Lecture Notes
Semester 2
Linear Algebra
Diagonalization

Diagonalizing a Matrix

  1. Kolom dari AX=XΛAX = X\Lambda adalah Axk=λkxkAx_k = \lambda_k x_k dimana Λ\Lambda adalah matriks diagonal eigenvalue.

  2. Eigenvector independen sejumlah nn dalam XX dapat mendiagonalisasi AA A=XΛX1\boxed{A = X\Lambda X^{-1}}.

  3. Eigenvector matrix XX juga mendiagonalisasi seluruh pangkat dari AkA^k Ak=XΛkX1\boxed{A^k = X\Lambda^k X^{-1}}.

  4. Selesaikan uk+1=Auku_{k+1} = Au_k dengan uk=Aku0=XΛkX1u0=c1λ1kx1+c2λ2kx2++cnλnkxnu_k = A^k u_0 = X\Lambda^k X^{-1} u_0 = \boxed{c_1 \lambda_1^k x_1 + c_2 \lambda_2^k x_2 + \cdots + c_n \lambda_n^k x_n}

  5. Jika tidak ada eigenvalue yang berulang, maka AA dapat didiagonalisasi serta diinvers menjadi A=XΛX1A = X\Lambda X^{-1}.

    Jika ada eigenvalue yang berulang, maka AA bisa jadi memiliki sedikit eigenvector independen, sehingga X1X^{-1} tidak selalu ada.

  6. Setiap matriks C=B1ABC = B^{-1}AB memiliki eigenvalues yang sama dengan AA.

Diagonalization

⚠️

Jika ada sebuah n×nn \times n matrix AA yang memiliki tepat nn independet eigenvector x1,,xnx_1, \ldots, x_n yang dimasukkan dalam kolom dari matrix XX, maka AA dapat didekomposisi menjadi A=XΛX1A = X\Lambda X^{-1} dimana Λ\Lambda adalah matriks diagonal dari eigenvalues λ1,,λn\lambda_1, \ldots, \lambda_n dari AA.

A=XΛX1=[x1x2xn][λ1000λ2000λn][x1x2xn]1A = X\Lambda X^{-1} = \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & \cdots & x_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \lambda_1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & \lambda_2 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & \lambda_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 & x_2 & \cdots & x_n \end{bmatrix}^{-1}

Didefinisikan pula bahwa X1AXX^{-1}AX adalah matrix eigenvalue Λ\Lambda:

X1AX=Λ=[λ1000λ2000λn]X^{-1}AX = \Lambda = \begin{bmatrix} \lambda_1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & \lambda_2 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & \lambda_n \end{bmatrix}

Contoh

Untuk matriks A=[1506]A = \begin{bmatrix} 1 & 5 \\ 0 & 6 \end{bmatrix}, kita dapat mencari eigenvalue terlebih dahulu:

1λ506λ=0    (1λ)(6λ)=0    λ=1,6\begin{vmatrix} 1 - \lambda & 5 \\ 0 & 6 - \lambda \end{vmatrix} = 0 \implies (1 - \lambda)(6 - \lambda) = 0 \implies \lambda = 1, 6

Kemudian, kita cari eigenvector dari masing-masing eigenvalue:

  1. Untuk λ=1\lambda = 1:
[115061][x1x2]=[00][0505][x1x2]=[00](write in term of nullspaces)rref(AI)=[0100][x1x2]=[x10]=x1[10]\begin{align*} \begin{bmatrix} 1 - 1 & 5 \\ 0 & 6 - 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \begin{bmatrix} 0 & 5 \\ 0 & 5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \text{(write in term of nullspaces)} &\rightarrow \text{rref}(A-I)\\ &= \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} x_1 \\ 0 \end{bmatrix} = x_1 \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} \end{align*}
  1. Untuk λ=6\lambda = 6:
[165066][x1x2]=[00][5500][x1x2]=[00](write in term of nullspaces)rref(A6I)=[1100][x1x2]=[x2x2]=x2[11]\begin{align*} \begin{bmatrix} 1 - 6 & 5 \\ 0 & 6 - 6 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \begin{bmatrix} -5 & 5 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \text{(write in term of nullspaces)} &\rightarrow \text{rref}(A-6I) \\ &= \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} x_2 \\ x_2 \end{bmatrix} = x_2 \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix} \end{align*}

