4 DIFERENSIAL. 4.1 Pengertian derivatif

Transkripsi

1 Diferensial merupakan topik yang cukup 'baru' dalam matematika. Dimulai sekitar tahun 1630 an oleh Fermat ketika menghadapi masalah menentukan garis singgung kurva, dan juga masalah menentukan maksimum atau minimum fungsi. Kemudian, kaitan antara garis singgung kurva dan velositas atau kecepatan suatu benda bergerak ditemukan pada masa berikutnya sekitar tahun 1660 an oleh Sir Isaac Newton ( ). Selanjutnya, Newton mengembangkan temuan ini menjadi teori uksi yang didasarkan ide intuitif dari limit; didalamnya muncul konsep diferensial dimana beberapa istilah dan notasi diciptakan. Pada pihak lain, secara terpisah Gottfried Leibniz ( ) sekitar tahun 1680 menyelidiki bahwa luas daerah di bawah kurva dapat dihitung dengan membalik proses diferensial. Teknik menarik Leibniz ini dapat memecahkan masalah yang sebelumnya sangat sulit menjadi sangat mudah; merupakan pemicu ketertarikan bagi banyak matematikawan melakukan riset pengembangan dan dihasilkan teori koheren yang dewasa ini menjadi kalkulus diferensial dan kalkulus integral. Pada bab ini kita akan memahami teori diferensial dimana diasumsikan bahwa mahasiswa sudah memahami interprestasi sika dan geometris dari derivatif suatu fungsi. Diingatkan bahwa teori diferensial dan teori diferensial adalah dua topik yang konsepnya berbeda, namun keduanya dihubungkan oleh teorema fundamental kalkulus. Teori integral akan dipelajari pada bab berikutnya. 4.1 Pengertian derivatif Pada sub bab ini mahasiswa harus memahami beberapa pengetahuan dan keterampilan berikut : 1. Memahami denisi derivatif fungsi di suatu titik. 2. Memahami maksud istilah derivatif dan diferensial. 3. Menentukan derivatif fungsi di suatu titik dengan menggunakan denisi. 4. Memahami hubungan antara fungsi kontinu dan fungsi terdiferensial. 5. Memahami dan membuktikan sifat-sifat aljabar derivatif. 6. Memahami aturan rantai sebagai aturan diferensial untuk fungsi komposisi 7. Membuktikan (teorema) aturan rantai 8. Menggunakan sifat-sifat derivatif dan aturan rantai untuk menentukan derivatif suatu fungsi. 1

2 9. Memahami teorema yang menghubungkan derivatif fungsi dan derivatif fungsi inversnya. 10. Mengkaji masalah-masalah kritis yang berkaitan dengan konsep diferensial, seperti a) fungsi yang kontinu di mana-mana tetapi tidak terdiferensial di mana-mana b) ketakberlakuan aturan rantai jika ada syarat pada hipotesis yang tidak dipenuhi. c) ketakberlakuan torema pada indikator 9 jika fungsinya tidak naik tegas d) dll Sungguh banyak tuntutan pengetahuan dan keterampilan yang harus dicapai oleh mahasiswa. Bayangkan, ini hanya untuk 1 sub pokok bahasan. Padahal kita masih akan mempelajari 3 sub pokok bahasan yang lebih luas lagi yaitu Teorema nilai rata-rata (TNR), aturan L'Hospital dan Teorema Taylor. Tidak ada pilihan kecuali wajib memenuhi tuntutan seperti ini, kecuali kalau nanti siap menjadi sarjana 'ecek-ecek'. Hanya sistem pembelajaran berpusat pada mahasiswa sajalah yang dimungkinkan dapat mencapai tuntutan seperti ini. Mahasiswa yang pasif, hanya 'nrimo' dan pasrah pada nasib dipastikan tidak mungkin dapat 'eksis', akhirnya TERSINGKIR. Semangat dan motivasi mempunyai kekuatan luar biasa dalam mencapai sukses belajar, bukan kecerdasan. Denisi 4.1. Misalkan I R suatu interval, dan f : I R, c R. Bilangan real L dikatakan derivatif f di titik c jika diberikan sebarang ε > 0 terdapat δ > 0 sehingga berlaku x I dimana 0 < < δ L < ε. (4.1) Dalam kasus ini dikatakan f terdiferensial di c, ditulis f (c) = L. Lihat kembali denisi lim g(x) = L, kemudian diambil g(x) := f(x) f(c) x c dalam ekspresi (4.1). Dengan demikian dapat dikatakan, derivatif f di c diberikan oleh f (c) (4.2) asalkan limit ini ada. Sebelum lanjut, pahami dulu maksud Denisi 4.1, pahami mengapa ekspresi (4.1) dapat ditulis ke dalam bentuk (4.2). Fungsi f dikatakan terdiferensial di c jika derivatifnya f (c) ada. Fungsi f dikatakan terdiferensial pada I jika ia terdiferensial di setiap c I. Sampai di sini seharusnya sudah jelas perbedaan istilah derivatif dan diferensial. Istilah 'turunan' adalah bentuk nasionalisasi istilah 'derivative'. Contoh 4.1. Perhatikan fungsi f(x) := x 2, untuk x R.Misalkan c titik sebarang dalam R. Diperoleh f x 2 c 2 (c) (x + c) = 2c. 2

