Senin, 21 Maret 2011

Kalkulus

Kalkulus (Bahasa Latin: calculus, artinya "batu kecil", untuk menghitung) adalah cabang ilmu matematika yang mencakup limit, turunan, integral, dan deret takterhingga. Kalkulus adalah ilmu mengenai perubahan, sebagaimana geometri adalah ilmu mengenai bentuk dan aljabar adalah ilmu mengenai pengerjaan untuk memecahkan persamaan serta aplikasinya. Kalkulus memiliki aplikasi yang luas dalam bidang-bidang sains, ekonomi, dan teknik; serta dapat memecahkan berbagai masalah yang tidak dapat dipecahkan dengan aljabar elementer.

Kalkulus memiliki dua cabang utama, kalkulus diferensial dan kalkulus integral yang saling berhubungan melalui teorema dasar kalkulus. Pelajaran kalkulus adalah pintu gerbang menuju pelajaran matematika lainnya yang lebih tinggi, yang khusus mempelajari fungsi dan limit, yang secara umum dinamakan analisis matematika.

Pengaruh penting

Walau beberapa konsep kalkulus telah dikembangkan terlebih dahulu di Mesir, Yunani, Tiongkok, India, Iraq, Persia, dan Jepang, penggunaaan kalkulus modern dimulai di Eropa pada abad ke-17 sewaktu Isaac Newton dan Gottfried Wilhelm Leibniz mengembangkan prinsip dasar kalkulus. Hasil kerja mereka kemudian memberikan pengaruh yang kuat terhadap perkembangan fisika.

Aplikasi kalkulus diferensial meliputi perhitungan kecepatan dan percepatan, kemiringan suatu kurva, dan optimalisasi. Aplikasi dari kalkulus integral meliputi perhitungan luas, volume, panjang busur, pusat massa, kerja, dan tekanan. Aplikasi lebih jauh meliputi deret pangkat dan deret Fourier.

Kalkulus juga digunakan untuk mendapatkan pemahaman yang lebih rinci mengenai ruang, waktu, dan gerak. Selama berabad-abad, para matematikawan dan filsuf berusaha memecahkan paradoks yang meliputi pembagian bilangan dengan nol ataupun jumlah dari deret takterhingga. Seorang filsuf Yunani kuno memberikan beberapa contoh terkenal seperti paradoks Zeno. Kalkulus memberikan solusi, terutama di bidang limit dan deret takterhingga, yang kemudian berhasil memecahkan paradoks tersebut.


Prinsip-prinsip dasar


Limit dan kecil tak terhingga
Kalkulus pada umumnya dikembangkan dengan memanipulasi sejumlah kuantitas yang sangat kecil. Objek ini, yang dapat diperlakukan sebagai angka, adalah sangat kecil. Sebuah bilangan dx yang kecilnya tak terhingga dapat lebih besar daripada 0, namun lebih kecil daripada bilangan apapun pada deret 1, ½, ⅓, ... dan bilangan real positif apapun. Setiap perkalian dengan kecil tak terhingga (infinitesimal) tetaplah kecil tak terhingga, dengan kata lain kecil tak terhingga tidak memenuhi properti Archimedes. Dari sudut pandang ini, kalkulus adalah sekumpulan teknik untuk memanipulasi kecil tak terhingga.

Pada abad ke-19, konsep kecil tak terhingga ini ditinggalkan karena tidak cukup cermat, sebaliknya ia digantikan oleh konsep limit. Limit menjelaskan nilai suatu fungsi pada nilai input tertentu dengan hasil dari nilai input terdekat. Dari sudut pandang ini, kalkulus adalah sekumpulan teknik memanipulasi limit-limit tertentu. Secara cermat, definisi limit suatu fungsi adalah:

Diberikan fungsi f(x) yang terdefinisikan pada interval di sekitar p, terkecuali mungkin pada p itu sendiri. Kita mengatakan bahwa limit f(x) ketika x mendekati p adalah L, dan menuliskan:

\lim_{x \to p}{f(x)}=L

jika, untuk setiap bilangan ε > 0, terdapat bilangan δ > 0 yang berkoresponden dengannya sedemikian rupanya untuk setiap x:

