BARISAN BILANGAN REAL

Transkripsi

1 BAB 2 BARISAN BILANGAN REAL Di sekolah menengah barisan diperkenalkan sebagai kumpulan bilangan yang disusun menurut pola tertentu, misalnya barisan aritmatika dan barisan geometri. Biasanya barisan dan deret merupakan satu kesatuan pokok bahasan. Sekarang barisan dipahami dari sudut pandang analisis dan ia merupakan bentuk khusus dari fungsi. Sedangkan deret akan dibahas secara khusus pada bab yang lain. 2. Pengertian Barisan dan Limitnya Definisi 2... Barisan bilangan real adalah fungsi suatu fungsi dengan domain himpunan bilangan asli N dengan domain termuat didalam R. Jadi barisan adalah fungsi X : N R, dimana setiap n N nilai fungsi X(n) biasa ditulis sebagai X(n) := x n dan disebut suku ke-n barisan X. Notasi barisan yang sering digunakan dalam buku ini adalah X, (x n ), (x n : n N). Contoh 2... Beberapa barisan dan cara penulisannya : a. X := (2, 4, 6, 8, ) merupakan barisan bilangan genap. Dapat juga ditulis sebagai X := (2n : n N). b. Y := (, 2, 3, ). Dapat juga ditulis Y := ( n : n N). Dalam beberapa keperluan praktis, barisan didefinisikan secara rekusif atau induktif sebagai berikut { x, x 2,, x n diberikan, x n := f(x, x 2,, x n ). 22

2 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 23 c. Barisan Fibonacci adalah barisan yang berbentuk F := (,, 2, 3, 5, 8, ). Barisan ini dapat ditulis secara rekursif sebagai berikut : x :=, x 2 :=, x n := x n + x n 2, untuk n 3. Latihan 2... Berikut diberikan beberapa suku awal barisan (x n ). Seandainya pola seperti ini tetap, tentukan formula umum suku ke n nya. a. /2, 2/3, 3/4, 4/5,, b. /2, /4, /8, /6,, c., 4, 9, 6,, Latihan Diberikan barisan yang didefinisikan secara rekursif. Tentukan 5 suku pertamanya a. y := 2, y n+ := 2 (y n + 2/y n ), n. b. z :=, z 2 := 2, z n+2 := (z n+ + z n )/(z n+ z n ), n 3. c. x :=, y n+ := 4 (2y n + 3), n. Penulisan barisan menggunakan kurung biasa ( ) dimaksudkan untuk membedakannya dengan himpunan yang biasa ditulis menggunakan kurung kurawal { }. Pada himpunan, anggota yang sama cukup ditulis satu kali. Sedangkan pada barisan, suku-suku yang berbeda memungkinkan mempunyai nilai yang sama. Sebagai contoh ambil barisan (x n ) yang didefinisikan x n := ( ) n. Jadi barisannya adalah X := (,,,, ). Tetapi bila dipandang sebagai himpunan maka diperoleh himpunan X := {, }. Definisi 2..2 (Limit barisan). Misalkan X = (x n ) barisan bilangan real. Bilangan real x dikatakan limit dari (x n ) jika untuk setiap ε > 0 terdapat bilangan asli N (biasanya bergantung pada ε) sehingga x n x < ε untuk setiap n N. Jika x limit dari barisan X maka X dikatakan konvergen ke x dan ditulis lim X = x, atau lim(x n ) = x. Jika suatu barisan mempunyai limit kita katakan barisan itu konvergen. Sebaliknya jika tidak mempunyai limit kita katakan ia divergen.

3 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 24 Gambar 2.: Kekonvergenan barisan Diperhatikan pada definisi ini pernyataan x n x < ε dapat ditulis sebagai x ε < x n < x + ε. Ini berarti pada suatu saat, semua suku-suku barisan berada dalam kerangkeng (x ε, x+ε). Ilustrasi geometris barisan (x n ) yang konvergen ke x diberikan pada Gambar 2.. Kadangkala digunakan notasi x n x untuk menyatakan secara intuitif bahwa x n mendekati x bila n. Pada definisi ini kriteria x n mendekati x diukur oleh ε > 0, sedangkan kriteria n dicirikan oleh adanya bilangan asli N. Tidak adanya notasi n pada penulisan lim(x n ) dapat dipahami karena barisan yang dibahas adalah barisan takberujung, yaitu banyak sukunya takterhingga. Muncul pertanyaan apakah mungkin suatu barisan konvergen ke dua limit yang berbeda? Jawaban diberikan secara formal dalam teorema berikut. Teorema 2... Suatu barisan bilangan real hanya dapat mempunyai satu limit. Dengan kata lain, jika suatu barisan konvergen maka limitnya tunggal. Bukti. Andaikan barisan X := (x n ) mempunyai dua limit yang berbeda, katakan x a dan x b dengan x a x b. Diberikan ε := 3 x b x a. Karena lim(x n ) = x a maka untuk ε ini terdapat N a sehingga x n x a < ε untuk setiap n N a. Juga, karena lim(x n ) = x b maka terdapat N b sehingga x n x b < ε untuk setiap n N b. Sekarang untuk n maks {N a, N b } maka berlaku x a x b = x a x n + x n x b x n x a + x n x b < ε + ε = 2 3 x a x b. Akhirnya diperoleh x a x b < 2 3 x a x b suatu pernyataan yang kontradiksi. Pengandaian x a x b salah dan haruslah x a = x b, yaitu limitnya mesti tunggal.