3 Karena f (c) = 2c terdenisi untuk setiap c R maka diperoleh f (x) = 2x untuk x R. Dua sifat, kekontinuan dan keterdiferensialan ternyata memiliki hubungan implikasi seperti diungkapkan pada Teorema berikut. Teorema 4.1. Misalkan I R suatu interval, dan f : I R, c R. Jika f terdiferensial di c maka f kontinu di c. Bukti. Lihat kembali denisi f kontinu di c pada bab sebelumnya. Untuk x I dan x c, dibentuk ( ) = (). Karena f (c) ada, kemudian dengan memasangkan limit pada kedua ruas persamaan ini dan gunakan sifat limit hasil kali fungsi maka diperoleh lim f(x) = f(c), yaitu f kontinu di c. (lengkapi tahapan yang dihilangkan pada bukti ini) Dengan teorema ini, dapatkah Anda menyimpulkan lebih luas mana, himpunan fungsi terdiferensial atau himpunan fungsi kontinu? Teorema ini tidak mengatakan kontinu diferensial. Diperhatikan fungsi f(x) := x, x R. Fungsi ini jelas kontinu di 0 (lihat kembali bab kekontinuan semester lalu). Sekarang perhatikan untuk x 0,diperoleh f(x) f(0) x 0 = x x = 1 jika x > 0 1 jika x < 0. Dengan mengambil limit satu sisi di 0 maka diperoleh hasil sebagai berikut f(x) f(0) x lim = 1 dan x 0 x 0 x 0 x lim f(x) f(0) x x 0 + x 0 x 0 + x = +1. f(x) f(0) Karena kedua limit satu sisi tidak sama maka disimpulkan lim x 0 x 0 sehingga f (0) tidak ada. Jadi, f tidak terdiferensial di 0. tidak ada Pahami dulu sajian dalam kotak di atas. Berikut ini diberikan masalah kritis yang berkaitan dengan kekontinuan dan keterdiferensialan. Kritis 1. Pada tahun 1872, Karl Weirestrass mendenisikan fungsi f dalam bentuk deret takhingga berikut 1 f(x) := 2 n cos(3n x). n=0 Ternyata fungsi ini kontinu di mana-mana tetapi tidak terdiferensial di mana-mana. Buktinya sangat sulit. Tapi bagi mahasiswa berjiwa peneliti/penemu akan mencari tahu bagaimana cara membuktikan fakta ini. Banyak sumber belajar yang dapat digunakan, 3

4 Gambar 4.1: Grak fungsi Weierstrass seperti informasi melalui buku cetak ataupun referensi elektronik pada jaringan internet. Untuk jumlah parsial 5 suku pertama (n = 4) fungsi ini berbentuk f(x) = cos x cos 3x cos 9x cos 27x + 1 cos 81x 16 dan graknya diberikan sebagai berikut. Sifat aljabar diferensial Teorema 4.2. Misalkan I R suatu interval, dan c R. Bila fungsi f : I R dan g : I R terdiferensial di c maka a. untuk sebarang α R, fungsi (αf) terdiferensial di c, dimana b. fungsi jumlahan f + g terdiferensial di c, yaitu c. fungsi perkalian f g terdiferensial di c, dimana (αf) (c) = αf(c) (4.3) (f + g) (c) = f (c) + g (c) (4.4) (fg) (c) = f (c)g(c) + f(c)g (c) (4.5) d. fungsi hasil bagi f/g terdiferensial di c asalkan g(c) 0, dimana ( ) f (c) = f (c)g(c) f(c)g (c) g (g(c)) 2. (4.6) 4