0 < |x-p| <\delta \Rightarrow |f(x)-L|<\epsilon \, DIKTAT KALKULUS 1 Penyusun: Drs. Warsoma Djohan M.Si. Dr. Wono Setya Budhi Departemen Matematika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Bandung Agustus 2007 Pengantar Kalkulus merupakan matakuliah wajib tingkat pertama bagi hampir semua departemen/ jurusan di Institut Teknologi Bandung (kecuali Departemen Desain dan Seni Murni). Berdasarkan kebutuhan yang berbeda pada berbagai departemen yang ada ITB, sejak tahun ajaran 2004 pelaksanaannya dibagi dua yaitu perkuliahan Kalkulus Elmenter dan Kalkulus. Diktat ini ditulis untuk digunakan pada perkuliahan Kalkulus, meskipun tidak menutup kemungkinan untuk dipakai pada perkuliahan Kalkulus Elementer, dengan membuang beberapa topik yang tidak diperlukan. Dari segi konsep, isi perkuliahan kalkulus dapat dikatakan sudah baku, artinya tidak banyak mengalami perubahan untuk jangka waktu yang cukup panjang. Bagian yang secara berkala perlu direvisi adalah teknik penyajiannya. Selain itu soal-soal yang disajikan mulai banyak diaktualkan dengan situasi saat ini, melalui pemecahan problemproblem real sederhana yang dijumpai sehari-hari. Penyusunan diktat ini bertujuan untuk mengefektifkan proses pembelajaran. Pada proses pembelajaran konvensional, biasanya dosen menjelaskan perkuliahan sambil mencatat di papan tulis. Mahasiswa umumnya menyalin catatan tersebut sambil menyimak penjelasan dosen. Proses pembelajaran lebih banyak mendengarkan ceramah dari dosen. Peran serta mahasiswa sebagai pembelajar sangat terbatas. Melalui diktat ini diharapkan proses pembelajaran dapat lebih diefektifkan. Fungsi dari diktat ini, bagi dosen untuk dipakai menjelaskan materi kuliah, sedangkan bagi mahasiswa sebagai pengganti catatan kuliah. Dengan demikian waktu pembelajaran di kelas dapat digunakan secara lebih efektif untuk caramah dan diskusi. Perlu diperhatikan bahwa pada diktat ini soal-soal yang disajikan umumnya tidak disertai solusi. Hal ini memang disengaja karena pembelajaran akan lebih efektif bila solusinya dibicarakan bersama-sama mahasiswa di kelas. Idealnya ada dua materi yang disediakan, yaitu buku teks yang rinci dan beningan (transparancies) untuk ceramah. Mengingat sempitnya waktu yang ada, untuk saat ini penulis baru dapat menyediakan beningan saja, tetapi ditulis dengan cukup rinci. Penulis 1 (Warsoma Djohan) mulai merancang diktat ini pada awal Juli tahun 2004. Penyusunan didasarkan pada buku teks yang digunakan yaitu: Kalkulus dan Geometri Analitis, edisi 5, jilid 1, E.J. Purcell & D. Varberg. Pada tahun ajaran 2005, isi diktat direvisi bersama-sama dengan penulis 2 (Wono Setya Budhi). Semoga diktat ini dapat berguna untuk meningkatkan kualitas pembelajaran Kalkulus. Penyusun, Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi Daftar Isi BAB 1 Sistem Bilangan, Pertaksamaan dan Koordinat Kartesius 4 BAB 2 Fungsi dan Limit 14 BAB 3 Turunan 32 BAB 4 Penggunaan Turunan 42 BAB 5 Integral 57 BAB 6 Penggunaan Integral 78 BAB 7 Fungsi-Fungsi Transenden 92 Sistem Bilangan / Himpunan Bilangan Himpunan Bilangan Asli: N = {1, 2, 3, 4, 5, • • •} Himpunan Bilangan Bulat: Z = {• • • ,−2,−1, 0, 1, 2, 3, • • •} Himpunan Bilangan Rasional: Q = { p q | p, q ∈ Z, q _= 0} Perhatikan gambar segitiga di samping. Panjang sisi miringnya adalah √2. Apakah bilangan tersebut merupakan bilangan rasional (periksa!). Gabungan himpunan bilangan rasional dan irrasional disebut himpunan bilangan real, disimbolkan R. Jelas N ⊂ Z ⊂ Q ⊂ R. Notasi Interval: Misalkan a, b ∈ R, 1. (a, b) = { x |a < x < b} ( ) 2. [a, b] = { x | a ≤ x ≤ b } [ ] 3. [a, b) = { x | a ≤ x < b} [ ) 4. (a, b] = { x |a < x ≤ b } ( ] 5. (a,∞) = { x |x > a} (
6. [a,∞) = { x | x ≥ a }
7. (−∞, b) = { x |x < b} 8. (−∞, b] = { x | x ≤ b } 9. (−∞,∞) = R Hati2: −∞dan∞bukan bilangan real, jadi tidak pernah termasuk dalam subset bilangan real. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Polinom / Suku Banyak Bentuk umum: p(x) = a0 + a1x + a2x2 + • • • + anxn, dengan n bilangan asli, a0, a1, • • • , an bilangan2 real (disebut koefisien dari polinom), dan x bilangan real yang belum ditentukan (variabel). Derajat polinom adalah nilai n terbesar yang koefisiennya tidak nol. Contoh: p(x) = x4 − 2x3 − 7x2 + 8x + 12, derajat p(x) adalah 4. Bilangan real t disebut akar dari polinom p(x) bila p(t) = 0. Pada contoh terakhir, t = 2 adalah akar p(x), sebab p(t) = p(2) = 24 − 2 • 23 − 7 • 22 + 8 • 2 + 12 = 0 Polinom Linear/Derajat Satu: p(x) = ax+b, a _= 0 akarnya x = −b a . Polinom Kuadrat/Derajat Dua: p(x) = ax2 + bx + c, a _= 0. Akar-akarnya x1 = −b+√D 2a dan x2 = −b−√D 2a dengan D = b2 − 4ac _ __ _ Diskriminan Di sini ada tiga kemungkinan akar: • D > 0, Dua akar real berbeda (x1 _= x2).
• D = 0, Dua akar kembar (x1 = x2).
• D < 0, tidak ada akar real. Koefisien a menentukan kecekungan grafiknya. Bila a > 0 grafik cekung
ke atas (membuka ke atas) sebaliknya bilaa < 0 grafinya cekung ke bawah. BilaD < 0 dana > 0 polinom disebut definit positif (ilustrasikan grafiknya!).
Bila D < 0 dan a < 0 polinom disebut definit negatif. Sifat: Setiap polinom derajat n > 2 dapat difaktorkan atas faktor-faktor
linear / kuadrat definit. (Bukti, bonus !!!).
Contoh: p(x) = x6 − 1
= (x3 − 1) (x3 + 1)
= (x − 1) (x2 + x + 1) (x + 1) (x2 − x + 1)
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Pertaksamaan Rasional
Bentuk umum:
A(x)
B(x) < C(x) D(x) A(x),B(x), C(x), dan D(x) masing-masing polinom. Catatan: Tanda < dapat juga berupa ≤ , > atau ≥
Contoh: x3+1
x2−2x+8 ≥ 3x
x5+3x−4
Himpunan dari semua titik x ∈ R yang ’memenuhi’ pertaksamaan tersebut
disebut solusi.
Langkah-Langkah menentukan solusi pertaksamaan rasional:
(dijelaskan seiring dengan pencarian solusi dari x+1
2−x ≥ x
x+3)
1. Tentukan ’daerah definisi’ dari pertaksamaan tersebut
2. Tambahkan kedua ruas dengan −C(x)
D(x), shg. diperoleh bentuk P(x)
Q(x) < 0 3. Faktorkan P(x) dan Q(x) atas faktor-faktor ’linier’ & ’kuadrat definit’. 4. Gambarkan garis bil. real dan tandai akar-akar dari P(x) dan Q(x). • • • 5. Pada setiap ’subinterval’ yang terbentuk, ambil satu buah titik dan periksa tanda dari P(x) Q(x) • • • + - - + 6. Simpulkan solusi dari pertaksamaan tersebut. Diskusi: Perhatikan langkah kelima di atas. Untuk menentukan tanda dari P(x) Q(x) sepanjang suatu subinterval, mengapa cukup kita uji pada satu titik saja ? Jelaskan ! Latihan: Tentukan solusi dari: 2 ≤ x2 −x < 6 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Hati-Hati: • Jangan mengalikan pertaksamaan dengan bilangan yang tidak diketahui tandanya ilustrasi: 1 x−1 < 1. • Sebaiknya, hindari mencoret faktor yang sama, ilustrasi: (x−3)3 (x+1) (x−3)2 ≤ 0. Harga Mutlak Misalkan x ∈ R. Harga mutlak dari x, ditulis |x| = _ −x x≤ 0 x x>0
Contoh: |3| = 3, | − 4| = 4, |0| = 0.
Sifat2: Misalkan a dan b bilangan-bilangan real,
1. |ab| = |a| |b|
2.___
a
b___ = |a|
|b|
3. |a + b| ≤ |a| + |b| ilustrasi |3 + (−4)| ≤ |3| + | − 4|.
4. |a − b| ≥ | |a| − |b| |
Latihan:
1. Tuliskan tanpa tanda mutlak: (a) |x − 4| (b) |x + 2| + |x + 3|
2. Tentukan solusi dari (a) |x − 3| = x − 3 (b) |x − 1| = 2.
Akar Kuadrat
Misalkan x ≥ 0. Akar kuadrat dari x, ditulis √x adalah bilangan real
non-negatif a sehingga a2 = x.
Ilustrasi: (a) √9 = 3, (b)_(−4)2 = 4.
Secara umum : Bila b ∈ R maka √b2 = |b|.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Pertaksamaan yang memuat nilai mutlak dan akar kuadrat
Sifat2 (buktikan/ilustrasikan !):
• |x| < a ⇐⇒ −a < x < a • |x| > a ⇐⇒ x < −a atau x > a
Untuk mencari solusi pertaksamaan yang memuat nilai mutlak / akar
kuadrat, usahakan menghilangkan nilai mutlak / akar kuadratnya, lalu
diselesaikan sebagai pertaksamaan rasional.
Contoh2:
1. |x − 4| ≤ 1.5
2. |2x + 3| ≤ |x − 3|
3. Benarkah pernyataan berikut ? −1 ≤ x ≤ 3 =⇒ |x| < 1 4. Tentukan bilangan positif δ supaya pernyataan berikut benar: (a) |x − 2| < δ =⇒ |5x − 10| < 1 (b) |x − 2| < δ =⇒ |6x − 18| < 24. 5. √x − 1 < 1 Soal-Soal Latihan Mandiri: 1. |2x − 7| < 3 2. |2x − 3| > 3
3. |x − 2| < 3 |x + 7| 4. |x − 2| + |x + 2| > 7
5. |x − 2| + |x + 2| < 3 6. |x + 1 x| ≤ 2 7. 1 < |x − 2| < 3 8. |x − 3| + |x − 2| + |x + 1| < 7 9. |x − 3| + |x − 2| + |x + 1| < 2 10. |x − 3| + |x − 2| + |x + 1| > 8
11. Cari bil. δ postif supaya
a. |x−5| < δ =⇒ |3x−15| < 6 b. |x−4| < δ =⇒ |3x−15| < 6 12. Tunjukan |x| ≤ 2 =⇒ | 2x2 + 3x + 2 x2 + 2 | ≤ 8 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Sistem Koordinat Kartesius / Persegi Panjang Pelopor: Pierre de Fermat (1629) & Ren´e Descartes (1637) Sumbu horizontal dinamakan sumbu-x (absis) dan sumbu vertikal dinamakan sumbu-y (ordinat). Setiap pasangan terurut bilangan (a, b) dapat digambarkan sebagai sebuah titik pada koordinat tersebut dan sebaliknya, setiap titik pada bidang koordinat Kartesius berkorespondensi dengan satu buah pasangan bilangan (a, b). Jarak dua titik di bidang Misalkan P(x1, y1) dan Q(x2, y2) dua buah titik pada bidang, jaraknya adalah d(P,Q) = _(x2 − x1)2 + (y2 − y1)2 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Garis Lurus Bentuk umum: Ax + By + C = 0 dengan A,B, dan C konstanta. Nilai A dan B tidak boleh nol secara bersamaan. Grafik garis lurus ditentukan oleh dua titik (x1, y1) dan (x2, y2) yang memenuhi persamaan tersebut. Hal2 khusus: • Bila A = 0, persamaan berbentuk y = −C B , grafiknya sejajar sumbu-x. • Bila B = 0, persamaan berbentuk x = −C A , grafiknya sejajar sumbu-y. • Bila A,B tak nol, Ax + By + C = 0 ⇐⇒ y = −A B x − C B. Misalkan (x1, y1) dan (x2, y2) dua titik pada garis tersebut. Kemiringan garis didefinisikan sebagai m = y2−y1 x2−x1 Buktikan bahwa m = −A B . Persamaan garis lurus yang melalui dua titik (x1, y1) dan (x2, y2) : y − y1 y2 − y1 = x − x1 x2 − x1 Persamaan garis lurus dengan kemiringan m dan melalui titik (x1, y1) : y − y1 = m(x − x1) Misalkan garis _1 dan _2 dua buah garis dengan kemiringan m1 dan m2. Kedua garis tersebut sejajar ⇐⇒ m1 = m2 Kedua garis tersebut saling tegak lurus ⇐⇒ m1 • m2 = −1 (mengapa?) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Lingkaran Lingkaran adalah himpunan titik-titik yang jaraknya sama terhadap titik tertentu (disebut pusat lingkaran). Persamaan lingkaran yang berpusat di (0, 0) dan jari-jari r adalah: x2 + y2 = r2 (gambar sebelah kiri). Bila pusat lingkaran berada di titik (p, q) maka persamaannya menjadi (x − p)2 + (y − q)2 = r2(gambar sebelah kanan). x K2 K1 0 1 2 y K2 K1 1 2 lingkaran x2 + y2 = 3 x K1 0 1 2 3 4 y K1 1 2 3 4 lingkaran (x − 1)2 + (y − 2)2 = 3 Latihan: Tentukan pusat dan jari-jari lingkaran x2−2x+y2+4y−20 = 0 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Elips Bentuk umum elips yang berpusat di (0, 0) : x2 a2 + y2 b2 = 1 (gambar kiri). Untuk elips yang berpusat di (p, q) persamaannya (x − p)2 a2 + (y − q)2 b2 = 1 x K3 K2 K1 0 1 2 3 y K3 K2 K1 1 2 3 x K2 K1 0 1 2 3 4 5 y K1 1 2 3 4 5 6 Latihan: Gambarkan elips berikut 4x2 − 24x + y2 − 4y + 39 = 0. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Hiperbola Bentuk umum : x2 a2 − y2 b2 = 1 atau −x2 a2 + y2 b2 = 1 x K4 K2 0 2 4 y K8 K6 K4 K2 2 4 6 8 x2 4 − y2 9 = 1 x K4 K2 0 2 4 y K8 K6 K4 K2 2 4 6 8 − x2 4 + y2 9 = 1 Garis putus-putus mempunyai persamaan 2y = 3x dan merupakan asimtot terhadap hiperbola tersebut. Bila kedua parabola di atas dirotasi berlawanan arah dengan putaran jarum jam sebesar 45o maka diperoleh: xy = 1 −xy = 1 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Fungsi Misalkan A dan B dua buah himpunan. Fungsi dari A ke B adalah aturan memasangkan (memadankan) setiap elemen di A dengan satu elemen di B. Bila elemen-elemen dari A lebih banyak dari elemen-elemen B, dapatkah kita membuat fungsi dari A ke B? Sebuah fungsi disebut fungsi real bila B ⊂ R. Pembahasan selanjutnya akan dibatasi untuk A,B ⊂ R. Notasi fungsi: y = f(x) dengan: x elemen A, f(x) aturan pemadanannya, dan y adalah elemen B yang merupakan pasangan dari x. Pada persamaan berikut, tentukan mana yang mendefinisikan fungsi: 1. y = x2 + x4 2. xy3 = 1 3. x2y = 1 4. x2 + y2 = 1 5. x3 + y3 = 1 6. x2 + y3 = 1 Daerah Definisi (daerah asal/wilayah/domain) dari suatu fungsi f(x), dinotasikan Df adalah himpunan semua bilangan real yang menyebabkan aturan fungsi berlaku/terdefinisi. Daerah Nilai (daerah hasil/jelajah/range) dari suatu fungsi f(x), dinotasikan Rf = { y | y = f(x), x ∈ Df} (berisi semua pasangan dari x). Contoh2: Tentukan Df dan Rf dan grafik dari fungsi-fungsi berikut: 1. f(x) = x + √x 2. f(x) = x2 − 1 ≤ x ≤ 1 3. f(x) = _ x2 x ≤ 0 1 x > 0
4. f(x) = |x|
5. f(x) = [|x|], bilangan bulat
terbesar, yang lebih kecil atau
sama dengan x.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi Genap dan Fungsi Ganjil/Gasal:
Fungsi f disebut fungsi genap bila memenuhi f(−a) = f(a). Grafik
dari fungsi genap simetri terhadap sumbu-y
Fungsi f disebut fungsi ganjil bila memenuhi f(−a) = −f(a). Grafiknya
simetri terhadap titik asal (titik pusat koordinat).
Latihan:
1. Periksa apakah fungsi berikut termasuk fungsi ganjil / genap.
(a) y = x2
(b) y = x3
(c) y = x5 + 3x2 + 1
(d) y = |x − 1|
(e) y = [|x|]
(f) y = [|x2|]
2. Adakah fungsi yang sekaligus genap dan ganjil? (bahas!)
Pergeseran Grafik Fungsi:
Diberikan grafik fungsi y = f(x)
dan a > 0. Selanjutnya dibentuk
fungsi g(x) = f(x − a), maka gambar
grafik g(x) dapat diperoleh dengan
menggeser grafik f(x) sejauh a
ke kanan (jelaskan !).
Diskusi: Jika a > 0, jelaskan cara memperoleh grafik-grafik
h = f(x + a), l(x) = f(x) + a dan m(x) = f(x) − a dari grafik f(x).
Contoh: Berdasarkan grafik y = x2, gambarkan grafik h = x2 + 4x + 3
