DERET PANGKAT TAK HINGGA

TEOREMA-TEOREMA PENTING TERKAIT DERET PANGKAT

TEOREMA-TEOREMA PENTING1. Integrasi dan diferensiasi deret pangkat dapat dilakukan per suku, yaitu:q

p

Cn ( x a) dx = Cn ( x a) n dx, p, q x a rn q n =0 n =0 p

d d n Cn ( x a) = Cn ( x a) n dx dx n =0 n =0 dx

2.

Selang konvergensi seragam deret pangkat yang dihasilkan, sama seperti yang semula. Untuk kedua titik ujungnya, perlu diselidiki. Dua deret pangkat dapat di-jumlah/kurang-kan, dan diperkalikan; deret yang dihasilkan memiliki selang konvergensi masingmasing deret. Jadi, misalkan I1 dan I2 selang konvergensi masingmasing deret, maka selang konvergensi deret yang dihasilkan adalah I1 I 2 ( lambang teori himpunan bagi irisan).

3. Dua deret pangkat dapat pula dibagi asalkan penyebutnya tak-nol di x = a, atau nol di x = a, tetapi tercoretkan (seperti ln(1x+ x) pada 2.22). Selang konvergensinya harus dicari kembali. 4. Suatu deret pangkat dapat disisipkan ke dalam deret pangkat lainnya, asalkan selang konvergensi deret yang disisipkan terkandung dalam deret lainnya. Jadi, misalkan I1 selang konvergensinya I2, maka I1 I 2 ( lambang teori himpunan bagi himpunan bagian).

5. Pernyataan suatu fungsi f(x) dalam deret pangkat konvergen, adalah tunggal. Artinya ada satu pernyataan deret pangkat untuk satu fungsi, sejauh variabel x berada dalam selang konvergensi deret.

URAIAN TAYLOR SEBUAH FUNGSI Suatu fungsi S(x) yang diketahui, dapat pula dinyatakan dalam suatu deret pangkat. Kenyataan ini menguntungkan, karena deret pangkat sangat mudah ditangani secara analitis, ketimbang fungsi S(x) sendiri. Misalnya, dalam perhitungan integral dari fungsi S(x), bila seandainya S(x) adalah suatu fungsi rumit yang integralnya tak terdapat dalam tabel integral.

Sebagai contoh, integral tentu berikut:

1

0

sin x 2 dx

Muncul dalam praktik, yaitu pada persoalan difraksi Fresnel gelombang cahaya oleh sebuah celah. Integral jenis ini tak terdaftarkan dalam tabel integral, karena hasilnya tak dapat diungkapkan dalam pernyataan suatu fungsi primitif tertentu. Dalam pasal ini akan dibahas bagaimana integral jenis ini dan perhitungan numerik (secara angka) lainnya dengan menggunakan metode deret pangkat.

Menguraikan sebuah fungsi f(x) yang diketahui atas deret pangkat. Secara umum, kita tulis

f ( x) = C0 + C1 ( x a ) + C2 ( x a) + L + Cn ( x a ) + L2 n

Tetapan a dapat pula bernilai nol.

Masalah selanjutnya adalah:

a. Menentukan nilai-nilai koefisien Cn, sebagai fungsi dari n, sehingga penulisan di atas berupa suatu identitas (berlaku bagi semua nilai x). b. Menentukan selang konvergensi deret pangkatnya dalam identitas (a) berlaku.

Dengan menerapkan teorema diferensiasi deret pangkat pada (2.31), kita peroleh:f (a ) = C0 + C1 (0) + C2 (0) 2 + L + Cn (0) n + L = C0 f ' (a ) = 0 + C1 + 2C2 (0) + L + nCn (0) n 1 + L = C1 f " (a ) = 0 + 0 + 2.1C2 + L + n(n 1)Cn (0) n 2 + L = 2!C2 ................................................................................ f n (a ) = 0 + 0 + 0 + L + n!Cn + 0 + L = n!Cn

Jadi:1 (n) Cn = f ( a ) n!

Dengan demikian,f ( x) = f (a ) + f ' (a )( x a ) + 1 f " (a )( x a ) 2 + L 2! 1 n + f (a )( x a ) n + L n!

f ( x) =

1 n f (a )( x a ) n n = 0 n!

Pernyataan deret dari fungsi

Selang konvergensi Semua nilai x

x3 x5 x7 1. Sin x = x + + ..., 3! 5 ! 7 !x2 x4 x6 2. Cos x = 1 + + ..., 2! 4! 6!x 2 x3 x 4 3. e = 1 + x + + + + ..., 2 ! 3! 4 !x

Semua nilai x

Semua nilai x -1 < x 1

x 2 x3 x 4 4. ln (1 + x ) = x + + ..., 2 3 4

5. (1 + x )

p

p( p 1)x 2 p ( p 1)( p 2 )x 3 = 1 + px + + + ..., |x| < 1 2! 3!