4 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 25 Latihan Diberikan barisan bilangan real (x n ). a. Tuliskan definisi barisan (x n ) tidak konvergen ke x. b. Tuliskan definisi barisan (x n ) divergen. Pembahasan barisan di sini ditekankan pada pembuktian-pembuktian teoritis bukan pada aspek teknik komputasi. Membuktikan suatu barisan dengan limit telah diketahui lebih rumit daripada menentukan nilai limit suatu barisan. Contoh-contoh berikut memberikan gambaran bagaimana definisi digunakan untuk membuktikan kebenaran limit suatu barisan. Contoh Butkikan bahwa lim(/n) = 0. Penyelesaian. Disini kita mempunyai x n :=, dan x = 0. Diberikan ε > 0 n sebarang. Harus ditemukan bilangan asli N sehingga x n x = /n 0 = n < ε untuk setiap n N. Mudah saja, pada bentuk terakhir ketidaksamaan ini berlaku < ε. Diselesaikan, diperoleh n >. Jadi N cukup diambil sebagai bilangan asli terkecil n ε yang lebih besar dari. Sebagai contoh, misalkan diberikan ε := 0.03 maka ε = Jadi cukup diambil N := 77. Untuk meyakinkan dapat diperiksa ε bahwa x 77 = 0.030, x 78 = 0.028, x 79 = 0.027, x 80 = 0.025, x 8 = 0.023, x 82 = kesemuanya kurang dari Lebih telitinya x 77 = Contoh Buktikan lim ( n+ 3n+2) = /3. Penyelesaian. Disini kita mempunyai x n := ( n+ 3n+2) dan x = /3. x n x = n + 3n = 3n + 3 3n 2 3(3n + 2) = 3(3n + 2) Bentuk terakhir ini akan kurang dari ε bila (9n + 6)ε > 9n > 6ε ε n > 6 ε 9ε. Jadi N cukup diambil sebagai bilangan asli terkecil yang lebih besar dari 6 ε. 9ε Sebagai contoh, misalkan diberikan ε := 0.03 maka 6 ε = Jadi cukup 9ε

5 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 26 diambil N := 8. Agar lebih meyakinkan diambil beberapa nilai x n /3, untuk n = 8, 9, 0,, 2, hasilnya 0.028, 0.05, 0.004, , , yang kesemuanya kurang dari ε := Latihan Gunakan definisi limit barisan untuk membuktikan ( ) 3n + lim = 3 2n Tentukan bilangan asli terkecil N yang dapat diambil jika diberikan ε := , juga bila ε := Latihan Gunakan definisi limit barisan untuk membuktikan ( ) ( ) n n lim = 0. n 2 + Tentukan bilangan asli terkecil N yang dapat diambil jika diberikan ε := /4, juga bila ε := /6. Latihan Gunakan definisi limit barisan untuk membuktikan ( lim n ) = 0. n + Tentukan bilangan asli terkecil N yang dapat diambil jika diberikan ε := /4, juga bila ε := /6. Dari beberapa contoh dan latihan ini mestinya dapat disimpulkan bahwa semakin kecil ε > 0 yang diberikan maka semakin besar indeks N yang dapat diambil. Kenyataan ini sesuai dengan definisi bahwa semakin kecil ε > 0 maka semakin kecil lebar kerangkeng dan semakin lama pula suku-suku barisan dapat mulai mengumpul di dalam kerangkeng ini. Kekonvergenan barisan (x n ) ditentukan oleh pola suku-suku yang sudah jauh berada diujung. Walaupun pada awalnya suku-suku barisan berfluktuasi cukup besar namun bila pada akhirnya suku-suku ini mengumpul disekitar titik tertentu maka barisan ini tetap konvergen. Definisi Misalkan barisan X := (x, x 2, x 3,, x n, ) dipotong pada suku ke m dan dibentuk barisan baru X m := (x m+, x m+2, ) maka barisan X m disebut ekor ke m barisan X. Latihan Buktikan bahwa X konvergen bila hanya bila X m konvergen dan lim X = lim X m.

6 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 27 Pembuktikan limit barisan melalui definisi akan menjadi sulit bilamana bentuk barisan yang dihadapi cukup rumit. Melalui definisi dikembangkan alatalat sederhana yang dapat digunakan untuk membuktikan limit barisan, khususnya barisan yang mempunyai bentuk tertentu. Teorema 2..2 (Teorema Konvergen Terdominasi). Misalkan ada dua barisan bilangan real (a n ) dan (x n ). Jika ada C > 0 dan m N sehingga berlaku maka lim(x n ) = x. x n x C a n untuk semua n m dan lim(a n ) = 0 Bukti. Diberikan ε > 0. Karena lim(a n ) = 0 maka ada N a N sehingga a n < ε/c untuk setiap n N a. Jadi untuk setiap n N := maks {N a, m} berlaku Terbukti bahwa lim(x n ) = x x n x C a n < C(ε/C) = ε. Teorema ini biasa disebut teorema kekonvergenan terdominasi (TKD), karena kekonvergenan ini disebabkan karena terdominasi oleh barisan yang konvergen. Dalam penggunaan teorema ini harus dibangun barisan (a n ) yang konvergen ke 0 dan ditentukan konstanta positif C. Contoh Bila a > 0, buktikan barisan lim ( +na) = 0. Bukti. Karena a > 0 maka berlaku 0 < na < na +, dan akibatnya kita mempunyai na + < na. Selanjutnya, + na 0 = + na < ( a ) ( ). n Dengan mengambil C := /a dan a n = /n dan dikarenakan lim a n = 0 maka dengan teorema sebelumnya disimpulkan bahwa lim ( +na) = 0. Contoh Misalkan 0 < b <, buktikan lim(b n ) = 0. Bukti. Ambil a := b = > 0. Dapat ditulis b := b b ketidaksamaan Bernoulli berlaku dan diperoleh 0 < ( + a) n + na ( + a) n + na < na = ( a ) ( ). n (+a) dan dengan Latihan Misalkan c > 0, buktikan lim(c /n ) = 0. Latihan Buktikan lim(n /n ) =.