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Operasi pada fungsi
Misalkan f(x) dan g(x) fungsi2 real dengan daerah definisi Df dan Dg.
• (f + g)(x) = f(x) + g(x), Df+g = Df ∩ Dg
• (f − g)(x) = f(x) − g(x), Df−g = Df ∩ Dg
• (fg)(x) = f(x) g(x), Dfg = Df ∩ Dg
• (f/g)(x) = f(x)/g(x), Df/g = Df ∩ Dg ∩ {x|g(x) _= 0}
• fn(x) = f(x) f(x) • • • f(x)
_ __ _ n suku
Dfn = Df
Contoh: Misalkan f(x) = √4 x + 1 dan g(x) = √9 − x2.
Tentukan f + g, f − g, fg, f/g, dan f5 beserta daerah definisinya.
Peta/Image dan Prapeta/Preimage:
Misalkan f suatu fungsi dengan daerah definisi Df dan daerah nilai Rf .
Misalkan A ⊂ Df dan B ⊂ R.
• Peta dari A oleh f adalah f(A) = {y ∈ Rf | y = f(x), x ∈ A}
• Prapeta dari B oleh f adalah f−1(B) = {x ∈ Df | f(x) ∈ B}
(ilustrasikan kedua konsep di atas dengan gambar )
Contoh: Diberikan f(x) = x2,
tentukan f([0, 1]), f([−1
2, 1]), f−1([0, 1]), f−1([−1, 1]), dan f−1({−1})
Diskusi: Benar atau salah (a) f−1(f(A)) = A , (b) f(f−1(B)) = B
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi Komposisi
Perhatikan dua buah fungsi f(x) = 6x
x2−9 dan g(x) = √3x.
Dibentuk fungsi baru (g ◦ f)(x) = g(f(x))
Jadi (g ◦ f)(x) = g( 6x
x2−9) = _ 6x
x2−9
Fungsi demikian disebut sebagai fungsi komposisi dari f dan g.
Masalah: Bagaimana cara menentukan Dg◦f dan Rg◦f
Perhatikan gambar di bawah ini. Titik-titik dari Df yang dapat dievaluasi
oleh fungsi komposisi g ◦ f adalah titik-titik yang oleh fungsi f dipetakan
ke dalam Dg (mengapa?). Sebut A = Rf ∩ Dg, maka:
Dg◦f = f−1(A) dan Rg◦f = g(A)
Contoh2:
1. f(x) = 1+x2 dan g(x) = √1 − x.
Tentukan f ◦ g, Df◦g, dan Rf◦g
2. f(x) = _x(10 − x) dan g(x) = √4 − x2.
Tentukan g ◦ f, Dg◦f, dan Rg◦f
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi Trigonometri
Perhatikan gambar lingkaran berjari-jari
satu di sebelah kiri. Posisi titik P=(x, y).
Sudut t-positif dihitung berdasarkan arah
yang berlawanan jarum jam dengan satuan
radian. 10 = 1
180π rad.
Definisi:
f(t) = sint = y dan g(t) = cos t = x.
Df = Dg = . . . Rf = Rg = . . .
Sudut t + 2π dan t menentukan posisi titik P yang sama, sehingga,
sin(t + 2π) = sint dan cos(t + 2π) = cos t.
Dikatakan fungsi tersebut periodik dengan periode 2π.
sin(−t) = −sin t
cos(−t) = cos t
sin2 t + cos2 t = 1
⎫⎪
⎪⎬⎪
⎪⎭
jelaskan !
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi-Fungsi Trigonometri Lainnya:
• f(x) = tan t = sin t
cos t Df = {x | x _= 2k+1
2 π, k ∈ Z}, Rf = R
• f(x) = cot t = cos t
sin t Df = . . . Rf = . . .
• f(x) = sect = 1
cos t Df = . . . Rf = . . .
• f(x) = csct = 1
sin t Df = . . . Rf = . . .
latihan: Periksa apakah fungsi2 tersebut termasuk fungsi ganjil/genap
latihan: Apakah fungsi2 tersebut periodik, berapa periodenya ?
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Sifat-Sifat Penting Fungsi Trigonometri:
• sin2 x + cos2 x = 1, 1 + tan2 x = sec2 x, 1 + cot2 x = csc2 x
• sin(−x) = sinx dan cos(−x) = cos x
• sin(x + y) = sinx cos y + cos x sin y
cos(x + y) = cos x cos y − sin x sin y
• sin2 x = 1
2 − 1
2 cos(2x) dan cos2 x = 1
2 + 1
2 cos(2x)
• sin x + siny = 2 sin(x+y
2 ) cos(x−y
2 )
cos x + cos y = 2 cos(x+y
2 ) cos(x−y
2 )
cos x − cos y = −2 sin(x+y
2 ) sin(x−y
2 )
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Konsep Limit
Misalkan I = (a, b) suatu interval buka di R dan c ∈ I. Fungsi f(x)
dikatakan terdefinisi di I kecuali mungkin di c, artinya f(x) terdefinisi disemua
titik pada I\{c} dan di c boleh terdefinisi boleh juga tidak.
Ilustrasi:
Diskusi: Adakah bentuk lain dari f(x) yang memenuhi definisi di atas?
Pada gambar2 di atas, berapakah nilai limit f(x) bila x mendekati titik c.
Untuk memudahkan pembahasan konsep limit, hayatilah pengertian berikut:
|x − a| < δ ⇐⇒ −δ < x − a < δ himpunan semua bil. real x yang jaraknya ke titik a kecil dari δ a−δ a a+δ Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Perhatikan fungsi f(x) = 2x2−3x−2 x−2 , Df = R\{2} x f(x) 0.00000 1.00000 1.00000 3.00000 1.90000 4.80000 1.95000 4.90000 1.99999 4.99998 ... 2.00000 ? ... 2.00001 5.00002 2.05000 5.10000 2.10000 5.20000 3.00000 7.00000 f(x) = 2x2−3x−2 x−2 = (2x+1)(x−2) x−2 = 2x + 1 Df = R\{2} Amatilah fungsi di atas beserta grafiknya, lalu lengkapilah implikasi berikut: • Tentukan δ1 supaya |x − 2| < δ1 =⇒ |f(x) − 5| < 1 Apakah δ1 = 3/8 memenuhi syarat ? • Tentukan δ2 supaya |x − 2| < δ2 =⇒ |f(x) − 5| < 1 2 • Tentukan δ3 supaya |x − 2| < δ3 =⇒ |f(x) − 5| < 1 1000000 • Bila _ bilangan positif sebarang, carilah δ supaya |x − 2| < δ =⇒ |f(x) − 5| < _ Dari uraian di atas, terlihat untuk setiap _ > 0, selalu dapat dicari δ > 0
sehingga |x − 2| < δ =⇒ |f(x) − 5| < _. Dikatakan lim x→2 f(x) = 5 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Definisi Limit: Misalkanf(x) terdefinisi pada I = (a, b), kecuali mungkin di c ∈ I. Limit dari f(x) untuk x mendekati c disebut L, dinotasikan lim x→c f(x) = L artinya untuk setiap _ > 0, dapat dicari δ > 0 sehingga
|x − c| < δ =⇒ |f(x) − L| < _ Contoh: 1. Tunjukkan lim x→2 3x + 2 = 8 2. Tunjukkan lim x→2 x2 = 4 Sifat-Sifat Limit: Misalkan f dan g dua buah fungsi dan k ∈ R. 1. lim x→c k = k 2. lim x→c x = c 3. lim x→c (kf)(x) = k lim x→c f(x) 4. lim x→c (f + g)(x) = lim x→c f(x) + lim x→c g(x) 5. lim x→c (f − g)(x) = lim x→c f(x) − lim x→c g(x) 6. lim x→c (fg)(x) = lim x→c f(x) • lim x→c g(x) 7. lim x→c (f g )(x) = lim x→c f(x) lim x→c g(x) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 8. lim x→c fn(x) = lim x→c f(x)_n , n ∈ N 9. lim x→c √n f(x) = n_lim x→c f(x) , lim x→c f(x) ≥ 0 untuk n genap 10. Bila p(x) polinom maka lim x→c p(x) = p(c) 11. Prinsip Apit. Misalkan f, g, dan h tiga fungsi dengan g(x) ≤ f(x) ≤ h(x) untuk setiap x ∈ I. Bila lim x→c g(x) = L dan lim x→c h(x) = L maka lim x→c f(x) = L (Ilustrasikan secara grafik!) Sifat-Sifat Limit Fungsi Trigonometri: 1. lim x→c sin x = sinc dan lim x→c cos x = cos c 2. lim x→0 sin x x = 1 dan lim x→0 x sin x = 1 3. lim x→0 tan x x = 1 dan lim x→0 x tan x = 1 Hati2, bila lim x→c u _= 0 maka lim x→c sin u u _= 1 Soal-Soal: Hitung limit-limit berikut ini 1. lim x→3 x4−3x 3x2−5x+7 2. lim x→3 x2−2x−3 x−3 3. lim x→1 2x3+3x2−2x−3 x2−1 4. lim x→0 x−sin(2x) 2x+tan x 5. lim x→12 π (x − 1 2π) tan(3x) 6. lim x→π 1+cos x sin(2x) 7. lim x→0 x2 cos 1 x 8. lim x→1 [|x|] 9. Bila f(x) = _x x< 1 1 2x + 1 x ≥ 1 tentukan lim x→1 f(x) (dengan alat yang ada saat ini dua soal terakhir akan sukar untuk dihitung, kita tunda dulu sampai konsep berikutnya dibahas) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Limit Sepihak Gambar di samping adalah grafik dari fungsi pada contoh no. 9 di atas. Di sini terlihat bahwa fungsi f(x) mengalami loncatan pada titik x = 1. Sekarang coba lengkapi implikasi berikut ini: • Tentukan δ1 supaya |x − 1| < δ1 =⇒ |f(x) − 1,5| < 1 • Tentukan δ2 supaya |x − 1| < δ2 =⇒ |f(x) − 1,5| < 3 4 • Tentukan δ3 supaya |x − 1| < δ3 =⇒ |f(x) − 1,5| < 1 4 Kesimpulan apa yang dapat diperoleh? Dapatkah disimpulkan bahwa lim x→1 f(x) tidak ada? Sekarang coba perhatikan kembali grafik tadi dan lengkapi implikasi berikut: • Tentukan δ1 supaya x − 1 < δ1 =⇒ |f(x) − 1,5| < 1 • Tentukan δ2 supaya x − 1 < δ2 =⇒ |f(x) − 1,5| < 3 4 • Tentukan δ3 supaya x − 1 < δ3 =⇒ |f(x) − 1,5| < 1 4 • Bila _ > 0, adakah δ > 0 supaya x − 1 < δ =⇒ |f(x) − 1,5| < _ Karena untuk setiap _ > 0 kita dapat mencari δ > 0 sehingga implikasinya
berlaku, dikatakan limit dari f(x) untuk x menuju 1 dari kanan bernilai
1,5 dan dinotasikan lim
x→1+
f(x) = 1,5
Sekarang coba perhatikan kembali grafik tadi dan lengkapi implikasi berikut:
• Tentukan δ1 supaya 1 − x < δ1 =⇒ |f(x) − 1,5| < 1 • Tentukan δ2 supaya 1 − x < δ2 =⇒ |f(x) − 1,5| < 3 4 • Tentukan δ3 supaya 1 − x < δ3 =⇒ |f(x) − 1,5| < 1 4 • Bila _ > 0, adakah δ > 0 supaya 1 − x < δ =⇒ |f(x) − 1,5| < _ Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Hasil terakhir menunjukan bahwa limit kiri dari f(x) untuk x menuju 1 dari kiri bukan 1,5. Apakah limit kirinya ada ? Definisi Limit Kanan: Misalkan f(x) terdefinisi pada I = (a, b), kecuali mungkin di c ∈ I. Limit dari f(x) untuk x mendekati c dari kanan disebut L, dinotasikan lim x→c+ f(x) = L artinya untuk setiap _ > 0, dapat dicari
δ > 0 sehingga x − c < δ =⇒ |f(x) − L| < _ Latihan: Tuliskan Definisi Limit Kiri Dengan konsep limit sepihak, selesaikanlah 2 soal terakhir di halaman 24 -2mm] Sifat-sifat: • lim x→c f(x) = L ⇐⇒ lim x→c− f(x) = L dan lim x→c+ f(x) = L • lim x→c f(x) = L =⇒ lim x→c |f(x)| = |L| • lim x→c f(x) = 0 ⇐⇒ lim x→c |f(x)| = 0 Soal-Soal: Hitung limit-limit berikut ini 1. (a) lim x→2 |x2 − 1| (b) lim x→0− x |x| 2. f(x) =⎧⎪ ⎪⎪⎨⎪ ⎪⎪⎩ −x2 x < 1 x + 1 1 ≤ x < 2 5 x = 2 2x − 1 x > 2
Gambarkan grafik f(x), lalu hitunglah:
a. lim
x→0
f(x) b. lim
x→1
f(x) c. lim
x→2
f(x) d. lim
x→2,001
f(x)
3. Misalkan f(x) fungsi yang terdefinisi pada interval I = (−a, a).
Bila___
f(x)
x___ < 1 untuk semua x ∈ I\{0}, hitung lim x→0 f(x) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Limit di takhingga: Bagian ini mengamati perilaku fungsi f(x) bila x membesar mengecil tanpa batas. Ilustrasi: Perhatikan f(x) = 1 1+x2 Bila x membesar terus tanpa batas, ditulis x → ∞, nilai f(x) ’cenderung’ menuju 0. Fenomena ini mendasari konsep limit di takhingga Misalkan f terdefinisi pada [c,∞). lim x→∞ = L artinya untuk setiap _ > 0,
dapat dicari bilangan M sehingga
x > M =⇒ |f(x) − L| < _. Misalkan f terdefinisi pada (−∞, c). lim x→−∞ = L artinya untuk setiap _ > 0,
dapat dicari bilangan M sehingga
x < M =⇒ |f(x) − L| < _. Misalkan k ∈ N maka lim x→−∞ 1 xk = 0 dan lim x→∞ 1 xk = 0 Buktikan! Contoh: Tentukan (a) lim x→∞ x 1+x2 dan (b) lim x→∞ 2x3 1+x3 Pengertian Asimptot Datar: Garis y = L disebut asimptot datar dari fungsi f(x) jika memenuhi salah satu dari lim x→−∞ f(x) = L atau lim x→∞ f(x) = L Pada contoh terakhir, tentukanlah asimptot-asimptot datar dari fungsi ybs. Diskusi: Dari definisi di atas, apakah y = 0 asimptot dari f(x) = sin x x . Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Limit Takhingga: Bagian ini mengamati perilaku fungsi f(x) di mana nilai f(x) membesar/ mengecil tanpa batas. Misalkan f terdefinisi pada (a, b) yang memuat titik c. lim x→c+ f(x) = ∞ artinya untuk setiap bilangan M, dapat dicari δ > 0, sehingga
0 < x− c < δ =⇒ f(x)>M.
Dengan cara sama, coba definisikan dan
gambarkan secara grafik dari pengertian-pengertian berikut:
lim
x→c−
f(x) = ∞, lim
x→c+
f(x) = −∞, dan lim
x→c−
f(x) = −∞
Misalkan k ∈ N maka
a. lim
x→0+
1
xk = ∞
b. lim
x→0−
1
xk = _ ∞ n genap
−∞ n ganjil
Buktikan!
Contoh: Tentukan (a) lim
x→0
1
x (b) lim
x→2+
x+1
x2−5x+6
Pengertian Asimptot Tegak:
Garis x = c disebut asimptot tegak dari fungsi f(x) jika memenuhi salah
satu dari:
• (a) lim
x→c−
f(x) = −∞ (b) atau lim
x→c−
f(x) = ∞
• (c) lim
x→c+
f(x) = −∞ (c) atau lim
x→c+
f(x) = ∞
Pada contoh terakhir, tentukanlah asimptot-asimptot tegak dari fungsi ybs.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Kekontinuan Fungsi
f(c) = • • •
lim
x→c−
f(x) = • • •
lim
x→c+
f(x) = • • •
f(c) = • • •
lim
x→c−
f(x) = • • •
lim
x→c+
f(x) = • • •
f(c) = • • •
lim
x→c−
f(x) = • • •
lim
x→c+
f(x) = • • •
Kekontinuan di satu titik:
Misalkan f(x) terdefinisi pada interval buka I dan c ∈ I. Fungsi f disebut
kontinu di titik c jika
f(c) = lim
x→c
f(x) ⇐⇒ f(c) = lim
x→c−
f(x) = lim
x→c+
f(x)
Contoh: Misalkan f(x) = _ x2−4
x−2 x _= 2
5 x = 2
Periksa kekontinuan f dititik x = 2.
Akibat: Bila f(x) kontinu di c maka lim
x→c
f(x) = f(lim
x→c
x)
Kekontinuan sepihak:
• Fungsi f disebut kontinu kiri di x = c bila f(c) = lim
x→c−
f(x)
• Fungsi f disebut kontinu kanan di x = c bila f(c) = lim
x→c+
f(x)
Pada ketiga ilustrasi di halaman 29, tentukan fungsi yang kontinu sepihak.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Kekontinuan pada interval:
• Fungsi f disebut kontinu pada interval buka (a, b) bila f kontinu di
setiap titik pada (a, b)
• Fungsi f disebut kontinu pada interval tutup [a, b] bila f kontinu pada
(a, b), kontinu kanan di a dan kontinu kiri di b.
Sifat-sifat:
1. Suatu polinom p(x) kontinu pada seluruh R.
2. Fungsi rasional (p(x)
q(x) , p(x) dan q(x) polinom), kontinu pada seluruh
daerah definisinya.
3. Fungsi f(x) = |x| kontinu di seluruh R
4. Fungsi f(x) = √n x dengan n ∈ N kontinu diseluruh daerah definisinya
5. Bila f dan g kontinu di titik c dan k ∈ R maka:
kf, f + g, f − g, fg, f
g dengan g(c) _= 0, fn, dan √n f kontinu di c.
Soal-soal:
1. Sketsakan sebuah grafik fungsi yang memenuhi semua sifat berikut:
• Daerah definisinya [−2, 4]
• f(−2) = f(0) = f(1) = f(3) = f(4) = 1
• f kontinu di seluruh Df kecuali di -2, 0, 3
• lim
x→−1−
f(x) = 2, lim
x→0+
f(x) = 2, dan lim
x→3−
f(x) = 1
2. Tentukan a dan b agar f(x) =⎧⎨⎩
−1 x ≤ 0