Disebut deret Binomial, dengan p adalah bilangan real positif atau negatif

Teknik-teknik untuk mendapatkan pernyataan deret suatu fungsiA. Perkalian suatu deret dengan suatu polinomial atau perkalian deret dengan deret Contoh 1 Untuk mencari pernyataan deret dari : Maka kita lakukan perkalian

(x + 1)

(x + 1)sin xDengan deret

sin x Sbb :

x3 x5 (x + 1)sin x = (x + 1) x + L 3! 5! x3 x 4 2 (x + 1)sin x = x + x L 3! 3!

Contoh 2 Untuk mencari pernyataan deret dari : Maka kita lakukan perkalian deret

e x cos xDengan deret

ex

cos x

Sbb :

B. Pembagian suatu deret dengan deret lainnya atau dengan suatu polinomial Contoh 1 Untuk mencari pernyataan deret dari : Maka kita lakukan pembagian

ln (1 + x )

1 ln (1 + x ) xDengan deret

x

Sbb :

Contoh 2 Untuk mencari pernyataan deret dari :

1 1+ x

Maka kita lakukan pembagian 1

Dengan

(1 + x )

Sbb :

Contoh 3 Untuk mencari pernyataan deret dari : Maka kita lakukan pembagian deret

tan xsin xdengan deret

cos x

Sbb :

C. Menggunakan deret Binomial Contoh 1 Untuk mencari pernyataan deret dari : Digunakan deret Binomial Sbb :

1 x +1

(contoh B2)

Hasilnya sama dengan contoh B2

D. Substitusi suatu polinomial atau suatu deret untuk variabel dalam deret lain Contoh 1 Untuk mencari pernyataan deret dari : Maka kita lakukan substitusi

e

x2

x 2 pada variabel x dalam deret

e x Sbb :

Contoh 2 Untuk mencari pernyataan deret dari :

e tan x

kita lakukan substitusi sbb :

E. Metode Kombinasi Contoh 1 Untuk mencari pernyataan deret dari : Digunakan metode Sbb : karena

arc tan x

Kita tuliskan

1 1+ t 2

Sebagai deret Binomial sbb :

sehingga

Soal latihan

ex 1. 1 x2. sec x

1+ x dt 3. ln = 1 x 0 1 t2x

e x + e x 4. cosh x = 2

E. Uraian Taylor melalui uraian Mc-Laurin Contoh 1 Untuk mencari pernyataan deret taylor dari fungsi disekitar x = 1, kita tuliskan:

ln x

Lalu gunakan uraian McLaurin untuk :

x 2 x3 x 4 ln(1 + x ) = x + + ..., 2 3 4Kemudian ganti x dengan (x-1), didapat :

(x 1)2 + (x 1)3 (x 1)4 + ..., ln x = ln (1 + ( x 1)) = ( x 1) 2 3 4

Contoh 2 Cari uraian Taylor dari fungsi Kita tuliskan:

cos x

di sekitar x = 3

2

Lalu gunakan uraian McLaurin untuk :

x3 x5 x7 Sin x = x + + ..., 3! 5 ! 7 !Kemudian ganti x dengan (x - 3/2), didapat :

( Cos x = Sin (x 3 ) = (x 3 ) 2 2

x 3 3!

2 +

) (3

x 3 5!

2

)

5

+ ...

Soal LatihanCari uraian Taylor dari fungsi-fungsi berikut melalui uraian McLaurin :

1. f ( x ) =

1 disekitar a = 1 x

2. f ( x) = x disekitar a = 25

Beberapa penggunaan deretA. Perhitungan secara numerik Contoh 1 hitunglah di x = 0,0015

Contoh 2

hitunglah

Lakukan diferensiasi empat kali dan masukan x=0,1, didapat :

B. Penjumlahan deret Contoh 1 hitunglah Mulai dengan deret :

Ambil x = 1

Jadi

1 1 1 1 + + .... = 0,69 2 3 4

Soal latihan

1 1 1 1. 1 + + .... = ..... 3 5 7

Gunakan

arc tan x

2.

2 4 63! 5! + 7!

.... = .....

Gunakan

sin x x

3.

(ln 3)2 + (ln 3)3 + .... = ..... ln 3 +2! 3!

Gunakan

ex 1

C. Menghitung integral tertentu Contoh : hitunglah Mulai dengan deret :Integral Fresnel, dijumpai pada persoalan Difraksi Fresnel

x 6 x10 sin x 2 = x 2 + .... 3! 5!

Jadi

D. Menghitung Limit Contoh : hitunglah Jawab :

Soal latihan0 , 01

1.