7 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI Sifat-sifat Barisan Konvergen Berikut ini diberikan sifat aljabar barisan konvergen. Sifat-sifat ini banyak digunakan dalam keperluan praktis terutama dalam menghitung nilai limit barisan. Sebelumnya diberikan sifat keterbatasan barisan konvergen. Definisi Barisan (x n ) dikatakan terbatas jika ada bilangan M > 0 sehingga x n M untuk setiap n N. Dengan kata lain, barisan (x n ) terbatas jika hanya jika himpunan {x n : n N} terbatas pada R. Contoh Barisan (/n : n N) terbatas dengan M =, (( ) n : n N) terbatas dengan M =, (n 2 : n N) tidak terbatas. Teorema Jika barisan (x n ) konvergen maka ia terbatas. Bukti. Diketahui barisan (x n ) konvergen, katakan lim(x n ) = x. Ambil ε := maka ada N N sehingga x n x < untuk setiap n N. Karena x n x x n x < maka berdasarkan sifat nilai mutlak diperoleh Bila maka berlaku yaitu (x n ) terbatas. x n < + x untuk setiap n N. M := max { x, x 2,, x N, + x } x n M untuk setiap n N, Catatan Barisan terbatas belum tentu konvergen. Barisan tidak terbatas pasti divergen. Contoh Diberikan barisan (( ) n : n N). Jelas barisan ini terbatas karena x n < untuk setiap n. Selanjutnya, kita buktikan barisan ini tidak konvergen. Andaikan ia konvergen, katakan lim(x n ) = a. Ambil ε :=, maka terdapat bilangan asli N sehingga ( ) n a < untuk setiap n N. Bilangan n N dapat berupa bilangan genap atau bilangan ganjil. Untuk n ganjil maka ( ) n =, sehingga diperoleh ( ) n a = a < 2 < a < 0. (*) Untuk n genap maka ( ) n =, sehingga diperoleh ( ) n a = a < 0 < a < 2. (**) Dua pernyataan (*) dan (**) saling kontradiksi, sehingga pengandaian salah. Jadi terbukti barisan (( ) n : n N) divergen.

8 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 29 Teorema Jika X := (x n ) dan Y := (y n ) dua barisan yang masing-masing konvergen ke x dan y maka (a). barisan X ± Y := (x n + y n ) konvergen ke x ± y, (b). barisan XY := (x n y n ) konvergen ke xy. (c). barisan cx := (cx n ) konvergen ke cx Bukti. (a) Untuk membuktikan lim(x n + y n ) (x + y), kita harus memberikan estimasi pada (x n + y n ) (x + y). Karena lim(x n ) = x dan lim(y n ) = y maka untuk ε > 0 yang diberikan terdapat N dan N 2 sehingga x n x < ε/2 untuk setiap n N dan y n y < ε/2 untuk setiap n N 2. Jadi untuk setiap n N := max{n, N 2 } diperoleh (x n + y n ) (x + y) = (x n x) + (y n y) x n x + y n y ε/2 + ε/2 = ε Dengan cara yang sama dapat dibuktikan (x n y n ) konvergen ke (x y). (b). Karena (x n ) konvergen maka ia terbatas, yaitu ada M > 0 sehingga x n M untuk setiap n N. Ambil M := max{m, y }. Karena lim(x n ) = x dan lim(y n ) = y maka untuk ε > 0 yang diberikan terdapat N dan N 2 sehingga x n x < ε/2m untuk setiap n N dan y n y < ε/2m untuk setiap n N 2. Jadi untuk setiap n N := max{n, N 2 } diperoleh x n y n xy = (x n y n x n y) + (x n y xy) = x n (y n y) + y(x n x) x n y y n + y x x n M x n x + M y n y M(ε/2M) + M(ε/2M) = ε. (c). Pernyataan ini dapat dibutkikan dengan cara membentuk cx n cx = c x n x. Bukti lengkapnya dapat diselesaikan sendiri. Catatan Pada sifat perkalian limit dua barisan dapat dikembangkan untuk perkalian sebanyak berhingga barisan, yaitu jika (a n ), (b n ),, (z n ) barisanbarisan konvergen maka berlaku lim ((a n )(b n ) (z n )) = lim(a n ) lim(b n ) lim(z n ). Khususnya jika barisan-barisannya sama, katakan ada sebanyak k barisan (x n ) maka lim(a k n) = (lim(a n )) k.

9 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 30 Teorema Misalkan X := (x n ) dan Y := (y n ) barisan konvergen, berturutturut ( ke x) dan y, y n 0 untuk setiap n N dan y 0 maka barisan hasil bagi X := x n Y yn konvergen ke x. y Bukti. x n x y n y = = = = x n y xy n y n y y n y x ny xy n y n y x ny x n y n + x n y n xy n y n y x n(y y n ) + y n (x n x) x n y n y y n y + y x n x Selanjutnya, kita perlu memberikan batas untuk suku xn y n y. Karena (x n) konvergen maka ada M > 0 sehingga x n M untuk setiap n N. Karena lim(y n ) = y maka diberikan ε := 2 y ada N N sehingga y n y < 2 y untuk setiap n N. Karena y n y y n y dan y n y < y maka 2 y n y < 2 y 2 y < y n < 3 2 y y n > 2 y untuk setiap n N. Jadi berlaku y n < 2 y untuk setiap n N. Dengan demikian kita mempunyai estimasi x n x y n y x n y n y y n y + y x n x < 2M y y 2 n y + y x n x. (*) Sekarang diberikan ε > 0 sebarang. Karena lim(y n ) = y dan lim(x n ) = x maka ada N 2, N 3 N sehingga x n x < y 2 ε untuk setiap n N 2, dan y n y < y 2 4M ε untuk setiap n N 3. Dengan mengambil N := max{n, N 2, N 3 } maka berdasarkan (*), diperoleh x n x y n y < ε/2 + ε/2 = ε untuk setiap n N.