ax + b 0 < x < 1 1 x ≥ 1 kontinu di R. Kekontinuan fungsi komposisi: Misalkan f dan g fungsi2 real. Bila f kontinu di c dan g kontinu di f(c) maka g◦f kontinu di c. Akibat: lim x→c g(f(x)) = g lim x→c f(x)_ mengapa ? Contoh: Dengan sifat di atas, tunjukkan h(x) = |x2 −3x| kontinu di R. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Teorema Nilai Antara: Misalkan f kontinu pada [a, b]. Bila w bilangan diantara f(a) dan f(b), maka terdapat bilangan c ∈ [a, b] sehingga f(c) = w Diskusi: Bila f tak kontinu, apakah sifat di atas masih berlaku ? Contoh2: 1. Tunjukkan p(x) = x3 + 3x − 2 mempunyai akar real diantara 0 dan 1. 2. Tunjukkan p(x) = x5 + 4x3 − 7x + 14 mempunyai paling sedikit satu akar real. 3. Misalkan f kontinu pada [0, 1] dengan 0 ≤ f(x) ≤ 1. Tunjukkan f mempunyai titik tetap. (titik tetap adalah titik c yang bersifat f(c) = c) 4. Tunjukkan selalu terdapat dua titik pada cincin kawat melingkar yang temperaturnya sama. (petunjuk gambarkan cincin pada koordinat kartesius dengan pusatnya di titik (0,0) dan bentuk f(θ) sebagai fungsi temperaturnya). 5. Pada pukul Pk 4.00 seorang biarawan secara perlahan mendaki gunung dan tiba dipuncaknya pada sore hari. Keesokan harinya dia menuruni gunung tersebut mulai Pk 5.00 dan tiba di bawah Pk 11.00. Tunjukkan bahwa ada titik pada jalan yang dilaluinya yang menunjukkan waktu yang sama saat naik dan turun. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Turunan : (Konsep Garis Singgung) Perhatikan sebuah titik P yang terletak pada sebuah kurva di bidang kartesius. Apakah yang dimaksudkan dengan garis singgung di titik P ? Euclides memberi gagasan garis singgung adalah garis yang memotong kurva tersebut di satu titik, tetapi bgm dengan kurva ketiga di atas ? Untuk mendefinisikan pengertian garis singgung secara formal, perhatikanlah gambar di samping kiri. Garis talibusur m1 menghubungkan titik P dan Q1 pada kurva. Selanjutnya titik Q1 kita gerakkan mendekati titik P. Saat sampai di posisi Q2, talibusurnya berubah menjadi garis m2. Proses ini diteruskan sampai titik Q1 ’berimpit’ dengan titik P, dan garis talibusurnya menjadi garis singgung m. Agar fenomena ini dapat dirumuskan secara matematis, perhatikan kembali gambar disebelah kiri. Kemiringan garis talibusur yang melalui P dan Q adalah: msec = f(c + h) − f(c) h Kemiringan garis singgung di titik P = (c, f(c)) didefinisikan sebagai: m = lim h→0 msec = lim h→0 f(c+h)−f(c) h Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Masalah kecepatan sesaat: Perhatikan sebuah benda yang jatuh bebas. Hasil percobaan menunjukan posisinya setiap saat S(t) = 16t2. Ingin diketahui berapa kecepatannya saat t = 1 ? t1 t2 S(t1) S(t2) Vrata-rata = S(t2)−S(t1) t2−t1 1 2 16 64 64−16 2−1 = 48 1 1,5 16 36 36−16 1,5−1 = 40 1 1,1 16 19,36 19,36−16 1,5−1 = 33, 6 1 1,01 16 16,3216 16,3216−16 1,01−1 = 32, 16 1 1,001 16 16.032016 16,032016−16 1,001−1 = 32, 016 Dengan tabel di atas kita hanya dapat menghitung kecepatan rata-rata antara t = 1 dan t = 1+Δt, tetapi yang ingin dihitung adalah kecepatan sesaat pada t = 1. Untuk itu kita definisikan kecepatan sesaat tersebut sebagai berikut: V = Vsesaat = lim Δt→0 Vrata-rata = lim Δt→0 S(t+Δt)−S(t) Δt Perhatikan kembali rumus garis singgung dan bandingkan dengan rumus kecepatan sesaat. Keduanya mempunyai rumusan matematika yang sama. Pada kehidupan sehari-hari, asih banyak sekali masalah-masalah fisis yang mempunyai model matematika yang sama dengan rumus di atas. Untuk itu, dalam matematika diperkenalkan konsep baru yang disebut turunan. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Definisi turunan: Misalkan f sebuah fungsi real dan x ∈ Df . Turunan dari f di titik x, ditulis f(x) = lim h→0 f(x+h)−f(x) h Soal2: (dikerjakan hanya dengan definisi turunan). 1. Cari kemiringan garis singgung terhadap y = x2 − 2x di titik (2, 0). 2. Seekor bakteri berkembang sehingga beratnya setelah t jam adalah 1 2t2 + 1 gram. Berapa laju perkembangannya pada sat t = 2 jam ? 3. Massa sepotong kawat (1 dimensi) yang panjangnya sejauh x cm dari ujung kirinya adalah x3 gram. Berapa rapat massanya pada posisi 3 cm dari ujung kirinya? Notasi-notasi lain untuk turunan: f(x) = lim h→0 f(x+h)−f(x) h f(x) = lim t→x f(t)−f(x) t−x Notasi Leibniz: f(x) = lim Δx→0 Δy Δx = dy dx Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Simbol-simbol berikut mempunyai arti yang sama: f(x) = dy dx = D[f] = Dx[f] Hubungan turunan dan kekontinuan: Bila f(c) ada maka f(x) kontinu di x = c. Fungsi f(x) = |x| telah diketahui diseluruh R. Dengan memakai definisi turunan, periksa apakah f(0) ada, lalu simpulkan kebalikan sifat di atas. Perhatikan grafik di atas, lalu tentukan apakah f(x) kontinu / mempunyai turunan di titik-titik a, b, c dan d. (beri penjelasan !) Aturan-aturan Turunan: • Misalkan k suatu konstanta, maka Dx[k] = 0 (buktikan !) • Dx[x] = 1 • Misalkan n ∈ N maka Dx[xn] = nxn−1 (buktikan !) • Misalkan k suatu konstanta, maka Dx[k f(x)] = kDx[f(x)] • Dx[(f ± g)(x)] = Dx[f(x)] ± Dx[g(x)] • Dx[(fg)(x)] = Dx[f(x)] g(x)+f(x)Dx[g(x)] = f(x)g(x)+f(x)g(x) • Dx[(f g )(x)] = Dx[f(x)] g(x)−f(x)Dx[g(x)] (g(x))2 = f(x)g(x)−f(x)g(x) (g(x))2 • Misalkan n ∈ N maka Dx[x−n] = −nx−n−1 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Aturan Turunan Fungsi Trigonometri: • Dx[sin x] = cos x (buktikan !) Dx[cos x] = −sin x • Dx[tan x] = sec2x Dx[cot x] = −csc2 x • Dx[sec x] = secx tanx Dx[csc x] = −csc x cot x Soal-soal: 1. Tentukan turunan dari fungsi-fungsi berikut a. f(x) = √2x2 b. f(x) = x2−x+1 x2+1 2. Cari persamaan garis singgung terhadap y = 1 x2+1 di titik (1, 1 2) 3. Tentukan titik2 pada grafik y = 1 3x3 + x2 − x yang kemiringan garis singgungnya bernilai 1 4. Tentukan pers. garis singgung pada y = 4x − x2 yang melalui (2, 5). 5. Seekor lalat merayap dari kiri ke kanan sepanjang kurva y = 7 − x2. Seekor laba-laba menunggunya di titik (4, 0). Tentukan jarak antara keduanya pada saat pertama kali saling melihat. 6. Tunjukkan kurva y = √2 sinx dan y = √2 cos x berpotongan tegak lurus pada 0 < x < π 2 . Aturan Rantai : (untuk menentukan turunan fungsi komposisi ). Masalah: Misalkan f = f(u) dan u = u(x), bagaimanakah menghitung df dx Ilustrasi: f(u) = sin2(u) dan u = x3 − 2x + 1. Berapakah df dx Misalkan f = f(u) dan u = u(x) maka df dx = df du du dx = Du[f] Dx[u] Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh: Tentukan Dx[sin(x3 − 3x)]. Pandang y = sin(u) dengan u = x3 − 3x, maka Dx[sin(x3 − 3x)] = Dx[y] = Du[y]Dx[u] = cos(u) (3x2 − 3) = cos(x3 − 3x) (3x2 − 3) Aturan rantai bersusun: Misalkan f = f(u), u = u(v), dan v = v(x) maka df dx = df du du dv dv dx = Du[f]Dv[u]Dx[v] Contoh: Tentukan Dx[sin3(x3 − 3x)]. Pandang y = u3, u = sin(v), dan v = x3 − 3x, maka Dx[sin3(x3 − 3x)] = Dx[y] = Du[y]Dv[u]Dx[v] = 3u2 cos(v) (3x2 − 3) = 3sin2(x3 − 3x) cos(x3 − 3x) (3x2 − 3) Hati2 dengan notasi f: Mis. f = f(u) dan u = u(x), maka notasi f berarti df du, bukan df dx. Ilustrasi: f(x2) = sin(x2). Disini u = x2 dan f = cos(x2), tetapi df dx = cos(x2) 2x Soal-soal: 1. Tentukan turunan dari fungsi-fungsi berikut: a. y = x2−1 x+4 _4 b. y = sin x cos(2x)_3 c. y = sin3(cos x) d. y = sin3(cos x3) e. y = sin(cos2 x3) f. y = sin(cos(sin 2x)) 2. Sisi sebuah kubus bertambah dengan laju 16 cm/menit. a. Cari laju pertambahan volumenya pada sat sisinya 20 cm. b. Cari laju perubahan luas permukaannya saat sisinya 15 cm Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 3. Perhatikan gambar roda-piston di samping. Roda berputar berlawanaan jarum jam dengan laju 2 rad/detik. Pada saat t = 0, P berada di posisi (1, 0). a. Tentukan kedudukan titik P setiap saat. b. Tentukan ordinat dari titik Q setiap saat. c. Tentukan kecepatan gerak titik Q. 4. Dua buah kapal bertolak dari titik yang sama. Kapal A bergerak ke timur dengan laju 20 km/jam. Kapal B bergerak ke utara dengan laju 12 km/jam. Seberapa cepat mereka berpisah setelah 3 jam? 5. Garis singgung terhadap kurva y = x2 cos(x2) di x = √π akan memotong sumbu-x di posisi berapa? Turunan tingkat tinggi: Misalkan f(x) sebuah fungsi dan f(x) turunan pertamanya. Turunan kedua dari f adalah f(x) = D2x [f] = d2f dx2 = lim h→0 f(x+h)−f(x) h Dengan cara yang sama turunan ketiga, keempat dst. diberi notasi: f(x) = D3x [f] = d3f dx3, f(4)(x) = D4x[f] = d4f dx4 , • • • Salah satu penggunaan turunan tingkat tinggi adalah pada masalah gerak partikel. Bila S(t) menyatakan posisi sebuah partikel, maka kecepatannya adalah v(t) = S(t) dan percepatannya a(t) = v(t) = S(t). Contoh: 1. Sebuah partikel bergerak sepanjang sumbu-x dengan posisi tiap saat S(t) = t3 − 12t2 + 36t − 30. a. Kapan kecepatannya nol? b. Kapan kecepatannya positif ? c. Kapan dia bergerak mundur? d. Kapan percepatannya positif? e. Ilustrasikan gerak partikel tersebut 2. Cari rumus umum turunan ke n dari y = 1 1−x. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Pendiferensialan Implisit: Perhatikan grafik dari y3 + 7y = x3. Akan dicari persamaan garis singgungnya yang melalui titik (2, 1). Masalah: bagaimana mencari dy dx dari persamaan tersebut ? Sebuah fungsi dikatakan berbentuk implisit bila berbentuk F(x, y) = 0. Pada bentuk ini, variabel x dan y tercampur dalam suatu ekspresi. Contoh: (a.) y3 + 7y − x3 = 0 (b.) sin(xy) + xy3 − 5 = 0 Prinsip: Perhatikan bentuk implisit F(x, y) = 0. Untuk mencari dy dx, turunkan kedua ruas terhadap x dengan mengingat bahwa y = y(x). Untuk mencari d2y dx2 , kita pandang turunan pertama sebagai G(x, y, y), lalu turunkan terhadap x dengan mengingat y = y(x) dan y = y(x). Soal-soal: 1. Carilah dy dx dan d2y dx2 dari a. y3 + 7y − x3 = 0 b. x3y4 − 1 = 0 c. y = _sin(xy2) d. y2 x3 − 1 = y 3 2 2. Tentukan persamaan garis singgung dan garis normal (garis yang ⊥ thd garis singgung) terhadap y3 − xy2 + cos(xy) = 2 di titik (0, 1). 3. Tunjukkan hiperbola2 xy = 1 dan x2 − y2 = 1 berpotongan ⊥. Sifat: Bila r ∈ Q maka Dx[xr] = r xr−1 (buktikan!) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Diferensial dan Aproksimasi: Pikirkan: Bagaimanakah orang menghitung nilai sin(310), √4, 1 dll ? Apakah data yang ada di tabel2 nilainya eksak? Perhatikan grafik di samping kiri. Koordinat titik P = (x0, y0) x0, x ∈ Df . Sebut Δx = x − x0. Diferensial dari variabel/peubah bebas x, dx = Δx = x − x0 sedangkan Δy = f(x) − f(x0) Diferensial dari peubah tak bebas y adalah: dy = f(x0) dx Amati dan pahami arti geometri (lihat gambar) dari pengertian2 tersebut! Secara geometri kita lihat bila titik x0 dan x semakin dekat maka perbedaan Δy dan dy akan semakin kecil. Hal ini mendasari hampiran berikut: f(x0 +Δx) − f(x0) = Δy ≈ dy = f(x0) dx Contoh: Tentukan √3.9 dengan menggunakan hampiran diferensial. Bentuk f(x) = √x dan tetapkan x0 = 4. f(x) = 1 2√x, jadi f(x0) = f(4) = 1 4 f(x) − f(x0) ≈ f(x0)(x − x0) f(x) ≈ f(x0) + f(x0)(x − x0) Pada x = 3, 9 diperoleh √3.9 = f(3, 9) ≈ f(4)+f(4)(3, 9−4) √3, 9 ≈ 2 − 1 4 (−0.1) = 1, 975 Perhatikan: Pada hampiran diferensial titik x0 selalu dipilih supaya nilai f(x0) mudah dihitung. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Soal-Soal: 1. Gunakan hampiran diferensial untuk menaksir nilai sin( 31 180π). 2. Dari pengukuran diperoleh rusuk sebuah kubus 11,4 cm dengan galat/ kesalahan ±0,05 cm Hitung volume kubus dan taksir kesalahannya. 3. Limit berikut merupakan suatu turunan. Tentukan fungsi asalnya dan turunannya (menggunakan aturan turunan). a. lim h→0 3(2+h)2−2(2)2 h b. lim Δx→0 tan(π 4+Δx)−1 Δx c. lim p→x 3/p−3/x p−x d. lim x→π 2 sin x−1 x−π 2 4. Gambarkan sebuah fungsi f yang memenuhi semua kriteria berikut: • Daerah definisinya Df = [−2, 3] • f(−2) = f(−1) = f(0) = f(1) = f(2) = f(3) = 1 • f kontinu di Df kecuali di −2,−1, 1 • lim x→−1− f(x) = lim x→1+ f(x) = 2, dan lim x→1− f(x) = 12 • f tidak memiliki turunan di 0 dan 2. 5. Sebuah kotak baja berbentuk kubus, tebal dindingnya 0,25 cm dan volumenya 40 cm3. Gunakan diferensial untuk mengaproksimasi volume bahannya. 6. Sebuah bak berbentuk kerucut terbalik diisi air dengan laju 8 dm3/menit. Bila tinggi kerucut 12 dm dan jari-jari atasnya 6 dm, tentukan laju permukaan air naik pada saat tinggi air 4 dm. 7. Pada tengah hari, sebuah pesawat terbang ke utara melewati kota Bandung dengan kecepatan 640 km/jam. Pesawat kedua bergerak ke timur dan melintasi Bandung 15 menit kemudian. Bila keduanya terbang dengan ketinggian yang sama, seberapa cepat mereka berpisah pada saat Pk 13.15 8. Sebuah tongkat panjang 20 dm bersandar di dinding. Ujung bawah tongkat ditarik sepanjang lantai menjauhi dinding dengan kecepatan 2 dm/detik. Pada saat ujung bawahnya berjarak 4 dm dari dinding, seberapa cepat ujung tangga atas bergeser menuruni dinding. 9. Tangki di sebelah kiri (ukuran dalam dm) diisi air dengan laju 2 liter/menit. Seberapa cepat permukaan air naik pada saat tinggi air 30 cm ? Petunjuk: Tunjukkan volume air pada kerucut terpotong dengan jari-jari alas a, jari-jari atas b dan tinggi h adalah V = 13 πh(a2 + ab + b2) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Maksimum & Minimum Nilai Fungsi: Misalkan f sebuah fungsi dengan daerah definisi Df dan c ∈ Df . • f disebut mencapai maksimum di c bila f(c) ≥ f(x) ∀ x ∈ Df dan f(c) disebut nilai maksimum. • f disebut mencapai minimum di c bila f(c) ≤ f(x) ∀ x ∈ Df dan f(c) disebut nilai minimum. Titik di mana f mencapai maksimum/minimum disebut titik ekstrim. maksimum ada _ maksimum ada _ maksimum ada _ minimum ada _ minimum ada _ minimum ada _ Bila f kontinu dan Df berupa selang tutup [a, b] maka f mempunyai titik mempunyai titik maksimum dan minimum Grafik berikut menggambarkan kemungkinan tempat terjadinya ekstrim. Tempat-tempat kemungkinan terjadinya ekstrim (calon ekstrim): • Titik ujung interval • Titik stasioner (titik dengan sifat f(x) = 0). • Titik singular (titik di mana f tidak mempunyai turunan) ⎫⎪ ⎪⎬⎪ ⎪⎭ Titik kritis Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh2: 1. Tentukan titk2 ekstrim dari fungsi-fungsi berikut: a. f(x) = −2x3 + 3x2 pada [−1 2, 2]. b. f(x) = x 23 pada [−1, 2]. 2. Carilah dua buah bilangan tak negatif yang jumlahnya 10 dan hasil kalinya maksimum. 3. Carilah bilangan yang bila dikurangi kuadratnya bernilai maksimum. (bilangan tersebut berada diantara 0 dan 1, mengapa ?). 4. Sebuah kotak persegipanjang dibuat dari selembar kertas dengan memotongnya sisi-sisinya sepanjang x cm dan melipatnya. Tentukan x supaya volumenya maksimum. 5. Kawat sepanjang 16 cm dipotong jadi dua bagian. Salah satu potongan dibentuk jadi bujur sangkar dan potongan lainnya dibuat jadi lingkaran. Berapa ukuran potongan tersebut agar: a. jumlah seluruh luasnya minimum. b. umlah seluruh luasnya maksimum. 6. Sebuah kerucut dibuat dari potongan selembar lingkaran kertas berjarijari 10 cm. Tentukan volume maksimum kerucut yang dapat dibuat. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Kemonotonan Grafik Fungsi: Misalkan f fungsi yang terdefinisi pada interval I. • f disebut monoton naik pada I bila ∀ x1 < x2 =⇒ f(x1) < f(x2) • f disebut monoton turun pada I bila ∀ x1 < x2 =⇒ f(x1) > f(x2)