Sehingga kita dapat menuliskan matriks XX:

X=[1101]X = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}

Kemudian, selesaikan X1AXX^{-1}AX:

X1AX=[1101][1506][1101]=[1101][11106]Λ=[1506]=[λ100λ2]\begin{align*} X^{-1}AX &= \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 5 \\ 0 & 6 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 11 \\ 0 & 6 \end{bmatrix} \\ \Lambda &= \begin{bmatrix} 1 & 5 \\ 0 & 6 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \lambda_1 & 0 \\ 0 & \lambda_2 \end{bmatrix} \end{align*}

Jika diperhatikan, untuk A2A^2 kita dapat menuliskan:

A2=XΛX1XΛX1=XΛ2X1A^2 = X\Lambda X^{-1} X\Lambda X^{-1} = X\Lambda^2 X^{-1}

Dimana X1X=IX^{-1}X = I sehingga dalam bentuk umum:

Form of AkA^k

Ak=XΛkX1A^k = X\Lambda^k X^{-1}

Why is AX=XΛAX = X\Lambda?

Ingat bahwa matriks AA dibentuk dari kolom-kolom eigenvector yang dikalikan dengan skalar eigenvalue [λx1,λx2,,λxn][\lambda x_1, \lambda x_2, \ldots, \lambda x_n]:

AX=A[x1xn]=[λ1x1λnxn]AX = A \left[ \begin{array}{ccc} & & \\ x_1 & \cdots & x_n \\ & & \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{ccc} & & \\ \lambda_1 x_1 & \cdots & \lambda_n x_n \\ & & \end{array} \right]

Dengan memisahkan matriks didapatkan:

[λ1x1λnxn]AX=[x1xn]X[λλ]Λ\underbrace{\left[ \begin{array}{ccc} & & \\ \lambda_1 x_1 & \cdots & \lambda_n x_n \\ & & \end{array} \right]}_{AX} = \underbrace{\left[ \begin{array}{ccc} & & \\ x_1 & \cdots & x_n \\ & & \end{array} \right]}_X \underbrace{\left[ \begin{array}{ccc} \lambda & & \\ & \ddots & \\ & & \lambda \end{array} \right]}_\Lambda

Sehingga dapat lebih jauh dituliskan:

AX=XΛ    A=XΛX1 atau Λ=X1AXAX = X\Lambda \implies \boxed{A = X\Lambda X^{-1}} \ \text{atau} \ \boxed{\Lambda = X^{-1}AX}

Solving AkA^k

Contoh untuk matriks A=[1506]kA = \begin{bmatrix} 1 & 5 \\ 0 & 6 \end{bmatrix}^k:

[1506]k=[1101][1006]k[1101]=[1101][1006k][1101]Ak=[16k106k]\begin{align*} \begin{bmatrix} 1 & 5 \\ 0 & 6 \end{bmatrix}^k &= \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 6 \end{bmatrix}^k \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 6^k \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\\ A^k &= \begin{bmatrix} 1 & 6^k-1 \\ 0 & 6^k \end{bmatrix} \end{align*}

dengan k=1Ak = 1 \rightarrow A, k=0Ik = 0 \rightarrow I.

Remarks

  1. Seluruh matriks yang memiliki eigenvalue unik dapat didiagonalisasi.

  2. Eigenvector dapat dikalikan dengan konstanta nonzero apapun.

  3. Urutan eigenvector di XX sesuai dengan urutan eigenvalue di Λ\Lambda. Sehingga apabila ingin AA dibalik, maka XX juga harus dibalik.

    [0111][1506][1110]=[6001]\begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 5 \\ 0 & 6 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 6 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}
  4. Jika AA memiliki eigenvalue yang berulang, maka AA mungkin tidak dapat didiagonalisasi. Namun perlu diingat bahwa tidak ada kaitan antara invertibilitas dan diagonalisitas.