10 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 3 Contoh Kita tunjukkan bahwa lim ( ) 2n+ n+5 = 2. Pertama kita ubah dulu ke dalam bentuk barisan konvergen, yaitu ( ) 2n + = 2 + /n n /n. Selanjutnya, diambil X := (2 + /n) dan Y := ( + 5/n). Jelas bahwa lim X = 2 dan lim Y = maka lim X Y = 2 = 2. Teorema Bila (x n ) barisan taknegatif, yaitu x n 0 untuk setiap n N maka lim(x n ) 0. Bukti. Andaikan kesimpulan ini salah, yaitu x := lim(x n ) < 0. Ambil ε := x > 0, maka ada K N sehingga x n x < x x < x n x < x = x n < 0, untuk semua n K. Khususnya untuk n = K berlaku x n < 0. Hal ini kontradiksi dengan hipotesis bahwa x n 0 untuk setiap n N. Teorema Jika (x n ) dan (y n ) barisan konvergen dan x n y n untuk setiap n N maka lim(x n ) lim(y n ). Bukti. Didefinisikan barisan (z n ) dengan z n := y n x n. Diperoleh (z n ) barisan taknegatif, dan selanjutnya digunakan Teorema sebelumnya. Teorema Bila (x n ) barisan konvergen dan a x n b untuk setiap n N maka a lim(x n ) b. Bukti. Bandingkan barisan (x n ) dengan barisan konstan (a) dan barisan (x n ) dengan barisan konstan (b), kemudian gunakan Teorema sebelumnya. Teorema berikut menjelaskan kekonvergenan suaru barisan yang terjepit oleh dua barisan yang konveregen ke limit yang sama. Teorema ini sangat bermanfaat dalam membuktikan limit barisan. Teorema (Teorema Konvergen Terjepit). Bila (x n ), (y n ) dan (z n ) barisan bilangan real yang memenuhi kondisi berikut (i) x n y n z n untuk setiap n N, (ii) lim(x n ) = lim(z n ) maka (y n ) konvergen dan lim(x n ) = lim(y n ) = lim(z n ).

11 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 32 Bukti. Misalkan w := lim(x n ) = lim(z n ). terdapat bilangan asli N dan N 2 sehingga Diberikan ε > 0 sebarang, maka x n w < ε untuk setiap n N dan z n w < ε untuk setiap n N 2. Bila diambil N := max{n, N 2 } maka berlaku Dari ini diperoleh x n w < ε dan z n w < ε untuk setiap n N. ε < x n w dan z n w < ε untuk setiap n N. Diketahui x n y n z n, dengan menambahkan w pada ketiga ruas diperoleh x n w y n w z n w untuk setiap n N. Dengan hasil sebelumnya, diperoleh ε < y n w < ε y n w < ε untuk setiap n N. Jadi terbukti lim(y n ) = w. Teorema ini dikenal dengan Teorema squeeze, atau Teorema kekonvergenan terjepit (TKJ). Contoh Buktikan lim ( ) sin n n = 0. Bukti. Diperhatikan untuk setiap bilangan asli n berlaku sin n. Karena itu diperoleh n sin n n n. Dengan mengambil x n = /n, y n = ( ) sin n n dan zn = /n maka dengan TKJ diperoleh lim ( ) sin n n = lim( /n) = lim(/n) = 0. Penggunaan selanjutnya TKJ ini akan banyak muncul pada pembahasan limit fungsi secara umum yang akan diberikan pada bab selanjutnya. Satu lagi alat cepat dan mudah untuk menyelidiki kekonvergenan barisan adalah uji rasio berikut. Teorema Misalkan (x n ) barisan bilangan real positif sehingga lim x n+ x n := L ada. Jika L < maka (x n ) konvergen dan lim(x n ) = 0.

12 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 33 Bukti. Karena (x n ) positif maka ( x n+ x n ) barisan taknegatif sehingga L 0. Jadi 0 L <. Misalkan r suatu bilangan dimana L < r <, ambil ε := r L > 0. Terdapat bilangan asli K sehingga x n+ L x n < ε := r L untuk setiap n K. Jadi untuk setiap n K berlaku x n+ x n < r x n+ < rx n, dan karena 0 < r < maka diperoleh Dengan mengambil C := x K r K 0 < x n+ < rx n < r 2 x n < < r n K+ x K. kita mempunyai 0 < x n+ < Cr n+. Karena 0 < r < maka lim(r n+ ) = 0 dan dengan menggunakan Teorema kekonvergenan terdominasi maka terbukti lim(x n ) = lim(x n+ ) = 0. Contoh Kita selidiki apakah barisan ( n2 2 n ) konvergen. Kita gunakan uji rasio, yaitu x n+ x n = = 2 (n + )2 2 n 2 n+ n 2 n 2 + 2n + n 2 = 2 ( + 2 n + n 2 ) Jadi L := lim 2 ( + 2 n + n 2 ) = /2 <, dan disimpulkan barisan ( n2 2 n ) konvergen dengan limit nol. Latihan Misalkan b >, selidikilah kekonvergenan barisan ( n b n ). Pada bagian akhir sub pokok bahasan ini diberikan dua hasil yang berguna untuk mempelajari materi yang akan datang. Teorema Jika barisan (x n ) yang konvergen maka (i) Barisan nilai mutlak ( x n ) konvergen dengan lim x n = lim(x n ). (ii) Jika x n 0 maka barisan ( x n ) konvergen dengan lim( ( lim(xn ) x n ) = ). Bukti. (i) Misalkan lim(x n ) = x. Kita telah mempunyai sifat nilai mutlak bahwa x n x x n x, untuk semua n N. Jadi kekonvergenan ( x n ) langsung diakibatkan oleh kekonvergenan (x n ).