0

t e t dt

d 3 x 2e x di x = 0,01 2. 3 dx 1 x

ln (1 x ) 3. lim x 0 x

E. Menentukan nilai e Gunakan pernyataan deret pangkat untuk

ex

dengan x = 1

x 2 x3 x 4 e x = 1+ x + + + + ..., 2 ! 3! 4 ! 12 13 14 e = 1 + 1 + + + + ..., 2 ! 3! 4 !

e = 2 + 0,5 + 0,17 + 0,... + ... = 2,718..

F. Menentukan akar suatu bilangan Tentukanlah niali Deret Binomial :

9

dengan deret Binomial

(1 + x ) p

p( p 1)x 2 p ( p 1)( p 2 )x 3 = 1 + px + + + ..., 2! 3!9dengan

Kita tidak bisa menulis

1+ 8

atau

(1+ 8)1/ 2

Karena konvergensi deret Binomial adalah

x > c

Jadi nilai

92 1/ 2

(9)

1/ 2

10 2 = 9 2 10

(9)1/ 2

36 = 5 100

1/ 2

100 64 = 5 100 100

1/ 2

= 5(1 0,64 )

1/ 2

(9)1/ 2

2 1(0,64 ) = 5 1 + 0,5( 0,64) + ... = 3 8

Itulah hasilnya

Aplikasi Deret Pangkat pada Persoalan FisikaContoh 1 Selesaikan dengan menggunakan metode deret pangkat yang cocok ! Sebuah kereta luncur bermassa m berada pada sebuah jalur tanjakan dengan sudut kemiringan terhadap horizontal. Di dekat bagian bawah jalur terdapat sebuah tiang bermuatan listrik positif. Muatan yang positif yang sama ditempatkan pula di atas kereta. Jika gesekan kereta luncur dengan lintasan diabaikan dan diasumsikan percepatan gravitasi g, berapakah besar gaya tolak Coulomb (F) yang diperlukan agar kereta luncur tersebut tetap diam di tempatnya. Petunjuk tuliskan F dalam deret pangkat dari .

Aplikasi Deret Pangkat pada Persoalan FisikaSolusi : Agar kereta tetap di tempatnya, maka :

F = 0FC = Fw sin FC = mg sin 3 5 FC = mg + + .... 3! 5!

Solusi Persamaan Diferensial Biasa (PDB) dengan Metode Deret PangkatCari solusi PDB berikut :

y ' = 2 xyDengan metode pemisahan variabel

dy = 2 xy dx

dy = 2 xdx y

dy y = 2 xdx

ln y = x 2 + ln c

y = Ce

x2

Solusi Persamaan Diferensial Biasa (PDB) dengan Metode Deret PangkatMencari solusi dengan metode deret pangkat, dimulai dengan :

y = a0 + a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 + a4 x 4 + ...PDB yang dicari solusinya berorde satu (y), maka perlu dicari y :

y ' = a1 + 2a2 x + 3a3 x 2 + 4a4 x 3+ ...PDB :

y ' = 2 xy

y ' 2 xy = 0

y ' = a1 + 2a2 x + 3a3 x 2 + 4a4 x 3+ ...

2 xy =

2a0 x 2 a1 x 2 2a2 x 3 + ...2 3

0 = .... + ...... x + ...... x + ...... x + ....

+

Solusi Persamaan Diferensial Biasa (PDB) dengan Metode Deret PangkatBuat matriks seperti berikut :

x0

x

x2

x3

y'

a1

2a2

3a 3

4a4

2 xy+

0

2 a0

2 a1

2a2

0 = (a1 0 ) + (2 a 2 2 a0 ) + (3a3 2 a1 ) + (4 a 4 2 a 2 )+ ....didapat :

a1 0 = 0

2a2 2a0 = 0

a1 = 0

a 2 = a0

3a3 2a1 = 0

a3 = 2 a1 = 0 3

4 a4 = 2 a2 a 4 = 2 a 2 = 1 a0 4 2

Solusi Persamaan Diferensial Biasa (PDB) dengan Metode Deret PangkatDengan demikian :

y = a0 + a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 + a4 x 4 + ...

1 1 4 5 y = a0 + 0 x + a0 x + 0 x + a0 x + 0 x + a0 x 6 + .... 2 3 1 1 2 4 y = a0 + a0 x + a0 x + a0 x 6 + .... 2 3 x4 x6 2 y = a0 1 + x + + + .... 2 3 2 3

y = a0 e

x2

Sama dengan hasil sebelumnya

Soal LatihanCari solusi PDB Berikut dengan metode deret pangkat

1. y ' = 3 x 2 y2. y ' = xy + x3. y ' ' + y = 4 sin 3x

SELESAITERIMA KASIH