    • Invertibilitas ditentukan oleh eigenvalues (ada atau tidaknya nol).
    • Diagonalisasi ditentukan oleh eigenvectors (ada atau tidaknya eigenvector independen yang cukup).

XX unik dari setiap λ\lambda

Eigenvector x1,,xnx_1, \ldots, x_n memiliki skalar konstanta berbeda yang unik berupa eigenvalues yang saling independen. Sehingga setiap n×nn \times n matrix AA yang memiliki nn eigenvector independen pasti bisa didiagonalisasi.

Continue: Matrix Power

Setiap nilai yang dipangkatkan dengan limit tak hingga limk nk\lim k \to \infty \ n^k akan menghasilkan nilai yang konvergen ke nilai nol apabila n<1|n| < 1.

sehingga

AkA^k adalah matriks nol apabila seluruh eigenvalues dari AA memiliki nilai λ<1|\lambda| < 1.

Study Case: Fibonacci Sequence

Misalkan kita memiliki persamaan rekurensi uk+1=uk+uk1u_{k+1} = u_k + u_{k-1} dengan u0=0u_0 = 0 dan u1=1u_1 = 1. Dengan menggunakan matriks, kita dapat menuliskan:

[uk+1uk]=[1110][ukuk1]\begin{bmatrix} u_{k+1} \\ u_k \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u_k \\ u_{k-1} \end{bmatrix}

Cari eigenvalues dari matriks A=[1110]A = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}:

1λ11λ=0    (1λ)(λ)1=0    λ2λ1=0\begin{vmatrix} 1 - \lambda & 1 \\ 1 & -\lambda \end{vmatrix} = 0 \implies (1 - \lambda)(-\lambda) - 1 = 0 \implies \lambda^2 - \lambda - 1 = 0

Dengan menggunakan rumus kuadrat, kita dapatkan λ=1±52\lambda = \displaystyle\frac{1 \pm \sqrt{5}}{2}.

Kemudian, cari eigenvector dari masing-masing eigenvalues:

  1. Untuk λ=1+52\lambda = \displaystyle\frac{1 + \sqrt{5}}{2}:
[11+52111+52][x1x2]=[00](write in term of nullspaces)gauss[11+5200][x1x2]=[00]x1=1+52x2x2=x2(general solutions)[x1x2]=x2[1+521](nullspace)eigenvectorx1=[λ11]\begin{align*} \begin{bmatrix} 1 - \displaystyle\frac{1 + \sqrt{5}}{2} & 1 \\ 1 & -\displaystyle\frac{1 + \sqrt{5}}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \text{(write in term of nullspaces)} &\rightarrow \text{gauss}\\ \begin{bmatrix} 1 & \frac{1 + \sqrt{5}}{2} \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ x_1 &= - \frac{1 + \sqrt{5}}{2}x_2 \\ x_2 &= x_2\\ \text{(general solutions)} \\ \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= x_2 \begin{bmatrix} - \frac{1 + \sqrt{5}}{2} \\ 1 \end{bmatrix} \\ \text{(nullspace)} &\rightarrow \text{eigenvector} \\ x_1 &= \begin{bmatrix} \lambda_1 \\ 1 \end{bmatrix} \end{align*}
  1. Untuk λ=152\lambda = \displaystyle\frac{1 - \sqrt{5}}{2}:
[115211152][x1x2]=[00](write in term of nullspaces)gauss[115200][x1x2]=[00]x1=152x2x2=x2(general solutions)[x1x2]=x2[1521](nullspace)eigenvectorx2=[λ21]\begin{align*} \begin{bmatrix} 1 - \displaystyle\frac{1 - \sqrt{5}}{2} & 1 \\ 1 & -\displaystyle\frac{1 - \sqrt{5}}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ \text{(write in term of nullspaces)} &\rightarrow \text{gauss}\\ \begin{bmatrix} 1 & \frac{1 - \sqrt{5}}{2} \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ x_1 &= - \frac{1 - \sqrt{5}}{2}x_2 \\ x_2 &= x_2\\ \text{(general solutions)} \\ \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix} &= x_2 \begin{bmatrix} - \frac{1 - \sqrt{5}}{2} \\ 1 \end{bmatrix} \\ \text{(nullspace)} &\rightarrow \text{eigenvector} \\ x_2 &= \begin{bmatrix} \lambda_2 \\ 1 \end{bmatrix} \end{align*}