13 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 34 (ii) Karena x > 0 maka x > 0. Selanjutnya dibentuk xn x = ( x n x)( x n + x) xn + x = x n x xn + x. (*) Karena x n + x x > 0 maka xn+ x x sehingga dari (*) diperoleh x n x ( ) x x n x. Karena x n x maka (x n x) 0, dan dengan menggunakan Teorema kekonvergenan terdominasi maka terbukti lim( x n ) = ( lim(xn ) x = ). 2.3 Barisan Monoton Terbatas (BMT) Sebelumnya sudah dibahas bahwa barisan konvergen pasti terbatas, tetapi barisan terbatas belum tentu konvergen. Pada bagian ini dibahas syarat cukup agar barisan terbatas konvergen. Definisi Suatu barisan (x n ) dikatakan monoton jika ia naik saja atau turun saja. Dikatakan naik jika x x 2 x n, atau x n x n+ untuk setiap n N dan dikatakan turun jika x x 2 x n, atau x n x n+ untuk setiap n N. Contoh Barisan (, 2, 3, 4,, n, ), (, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4, ) merupakan barisan yang naik. Barisan (,,,,, ), merupakan barisan yang 2 3 n turun. Barisan (a, a 2, a 3,, a n, ) turun jika a < 0, dan naik jika a > 0. Barisan (, +,,, ( ) n, ) merupakan barisan tidak monoton. Barisan konstan (2, 2,, 2, ) merupakan barisan naik dan juga turun. Barisan (7, 6, 2,, 2, 3, 4, ) dan ( 2, 0,,,,, ) merupakan barisan tidak monoton tapi pada akhirnya monoton. Teorema 2.3. (Teorema Konvergen Monoton). Jika barisan (x n ) monoton dan terbatas maka ia konvergen. Selanjutnya, (i) Bila (x n ) naik maka lim(x n ) = sup{x n n N} (ii) Bila (x n ) turun maka lim(x n ) = inf{x n n N}. Bukti. (i) Diketahui (x n ) naik dan terbatas. Ada M > 0 sehingga x n M x n M untuk semua n N. Jadi himpunan {x n : n N} terbatas diatas. Berdasarkan sifat supremum, himpunan ini selalu mempunyai supremum, katakan x := sup{x n : n N}. Selanjutnya akan ditunjukkan lim(x n ) = x.

14 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 35 Diberikan ε > 0 sebarang, maka x ε bukan lagi batas atas {x n : n N}. Jadi ada x K {x n } sehingga x ε < x K. Karena (x n ) naik dan x n < x untuk setiap n maka diperoleh x ε < x K x n < x < x + ε untuk setiapn K. Ini berakibat x ε < x n < x + ε atau x n x < ε untuk setiap n K, yaitu terbukti lim(x n ) = x. Bukti untuk bagian (ii) lihat latihan berikut. Latihan Lengkapi bukti bagian (ii) Teorema TKM di atas. Contoh Selidikilah apakah barisan (x n ) yang didefinsikan oleh konvergen atau divergen. x n := n Bukti. Jelas barisan ini monoton naik sebab x n+ = x n + n x n untuk setiap n N. Selanjutnya dibuktikan apakah barisan ini terbatas atau tidak. Untuk melihat pola barisan ini secara numerik, kita perhatikan suku ke n x n = n Komputasi numerik memberikan data sebagai berikut : x 0 = , x 00 = 5.874, x 000 = , x 0000 = , x = Terlihat bahwa kenaikannya sangat lambat sehingga berdasarkan data ini seolaholah suku-suku barisan ini akan menuju bilangan tertentu atau konvergen. Untuk suatu n diambil suku ke 2 n, yaitu x 2 n. Untuk n =, x 2 = +. Untuk n = 2, 2 x 2 2 = + + ( + ) Untuk n = 3, x2 3 = + + ( + ( 2 3 4) ). Secara umum diperoleh x 2 n = + ( ) ( n n ) 2 n > + ( ) ( n ) n 2 n = }{{} nsuku = + n 2. Jadi selalu ada suku pada barisan ini yang lebih besar dari bilangan real manapun sehingga barisan ini tidak terbatas dan disimpulkan barisan ini divergen. Sebagai ilustrasi diberikan bilangan real α = 500. Maka kita dapat menemukan suku yang lebih besar dari 500, yaitu suku ke Silahkan dicek!

15 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 36 Kekonvergenan barisan yang disajikan dalam bentuk rekursif lebih mudah diperiksa dengan menggunakan TKM. Contoh Misalkan (x n ) barisan yang didefinisikan secara rekursif sebagai berikut : { x :=, x n+ := 2x n untuk n. Selidikilah kekonvergenan barisan ini. Bila ia konvergen berapakah limitnya. Penyelesaian. Diperhatikan x = dan x 2 = 2. Jadi x < x 2 < 2. Secara intuitif, barisan ini monoton naik dan terbatas diatas oleh 2. Untuk menunjukkan klaim ini kita gunakan prinsip induksi matematika, yaitu menunjukkan bahwa berlaku x n < x n+ < 2. Kita baru saja membuktikan pernyataan ini berlaku untuk n =. Diasumsikan berlaku untuk n = k, yaitu kita mempunyai x k < x k+ < 2. Akibatnya, 2 2x k < 2x k+ < 4. Untuk n = k +, diperoleh Jadi berlaku < 2 x k+ = 2x k < 2x k+ := x k+2 < 4 = 2. x k+ < x k+2 < 2, yaitu berlaku untuk n = k +. Dengan demikian terbukti bahwa barisan ini monoton naik dan terbatas. Berdasarkan TKM barisan ini konvergen. Selanjutnya dihitung limitnya. Bila supremum himpunan {x n } mudah dicari maka limitnya langsung didapat, yaitu lim(x n ) = sup{x n }. Berdasarkan hasil perhitungan numeris 0 suku pertama barisan ini adalah.0000,.442,.688,.8340,.952,.957,.9785,.9892,.9946, Terlihat supremumnya adalah 2. Secara teoritis masih harus dibuktikan bahwa 2 benar-benar sebagai supremumnya. Cara kedua adalah dengan menggunakan sifat ekor barisan dan barisan akar. Misalkan x = lim(x n ), maka lim(x n+ ) = lim( 2x n ) = lim(2x n ) x = 2x x 2 = 2x x(x 2) = 0. Diperoleh x = 0 atau x = 2. Karena x n > maka nilai yang memenuhi adalah x = 2. Cara ketiga adalah dengan mengamati bahwa untuk limit ini menghasilkan bentuk akar kontinu berikut, lim(x n ) =

