Teorema Dasar Kalkulus [PDF]

Citation preview

Teorema dasar kalkulus Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas Langsung ke: navigasi, cari Teorema dasar kalkulus menjelaskan relasi antara dua operasi pusat kalkulus, yaitu pendiferensialan (differentiation) dan pengintegralan (integration). Bagian pertama dari teorema ini, kadang-kadang disebut sebagai teorema dasar kalkulus pertama, menunjukkan bahwa sebuah integral taktentu[1] dapat dibalikkan menggunakan pendiferensialan.



Topik di kalkulus Teorema dasar Limit fungsi Kekontinuan Kalkulus vektor Kalkulus matriks Teorema nilai purata Turunan Kaidah darab Kaidah hasil-bagi Kaidah rantai Turunan implisit Teorema Taylor Laju berhubungan Tabel turunan Integral Tabel integral Integral takwajar Pengintegralan dengan: bagian per bagian, cakram, silinder, substitusi, substitusi trigonometri, pecahan parsial



Bagian kedua, kadang-kadang disebut sebagai teorema dasar kalkulus kedua, mengijinkan seseorang menghitung integral tertentu sebuah fungsi menggunakan salah satu dari banyak antiturunan. Bagian teorema ini memiliki aplikasi yang sangat penting, karena ia dengan signifikan mempermudah perhitungan integral tertentu.



Penyataan yang pertama kali dipublikasikan dan bukti matematika dari versi terbatas teorema dasar ini diberikan oleh James Gregory (1638-1675)[2]. Isaac Barrow membuktikan versi umum bagian pertama teorema ini, sedangkan anak didik Barrow, Isaac Newton (1643-1727) menyelesaikan perkembangan dari teori matematika di sekitarnya. Gottfried Leibniz (1646–1716) mensistematisasi ilmu ini menjadi kalkulus untuk kuantitas infinitesimal. Teorema dasar kalkulus kadang-kadang juga disebut sebagai Teorema dasar kalkulus Leibniz atau Teorema dasar kalkulus Torricelli-Barrow.



Daftar isi [sembunyikan] • •



• • •



1 Intuisi 2 Pernyataan formal o 2.1 Bagian pertama o 2.2 Bagian kedua 3 Korolari 4 Contoh 5 Pembuktian bagian pertama



• • • • •



6 Pembuktian bagian kedua 7 Perampatan 8 Lihat pula 9 Catatan kaki 10 Referensi



•



11 Pranala luar



[sunting] Intuisi Secara intuitif, teorema ini dengan sederhana menyatakan bahwa jumlah perubahan infinitesimal suatu kuantitas terhadap waktu (atau terhadap kuantitas lainnya) akan menumpuk menjadi perubahan total kuantitas. Untuk memahami pernyataan ini, diberikan sebuah contoh: Misalkan sebuah partikel berpindah mengikuti garis lurus dengan posisinya diberikan sebagai x(t), dengan t adalah waktu dan x(t) berarti x adalah fungsi dari t. Turunan dari fungsi ini sama dengan perbuahan infinitesimal kuantitas, dx, per perubahan infinitesimal waktu, dt (tentu saja turunannya sendiri tergantung pada waktu). Didefinisikan pula perbuahan jarak per perubahan waktu ini sebagai kecepatan v partikel. Dalam notasi Leibniz:



Dengan menata ulang persamaan ini, terlihat bahwa:



Dengan logika di atas, sebuah perubahan x (atau Δx) adalah jumlah dari perbuahan infinitesimal dx. Ia juga sama dengan jumlah dari hasil kali infinitesimal dari turunan dan waktu. Penjumlahahan takterhingga ini adalah pengintegralan; sehingga operasi penginteralan mengijinkan pemulihan fungsi semula dari turunannya. Dengan pemikiran yang sama, operasi ini juga dapat bekerja terbalik ketika kita menurunkan hasil dari sb\ebuah integral untuk memulihkan turunan semula.



[sunting] Pernyataan formal Terdapat dua bagian teorema dasar kalkulus. Secara kasar, bagian pertama berkutat pada turunan sebuah antiturunan, sedangkan bagian kedua berkutat pada relasi antara antiturunan dan integral tertentu.



[sunting] Bagian pertama Bagian ini kadang-kadang dirujuk sebagai teorema dasar kalkulus pertama.