• f monoton tak turun pada I bila ∀ x1 < x2 =⇒ f(x1) ≤ f(x2) • f monoton tak naik pada I bila ∀ x1 < x2 =⇒ f(x1) ≥ f(x2) naik turun tak turun tak naik Perhatikan gambar kesatu dan kedua di atas, lalu pahamilah sifat berikut: • Bila f(x) > 0 pada setiap x di interval I maka f naik.
• Bila f(x) < 0 pada setiap x di interval I maka f turun. _ Jelaskan ! Contoh: Tentukan daerah kemonotonan dari f(x) = x2−2x+4 x−2 Ekstrim Lokal: Misalkan f sebuah fungsi dengan daerah definisi S dan c ∈ S. f dikatakan mencapai maksimum minimum lokal di c bila terdapat interval (a, b) yang memuat c sehingga f mencapai maksimum minimum di (a, b) ∩ S. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Seperti pada masalah ekstrim global, calon-calon ekstrim lokal adalah titiktitik kritis. Aturan berikut dipakai menentukan jenis titik kritis: Pengujian ekstrim lokal: Mis. fungsi f kontinu pada interval buka (a, b) yang memuat titik kritis c. • Bila tanda f(x) berubah dari negatif ke positif disekitar c, maka c titik minimum lokal • Bila tanda f(x) berubah dari positif ke negatif disekitar c, maka c titik maksimum lokal • Bila tanda f(x) dikiri dan kanan c sama dan _= 0, maka, maka c bukan titik ekstrim lokal ⎫⎪ ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪ ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭ Perhatikan ilustrasi grafik di bawah Diskusi: Apakah titik ekstrim global termasuk ekstrim lokal ? Contoh: Tentukan titik-titik ekstrim lokal dari f(x) = x2−2x+4 x−2 Uji turunan kedua untuk ekstrim lokal: Mis. f(x), f(x) ada pada (a, b) yang memuat c dan f(c) = 0, maka: • bila f(c) < 0 maka c adalah titik maksimum lokal. • bila f(c) > 0 maka c adalah titik minimum lokal.
=⇒ Uji terakhir ini kurang berguna karena hanya berlaku untuk titik stasioner
Contoh: Tentukan titik-titik ekstrim lokal dari f(x) = x2−2x+4
x−2
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Kecekungan dan Titik Balik/Belok:
Misalkan f fungsi yang terdiferensialkan pada interval I yang memuat c.
• f disebut cekung ke atas bila f monoton naik.
• f disebut cekung ke bawah bila f monoton turun.
• Titik c disebut titik balik/belok bila terjadi perubahan kecekungan di
kiri dan kanan c.
Pengujian kecekungan: Mis. fungsi f terdiferensial dua kali pada
interval buka (a, b).
• Bila f(x) > 0 maka f cekung ke atas.
• Bila f(x) < 0 maka f cekung ke bawah. _ Buktikan ! Contoh: Tentukan kecekungan dan titik balik dari (b) f(x) = x3 (b) f(x) = 1 3x2/3 (c) f(x) = x2−2x+4 x−2 Soal-soal: 1. Cari (jika ada) titik-titik ekstrim dari (a) f(x) = x4 − 4x (b) f(x) = x x3+2 2. Sebuah surat akan diketik pada kertas dengan batas-batas seperti pada gambar di samping. Bila luas tulisan 50 cm2, Berapa ukuran x dan y supaya luas kertas seminimum mungkin. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 3. Anton berada di perahu dayung 2 km dari titik terdekat B pada sebuah pantai. Ia melihat rumahnya yang terletak di pantai, 6 km dari titik B, sedang terbakar. Bila Anton dapat mendayung dengan laju 6 km/jam dan berlari 10 km/jam, Tentukan jalur yang harus diambilnya supaya secepat mungkin sampai di rumah. 4. Tentukan ukuran sebuah tabung lingkaran tegak yang volumenya sebesar mungkin yang dapat ditempatkan di dalam sebuah kerucut berukuran tinggi a cm dan jari-jari alas b cm. 5. Pagar setinggi h meter berdiri sejajar sebuah gedung tinggi, sejauh w meter darinya. Tentukan panjang tangga terpendek yang dapat dicapai dari tanah di seberang puncak pagar ke dinding bangunan. 6. Secarik kertas berbentuk persegi panjang dengan lebar a, salah satu sudutnya dilipat seperti pada gambar di samping kiri. Tentukanlah x agar: (a) Luas segitiga BCD maksimum. (b) Luas segitiga ABC minimum. (c) panjang z minimum. 7. Prinsip Fermat dalam optik mengatakan bahwa cahaya melintas dari titik A ke B sepanjang jalur yang memerlukan waktu tersingkat. Misalkan cahaya melintas di medium satu dengan kecepatan c1 dan di medium kedua dengan kecepatan c2. Perlihatkan bahwa sin α c1 = sin β c2 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Garis y = ax + b disebut asimptot miring terhadap fungsi f bila memenuhi salah satu dari: (a) lim x→∞ f(x) − (ax + b) = 0 ilustrasi −→ (b) lim x→−∞ f(x) − (ax + b) = 0 Menentukan asimptot miring: a. Hitung lim x→∞ f(x) x , bila hasilnya takhingga atau nol maka asimptot miring tidak ada, bila berhingga dan tak nol maka hasilnya a. b. Hitung lim x→∞ (f(x)−ax), bila hasilnya nol maka asimptot miring tidak ada, bila bukan nol maka hasilnya adalah b. c. Lakukan langkah (a) dan (b) untuk x→−∞. =⇒ Jelaskan mengenai prosedur di atas! Contoh: Tentukan semua asimptot dari f(x) = x2−2x+4 x−2 Menggambar Grafik Fungsi: Langkah-langkah menggambar grafik dari sebuah fungsi f: • Tentukan daerah definisinya • Tentukan (jika mudah) perpotongan f dengan sumbu-sumbu koordinat • Periksa kesimetrian grafik, apakah fungsi ganjil atau genap. • Dengan uji turunan pertama, tentukan daerah kemonotonan dan titiktitik ekstrim lokal & global. • Dengan uji turunan kedua, tentukan daerah kecekungan dan titik-titik baliknya. • Tentukan asimptot-asimptot dari f. • Sketsakan grafik f. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh: Sketsakan grafik (a) f(x)=3x5−20x3 32 (b) f(x) = x2−2x+4 x−2 Teorema Nilai Rata-Rata: Misalkan f kontinu pada [a, b] dan terdiferensial di (a, b), maka terdapat titik c ∈ (a, b) dengan sifat: f(c) = f(b)−f(a) b−a (lihat ilustrasi di bawah). Contoh: Cari titik c yang memenuhi teorema nilai rata-rata terhadap: (a) f(x) = 2√x pada [1, 4] (b) f(x) = x2/3 pada [−8, 27] Soal-soal: 1. Tentukan limit-limit berikut: a. lim x→∞ 3−2x x+5 b. lim x→∞ 3x√x+3x+1 x2−x+11 c. lim x→∞ 2x+1 √x2+3 d. lim x→−∞ 2x+1 √x2+3 e. lim x→∞√2x2 + 3 − √2x2 − 5_ f. lim x→−∞ 9x3+1 x2−2x+2 g. lim x→3+ 3+x 3−x h. lim x→3− 3+x 3−x j. lim x→0− 1+cos x sin x 2. Tentukan asimptot-asimptot dari : a. f(x) = 2x x−3 b. f(x) = 2x4−3x3−2x−4 x3−1 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 3. Buat sketsa grafik yang memenuhi semua kriteria berikut: • f kontinu diseluruh R • f(2) = −3, f(6) = 1 • f(2) = 0, f(x) > 0 untuk x _= 2, f(6) = 3
• f(6) = 0, f(x) > 0 untuk 2 < x < 6, f(x) < 0 untuk x > 6.
4. Sketsakan grafik fungsi f(x) = 4x
x2+2.
5. Pak Pono berangkat Pk. 6.00 dari Bandung dan tiba di Jakarta Pk
9.00. Jarak tempuhnya adalah 180 km. Menurut pengamatan, speedometer
kendaraannya selalu menunjukkan angka dibawah 60 km/jam.
Tunjukan bahwa speedometer tersebut sudah tidak akurat lagi.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Anti Turunan/Integral Tak Tentu
Diketahui fungsi F(x) dan turunannya
F (x) F (x)
x2 + 2 2x
x2 2x
x2 − 3 2x
Secara umum jika F(x) = x2 + c,
dengan c ∈ R, berlaku F(x) = 2x
Pada bagian ini akan dipelajari proses kebalikan dari turunan.
Diberikan F(x) = x2, tentukan aturan F(x).
Dugaan kita: F(x) = x2 + c dengan c sebarang bilangan real.
Apakah ada jawaban lain ?. Gunakan sifat berikut ini untuk menjawabnya:
Sifat: Misalkan F dan G dua buah fungsi dengan sifat F(x) = G(x)
maka terdapat konstanta c sehingga F(x) = G(x) + c
Fungsi F disebut anti turunan dari fungsi f,
dinotasikan A(f) atau _f(x) dx bila F(x) = f(x)
Gambar di samping memperlihatkan anti turunan
dari f(x) = 2x (kurva berwarna merah). Anti
turunannya adalah f(x) = x2 + c yaitu kurvakurva
berwarna hijau.
Sifat-sifat:
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
1. Misalkan r ∈ Q, r _= −1 maka _ xr dx =
xr+1
r + 1
+ c
2. Misalkan r ∈ Q, r _= −1 maka _ ur u(x) dx =
ur+1
r + 1
+ c
3. _ sinxdx = −cos x + c, _ cosxdx = sinx + c
4. _ kf(x) dx = k _ f(x) dx
_ (f(x) + g(x)) dx = _ f(x) dx + _ g(x) dx
_ (f(x) − g(x)) dx = _ f(x) dx − _ g(x) dx
⎫⎪
⎪⎪⎪⎪⎬⎪
⎪⎪⎪⎪⎭
Sifat linear
Contoh-contoh: Tentukan anti turunan berikut
1. __4
x5 − 3
x4_ dx
2. _4x6+3x5−8
x5 dx
3. _(5x3 − 18)7 15x2 dx
4. _3t√3 2t2 − 1 dx
5. _sin10 x cosxdx
6. _|x| dx
Pengantar Persamaan Diferensial (PD):
Pada pasal sebelumnya kita telah mempelajari cara mencari sebuah fungsi
bila diketahui turunannya. Sekarang kita akan memperluasnya.
Perhatikan masalah mencari fungsi y = F(x), bila turunannya F(x)
diberikan. Masalah ini dapat dituliskan dalam bentuk
dy
dx
= F(x) (1)
Bentuk ini dinamakan persamaan diferensial. Secara umum, persamaan
diferensial adalah persamaan yang melibatkan turunan fungsi.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Contoh2 persamaan diferensial:
y + 2xy = sin(x) y + 3y + 4y − cos x = 2 y + 3x2y = 2y
Masalah: bagaimana mencari fungsi y = F(x) yang merupakan solusi PD tersebut.
Perhatikan kembali PD (1), solusinya adalah:
y = _ F(x) dx = F(x) +c cbilangan real sebarang (2)
Secara geometris, masalah menyelesaikan persamaan diferensial dy
dx = F(x)
sama dengan masalah mencari lengkungan yang garis singgungnya di setiap
titik sudah diberikan.
Isoklin (warna merah) dan beberapa kurva solusi (warna biru) dari dy
dx = 2x.
Metode Pemisahan Variabel
Secara umum, tidak ada prosedur baku untuk mencari solusi persamaan
diferensial. Untuk saat ini pembicaraan akan dibatasi pada persamaan
diferensial yang sangat sederhana. Metode pencarian solusinya menggunakan
metode pemisahan variabel. Prinsip dari metode ini adalah mengumpulkan
semua suku yang memuat peubah x dengan dx dan yang memuat
peubah y dengan dy, kemudian diintegralkan.
Contoh: Tentukan solusi dari
dy
dx
=
x + 3x2
y2 yang melalui (0, 1)
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Jawab: Tulis sebagai y2 dy = x + 3x2 dx
_ y2 dy = _ x + 3x2 dx
y3
3
=
1
2
x2 + x3 + c
y = 3 _1
2
x2 + x3 + c
Syarat melalui (0,1) menghasilkan c = 1, jadi y = 3 _1
2
x2 + x3 + 1
Catatan: Solusi PD yang masih memuat konstanta sebarang disebut solusi
umum, sedangkan yang sudah diberi syarat tertentu sehingga konstantanya
bisa ditentukan, disebut solusi khusus.
Soal-soal:
1. Tunjukan fungsi yang diberikan merupakan solusi PD ybs:
a. y = √4 − x2, dy
dx + x
y = 0
b. y = A cos x + B sin x, y + y = 0
2. Dari sebuah gedung yang tingginya 100 m, sebuah bola dilempar tegak
lurus ke atas dengan kecepatan 200 m/det. Setelah meluncur ke atas,
bola jatuh ke tanah. Bila percepatan gravitasi g m/det2,
• Cari kecepatan dan posisinya 4 detik kemudian ?
• Berapa tinggi maksimum yang dicapai bola ?
• Berapa waktu yang dibutuhkan sampai mencapai tanah ?
3. Cari persamaan-xy dari kurva yang melalui (-1,2) dan kemiringannya
dua kali absisnya.
4. Cari persamaan-xy dari kurva yang melalui (1,2) dan kemiringannya
pada setiap titik adalah setengah kuadrat ordinatnya.
5. Dapatkah PD y + x2y − sin(xy) = 0 diselesaikan dengan metode
pemisahan variabel ?
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Penerapan Ekonomi:
Pabrik ’KeSeTrum’ yang dipimpin tuan TeKoTjai akan mengamati perilaku
penjualan accu mobil menggunakan konsep turunan. Untuk itu
dimunculkan notasi-notasi sebagai berikut:
• x : banyaknya accu yang terjual.
• p(x) : harga satuan accu.
Pikirkan, mengapa harga ini bergantung pada x.
Pada pembahasan ini semua variabel diasumsikan kontinu.
• R(x) : pendapatan total. R(x) = xp(x)
• C(x) : biaya total (biaya tetap + biaya produksi)
contoh a. C(x) = 10.000 + 50x. biaya per unit 50
b. C(x) = 10.000 + 45x + 100√x. Biaya per unit 45x+100√x
x
• P(x) : laba total. P(x) = R(x) − C(x) = xp(x) − C(x).
Misalkan pabrik ’KeSeTrum’akan memproduksi
2000 buah accu dan fungsi biayanya terlihat seperti
gambar di samaping. Bila kemudian produksinya
akan dinaikkan sebanyak Δx, berapakah pertambahan