16 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 37 Misalkan x = maka diperoleh x 2 = 2x x(x 2) = 0 x = 0 atau x = 2. Ini memberikan hasil yang sama yaitu lim(x n ) = 2. Latihan Diberikan barisan (z n ) yang didefinisikan secara rekursif sebagai berikut : { z :=, z n+ := 4 (2z n + 3) untuk n. Selidikilah kekonvergenan barisan ini. Jika ia konvergen, hitunglah limitnya. Latihan Misalkan a > 0 dan z > 0. Didefinisikan z n+ := (a + z n ) /2. Selidikilah kekonvergenan barisan ini. Jika ia konvergen, hitunglah limitnya. Latihan Buktikan dengan menggunakan TKM, jika 0 < b < maka lim(b n ) = 0. Latihan Dengan menggunakan TKM untuk buktikan lim(c /n ) = dimana c > Barisan Bagian Pada bagian awal Bab ini telah diperkenalkan istilah ekor barisan. Ekor barisan ini merupakan bentuk khusus dari barisan bagian. Berikut ini diberikan definisi barisan bagian. Definisi Misalkan X := (x n ) barisan bilangan real dan misalkan diambil barisan bilangan asli naik tegas, yaitu r < r 2 < < r n < maka barisan X yang diberikan oleh (x r, x r2, x r3,, x rn, ) disebut barisan bagian dari X. Barisan bagian ini ditulis X := (x rn : n N). Contoh Diberikan barisan X := (,,,,, ). Beberapa barisan 2 3 n bagian dari X adalah (a) X := ( 2, 4,, 2n, )., (b) X := (, 3, 5,, 2n, ). (c) X := ( 4, 5, 6,, n+3, ). Sedangkan berikut ini bukan merupakan barisan bagian X : (a) Y := (, 3, 2, 4, 3, ) (b) Y := ( 2, 2, 3, 3, ).

17 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 38 Gambar 2.2: Konstruksi barisan bagian Konstruksi barisan bagian ini diilustrasikan pada Gambar 2.2. Berdasarkan konstruksi ini terlihat jelas bahwa r n n untuk setiap n N. Kekonvergenan barisan bagian mengikuti kekonvergenan barisan induknya. Berikut ini Teorema kekonvergenan barisan bagian (TKBB). Teorema 2.4. (Teorema Konvergen Barisan Bagian). Jika barisan (x n ) konvergen ke x maka setiap barisan bagiannya konvergen ke x. Bukti. Diberikan ε > 0 sebarang. Karena (x n ) konvergen ke x maka ada bilangan asli K sehingga x n x < ε untuk setiap n K. Karena r n n untuk setiap n N maka berlaku pula x rn x < ε untuk setiap r n n K. Contoh Kita buktikan dengan menggunakan TKBB bahwa lim(c /n ) = dimana c > 0. Misalkan z n = c /n, diambil z 2n = c /2n = (c /n ) 2 = z 2 n sebagai barisan bagiannya. Ditulis z = lim(z n ), diperoleh lim(z n ) = lim(z 2n ) lim(z n ) = lim((z n ) 2 ) = (lim(z n )) 2 z = z 2 z(z ) = 0 z = 0 atau z =. Karena z n > 0 untuk setiap n dan (z n ) monoton naik (seharusnya sudah dibuktikan pada latihan sebelumnya) maka dimabil z =. Melalui TKBB kita dapat membuat kriteria barisan divergen. Diperhatikan kontraposisinya, jika ada dua barisan bagian konvergen tetapi limit keduanya tidak sama maka barisan induknya divergen.

18 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 39 Contoh Diperhatikan barisan X := (( ) n ) mempunyai dua barisan bagian X := (x 2n ) = (( ) 2n ) dan X := (x 2n ) = (( ) 2n ). Karena lim X = = lim X maka barisan (( ) n ) divergen, hasil yang sama seperti sebelumnya. Tidak semua barisan monoton, tetapi pada setiap barisan selalu dapat dikonstruksi barisan bagian yang monoton. Bila barisan induknya terbatas maka jelas setiap barisan bagian juga terbatas. Kosekuensi dari kenyataan ini diperoleh Torema terkenal berikut. Teorema (Teorema Bolzano-Wierestraß). Setiap barisan terbatas selalu memuat barisan bagian yang konvergen. Sebagai ilustrasi yang menjelaskan Teorema B-W ini diperhatikan barisan (( ) n ) merupakan barisan terbatas tetapi tidak konvergen. Dua barisan bagiannya yaitu (x 2n ) = (( ) 2n ) dan (x 2n ) = (( ) 2n ) konvergen, berturut-turut ke dan. 2.5 Barisan Cauchy dan Kontraksi Teorema konvergen monoton (TKM) yang sudah dibahas sebelumnya sangat berguna untuk menyelidiki kekonvergenan suatu barisan, namun ia memiliki keterbatasan karena hanya dapat diterapkan pada barisan yang monoton. Untuk barisan yang tidak monoton TKM tidak berguna sama sekali. Untuk itu pada bagian akhir Bab ini diberikan dua kriteria konvergenan tanpa syarat monoton. Definisi 2.5. (Barisan Cauchy). Barisan X := (x n ) disebut barisan Cauchy jika untuk setiap ε > 0 terdapat bilangan asli K, biasanya bergantung pada ε sehingga x n x m < ε untuk setiap m, m K. Lemma Barisan Cauchy selalu terbatas. Bukti. Misalkan X := (x n ) barisan Cauchy, dan diberikan ε :=. Terdapatlah bilangan asli K sehingga x n x m < untuk setiap m, n K. Khususnya, untuk m = K maka berlaku x n x K < x n < + x K untuk setiap n K. Ambil M := max{ x, x 2,, x K, + x K } maka diperoleh x n < M untuk setiap n N yaitu (x n ) terbatas.

19 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 40 Kriteria Cauchy untuk barisan diungkapkan pada Teorema berikut. Teorema Suatu barisan bilangan real adalah konvergen bila hanya bila ia barisan Cauchy. Bukti. ( ) Diketahui (x n ) konvergen, katakan lim(x n ) = x. Diberikan ε > 0 sebarang, maka ada bilangan asli K sehingga x n x < ε/2 untuk setiap n K. Jadi untuk setiap m, n K berlaku x n x m = (x n x) + (x x m ) x x n + x x m < ε/2 + ε/2 = ε. Terbukti (x n ) barisan Cauchy. ( ) Diberikan ε > 0 sebarang. Karena (x n ) Cauchy maka ada bilangan asli K sehingga x n x m < ε/2 untuk setiap m, n K. Berdasarkan Lemma 2.5., barisan Cauchy (x n ) ini terbatas dan berdasarkan Teorema Bolzano-Wierestraß terdapat barisan bagian (x rn ) yang konvergen, katakan lim(x rn ) = x. Oleh karena itu terdapat bilangan asli K 2 sehingga x rn x < ε/2 untuk setiap r n K 2. Bila diambil K := max{k, K 2 } maka keduanya berlaku x n x m < ε/2 dan x rn x < ε/2 untuk setiap n, m, r n K. Khususnya untuk m = K = r n berlaku x n x K < ε/2 dan x K x < ε/2 untuk setiap n K. Akhirnya diperoleh untuk setiap n K berlaku yaitu (x n ) konvergen ke x. x n x = x n x K + x K x x n x K + x K x < ε/2 + ε/2 = ε, Contoh Kita tunjukkan ( ) adalah barisan Cauchy. Diberikan ε > 0 n sebarang. Selalu ada bilangan asli K sehingga K > 2. Jadi untuk setiap m, n ε M berlaku < ε dan < ε. Jadi m 2 n 2 x m x n = /m /n /m + /n < 2/ε + 2/ε = ε, untuk setiap m, m K. Latihan Buktikan barisan ( n+ ( )n ) adalah Cauchy, tetapi barisan (n+ n bukan Cauchy. n )

20 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 4 Contoh Selidikilah kekonvergenan barisan (x n ) yang didefinisikan secara rekursif berikut : { x :=, x 2 := 2 x n := 2 (x n 2 + x n ) untuk n 2. Penyelesaian. Dapat ditunjukkan dengan induksi bahwa x n 2 untuk setiap n N. Apakah barisan ini monoton?. Coba perhatikan beberapa suku pertamanya berikut ini,.0000, ,.5000,.7500,.6250,.6875,.6563,.679,.664,.6680 Tidak ada indikasi barisan ini monoton sehingga TKM tidak dapat digunakan. Diperhatikan secara rekursif didapat x n x n+ = x n + 2 (x n x n ) = 2 x n x n = 2 x n x n = 2 2 x n x n 2 = 2 2 x n 2 x n. = 2 x n 2 x = 2. n Misalkan m > n, diperhatikan suku-suku ke n, n+, n+2,, m, m. Dengan menggunakan ketidaksamaan segitiga diperoleh x n x m = (x n x n+ ) + (x n+ x n+2 ) + (x n+2 x n+3 ) + + (x m x m ) x n x n+ + x n+ x n+2 + x n+2 x n x m x m = 2 + n 2 + n ( n+ 2 m 2 = + 2 n 2 + ) m n ( = ) 2 (/2) m n < 2 2 n 2 = n 2 n 2 Diambil K bilangan asli terkecil yang lebih besar dari (2 2 log ε), maka x n x m < ε untuk setiap m, m K. Terbukti barisan ini konvergen. Selanjutnya, limit barisan tidak dapat diperoleh dengan menggunakan sifat ekor barisan karena akan menghasilkan relasi x = (x + x). Relasi ini selalu benar tetapi tidak memberikan informasi apapun. 2

21 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 42 Sekarang digunakan TKBB. Ambil suku-suku ganjil (x 2n+ : n N). Untuk n = diperoleh x 3 = +. Karena x 2 4 = (2 + 3) = ( + + ), maka untuk n = 2 diperoleh x 5 = (x x 4 ) = + +. Karena x = + + +, maka untuk n = 3 diperoleh x 7 = Secara umum, dengan menggunakan induksi matematika dapat dibuktikan bahwa setiap bilangan asli n berlaku Berdasarkan ini diperoleh x 2n+ = n }{{} = + lim(x n ) = lim(x 2n+ ) = lim 2 deret geometri nsuku ( ( 4 )n) 3/4 = ( (/4n )). ( + 2 ) 3 ( (/4n )) = + 2/3 = 5/3. Latihan Misalkan y dan y 2 bilangan real sebarang dengan y < y 2. Didefinisikan y n := 3 y n y n 2 untuk n 2. Selidikilah kekonvergenan barisan (y n ), dan bila ia konvergen hitunglah limitnya. Satu lagi kriteria kekonvergenan barisan bilangan real yang diberikan pada penghujung Bab ini yaitu barisan kontraksi. Definisi Barisan bilangan real X := (x n ) dikatakan kontraksi jika ada bilangan real C dengan 0 < C < sehingga x n+2 x n+ < C x n+ x n untuk setiap bilangan asli n. Kita sebut saja bilangan C sebagai kontraktornya. Sifat kontraksi ini dapat dipahami sebagai berikut. Misalkan didefinisikan d n := x n+ x n yaitu magnitud atau jarak dari dua suku yang berdekatan. Bila barisan magnitud ini (d n ) turun secara tegas maka barisan (x n ) bersifat kontraksi. Ini berarti jarak antara dua suku berdekatan semakin lama semakin kecil. Teorema Bila (x n ) barisan kontraksi maka ia konveregen. Bukti. Cukup dibuktikan barisan kontraksi (x n ) merupakan barisan Cauchy. Pertama diperhatikan pola magnitud selisih yang didominasi oleh x 2 x x n+2 x n+ C x n+ x n CC x n x n = C 2 x n x n = C 2 C x n x n 2 = C 3 x n x n 2. C n x 2 x.