Misalkan f adalah fungsi bernilai real yang kontinu, didefinisikan pada sebuah interval tertutup [a, b]. Misalkan juga F adalah fungsi yang didefinisikan, untuk semua x pada [a, b], dengan



Maka F adalah kontinu pada [a, b], terdiferensialkan (differentiable) pada interval terbuka (a, b), dan



untuk semua x pada (a, b)



[sunting] Bagian kedua Bagian ini kadang-kadang dirujuk sebagai teorema dasar kalkulus kedua. Misalkan f adalah sebuah fungsi bernilai real yang kontinu, didefinisikan pada interval tertutup [a, b]. Misalkan juga F adalah antiturunan dari f, yakni salah satu dari fungsifungsi yang tak terhingga banyaknya yang untuk semua x pada [a, b],



Maka



[sunting] Korolari Misalkan f adalah fungsi bernilai real yang didefinisikan pada sebuah interval tertutup [a, b]. Misalkan juga F adalah sebuah fungsi yang untuk semua x pada [a, b],



Maka untuk semua x pada [a, b],



dan



[sunting] Contoh Misalkan kita perlu menghitung



Di sini, f(x) = x2 dan kita dapat menggunakan



sebagai antiturunan. Sehingga:



Atau lebih umumnya, misalkan kita perlu menghitung



Di sini, f(t) = t3 dan kita dapat menggunakan



sebagai antiturunan. Sehingga:



Namun hasil ini akan lebih mudah didapatkan apabila menggunakan:



[sunting] Pembuktian bagian pertama Andaikan



Misalkan terdapat dua bilangan x1 dan x1 + Δx pada [a, b]. Sehingga didapatkan



dan



Pengurangan kedua persamaan di atas menghasilkan



Bisa ditunjukan bahwa



(Jumlah dari luas wilayah yang bersampingan sama dengan jumlah kedua wilayah yang digabungkan.) Dengan memanipulasi persamaan ini, kita dapatkan



Substitusikan persamaan di atas ke (1), sehingga



Menurut teorema nilai antara untuk pengintegralan, terdapat sebuah c pada [x1, x1 + Δx] sehingga



Substitusikan persamaan di atas ke (2), kita dapatkan



Bagi kedua sisi dengan Δx, menghasilkan



Perhatikan pula ekspresi pada sisi kiri persamaannya adalah hasil bagi beda Newton untuk F pada x1. Dengan mengambil limit Δx → 0 pada kedua sisi persamaan:



Ekspresi pada sisi kiri persamaan adalah definisi turunan dari F pada x1.



Untuk mencari limit lainnya, kita gunakan teorema apit. c ada pada interval [x1, x1 + Δx], sehingga x1 ≤ c ≤ x1 + Δx. Juga,



dan



Sehingga menurut teori apit,



Substitusikan ke (3), kita dapatkan



Fungsi f kontinu pada c, sehingga limit dapat diambil di dalam fungsi. Oleh karena itu, kita dapatkan



yang menyelesaikan pembuktian (Leithold dkk., 1996)



[sunting] Pembuktian bagian kedua Ini adalah pembuktian limit menggunakan penjumlahan Riemann. Misalnya f kontinu pada interval [a, b], dan F adalah antiturunan dari f. Dimulai dengan kuantitas



Misalkan pula terdapat bilangan-bilangan x1, ..., xn sehingga



Maka



Sekarang kita tambahkan setiap F(xi) bersamaan dengan balikan aditif (inverse additive), sehingga kuantitas yang dihasilkan adalah sama:



Kuantitas di atas dapat ditulis sebagai penjumalhan berikut:



Kemudan kita akan menggunakan teorema nilai purata. Dinyatakan dengan singkat, Misalkan F kontinu pada interval tertutup [a, b] dan terdiferensialkan pada interval terbuka (a, b). Maka terdapat c pada (a, b) yang



Sehingga



Fungsi F terdiferensialkan pada interval [a, b]; sehingga ia juga terdiferensialkan dan kontinu pada setiap interval xi-1. Oleh karena itu, menurut teorema nilai purata,



Substitusikan persamaan di atas ke (1), kita dapatkan



Asumsi ini mengimplikasikan F'(ci) = f(ci). Juga, xi − xi − 1 dapat diekspresikan sebagai Δx dari partisi i.



Deret yang konvergen dari penjumlahan Riemann. Angka pada kanan atas adalah luas dari persegi panjang abu-abu. Ia konvergen ke intergal fungsi tersebut. Perhatikan bahwa kita sedang menjelaskan luas persegi panjang, dengan lebar kali tinggi, dan kita menggabungkan total semua luas persegi panjang tersebut. Setiap persegi panjang, dengan teorema nilai purata, merupakan pendekatan dari bagian kurva yang digambar. Juga perhatikan bahwa Δxi tidak perlulah sama untuk setiap nilai i, atau dengan kata lain lebar persegi panjang dapat berbeda-beda. Apa yang perlu kita lakukan adalah mendekatkan kurva tersebut dengan n persegi panjang. Semakin kecil partisi ini dan semakin besar n, maka kita akan mendapatkan luas wilayah kurva yang semakin mendekati nilai sebenarnya. Dengan mengambil limit ekspresi norma partisi mendekati nol, kita mendapatkan integral Riemann. Yakni, kita mengambil limit partisi yang terbesar mendekati nol dalam hal ukuran, sehingga partisi-partisi lainnya lebih kecil dan jumlah partisi mendekati tak terhingga. Maka kita mengambil limit pada kedua sisi (2). Kita dapatkan



Baik F(b) maupuan F(a) tidak bergantung pada ||Δ||, sehingga limit pada bagian sisi kiri tetaplah F(b) - F(a).