Didapatkan langkah untuk mencari kombinasi eigenvectors yang menghasilkan u0=[1,0]u_0 = [1, 0]:

[10]=c1[λ11]+c2[λ21][10]=1λ1λ2[λ11]1λ1λ2[λ21][10]=1λ1λ2[λ1λ2λ1][10]=1λ1λ2([λ11][λ21])u0=x1x2λ1λ2\begin{align*} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} &= c_1 \begin{bmatrix} \lambda_1 \\ 1 \end{bmatrix} + c_2 \begin{bmatrix} \lambda_2 \\ 1 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} &= \frac{1}{\lambda_1 - \lambda_2} \begin{bmatrix} \lambda_1 \\ 1 \end{bmatrix} - \frac{1}{\lambda_1 - \lambda_2} \begin{bmatrix} \lambda_2 \\ 1 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} &= \frac{1}{\lambda_1 - \lambda_2} \begin{bmatrix} \lambda_1 - \lambda_2 \\ \lambda_1 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} &= \frac{1}{\lambda_1 - \lambda_2} \left(\begin{bmatrix} \lambda_1 \\ 1 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} \lambda_2 \\ 1 \end{bmatrix}\right)\\ \therefore u_0 &= \frac{x_1 - x_2}{\lambda_1 - \lambda_2} \end{align*}

Kemudian u100u_{100} dapat dihitung dengan:

u100=(λ1)100x1(λ2)100x2λ1λ2(λ1λ2)=5(λ2)1000u10015(1+52)100\begin{align*} u_{100} &= \frac{(\lambda_1)^{100}x_1 - (\lambda_2)^{100}x_2}{\lambda_1 - \lambda_2}\\ (\lambda_1 - \lambda_2) &= \sqrt{5}\\ (\lambda_2)^{100} &\approx 0\\ u_{100} &\approx \frac{1}{\sqrt{5}}\left(\frac{1 + \sqrt{5}}{2}\right)^{100} \end{align*}

Matrix Powers AkA^k

Langkah untuk mencari AkA^k:

  1. Tulis u0u_0 sebagai kombinasi linear dari eigenvectors c1x1+c2x2++cnxnc_1x_1 + c_2x_2 + \ldots + c_nx_n dengan c=X1u0c = X^{-1}u_0.
  2. Kalikan setiap eigenvector xix_i dengan λik\lambda_i^k. Nilai ΛkX1u0\Lambda^k X^{-1}u_0 sudah diperoleh.
  3. Tambahkan setiap hasil perkalian ciλikxic_i\lambda_i^kx_i untuk mencari uk=Aku0u_k = A^ku_0. Ini adalah XΛkX1u0X\Lambda^kX^{-1}u_0.

Sehingga solusi utama dari uk=Aku0u_k = A^ku_0 adalah:

uk=c1λ1kx1+c2λ2kx2++cnλnkxnu_k = c_1\lambda_1^kx_1 + c_2\lambda_2^kx_2 + \ldots + c_n\lambda_n^kx_n

Faster Fibonacci

Contoh untuk matriks A=[1210]A = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 1 & 0 \end{bmatrix}:

memiliki λ1=2\lambda_1 = 2 dan x1=[21]x_1 = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \end{bmatrix}, serta λ2=1\lambda_2 = -1 dan x2=[11]x_2 = \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \end{bmatrix}.

Sehingga u100u_{100} dapat dihitung dengan:

Langkah 1:

u0=c1x1+c2x2dengan [2111]1[10]=13[01]=c1[21]+c2[11][01]=[2c1+c2c1c2]\begin{align*} u_0 &= c_1x_1 + c_2x_2\\ \text{dengan } \begin{bmatrix}2 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} &= \frac{1}{3}\\ \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} &= c_1 \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \end{bmatrix} + c_2 \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 2c_1 + c_2 \\ c_1 - c_2 \end{bmatrix} \end{align*}