5 Bukti. Hanya diberikan outline bukti untuk bagian c, sedangkan yang lainnya sudah ditulis dengan jelas pada buku paket. Silahkan dipelajari sendiri! Ketidaklengkapan ini harusnya dijadikan sarana untuk belajar mandiri, kecuali orang-orang pemalas (bukan bodoh) yang bermental kuli dan pengemis. Misalkan p := f g, maka untuk x c kita mempunyai bentuk berikut : p(x) p(c) = = = f(x)g(x) f(c)g(c) f(x)g(x) f(c)g(x) + f(c)g(x) f(c)g(c) g(x) g(c) g(x) + f(c). Perhatikan pada baris kedua, pembilang ditambah dengan suku f c)g(x)+f(c)g(x) suatu kuantitas bernilai nol sehingga tidak merubah apa-apa. Tujuannya agar diperoleh bentuk pada denisi diferensial seperti tampak pada baris berikutnya. Dengan menggunakan fakta g kontinu di c (mengapa?), yaitu lim g(x) = g(c), dan fakta yang diketahui pada hipotesis teorema maka diperoleh p(x) p(c) lim = f (c)g(c) + f(c)g (c), yaitu disimpulkan p = fg terdiferensial di c. Perjelas langkah-langkah yang masih bolong pada pembuktian ini, kemudian buktikan bagian lainnya yang belum disinggung. Kalau pada teorema ini hanya terlibat dua fungsi f dan g. Sesungguhnya dapat dikembangkan untuk berhingga banyak fungsi f 1, f 2,, f n dengan menggunakan prinsip induksi matematika. Kita amati untuk sifat jumlahan fungsi terdiferensial berikut. Corollary 1. Jika fungsi f 1, f 2,, f n terdiferensial di c I maka f 1 + f f n dan f 1 f 2 f n terdiferensial di c, dimana (f 1 + f f n ) (c) = f 1(c) + f 2(c) + + f n(c) (4.7) (f 1 f 2 f n ) (c) = f 1(c)f 2 (c) f n (c) + f 1 (c)f 2(c) f n (c) + + f 1 (c)f 2 (c) f n(c). (4.8) Suatu kejadian khusus pada sifat diferensial perkalian adalah bilamana f 1 = f 2 = = f n := f maka berlaku (f n ) (c) = n (f(c)) n 1 f (c). (4.9) Tunjukkan mengapa? Lebih khusus lagi bila f(x) = x, maka f n (x) = x n. Tulis saja g(x) := x n, maka diperoleh g (x) = n (f(x)) n 1 f (x) = nx n 1 1 = nx n 1. (4.10) 5

6 Fakta ini sudah Anda kenal dengan baik pada kalkulus, yaitu bila y = x n maka y = nx n 1. Notasi lain yang digunakan untuk f adalah Df dan df bila x variabel bebas pada fungsi f, yaitu f = f(x). Notasi df dikenal dengan notasi Leibniz salah seorang founding father kalkulus diferensial. Aturan rantai (chain rule) Ketika Anda di SMA atau pada kuliah ( kalkulus dasar tentunya tidak asing lagi proses 1 ) menentukan turunan fungsi y = sin + x 2 seperti berikut : ( ) y = cos 1 + x 2 d ( 1 + x 2) ( ) 1 = cos 1 + x x ( ) 2 1 = cos 1 + x 2 ) = cos ( 1 + x x 2x 2 x 1 + x 2 d ( 1 + x 2 ) Semuanya paham prosedur tersebut di atas, ada yang kurang paham. Segeralah sadar dan insyaah!...pertanyaannya, apa dasar Anda boleh melakukan langkah-langkah ini? Bagaimana pembenarannya? Pada bagian ini kita membahas turunan fungsi komposisi g f. Teorema 4.3. [Aturan Rantai] Misalkan I dan J interval pada R, dan misalkan g : I R, f : J R adalah fungsi-fungsi dimana f(j) I, dan misalkan c J. Bila f terdiferensial di c dan g terdiferensial di f(c) maka fungsi komposisi g f terdiferensial di c, dimana (g f) (c) = g (f(c)) f (c). (4.11) Bukti. Fakta yang diketahui pada teorema ini adalah c J, f(j) I, f terdiferensial di c dan g terdiferensial di f(c). Tulis d := f(c) dan didenisikan G : I R sebagai berikut g(y) g(d) y d bila y I, y d, G(y) := g (d) bila y = d. Karena g terdiferensial di d, yaitu g (d) ada dan berlaku lim y d G(y) = g (d) = G(d) maka diperoleh bahwa G kontinu di d. Karena f kontinu di c dan f(j) I maka disimpulkan G f juga kontinu di c (justikasi!, mengapa?), sehingga berlaku lim(g f)(x) = (G f)(c) = G(f(c)) = G(d) G(y) = y d g (d) = g (f(c)) (4.12) 6

