikut menggunakan Eliminasi Gauss:
-
Jelaskan mengapa pivot yang sangat kecil dapat memperbesar error pembulatan.
-
Diberikan matriks diperbesar:
Tentukan baris mana yang harus menjadi pivot pertama jika menggunakan partial pivoting.
-
Jelaskan perbedaan partial pivoting dan full pivoting.
-
Jelaskan dengan contoh singkat mengapa dekomposisi LU efisien untuk menyelesaikan beberapa sistem dengan matriks koefisien yang sama.
8.8 Rangkuman
- Sistem persamaan linear dapat ditulis dalam bentuk matriks (Ax=b).
- Matriks (A) berisi koefisien, vektor (x) berisi variabel yang dicari, dan vektor (b) berisi konstanta.
- Matriks diperbesar ([A|b]) digunakan untuk memudahkan proses eliminasi.
- Eliminasi Gauss mengubah matriks diperbesar menjadi bentuk segitiga atas.
- Operasi Baris Elementer digunakan untuk membuat elemen di bawah pivot menjadi nol.
- Setelah bentuk segitiga atas diperoleh, solusi dicari dengan substitusi balik.
- Pivoting diperlukan untuk menghindari pembagian dengan nol dan mengurangi risiko pembesaran error pembulatan.
- Partial pivoting memilih elemen terbesar pada kolom pivot berdasarkan nilai mutlak.
- Dekomposisi LU memfaktorkan matriks (A) menjadi (A=LU).
- Dekomposisi LU menyelesaikan sistem melalui dua tahap, yaitu substitusi maju pada (Ly=b) dan substitusi balik pada (Ux=y).
- Dekomposisi LU efisien untuk banyak sistem yang memiliki matriks koefisien sama, tetapi vektor konstanta berbeda.