biaya ΔC ? Untuk nilai Δx << x nilai ini dapat kita hampiri dengan lim Δx→0 ΔC Δx = dC dx , dihitung saat x = 2000. Nilai ini disebut biaya marginal. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Soal-Soal: 1. Misalkan C(x) = 8300+3, 25+40√3 x. Cari biaya rata-rata tiap satuan dan biaya marginalnya untuk x = 1000. 2. Sebuah perusahaan memprediksi akan dapat menjual 1000 barang tiap minggu jika harga satuannya 3000. Penjualan akan meningkat sebanyak 100 unit untuk tiap penurunan harga sebanyak 100. Jika x menyatakan banyaknya barang yang terjual tiap minggu (x ≥ 1000), tentukan a. fungsi harga p(x) b. banyaknya satuan barang dan harganya yang akan memaksimumkan pendapatan mingguan. c. pendapatan mingguan maksimum. 3. Dalam menjual x satuan botol minuman, fungsi harga dan fungsi biaya produksinya diberikan oleh p(x) = 5, 00 − 0.002x dan C(x) = 3, 00 + 1, 10x. Tentukan pendapatan marginal, biaya marginal dan keuntungan marginal. Tentukan tingkat produksi yang menghasilkan laba maksimum. 4. Perusahaan XYZ memproduksi kursi rotan. Produksi maksimum dalam satu tahun adalah 500 kursi. Jika perusahaan itu membuat x kursi dan menetapkan harga jual satuannya px) = 200 − 0, 15x, biaya tahunannya C(x) = 4000 + 6x − 0, 001x2. Tentukan tingkat produksi yang memaksimumkan laba. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Notasi Sigma (Σ) Notasi ini digunakan untuk menyingkat penulisan suatu ’jumlahan’: a1 + a2 + a3 + • • • + an = n_ i=1 ai dengan ai ∈ R Dengan notasi tersebut, maka berlaku sifat-sifat berikut: • n_ i=1 1 = . . . n_ i=1 c = . . . • n_ i=1 c ai = c n_ i=1 ai • n_ i=1 (ai ± b1) = n_ i=1 ai ± n_ i=1 bi ⎫⎪ ⎪⎪⎪⎪⎬⎪ ⎪⎪⎪⎪⎭ Sifat linear Perhatikan jumlahan Sn = 1+2+3+• • • + n n 1 2 3 4 5 6 . . . Sn 1 3 6 10 15 21 . . . Sn n 1 3 2 2 5 2 3 7 2 . . . disusun menjadi n 1 2 3 4 5 6 . . . Sn 1 3 6 10 15 21 . . . Sn n 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 . . . Jadi Sn n = n+1 2 atau Sn = n(n+1) 2 Beberapa Jumlah Khusus (hafalkan): 1. n_ i=1 i = 1 + 2 + 3 + • • • + n = n(n+1) 2 2. n_ i=1 i2 = 12 + 22 + 32 + • • • + n2 = n(n+1)(2n+1) 6 3. n_ i=1 i3 = 13 + 23 + 33 + • • • + n3 = _n(n+1) 2 _2 Contoh: Tentukan nilai dari n_ i=1 [(i − 1)(4i + 3)] Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Luas Daerah di Bidang: Archimedes (± 2000 tahun yang lalu) : A(Pn) ≤ L (Luas Lingkaran) sehingga lim n→∞ A(Pn) = π ≤ L L ≤ A(Tn) sehingga L ≤ lim n→∞ A(Tn) = π Kesimpulan: Luas lingkaran dengan jari2 satu adalah π Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Perhatikan sebuah keping tipis di bidang. Bagaimana cara menentukan luas keping tersebut? Pola yang dilakukan Archimedes ditiru dengan cara menghampiri keping tersebut dengan persegipanjang-persegipanjang. 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10 n=4 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10 n=8 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10 n=64 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10 n=4 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10 n=8 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10 n=64 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Luas Menurut Poligon-Poligon Luar: Perhatikan daerah yang dibatasi oleh f(x) = x2, sumbu-x, garis x = 1 dan garis x = 3. Misalkan luas daerah ini adalah K. Luas ini akan dihampiri dengan poligon-poligon luar seperti pada gambar di samping. Partisikan interval [1, 3] atas n bagian, sama lebar. Lebar tiap subinterval Δx = 3−1 n = 2 n P : 1 = x0 < x1 < • • • < xn−1 < xn = 3 dengan xi = 1+iΔx = 1+2i n Perhatikan interval ke-i, yaitu [xi−1, xi]. Bentuk persegipanjang dengan lebar Δx dan tinggi f(xi) Luas persegipanjang ini: L(ΔRn) = f(xi)Δx. Lakukan proses ini untuk i = 1, 2, • • • , n. Luas seluruh persegi panjang adalah: Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 L(Rn) = f(x1)Δx + f(x2)Δx + f(x3)Δx + • • • + f(xn)Δx = n_ i=1 f(xi)Δx = n_ i=1 x2i Δx = n_ i=1 _1 + 2i n _2 2 n = 2 n n_ i=1 _1 + 4i n + 4i2 n2 _ = 2 n _ n _i=1 1 + n_ i=1 4i n + n_ i=1 4i2 n2 = 2 n _n + 4 n n_ i=1 i + 4 n2 n_ i=1 i2 = 2+ 8 n2 n(n + 1) 2 + 8 n3 n(n + 1)(2n+ 1) 6 = 2+ 4(n2 + n) n2 + 4(2n3 + 3n2 + n) 3n3 = 26 3 + 8 n + 4 3n2 lim n→∞ L(Rn) = 26 3 Jelas K ≤ L(Rn) sehingga K ≤ lim n→∞ L(Rn) = 26 3 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Luas Menurut Poligon-Poligon Dalam: Perhatikan daerah yang dibatasi oleh f(x) = x2, sumbu-x, garis x = 1 dan garis x = 3. Misalkan luas daerah ini adalah K. Luas ini akan dihampiri dengan poligon-poligon dalam seperti pada gambar di samping. Partisikan interval [1, 3] atas n bagian, sama lebar. Lebar tiap subinterval Δx = 3−1 n = 2 n P : 1 = x0 < x1 < • • • < xn−1 < xn = 3 dengan xi = 1+iΔx = 1+2i n Perhatikan interval ke-i, yaitu [xi−1, xi]. Bentuk persegipanjang dengan lebar Δx dan tinggi f(xi−1) Luas persegipanjang ini: L(ΔTn) = f(xi−1)Δx. Lakukan proses ini untuk i = 1, 2, • • • , n. Luas seluruh persegi panjang adalah: L(Tn) = f(x0)Δx + f(x1)Δx + f(x2)Δx + • • • + f(xn−1)Δx = n_ i=1 f(xi−1)Δx = n_i=1 x2i −1Δx = n_ i=1 _1 + 2(i − 1) n _2 2 n ... = 26 3 − 4 n + 2 3n2 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 lim n→∞ L(Tn) = 26 3 Jelas L(Tn) ≤ K sehingga lim n→∞ L(Tn) = 26 3 ≤ K Dari hasil terakhir ini dan hasil di halaman 61 paling bawah, diperoleh: 26 3 ≤ K ≤ 26 3 Jadi K = 26 3 Fenomena ini menunjukan bahwa perhitungan luas tidak bergantung pada jenis poligon yang dipakai. Untuk n → ∞ keduanya memberikan hasil yang sama. Hampiran dengan poligon2 luar Hampiran dengan poligon2 dalam Latihan: Ikutilah prosedur seperti contoh sebelumnya untuk menghitung luas daerah yang dibatasi oleh grafik-grafik berikut: (a) y = x2 + 1; x = 0; x = 2. (b)y = x3; x = 1; x = 4. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Jumlah Riemann: Misalkan f fungsi yang terdefinisi pada interval tutup [a, b]. Partisikan interval [a, b] atas n bagian (tidak perlu sama lebar) P : a = x0 < x1 < • • • < xn−1 < xn = b dan sebut Δxi = xi − xi−1 Pada setiap subinterval [xi−1, xi], pilih titik wakil xi, i = 1, 2, • • • , n Jumlahan RP = n_ i=1 f(xi) ΔXi disebut Jumlah Riemann dari f. Perhatian ! 1. Nilai sebuah jumlah Riemann tidak tunggal, tergantung pada pemilihan: ’banyaknya interval’, ’lebar tiap interval’ dan ’titik wakil yang digunakan’. 2. Suku f(xi) ΔXi pada jumlah Riemann dapat bernilai negatif sehingga RP hasilnya juga dapat negatif. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh: 1. Tentukan suatu jumlah Riemann dari f(x) = x3 + 2x pada [1, 5]. 2. Tentukan suatu jumlah Riemann dari f(x) = x2 + 1 pada [−1, 2] memakai 6 subinterval sama lebar dan titik wakilnya adalah ujung kanan tiap subinterval. Integral Tentu: Misalkan f terdefinisi pada interval [a, b] dengan P, Δxi dan xi mempunyai arti seperti pada pembahasan sebelumnya. Tetapkan |P|, dibaca Norm P, sebagai panjang dari subinterval yang paling lebar. Jika lim |P|→0 n_ i=1 f(xi) ΔXi ada maka disebut integral tentu/Riemann dari f pada [a, b], dinotasikan b _a f(x) dx = lim |P|→0 n_ i=1 f(xi) ΔXi Diskusi: • Benarkah : jika n→∞maka |P| → 0 • Benarkah : jika |P| → 0 maka n→∞ Kesimpulan: Jika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . maka b _a f(x) dx = lim n→∞ n_ i=1 f(xi) ΔXi Arti Geometris Integral tentu: b _a f(x) dx = Aatas − Abawah Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Sifat-sifat: 1. a _a f(x) dx = 0 dan b _a f(x) dx = − a _b f(x) dx Buktikan ! 2. (Sifat linear) Misalkan k konstanta, maka: • b _a k f(x) dx = k b _a f(x) dx • b _a (f(x) + g(x)) dx = b _a f(x) dx + b _a g(x) dx • b _a (f(x) − g(x)) dx = b _a f(x) dx − b _a g(x) dx 3. (Sifat penambahan selang) Misalkan f terintegralkan pada interval yang memuat titik a, b, dan c, maka b _a f(x) dx = c _a f(x) dx + b _c f(x) dx 4. Jika f(x) < g(x), maka b _a f(x) dx ≤ b _a g(x) dx 5. Misalkan N,M kostanta-konstanta dan N ≤ f(x) ≤ M maka N(b − a) ≤ b _a f(x) dx ≤ M(b − a) Ilustrasikan sifat 3 s/d 5 di atas secara grafik ! Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Perhatikan fungsi f(x) = _ 1 x2 x _= 0 1 x = 0 Sepanjang interval [−2, 2] fungsi ini tidak terintegralkan sebab nilai f(x) tak terbatas disekitar titik nol. Sifat: Bila f terbatas dan kontinu (kecuali disejumlah berhingga titik) pada [a, b] maka f terintegralkan. Fungsi-fungsi berikut terintegralkan sepanjang [a, b]: • polinom • fungsi rasional (syarat penyebut tidak nol sepanjang [a, b]) • fungsi sinus dan cosinus. Soal-soal: 1. Dengan konsep limit jumlah Riemann, hitunglah a. 2 _−1 (2x2 − 8) dx b. 2 _−1 [|x|] dx 2. Nyatakan limit berikut sebagai suatu integral tentu a. lim n→∞ n_ i=1_4i n 4 n b. lim n→∞ n_ i=1_1 + 2i n_ 2 n Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Teorema Dasar kalkulus 1: Misalkan f kontinu di [a, b] dan F suatu anti turunan dari f, maka b _a f(x) dx = F(b) − F(a) Contoh: (a) 2 _−1 (2x2−8) dx (b) 1 _0 x + 1 x2 + 2x + 6 dx (substitusi u = x2+2x+6) Pendiferensialan fungsi berbentuk integral: Perhatikan bentuk x _a f(t) dt (a konstanta). Bentuk tersebut merupakan sebuah fungsi dengan variabel bebas . . .. Ilustrasi: x _0 3t2 dt = t3| x 0 = x3. Sifat berikut memberikan aturan mendiferensialkan fungsi seperti di atas. Teorema Dasar kalkulus 2: Dx⎡⎣ x _a f(t) dt⎤⎦ = f(x) Contoh: Tentukan turunan dari 1. (a) x _1 sin√t dt (b) x2 _1 sin√t dt (c) x3 _ −2x sin√t dt Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Teorema Nilai Rata2 Integral: Jika f kontinu pada [a, b] maka terdapat bilangan c ∈ [a, b] sehingga b _a f(x) dx = f(c) (b − a) Bila f fungsi genap maka a _−a f(x) dx = 2 a _0 f(x) dx Bila f fungsi ganjil maka a _−a f(x) dx = 0 Bila f fungsi periodik dengan periode p maka b+p _ a+p f(x) dx = b _a f(x) dx Soal-soal Mandiri: 1. Hitung nilai integral-integral berikut: a. 3 _2 _x3 − 3x2 + 3√x_ dx b. 5 _1 _ y2 − 1 (y3 − 3y)2_ dy c. 3 _−2 [|x|] dx 2. Carilah bilangan c yang memenuhi Teorema Nilai Rata2 integral dari f(x) = x √x2 + 16 sepanjang interval [0, 3] Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 3. Misalkan f(x) = x2 _0 1 + t 1 + t2 dt. tentukan daerah kemonotonan dari f. 4. Misalkan f fungsi ganjil dengan 1 _0 f2(x) dx = 1. Tentukan 1 _−1 _f2(x) + x2f(x) + f3(x)_ dx 5. Tentukan f(x) dari (a) f(x) = sin(x) x2 _1 cos t dt (b) f(x) = 1 _x x2√u2 + 1du 6. Tuliskan lim n→∞ n_ i=1 _ 1 4 + 31 n _2 3 n sebagai integral tentu 7. Gunakan Teorema Dasar kalkulus I untuk menghitung lim n→∞ n_ i=1 _4i n 4 n Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 METODE NUMERIK Metode Numerik adalah prosedur2/teknik2/skema2 yang digunakan untuk mencari solusi hampiran dari masalah matematika memakai operasioperasi aljabar (tambah, kurang, kali dan bagi), pangkat dan akar. Alasan pemakaian metode numerik: • Pencarian solusi eksak/ analitis sukar/tidak mungkin. • Jumlah hitungan yang dilakukan sangat besar Ilustrasi: (a) 2 _1 ex2 dx (b) Cari solusi x2 = lnx (c) SPL ukuran besar. Solusi yang diperoleh dari suatu metode numerik selalu berupa hampiran/ aproksimasi, tetapi ketelitiannya selalu dapat dikontrol/dikendalikan. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Pengintegralan Numerik Pada perhitungan _ b a f(x) dx, umumnya ada tiga macam fungsi f(x): a. f(x) fungsi sederhana (anti turunannya mudah dicari) b. f(x) fungsi yang rumit (anti turunannya sukar/tidak mungkin dicari) c. f(x) hanya diketahui berupa tabulasi nilai (data hasil percobaan) Berikan contoh dari ketiga jenis integral tak tentu di atas !! Jenis (a) dapat diselesaikan secara analitis dan diperoleh hasil eksak, sedangkan jenis (b) dan (c) diselesaikan secara numerik sehingga hasilnya berupa hampiran/aproksimasi. a b x y y=f(x) Pada pasal ini akan dibahas tiga buah metode numerik untuk hampiran integral, yaitu: metode Persegi Panjang/Riemann, metode Trapesium dan metode Simpson/Parabol. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Metode Persegi Panjang Kiri / Left Riemann Sum (LRS) Perhatikan integral tentu _ b a f(x) dx. Fungsi f(x) fungsi dapat bernilai negatif ataupun tak kontinu, asalkan titik diskontinuitasnya berhingga. x0 x1 xn xi-1 xi x y y=f(x) Gambar 1: Ilustrasi metode Persegi Panjang Kiri / Left Riemann Sum Partisikan interval [a, b] atas n bagian, sama lebar: P : x0 = a < x1 < x2 < • • • < xn = b dengan Δxi = h = xi − xi−1 = b−a n Pada setiap subinterval [xi−1, xi] dibentuk persegi-panjang (pp) dengan panjang f(xi−1) dan lebar h (lihat gambar 1). Luas persegi panjang tersebut, ΔLi = hf(xi−1) b _a f(x) dx = x1 _x0 f(x) dx + x2 _x1 f(x) dx + • • • + xn _ xn−1 f(x) dx ≈ hf(x0) + hf(x1) + • • • + hf(xn−1) Hampiran ini disebut metode Persegi Panjang Kiri (Left Riemann Sum). Contoh: Terapkan metode LRS dengan n=6 terhadap 1 _0 e−x2 dx. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Galat Metode LRS : b _a (f(x) dx= [hf(x0) + hf(x1) + • • • + hf(xn−1)] + En , dengan En = (b−a)2 2n f(c), a ≤ c ≤ b . Contoh: Tentukan n agar galat hampiran LRS pada 1 _0 e−x2 dx < 0, 0001. Metode Persegi Panjang Kanan / Right Riemann Sum (RRS) x0 x1 xn xi-1 xi x y y=f(x) Gambar 2: Ilustrasi metode Persegi Panjang Kanan / Right Riemann Sum b _a f(x) dx = x1 _x0 f(x) dx + x2 _x1 f(x) dx + • • • + xn _ xn−1 f(x) dx ≈ hf(x1) + hf(x2) + • • • + hf(xn) Hampiran ini disebut metode Persegi Panjang Kanan (Right Riemann Sum). Galat Metode RRS : En = −(b−a)2 2n f(c), a ≤ c ≤ b . Contoh: Tentukan n supaya galat hampiran RRS terhadap 1 _0 e−x2dx < 0, 0001, lalu hitung hampiran nilai integral tersebut. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Metode Persegi Panjang Tengah / Midpoint Riemann Sum (MRS) x0 x1 xn xi-1 xi x y y=f(x) x1/2 xi-1/2 Gambar 3: Ilustrasi metode Persegi Panjang Tengah / Midpoint Riemann Sum b _a f(x) dx = x1 _x0 f(x) dx + x2 _x1 f(x) dx + • • • + xn _ xn−1 f(x) dx ≈ hf(x1 2 + hf(x3 2 ) + • • • + hf(xn−1 2 ) Hampiran ini disebut metode Persegi Panjang Tengah (Midpoint Riemann Sum). Galat Metode MRS : En = (b−a)3 24n2 f(c), a ≤ c ≤ b . Contoh: Gunakan metode MRS untuk mengaproksimasi 1 _0 e−x2dx memakai n=6, dan tentukan batas galatnya. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Metode Trapesium x0 x1 xn xi-1 xi x y y=f(x) Gambar 4: Ilustrasi metode Trapesium Partisikan interval [a, b] atas n bagian, sama lebar: P : x0 = a < x1 < x2 < • • • < xn = b dengan Δxi = h = xi − xi−1 = b−a n Pada setiap subinterval [xi−1, xi] dibentuk trapesium dengan sisi-sisi f(xi−1) dan f(xi) dan lebar h (lihat gambar 4). b _a f(x) dx = x1 _x0 f(x) dx + x2 _x1 f(x) dx + • • • + xn _ xn−1 f(x) dx ≈ h 2 [f(x0) + f(x1)] + h 2 [f(x1) + f(x2)] + • • • + h 2 [f(xn−1) + f(xn)] = h 2 [f(x0) + 2f(x1) + 2f(x2) + • • • + 2f(xn−1) + f(xn)] Hampiran ini disebut metode Trapesium. Galat Metode Trapesium b _a (f(x) dx= h 2 [f(x0) + 2f(x1) + 2f(x2) + • • • + 2f(xn−1) + f(xn)] + En dengan En = −(b−a)3 12n2 f(c), a ≤ c ≤ b (galat metode Trapesium). Contoh: Gunakan metode Trapesium untuk mengaproksimasi 1 _0 e−x2dx memakai n=6, dan tentukan batas galatnya. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Metode Simpson (Parabol) ] Gambar 5: Ilustrasi metode Simpson/Parabol Partisikan interval [a, b] atas n bagian (n genap): P : x0 = a < x1 < x2 < • • • < xn = b dengan Δxi = h = xi − xi−1 = b−a n Pada setiap dua subinterval [xi−1, xi] dan [xi, xi+1] dibentuk parabol (fungsi kuadrat) p2(x) yang melalui titik-titik (xi−1, f(xi−1)), (xi, f(xi)), dan(xi+1, f(xi+1)). xi+1 _ xi−1 f(x) dx ≈ xi+1 _ xi−1 p2(x) dx = h 3 [(f(xi−1) + 4f(xi) + f(xi+1)] Selanjutnya: b _a f(x) dx = x2 _x0 f(x) dx+ x4 _x2 f(x) dx+ • • • + xn _ xn−2 f(x) dx b _a f(x) dx ≈ h 3 [f(x0) + 4f(x1) + 2f(x2) + 4f(x3) + 2f(x4) + • • • + 4f(xn−1) + f(xn)] Hampiran ini disebut metode Simpson/Parabol. Galat Metode Simpson: En = −(b−a)5 180n4 f(4)(c) dengan a ≤ c ≤ b. Contoh: Terapkan metode Simpson thd. 1 _0 e−x2dx dengan galat ≤ 0,0001 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Perhitungan Luas Daerah/Keping: Perhatikan keping yang dibatasi oleh fungsi positif f(x), garis x = a, garis x = b dan sumbu-x. Akan dihitung luas keping tersebut memakai konsep integral. Bentuk partisi P : a = x0 < x1 < • • • < xn−1 < xn = b Perhatikan elemen partisi ke i, yaitu [xi−1, xi] Pilih titik wakil xi ∈ [xi−1, xi] Bentuk persegipanjang dengan lebar ΔXi = xi − xi−1 dan tinggi f(xi). Luas elemen ke i adalah ΔLi = f(xi)Δxi Luas seluruh n persegipanjang adalah n_ i=1 ΔLi = n_ i=1 f(xi)Δxi Luas daerah seluruhnya : L = lim |P|→0 n_ i=1 f(xi)Δxi = b _a f(x) dx. Perhatikan: • Tanda lim |P|→0 n_ i=1 berubah menjadi b _a • Fungsi f(xi) berubah menjadi f(x). • Besaran Δxi berubah menjadi dx. Contoh: Hitung luas daerah yang dibatasi oleh grafik f(x) = x3+3x2, garis x = 1, garis x = 3 dan sumbu-x. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Bagaimana bila fungsi f memuat bagian negatif (lihat ilustrasi). Prinsip menghitung luas daerahnya sama saja dengan ilustrasi sebelumnya, hanya nilai fungsi f harus dihitung positif. Jadi luasnya L = b _a |f(x)| dx. Untuk menghindari tanda mutlak biasanya dihitung sbb: L = LI + LII + LIII = c _a f(x) dx + d _c (−f(x)) dx + b _d f(x) dx Perhatikan bentuk keping yang lebih umum dengan batas-batas: fungsi f(x), fungsi g(x), garis x = a dan garis x = b. Prinsip dasar: gambarkan elemen luasnya lalu tentukan panjang dan lebar dari elemen tersebut. Luas elemen integrasi: ΔLi = [f(xi) − g(xi)] Δxi. Luas daerah seluruhnya: L = _ b a [f(x) − g(x)] dx. Alternatif lain dari keping di bidang adalah seperti pada gambar di samping kiri. Keping ini dibatasi oleh grafik x = f(y), garis y = c, garis y = d, dan sumbu-y. Pada kasus ini partisi dibuat pada sumbu-y sepanjang [c, d]: P : c = y0 < y1 < • • • < yn−1 < yn = d Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Luas elemen integrasi: ΔL = f(yi)Δyi dengan Δyi = yi − yi−1. Luas daerah seluruhnya : L = _ d c f(y) dy. Pada gambar-gambar di halaman berikutnya, lakukanlah sebagai berikut: • Nyatakanlah batas-batas daerah yang dimaksud • Gambarkan elemen integrasi untuk menghitung luas daerahnya. • Tuliskan rumus elemen luasnya. • Tuliskan rumus luasnya sebagai integral tentu. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Soal-Soal: 1. Tentukan luas daerah yang dibatasi oleh grafik-grafik y = x + 6, y = x3, dan 2y + x = 0 2. Tentukan luas daerah yang dibatasi oleh grafik y = √x, sumbu-y, garis y = 0 dan garis y = 1 3. Sebuah benda bergerak sepanjang garis lurus dengan kecepatan v(t) = 3t2 − 24t + 36. Tentukan perpindahan dan jarak tempuh keseluruhan selama interval waktu −1 ≤ t ≤ 9. 4. Misalkan y = 1 x2 untuk 1 ≤ x ≤ 6 a. Hitung luas daerah di bawah kurva tersebut. b. Tentukan c sehingga garis x = c membagi daerah tersebut atas dua bagian dengan luas sama. c. Tentukan d sehingga garis y = d membagi daerah tersebut atas dua bagian dengan luas sama Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Volume Benda yang Luas Irisan Penampangnya Diketahui Perhatikan gambar sebuah benda pejal di atas. Benda tersebut terletak sepanjang interval [a, b]. Luas irisan penampang benda tersebut pada setiap posisi x adalah A(x) (diketahui). Akan dihitung volumenya. Partisikan interval [a, b]: P : a = x0 < x1 < • • • < xn−1 < xn = b Perhatikan elemen partisi ke i. Pilih titik wakil xi ∈ [xi−1, xi]. Bentuk silinder (lihat gambar sebelah kanan) dengan luas penampang A(xi) dan tinggi Δxi. Volume elemen integrasi: ΔVi = A(xi)Δxi. Volume benda: V = b _a A(x)dx. Contoh2: 1. Alas sebuah benda adalah daerah yang dibatasi oleh y = 1−x2 4 , sumbux, sumbu-y. Bila penampang-penampang yang tegak lurus sumbu-x berbentuk bujur sangkar, tentukan volume benda tersebut. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 2. Alas sebuah benda adalah daerah yang dibatasi oleh sumbu-x dan grafik y = sinx, 0 ≤ x ≤ π. Penampang yang tegak lurus sumbu-x berbentuk segitiga sama sisi. Tentukan volumenya. 3. Alas sebuah benda adalah suatu daerah R yang dibatasi oleh y = √x dan y = x2. Tiap penampang dengan bidang yang tegak lurus sumbux berbentuk setengah lingkaran dengan garis tengah yang melintasi daerah R. Tentukan volume benda tersebut. 4. Tentukan volume irisan dua buah silinder berjari-jari satu seperti pada gambar disamping. Petunjuk: penampang mendatar dari benda tersebut berbentuk bujur sangkar. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Volume Benda Putar: Metode Cakram dan Cincin Perhatikan sebuah keping yang dibatasi oleh grafik-grafik y = f(x) ≥ 0, sumbu-x, garis x = a, dan garis x = b (gambar sebelah kiri). Keping ini diputar terhadap sumbu-x sehingga terbentuk gambar di sebelah kanan. Dengan menggunakan konsep integral Riemann, akan dihitung volumenya. Bentuk partisi P : a = x0 < x1 < • • • < xn = b Pada setiap subint. [xi−1, xi], pilih titik wakil xi. Bentuk silinder dengan jari-jari f(xi). dan tinggi Δxi = xi − xi−1. Volume elemen integrasi: ΔVi = πf2(xi)Δxi Volume benda putar seluruhnya: b _a πf2(x) dx ( Metode Cakram) Contoh2: Gambarkan, lalu tentukan volume benda-benda putar berikut: 1. Daerah yang dibatasi oleh grafik y = √x, garis x = 4 dan sumbusumbu koordinat diputar terhadap sumbu-x. 2. Daerah yang dibatasi oleh grafik y = √x, garis x = 4 dan sumbusumbu koordinat diputar terhadap sumbu-y. (disebut Metode Cincin karena cakramnya berlubang ) 3. Daerah diantara grafik y = x2 dan y = √8x diputar terhadap sumbu-x. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 4. Daerah diantara grafik y = x2 dan y = √8x diputar terhadap sumbu-y. 5. Daerah yang dibatasi oleh grafik y = √x, garis x = 4 dan sumbusumbu koordinat diputar terhadap garis x = −1. 6. Daerah yang dibatasi oleh grafik y = √x, garis x = 4 dan sumbusumbu koordinat diputar terhadap garis y = 5. 7. Daerah diantara y = x2 dan y = √8x diputar terhadap garis y = −2. 8. Daerah diantara y = x2 dan y = √8x diputar terhadap garis x = 3. Volume Benda Putar: Metode Kulit Tabung Metode ini pada prinsipnya sama saja dengan metode cakram/cincin. Perbedaannya adalah partisi dilakukan pada sumbu yang tegak lurus terhadap sumbu putar (lihat gambar berikut). Pada metode kulit tabung dipilih xi = xi−1+xi 2 . ΔVi = π x2i f(xi) − π x2 i−1 f(xi) ΔVi = π (x2i − x2 i−1)f(xi) ΔVi = π 2 xi + xi−1 2 (xi − xi−1) f(xi) ΔVi = 2π xi f(xi)Δxi Volume benda putar seluruhnya: b _a 2π xf(x) dx. Bahas soal-soal pada pasal sebelumnya memakai metode kulit tabung. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Kerja Definisi: Kerja = Gaya × perpindahan, dinotasikan: W = F × d Definisi di atas berlaku bila gaya dan perpindahannya berupa konstanta. Sekarang coba perhatikan dua ilustrasi berikut ini: Sebuah pegas ditarik sejauh d cm dari posisi alamiahnya. Gaya yang diperlukan untuk menarik pegas tersebut tidak konstan. Semakin panjang pegas ditarik, gaya yang diperlukan semakin besar. Jadi pada situasi ini gaya yang bekerja tidak konstan. Sebuah bak kerucut terbalik berisi penuh air. Seluruh air tersebut dipompa sampai ke permukaan bak. akan dihitung kerja yang dilakukan. Pada masalah ini kita lihat perpindahan komponen air berbeda-beda, air dekat permukaan atas hanya berpindah sedikit, sedangkan yang dibagian bawah pindah lebih jauh. Jadi pada masalah ini perpindahannya tidak konstan. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Untuk menghitung kerja secara umum, perhatikan sebuah benda yang ditarik oleh gaya F(x) dan berpindah dari x = a sampai x = b (lihat gambar paling atas pada halaman 86). Partisikan interval [a, b] atas x0 = a < x1, • • • , xn = b. Perhatikan interval [xi−1, xi]. Pilih titik wakil xi Sepanjang subinterval ini, gaya yang bekerja diaproksimasi oleh F(xi). Dengan demikian kerja sepanjang subinterval ini: ΔWi = F(xi)Δxi. Kerja seluruhnya adalah W = b _a F(x) dx Soal-soal: 1. Sebuah pegas mempunyai panjang alami 10 cm. Untuk menarik dan menahannya sejauh 2 cm diperlukan gaya sebesar 3 dyne. Tentukan kerja yang dilakukan untuk menariknya sejauh 5 cm dari panjang alaminya. (Gunakan hukum Hooke: untuk menahan pegas sejauh x cm diperlukan gaya sebesar F = kx, dengan k adalah konstanta pegas). 2. Tangki berbentuk kerucut terbalik penuh berisi air. Tinggi tangki 2 meter dan jari-jari permukaan atasnya 1 meter. Bila besarnya gaya gravitasi adalah g, tentukan kerja yang dilakukan untuk memompa seluruh air sampai permukaan atas tangki. 3. Sebuah rantai yang beratnya 1 kg tiap meter, dipakai mengangkat benda seberat 200 kg dari dasar sumur yang dalamnya 15 meter. Tentukan kerja yang dilakukan untuk mengangkat benda tersebut sampai permukaan sumur. (petunjuk: gaya yang diperlukan untuk mengangkat benda adalah berat benda + berat rantai yang terjulur). Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Momen & Titik Berat/Pusat Massa Dua buah benda masing-masing dengan massa m1 dan m2 dihubungkan dengan sepotong kawat kaku dan ringan (massa kawat diabaikan). Posisi masing-masing benda adalah x1 dan x2. Titik x adalah titik tumpuan agar keadaan sistem setimbang. Dari hukum fisika: (x1 − x)m1 + (x2 − x)m2 = 0 Besaran (xi−x)mi disebut momen. Secara umum momen sebuah benda terhadap sebuah titik/garis adalah massa × jarak benda terhadap titik/garis tersebut. Sekarang perhatikan sistem n buah benda dengan massa m1,m2, • • •,mn yang dihubungkan oleh kawat ringan sepanjang sumbu-x sbb.: Dimanakah titik tumpuan x harus diletakkan agar sisyem menjadi setimbang. Menurut hukum fisika, agar setimbang maka momen total benda terhadap titik x harus bernilai nol. Jadi: (x1 − x)m1 + (x2 − x)m2 + • • • + (xn − x)mn = 0 Bila kita susun diperoleh: x = n_ i=1 ximi n_ i=1 mi Titik x disebut titik berat Besaran m = n_ i=1 mi disebut massa total benda. Besaran M = n_ i=1 ximi disebut momen total benda terhadap titik 0. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh: Massa sebesar 4, 2, 6 dan 7 pon diletakkan pada posisi 0, 1, 2 dan 4. Tentukan titik berat dari sistem tersebut. Titik Berat Kawat/Benda Satu Dimensi Perhatikan sepotong kawat yang diletakkan sepanjang sumbu-x pada posisi x = a sampai x = b. Bila rapat massa benda tersebut homogen maka titik beratnya terletak ditengah-tengah kawat, x = a+b 2 . Sekarang akan ditinjau kasus di mana rapat massa benda tidak homogen. Misalkan rapat massanya adalah δ(x). Bentuk partisi P : x0 = a < x1 < • • • < xn = b. Perhatikan potongan kawat pada subinterval [xi−1, xi]. Pilih titik wakil xi. Selanjutnya kita hitung aproksimasi massa dan momen potongan ini terhadap titik nol: Δm = δ(xi)Δxi dan ΔM = xiδ(xi)Δxi Dengan demikian Massa, momen dan titik berat kawat adalah: m = b _a δ(x) dx , M = b _a x δ(x) dx dan x = M m Contoh: Kepadatan/rapat massa sepotong kawat adalah δ(x) = 3x2 gr/cm. Tentukan pusat massa kawat antara x = 2 dan x = 10 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Distribusi Massa Pada Bidang Perhatikan n buah benda dengan massa m1,m2, • • •,mn yang terletak di bidang dengan koordinat (x1, y1), (x2, y2), • • • , (xn, yn). Misalkan koordinat titik beratnya adalah (x, y). (Perhatikan bahwa x adalah jarak titik berat ke sumbu-y dan y adalah jarak titik berat ke sumbu-x) x = My m , y = Mx m , m = n_ i=1 mi _mass_a_tota_l , My = n_ i=1 ximi m_omen_t_hd sb-_y , Mx = n_i=1 yimi m_omen_t_hd sb-_x Contoh: Lima buah benda dengan massa 1, 4,2, 3, dan 6 gram terletak pada koordinat (6,−1), (2, 3), (−4, 2), (−7, 4) dan (2,−2). Tentukan titik beratnya (pusat massanya). Pusat Massa Keping Homogen Perhatikan sebuah keping homogen seperti pada gambar di samping. Partisikan interval [a, b] dan perhatikan subinterval [x1−1, xi]. Tetapkan xi titik tengah antara xi−1 dan xi. Bentuk persegi panjang seperti pada gambar di samping. Pusat massa persegipanjang tersebut terletak pada perpotongan diagonalnya (lihat gambar). Misalkan rapat massa keping adalah δ (konstanta), Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 maka: Δm = δ (f(xi) − g(xi))Δxi m = δ b _a (f(x) − g(x)) dx ΔMy = xδ (f(xi) − g(xi))Δxi My = δ b _a x (f(x) − g(x)) dx ΔMx = f(xi) + f(xi) 2 δ (f(xi) − g(xi))Δxi Mx = δ 2 b _a _f2(x) − g2(x)_ dx Pusat massanya (x = My m , y = Mx m ). Pusat massa keping homogen ini tidak bergantung pada rapat massa δ, dan biasa disebut sentroid. Catatan: Perhitungan pusat massa untuk keping tak homogen memerlukan konsep integral lipat dua, akan dipelajari pada Kalkulus 2. Latihan: 1. Tentukan sentroid keping yang dibatasi oleh y = x3 dan y = √x. 2. Tentukan rumus sentorid untuk keping homogen yang dibatasi oleh grafik x = f(y), x = g(y), garis y = c dan garis y = d. Asumsikan g(y) < f(y) ∀ y ∈ [c, d]. 3. Pelajari teorema Pappus dari buku Purcell jilid 1 (terjemahan bahasa Indonesia) edisi 5 halaman 365. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Fungsi-Fungsi Transenden Fungsi real secara umum dibagi atas dua kelas yaitu: • fungsi aljabar (polinom, fungsi rasional, akar, harga mutlak). • fungsi transenden, yaitu yang bukan fungsi aljabar (contoh sin x). Pada bagian ini akan dipelajari berbagai macam fungsi transenden disertai sifat-sifatnya. Fungsi Logaritma Asli Perhatikan fungsi x _1 1 tk dt dengan x > 0, k ∈ Z, k _= 1. Fungsi tersebut