7 ditulis lim (G f)(x) = g (f(c)). Menurut denisi fungsi G maka diperoleh g(y) g(d) = G(y)(y d) untuk setiap y I. (Mengapa?). Jadi, untuk x J dan misalkan y = f(x) maka berlaku g f(x) g f(c) = g (f(x)) g (f(c)) = g(y) g(d) = G(y)(y d) = G (f(x)) (y d) = G f(x)(). Untuk x c, kita bagi kedua ruas persamaan yang baru diperoleh dengan x c, diperoleh g f(x) g f(c) = G f(x) Diambil limit mendekati c pada kedua ruas maka diperoleh, g f(x) g f(c) lim G f(x) (f g) (c) = g (f(c)) f (c). G f(x) lim Pahami betul setiap langkah dan pembenaran pada bukti di atas!. ( 1 ) Contoh 4.2. Pada ilustrasi awal sub pokok bahasan ini, fungsi h(x) = sin + x 2 dapat dipandang sebagai komposisi fungsi h = g f dimana g(x) = sin x dan f(x) = 1 + x2. Kemudian, fungsi f(x) = 1 + x 2 suatu komposisi fungsi f = g 1 f 1 dimana g 1 (x) = x dan f 1 (x) = 1 + x 2. Untuk fungsi komposisi yang terdiri dari tiga fungsi seperti ini, aturan rantai dapat diperumum sebagai (g g 1 f 1 ) (c) = g (g 1 f 1 (c)) g 1(f 1 (c)) f (c). Cek kebenaran prosedur di atas dengan formula ini! Contoh berikut adalah cara lain membuktikan turunan fungsi f n := ff f. }} n faktor Contoh 4.3. Misalkan f : I R terdiferensial pada I dan g(y) = y n. Karena g (y) = ny n 1 dan f n = g f maka berdasarkan aturan rantai diperoleh (g f) (x) = g (f(x)) f (x), yaitu (f n ) (x) = n (f(x)) n 1 f (x) untuk setiap x I. Contoh berikut ini menentukan derivatif fungsi dengan menggunakan aturan rantai dan denisi derivatif. 7

8 Contoh 4.4. Misalkan fungsi f didenisikan sebagai berikut x 2 sin(1/x) bila x 0 f(x) := 0 bila x = 0. Tentukan f (x)? Penyelesaian. Untuk x 0 kita dapat menggunakan aturan rantai bersamaan dengan formula turunan hasil kali, yaitu diperoleh f (x) = 2x sin(1/x) cos(1/x), untuk x 0. Untuk x = 0 tidak ada aturan yang dapat digunakan. Oleh karena itu dikembalikan ke denisi originalnya, yaitu f f(x) f(0) x 2 sin(1/x) (0) x sin(1/x) = 0. x 0 x 0 x 0 x x 0 Langkah terakhir menggunakan hasil yang pernah dipelajari pada pokok bahasan limit, ingatkah?...lihat lagi. Jadi fungsi f terdiferensial pada R dengan derivatif f 2x sin(1/x) cos(1/x) bila x 0 (x) := 0 bila x = 0. Ingat nilai 0 pada derivatif f (cabang bawah) tidak diperoleh dari f(0) = 0. Diperhatikan bahwa fungsi f kontinu di x = 0 tetapi fungsi f tidak mempunyai limit di x = 0 (mengapa?), f tidak kontinu di 0. Fungsi invers Pada bagian ini dibahas hubungan derivatif fungsi dan derivatif inversnya, seperti diungkapkan pada teorema berikut. Teorema 4.4. Misalkan I R suatu interval, dan f : I R fungsi monoton tegas dan kontinu pada I. Bila J = f(i) dan g : J R monoton tegas dan kontinu, invers fungsi f. Bila f terdiferensial di c I dan f (c) 0, maka g terdiferensial di d := f(c), dimana g (d) = 1 f (c) = 1 f (g(d)). (4.13) Bukti. Dapat dilihat pada buku teks. Untuk sementara dilewatkan dulu memahami buktinya, tapi pahami dulu maksud teoremanya. Untuk memahami teorema ini, beberapa istilah: fungsi kontinu, monoton tegas, fungsi invers harus dipahami kembali. 8