22 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 43 Sekarang kita melakukan estimasi untuk selisih x m x n, diasumsikan saja m > n. Seperti idea ketika menyelesaikan soal pada Contoh 2.5.2, diperoleh x n x m = (x n x n+ ) + (x n+ x n+2 ) + (x n+2 x n+3 ) + + (x m x m ) x n x n+ + x n+ x n+2 + x n+2 x n x m x m = x n+ x n + x n+2 x n+ + x n+3 x n x m x m ( C n + C n + C n+ + + C m 2) x 2 x }{{} (m n) suku deret geometri ( C = C n m n C ( C n C ) x 2 x ) x 2 x 0 sebab 0 < C <. Jadi disimpulkan bahwa (x n ) barisan Cauchy, dan akibatnya ia konvergen. Contoh Kita tunjukkan bahwa barisan (x n ) dengan x n = merupakan n barisan kontraksi. Diperhatikan x n+2 x n+ = n + 2 n + = (n + 2)(n + ) = (n + 2)(n + ) dan Karena kontraksi. x n+ x n = n + n = (n+2)(n+) < n(n + ) = n(n + ). n(n+) maka terbukti x n+2 x n+ x n+ x n, yaitu (x n ) Contoh Misalkan x suatu bilangan real dengan 0 < x <. Didefinisikan x n+ := 7 (x3 n + 2), n. Selidikilah apakah barisan ini konvergen. Bukti. Karena 0 < x < maka x n = 7 (x3 n + 2) < 3/7 < untuk setiap n N. Karena itu diperoleh x n+2 x n+ = 7 (x3 n+ + 2) 7 (x3 n + 2) = x 3 7 n+ x 3 n = 7 (x2 n+ + x x+ x n + x 2 n)(x n+ x n ) 3 7 x n+ x n.

23 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 44 Karena C = 3 < maka disimpulkan ia merupakan barisan kontraksi, jadi 7 konvergen. Karena konvergen, pertanyaan selanjutnya adalah berapa limitnya? Misalkan x := lim(x n ) maka diperoleh x 3 7x + 2 = 0, yaitu limit barisan ini merupakan salah satu akar polinomial x 3 7x + 2 = 0. Beberapa suku pertamanya adalah 0.5, , , , , Jadi dapat disimpulkan bahwa lim(x n ) Latihan Jika x < x 2 dan x n := 2 (x n 2 + x n ) untuk n 3, buktikan (x n ) konvergen. Berapakah limitnya. SOAL-SOAL LATIHAN BAB 2. Buktikan dengan menggunakan definisi limit barisan ( ) n a. lim 2 = 2n ( n ) b. lim = 0 n+ 2. Buktikan bahwa lim(x n ) = 0 bila hanya bila lim( x n ) = 0. Periksalah pernyataan ini untuk x n = ( ) n. 3. Jika lim(x n ) = x dan x > 0, tunjukkan bahwa ada bilangan asli M sehingga x n > 0 untuk setiap n M. 4. Buktikan bahwa lim ( (2n) /n) =. 5. Buktikan bahwa lim ( 2 n n! ) = Misalkan X dan Y suatu barisan. Jika X dan X + Y konvergen, buktikan Y juga konveregen. 7. Buktikan barisan ( ( ) ) n konvergen. 8. Buktikan barisan ( ( ) n n ) divergen. n 9. Hitunglah nilai limit berikut dan nyatakan secara eksplisit Teorema yang digunakan pada setiap langkahnya. a. lim ( (2 + /n) 2). b. lim ( n n+ ). 0. Buktikan lim ( ) sin n n = 0.

24 Pengantar Analisis Real I by Julan HERNADI 45. Misalkan x := a > 0 dan x n+ := 2 (x n ) konvergen dan hitunglah limitnya. x n untuk n 2. Buktikan bahwa 2. Misalkan x := a > 0 dan x n+ := x n + x n untuk n 2. Selidikilah kekonvergenan (x n ). Bila ia konvergen, berapa limitnya. 3. Selidikilah kekonvergenan barisan (y n ) yang didefinisikan oleh y n := n + + n n. 4. Sebelum tahun 500 SM, orang Mesopotamia menghitung akar suatu bilangan positif menggunakan iterasi berikut : Misalkan a > 0, didefinisikan { s :=, s n+ := 2 (s n + a/s n ) untuk n. Buktikan (s n ) konvergen ke a. Gunakan hasil ini untuk aproksimasi Misalkan x n := n 2. Buktikan barisan (x n ) monoton naik dan terbatas. 6. Diberikan barisan X := (x n ) dan Y := (y n ). Dibentuk barisan Z := (z n ) dengan cara z 2n := x n, dan z 2n := y n, untuk n. Buktikan Z konvergen bila hanya bila X dan Y konvergen dan lim(x n ) = lim(y n ). 7. Buktikan jika (x n ) dan (y n ) barisan Cauchy maka barisan (x n + y n ) dan (x n y n ) juga konvergen. 8. Jika 0 < r < dan x n+ x n < r n, buktikan (x n ) barisan Cauchy. 9. Bila (x n ) barisan kontraksi dengan konstanta C dan lim(x n ) = x, buktikan a. x n x Cn C x 2 x. b. x x n C C x n x n. 20. Diketahui suku banyak x 3 5x+ = 0 mempunyai salah satu akar r dengan 0 < r <. Buatlah barisan iterasi yang merupakan barisan kontraksi, kemudian aproksimasilah akar r ini dengan ketelitian