Ekspresi pada sisi kanan persamaan merupakan definisi dari integral terhadap f dari a ke b. Sehingga kita dapatkan:



yang menyelesaikan pembuktian.



[sunting] Perampatan Kita tidak perlu mengasumsikan kekontinuan f pada keseluruhan interval. Bagian I dari teorema menyatakan: Jika f adalah setiap fungsi terintegral Lebesgue pada [a, b] dan x0 adalah bilangan pada [a, b] sehingga f kontinu pada x0, maka



terdiferensialkan untuk x = x0 dengan F'(x0) = f(x0). Kita dapat melonggarkan kondisi f lebih jauh dan andaikan bahwa ia hanyalah terintegralkan secara lokal/setempat. Pada kasus ini, kita dapat menyimpulkan bahwa fungsi F terdiferensialkan hampir di manamana dan F'(x) = f(x) hampir di mana-mana. Ini kadang-kadang dikenal sebagai Teorema pendiferensialan Lebesgue. Bagian II dari teorema adalah benar untuk setiap fungsi terintegral (integrable fungction) Lebesgue f yang mempunyai sebuah antiturunan F (tidak semua fungsi terintegral mempunyainya). Versi teorema Taylor yang mengekspresikan suku galat (error term) sebagai sebuah integral dapat dilihat sebagai sebuah perampatan (generalization) dari teorema dasar. Terdapat sebuah versi teorema untuk fungsi kompleks: andaikan U adalah himpunan terbuka pada C dan f: U → C adalah fungsi yang mempunyai sebuah antiturunan holomorfik F pada U. Maka untuk setiap kurva γ: [a, b] → U, integral kurva dapat dihitung sebagai



Teorema dasar dapat dirampatkan ke integral kurva dan permukaan pada dimensi yang lebih tinggi dan pada manifold. Salah satu pernyataan yang paling kuasa (powerful) adalah teorema Stokes: Diberikan M sebagai manifold mulus sesepenggal dimensi n berorientasi dan ω adalah sebuah bentuk n−1, yakni bentuk diferensial yang disangga secara kompak pada M kelas C1. Jika ∂M menandakan sempadan M dengan orientasi terinduksinya, maka



Di sini manifold.



adalah turunan luar yang hanya terdefinisikan menggunakan struktur



Teorema ini seringkali digunakan dalam situasi ketika M adalah submanifold berorientasi terbenam (embedded oriented submanifold) dari manifold yang lebih besar di mana bentuk ω didefinisikan



[sunting] Lihat pula •



Diferintegral



[sunting] Catatan kaki



1. ^ Lebih tepatnya, teorema ini berkutat pada integral tertentu dengan limit atas variabel dan limit bawah sembarang. Jenis integral tertentu ini mengijinkan kita menghitung satu dari banyak antiturunan sebuah fungsi (kecuali untuk yang tidak nol). Oleh karena itu, ia hampir setara (ekuivalen) dengan integral taktentu, didefinisikan oleh kebanyakan penulis sebagai sebuah operasi yang menghasilkan salah satu antiturunan sembarang sebuah fungsi, meliputi yang tidak nol. 2. ^ See, e.g., Marlow Anderson, Victor J. Katz, Robin J. Wilson, Sherlock Holmes in Babylon and Other Tales of Mathematical History, Mathematical Association of America, 2004, p. 114.



[sunting] Referensi • • • •



•



Larson, Ron, Bruce H. Edwards, David E. Heyd. Calculus of a single variable. 7th ed. Boston: Houghton Mifflin Company, 2002. Leithold, L. (1996). The calculus 7 of a single variable. 6th ed. New York: HarperCollins College Publishers. Malet, A, Studies on James Gregorie (1638-1675) (PhD Thesis, Princeton, 1989). Stewart, J. (2003). Fundamental Theorem of Calculus. In Integrals. In Calculus: early transcendentals. Belmont, California: Thomson/Brooks/Cole. Turnbull, H W (ed.), The James Gregory Tercentenary Memorial Volume (London, 1939)