9 Contoh 4.5. Misalkan n N, I := [0, ) dan misalkan f(x) = x n. Dengan mudah dapat dimengerti bahwa f monoton tegas dan kontinu pada I, sehingga inversnya ada yaitu g(y) = y 1/n untuk y J := [0, ) juga monoton tegas, kontinu. Diketahui pula f (x) = nx n 1 untuk semua x I. Jadi berdasarkan hal ini, jika y > 0 maka g (y) ada, yaitu g 1 (y) = f (g(y)) = 1 n (g(y)) n 1 = 1 n ( y 1/n) n 1 = 1 ny (n 1)/n. Akhirnya disimpulkan g (y) = 1 n y(1/n) 1, y > 0. Soal-soal yang dipecahkan 1. Gunakan denisi untuk menentukan derivatif fungsi berikut a) f(x) := x 3, x R b) k(x) := 1 x, x > 0 Penyelesaian. Untuk (a), ambil sebarang c R. Diperoleh f (c) : x 3 c 3 ()(x 2 + xc + c 2 ) = c 2 + c c + c 2 = 3c 2. Ada beberapa langkah yang sengaja tidak diberikan secara eksplisit. Tugas mahasiswalah yang harus melengkapinya. Jadi f (x) = 3x 2 untuk setiap x R. Untuk (b), diambil sebarang c > 0. Didapat k (c) : k(x) k(c) 1 x 1 c ( c x) () xc ( c x) xc( x c)( x + c) 1 = 1 xc( x + c) c 2 c = 1 2c c. Karena bentuk ini terdenisi untuk setiap c > 0 maka diperoleh k (x) = 1 2x x, x > Tunjukkan fungsi f(x) := x 1/3, x R tidak terdiferensial di x = 0. 9

10 Penyelesaian. Dibentuk pecahan yang mengarah pada f (0), yaitu f(x) f(0) x 0 = x1/3 0 x = 1 x 2/3. 1 Selanjutnya tunjukkan bahwa lim x 0 tidak ada (Petunjuk: gunakan kriteria barisan untuk limit!). Karena lim x 0 x 0 x 2/3 f(x) f(0) tidak ada maka disimpulkan f (0) tidak ada. 3. Misalkan fungsi f terdenisi pada R dengan x 2 jika x rasional f(x) := 0 jika x irrasional. Buktikan f terdiferensial di 0, dan tentukan f (0)! Penyelesaian. Berdasarkan denisi fungsi ini diperoleh f(0) = 0., diperoleh bentuk f(x) f(0) x 0 = f(x) x f(x) x = x jika x rasional 0 jika x irrasional. Diperhatikan f(x) Selanjutnya, ditunjukkan lim x 0. Misalkan (x n) barisan yang konvergen ke 0, maka diperoleh barisan f(x n ) x n = Jadi apapun kasusnya barisan dan f (0) = 0. ( x ) f(xn) x n x n 4. Tentukan turunan dan sederhanakanlah! a) f(x) := x 1+x 2 b) h(x) := ( sin x k) m, m, k N. sebagai berikut jika x n rasional 0 jika x n irrasional. ( ) f(xn) x n konvergen ke 0. Terbukti limitnya ada Penyelesaian. Untuk (a) dikerjakan sendiri, cukup gunakan aturan turunan hsil bagi. Untuk (b), digunakan aturan rantai berikut : h (x) = m(sin x k ) m 1 d (sin x k) = m(sin x k ) m 1 cos x k d (x k) = m(sin x k ) m 1 cos x k kx k 1 = kmx k 1 (sin x k ) m 1 cos x k. 10

11 5. Misalkan n N dan f : R R didenisikan sebagai berikut x n untuk x 0 f(x) := 0 untuk x < 0. Tentukan nilai n apa saja yang membuat fungsi ini kontinu di 0. Pertanyaan yang sama yang membuat fungsi ini terdiferensial di 0. Penyelesaian. Syarat kontinu di 0: lim x 0 f(x) = f(0) = 0. Agar syarat ini dipenuhi maka haruslah lim x 0 x n = 0. Syarat ini otomatis dipenuhi untuk setiap bilangan aslin. Jadi fungsi ini kontinu untuk setiap n N.Untuk keterdiferensialan di 0, diperhatikan bentuk berikut f(x) f(0) = f(x) x 0 x = x n 1 jika x 0 0 jika x < 0. Agar f f(x) f(0) (0) ada maka haruslah lim x 0 x 0 nilainya haruslah nol. Jadi, harus dipenuhi ada. Agar limit ini ada maka lim x 0 xn 1 = 0. Keadaan ini hanya dipenuhi oleh n = 2, 3,. dipenuhi?) (Mengapa n = 1 tidak 6. Misalkan f : R R terdiferensial di c dan f(c) = 0. Buktikan g(x) := f(x) terdiferensial bila hanya bila f (c) = 0. Penyelesaian. 11