merupakan fungsi aljabar karena
x
_1
1
tk dt = 1
1−k _ 1
xk−1 − 1_.
Untuk k = 1, fungsi di atas berbentuk
x
_1
1
t dt. Fungsi ini tidak dapat ditentukan
secara eksplisit seperti di atas.
Fungsi logaritma asli, ditulis ln didefinisikan sbb. ln x =
x
_1
1
t
dt , x > 0
Secara geometri, fungsi ln x dapat diilustrasikan sebagai berikut:
Perhatikan daerah yang dibatasi f(t) = 1
t , sumbu-x, t = 1, dan t = x
untuk x > 1,
x
_1
1
t
dt = Luas R untuk x < 1, x _1 1 t dt = - Luas R Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Berdasarkan teorema dasar Kalkulus 2, maka Dx[ln x] = 1 x Latihan: 1. Tentukan Dx[ln√x ] 2. Tunjukkan Dx[ln |x|] = 1 x, jadi diperoleh _ 1 u du = ln|u| + c 3. Tentukan 3 _−1 x 10 − x2 dx Sifat2: Misalkan a dan b bilangan-bilangan positif dan r ∈ Q • ln 1 = 0 • ln(ab) = lna + lnb • ln(a b) = lna − ln b • ln(ar) = r ln a Grafik Fungsi Logaritma Asli Misalkan f(x) = lnx, x > 0. Grafik memotong sumbu-x pada x = 1
f(x) = 1
x > 0, jadi grafik
selalu monoton naik.
f(x) = −1
x2 < 0, jadi grafik selalu cekung ke bawah. lim x→0+ f(x) = −∞ lim x→∞ f(x) = ∞ ⎫⎬⎭ lihat Purcell edisi 5, pasal 7.1 soal-soal 39 dan 40. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Penurunan Fungsi dengan Bantuan Fungsi Logaritma Asli: Fungsi logaritma asli dapat digunakan untuk menyederhanakan proses perhitungan turunan fungsi yang memuat pemangkatan, perkalian dan pembagian seperti diilustrasikan berikut ini: Tentukan turunan dari fungsi y = √1−x2 (x+1)2/3 Jawab: ln y = ln √1−x2 (x+1)2/3_ ln y = ln_√1 − x2_− ln(x + 1)2/3 ln y = 12 ln _1 − x2_− 23 ln(x + 1) Selanjutnya kita turunkan kedua ruas terhadap x 1 y y = 12 1 1−x2 (−2x) − 23 1 x+1 y = y _12 1 1−x2 (−2x) − 23 1 x+1_ y = √1−x2 (x+1)2/3 _12 1 1−x2 (−2x) − 23 1 x+1_ Soal-Soal: 1. Tentukan turunan dari: a. y = ln_x2 − 5x + 6_ b. y = 1 ln x + ln_1 x_ c. y = ln√3 x d. y = ln(sinx) 2. Tentukan integral-integral berikut: a. _ 4 2x+1 dx b. _ 4x+2 x2+x+5 dx c. _ln x x dx d. 1 _0 x+1 x2+2x+2 dx 3. Hitunglah lim n→∞% 1 n + 1 + 1 n + 2 + • • • + 1 2n& dengan cara menyusun bagian dalam kurung siku sebagai: _ 1 1+1/n + 1 1+2/n + • • • + 1 1+n/n_1 n lalu terapkan konsep integral tentu sebagai limit jumlah Riemann. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Fungsi Invers dan Turunannya Pada setiap grafik di atas, periksalah kebenaran pernyataan berikut: • Setiap satu titik x berpasangan dengan tepat satu titik y • Setiap satu titik y berpasangan dengan tepat satu titik x Sebuah fungsi disebut fungsi satu-satu , bila untuk setiap titik y berpasangan hanya dengan satu titik x. fungsi f bersifat satu-satu ⇐⇒ f monoton murni (ilustrasikan) Misalkan f fungsi satu-satu. Kita definisikan fungsi baru, dinamakan fungsi invers , disimbolkan f−1, dengan aturan: f−1(b) = a ⇐⇒ f(a) = b Perhatikan pada aturan fungsi di atas b ∈ Rf dan a ∈ Df . Secara umum Df−1 = Rf, dan Rf−1 = Df f−1(f(a)) = a dan f(f−1(b)) = b • fungsi y = f(x) = x3 mempunyai invers dengan aturan f−1(y) = √3 y • fungsi y = f(x) = x2 tidak mempunyai invers (bukan fungsi satu-satu). Catatan: penulisan nama peubah/variabel pada fungsi invers tidak harus menggunakan huruf y, boleh saja menggunakan sebarang simbol, misalnya f−1(t) atau f−1(x). Hal yang perlu diperhatikan adalah formula dari aturan tersebut. Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh-Contoh: 1. Tunjukkan f(x) = x5 + 2x + 1 memiliki invers 2. Tunjukkan f(x) = 2x + 6 memiliki invers dan tentukan aturannya. 3. Tentukan fungsi invers dari f(x) = x 1−x. Menggambar Grafik Fungsi dan Inversnya Misalkan diberikan grafik dari fungsi f(x), kita akan menggambar grafik fungsi inversnya pada koordinat yang sama. Dengan demikian f dan f−1 keduanya kita tuliskan dalam variabel yang sama, yaitu x. Prinsip: misalkan titik (a, b) pada grafik f(x), maka titik (b,a) berada pada grafik f−1 (lihat gambar di bawah, sebelah kiri). Dengan demikian grafik f−1(x) dapat diperoleh dari grafik f(x) dengan mencerminkannya (titik demi titik) terhadap garis y = x (gambar kanan). Turunan Fungsi Invers Akan ditinjau hubungan turunan fungsi dengan turunan fungsi inversnya. Pada gambar di samping, diberikan garis lurus f(x) yang melalui titik (a, b) dan (c, d). Fungsi invernya f−1(x) adalah garis lurus yang melalui titik (b, a) dan d, c). Gradien f di titik (a, b) adalah m1 = b−d a−c. Gradien f−1 di titik (b, a) adalah m2 = a−c b−d = 1 m1 Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Dengan demikian, bila (a, b) pada grafik f maka (f−1)(b) = 1 f(a) Sekarang kita perhatikan untuk fungsi sebarang f(x). Terhadap fungsi f, kemiringan garis singgung di titik (a, b) adalah kemiringan garis p, yaitu f(a). Terhadap grafik f−1, garis singgung singgung di titik (b, a) (garis q) merupakan cermin dari garis p terhadap gari y = x. Berdasarkan hasil di halaman sebelumnya, maka (f−1)(b) = 1 f(a) . Sifat: Misalkan (x,y) pada grafik fungsi f maka (f−1)(y) = 1 f(x) . Soal-Soal: 1. Tunjukkan f(x) = x3+1 x3+2 punya invers dan tentukan aturan f−1(x). 2. Tentukan (f−1)(4) bika = f(x) = x2 + 2x + 1. 3. Misalkan f(x) = x _0 √1 + 2t2 dt, x > 0
a. Tunjukkan f(x) punya invers
b. Jika f(2) = A, tentukan (f−1)(A)
Fungsi Exponen Asli
Perhatikan kembali fungsi logaritma asli f(x) = lnx , x > 0.
f(x) = 1
x > 0. Jadi f fungsi monoton naik, sehingga mempunyai invers.
Fungsi inversnya disebut fungsi exponen asli dan dinotasikan sbb.
x = f−1(y) = expy ⇐⇒ y = f(x) = lnx
Perhatikan, di sini Df−1 = Rf = R dan Rf−1 = Df = (0,∞)
Sifat: (a.) exp(ln x) = x, x > 0 dan ln(exp y) = y, y ∈ R
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Pada gambar di samping disajikan
grafik fungsi y = expx yang diperoleh
dari pencerminan grafik
y = lnx terhadap sumbu-y = x.
Untuk mengamati sifat-sifat lanjut
dari fungsi exponen, kita definisikan
bilangan baru, yaitu e yang
bersifat ln e = 1 (lihat ilustrasi).
e = 2.71828182845904 • • •
Misalkan x ∈ R maka exp x = exp(x ln e) = exp(lnex) = ex.
Dari sifat fungsi invers: eln x = x, x > 0 dan ln(ex) = y, y ∈ R
Sifat-Sifat:
• eaeb = ea+b dan ea
eb = ea−b
• Dx[ex] = ex sehingga _eu du = eu + c
Bukti: Misalkan y = lnx, maka x = lny
Dx[x] = Dx[ln y]
1 = 1
y y
y = y
y = lnx
Soal-Soal
1. Tentukan Dx[e√x] dan Dx[x2 ln x]
2. Tentukan _e−4x dx dan _x2e−x3
dx
3. Tentukan luas daerah yang dibatasi grafik y = e−x dan garis yang
melalui titik (0, 1) dan (1, 1
e).
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi Eksponen Umum
Fungsi eksponen umum didefinisikan sebagai berikut:
Misalkan a > 0 dan x ∈ R, fungsi eksponen umum ax := ex ln a
Sifat-Sifat: 1. Misalkan a, b > 0 dan x, y ∈ R
• ax ay = ax+y
• ax
ay = ax−y
• (ax)y = axy
• (ab)x = ax bx
• _a
b_ = ax
bx
2. Dx[ax] = ax ln a
3. _ ax dx =
1
ln a
ax + c
Contoh: (1) Tentukan Dx[3√x] (2) Tentukan
2
_1
2x3
x2 dx
Fungsi Logaritma Umum
Fungsi logaritma umum didefinisikan sebagai invers dari fungsi eksponen
umum sebagai berikut:
Misalkan a > 0 dan a _= 1, y = loga x ⇐⇒ x = ay
Sifat: • loga x =
ln x
ln a • Dx[loga x] =
1
x ln a
Soal-Soal:
1. Tentukan (a) Dx[xx] (b) Dx[(x2 + 1)sin x] (c) Dx[(ln x2)2x+3]
2. Tentukan (a) _x 2x2 dx (b)
4
_1
5√x
√x dx
3. Misalkan f(x) = ax−1
ax+1, a>0, a _= 1. Tunjukkan f(x) punya invers
dan cari rumus untuk f−1(x).
4. Tunjukkan lim
h→0
(1 + h)
1
h = e
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Masalah2 Pertumbuhan dan Peluluhan Eksponensial
Pada tahun 1975, penduduk dunia diperkirakan berjumlah 4 • 109 orang.
Salah satu model pertumbuhan mengatakan laju pertambahan penduduk
berbanding lurus dengan jumlah penduduk saat itu (wajarkah model ini ?).
Misalkan t menyatakan waktu dalam tahun, dengan t = 0 adalah tahun
1975 dan y adalah jumlah penduduk saat t, maka
dy
dt
= k y k = 0, 0198 (konstanta, hasil statistik).
Konstanta k dicari dari hasil sensus ditahun-tahun sebelumnya (jelaskan).
Dengan menyelesaikan persamaan diferensial di atas, maka kita dapat
memperkirakan jumlah penduduk setiap saat.
dy
y
= k dt ⇐⇒ _ dy
y
= _ k dt ⇐⇒ ln |y| = kt + c
Karena y selalu poistif maka tanda mutlak bisa dihilangkan, jadi
ln y = kt + c ⇐⇒ y = ekt+c ⇐⇒ y = ec ekt
Untuk mencari nilai c, kita gunakan y(0) = 4 • 109
4 • 109 = ec e0, jadi ec = 4 • 109.
y = 4 • 109 ekt
Prakiraan jumlah penduduk pada tahun 2004 (t = 29) adalah:
y = 4 • 109 e0,0198•29 ≈ 7, 102837564.109
Diskusi:
Bila t besar sekali (t −→ ∞), menuju berapakah jumlah penduduk ?
dengan demikian, wajarkan model pertumbuhan di atas ?
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Soal-Soal:
1. Laju pembiakan bakteri adalah sebanding dengan jumlah bakteri saat
itu. Jumlah bakteri pada Pk 12.00 adalah 10000. Setelah 2 jam
jumlahnya menjadi 40000. Berapa jumlahnya pada pk 17.00 ?
2. Akibat memancarkan sinar radioaktif, Karbon-14 meluluh (berkurang
beratnya dengan laju sebanding dengan jumlah zat saat itu. Waktu
paruhnya (waktu untuk mencapai setengah beratnya) adalah 5730 tahun.
Bila pada saat awal terdapat 10 gram, berapakan beratnya setelah 2000
tahun ?
Tugas Mandiri: Pelajari model bunga majemuk (Purcell jilid 1 (terjemahan,
Edisi 5 Pasal 7.5 halaman 403)
Model Pertumbuhan Logistik (optional)
Model pertumbuhan yang telah di bahas bukanlah model matematika yang
ideal, karena bila t membesar terus, jumlah individu menuju nilai ∞. Hal
ini tentunya tidak realistik. Bila jumlah individu terlalu banyak sedangkan
jumlah makanan terbatas tentunya yang mati akan banyak. Model yang
lebih baik adalah model logistik sbb.:
y = ky(L − y), k,L konstanta
Dua grafik di bawah ini menjelaskan keadaan jumlah penduduk bila t membesar.
Gambar sebelah kiri untuk keadaan awaly K. (Jelaskan!).
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi Trigonometri Invers
Fungsi-fungsi trigonometri bukanlah fungsi satu-satu. Supaya fungsi inversnya
dapat didefinisikan, maka daerah definisinya dibatasi (pada bagian
yang monoton murni saja). karena fungsi-fungsi trigonometri bersifat periodik,
pembatasan daerah definisinya diambil yang berada disekitar x = 0.
Fungsi Invers Sinus
x = sin−1 y ⇐⇒ y = sinx dengan −π
2 < x < π 2 Dsin−1 = [−1, 1] dan Rsin−1 = [−π 2 , π 2 ] Fungsi Invers Cosinus x = cos−1 y ⇐⇒ y = cos x Dcos−1 = [−1, 1] Rcos−1 = [0, π] Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Contoh: Hitunglah (a.) sin−1(√2/2) (b.) sin−1(−1 2) (c.) cos−1(√3/2) (d.) cos−1(−1 2) (e.) cos(cos−1(0, 6)) (f.) sin−1(sin(3π/2)) Fungsi Invers Tangens x = tan−1 y ⇐⇒ y = tan x Dtan−1 = R Rtan−1 = (−π/2, π/2) Fungsi Invers Secan x = sec−1 y ⇐⇒ y = secx Dsec−1 = (−∞,−1] ∪ [1,∞) Rsec−1 = (0, π 2 ) ∪ (π 2, π) Sifat: sec−1 y = cos−1(1 y ) Sifat-Sifat a. sin _cos−1 x_= √1 − x2 (buktikan!) b. cos _sin−1 x_= √1 − x2 c. sec _tan−1 x_= √1 + x2 d. tan _sec−1 x_= _ −√x2 − 1 x ≤ −1 +√x2 − 1 x ≥ 1 (buktikan!) Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008 Turunan Fungsi Trigonometri Invers: a. Dx[sin−1 x] = 1 √1 − x2 −1 < x < 1 (buktikan!) b. Dx[cos−1 x] = − 1 √1 − x2 −1 < x < 1 c. Dx[tan−1 x] = 1 √1 + x2 d. Dx[sec−1 x] = 1 |x|√x2 − 1 |x| > 1 (buktikan!)
Akibat:
a. _ 1
√1 − x2
dx = sin−1 x + c
b. _ 1
1 + x2 dx = tan−1 x + c
c. _ 1
x√x2 − 1
dx = sec−1 |x| + c
Contoh-Contoh:
1. Tentukan (a) Dx[sin−1(x3 + 2x)] (b) Dx[(sec−1 x2)2]
2. Tentukan (a)
π2
_0
sin θ
1+cos2 θ dθ _ ex
1+e2x dx
3. Daerah yang dibatasi oleh y = 5(x2 + 1)−12
, sumbu-x, sumbu-y dan
garis x = 4 diputar terhadap sumbu-x. Tentukan volumenya.
4. Pada ketinggian 2 km, sebuah pesawat bergerak horizontal dengan laju
600 km/jam, di atas seoarang pengamat. Tentukan laju sudut elevasi
antara pesawat dan orang tersebut pada saat jarak keduanya 3 km.
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Fungsi-Fungsi Hiperbol dan Inversnya
Fungsi hiperbol dibentuk dari berbagai kombinasi fungsi exponen sbb:
1. sinh x =
1
2 _ex − e−x_
2. cosh x =
1
2 _ex + e−x_
3. tanh x =
sinh x
cosh x
4. coth x =
cosh x
sinh x
5. sech x =
1
cosh x
6. csch x =
1
sinh x
Dari definisi di atas, buktikanlah isi tabel berikut ini:
sinh x cosh x
daerah definisi R R
sifat fungsi ganjil genap
turunan fungsi cosh x sinh x
kemonotonan naik turun di (−∞, 0)
naik di (0,∞)
titik ekstrim tidak ada min. global di x = 0
kecekungan cekung ke bawah di (−∞, 0) cekung ke atas
cekung ke atas di (0,∞)
titik belok x = 0 tidak ada
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Sifat-Sifat:
• cosh2 x − sinh2 x = 1
• 1 − tanh2 x = sech2x
• 1 − coth2 x = −csch 2x
• Dx[tanh x] = sech2x Dx[coth x] = −csch 2x
• Dx[sech x] = −sech x tanhx Dx[csch x] = −csch x coth x
Contoh: Tentukan (a) Dx[cosh2(3x − 1)] (b) _tanhxdx
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008
Invers Fungsi Hiperbol
x = sinh−1 y ⇐⇒ y = sinhx
x = cosh−1 y ⇐⇒ y = coshx x≥ 0
x = tanh−1 y ⇐⇒ y = tanh x
x = sech−1y ⇐⇒ y = sechx x≥ 0
Sifat-Sifat:
a. sinh−1 x = ln(x + √x2 + 1)
b. cosh−1 x = ln(x + √x2 − 1) x ≥ 1
c. tanh−1 x = 1
2 ln _1+x
1−x_ −1 < x < 1 d. sech −1x = ln1+√1−x2 x _ 0 < x ≤ 1 Bukti b. y = cosh−1 x ⇐⇒ x = coshy = ey+e−y 2 y ≥ 0 (ey)2 − 2xey + 1 = 0 ey = x ± √x2 − 1 y = ln_x ± √x2 − 1_ y = ln_x + √x2 − 1_ (karena y ≥ 0) ♠ Turunan Fungsi Invers Hiperbol Dx[sinh−1 x] = 1 √x2+1 Dx[cosh−1 x] = 1 √x2−1 x > 1
Dx[tanh−1 x] = 1
1−x2 −1 < x < 1
Dx[sech −1x] = −1
x√1−x2 0 < x < 1
Warsoma Djohan & Wono Setya Budhi / MA-ITB / 2008

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar