PENERAPAN TEOREMA TITIK TETAP BANACH

menggunakan Teorema Titik Tetap Banach maka penyelesaian tersebut selalu dapat dicari dengan teknik iterasi. Definisi 4.1.2 Diketahui X ruang metrik, R X f → : dan R X g → : adalah fungsi kontinu terbatas pada X. Didefinisikan jarak f dan g sebagai sup , x g x f g f d X x − = ∈ Teorema 4.1.1 Diketahui X ruang metrik dan CX ruang metrik dari fungsi kontinu terbatas pada X serta n f barisan fungsi dengan X C f n ∈ , untuk setiap n. Barisan n f konvergen ke fungsi f dalam CX jika dan hanya jika barisan n f konvergen seragam ke fungsi f pada X. Bukti: ⇒ Misalkan diketahui barisan n f konvergen ke fungsi f dalam CX maka , → f f d n untuk ∞ → n . Dengan kata lain untuk setiap ε terdapat N n ∈ sehingga ε ≤ − x f x f n , untuk setiap n n ≥ dan untuk setiap X x ∈ , sehingga ε ≤ − ∈ sup x f x f n X x , untuk semua n n ≥ , yaitu n f konvergen seragam ke fungsi f pada X. ⇐ Misalkan diketahui n f konvergen seragam ke fungsi f pada X berarti untuk setiap ε terdapat N n ∈ sehingga ε ≤ − x f x f n , untuk setiap n n ≥ dan untuk setiap X x ∈ maka ε ≤ − ∈ sup x f x f n X x , untuk semua n n ≥ . Dengan kata lain , → f f d n jika ∞ → n , yaitu barisan n f konvergen ke fungsi f dalam CX. Berikut ini diberikan kriteria Cauchy untuk kekonvergenan seragam fungsi Teorema 4.1.2 Diketahui n f adalah barisan fungsi dalam E, akan konvergen seragam dalam E jika dan hanya jika untuk setiap ε terdapat N dimana N n m ≥ , , E x ∈ berlaku ε ≤ − x f x f n ....................... Bukti : ⇒ Diketahui n f konvergen seragam dalam E, dan diketahui f merupakan fungsi limit. Terdapat N dimana N n ≥ , E x ∈ berlaku 2 ε ≤ − x f x f m n , Oleh karena itu ε ≤ − + − ≤ − x f x f x f x f x f x f m n m n Jika N n m ≥ , , E x ∈ . PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI ⇐ Diketahui kondisi Cauchy terpenuhi. Barisan { } n f yang konvergen, nilai limit dari setiap x adalah x f dan barisan { } n f konvergen dalam E ke f. Akan dibuktikan barisan { } n f yang konvergen tersebut seragam. Ambil ε dan pilih N yang memenuhi kondisi , anggap n tetap dan ∞ → m . Karena x f x f m → untuk ∞ → m , maka ε ≤ − x f x f m , untuk setiap N m ≥ dan E x ∈ . Selanjutnya akan diberikan teorema yang berguna dalam pembuktian Teorema Eksistensi dan Ketunggalan penyelesaian persamaan diferensial. Teorema 4.1.3 Jika X sebarang ruang metrik maka ruang metrik CX lengkap. Bukti: Diketahui { } n f adalah barisan Cauchy dalam CX. Ini berarti untuk setiap ε terdapat bilangan asli N sehingga ε , m n f f d untuk setiap N n m ≥ , Menurut Teorema 4.1.2 terdapat fungsi f dengan domain X sehingga { } n f adalah konvergen seragam ke f. Jadi f kontinu yang berarti f terbatas sebab terdapat n sehingga 1 − x f x f n , untuk semua X x ∈ dan n f terbatas. Dengan Demikian X C f ∈ dan karena f f n → seragam pada X, maka diperoleh , → m n f f d untuk ∞ → n . PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Lemma 4.1.1 Diketahui fungsi R D f → : kontinu, didefinisikan fungsi kontinu ϕ pada { } h x x h x x I + ≤ ≤ − = ke R dengan y x = ϕ untuk suatu D y x ∈ , . Fungsi ϕ merupakan penyelesaian dari persamaan diferensial , , x x f y x f dx dy ϕ = = pada I jika dan hanya jika ϕ memenuhi persamaan integral ∫ + = x x dx x x f y x f , ϕ . Bukti : Dengan mengintegralkan , x x f dx dy ϕ = di antara x dan x dengan syarat y x y = , selanjutnya Teorema Fundamental Kalkulus memberikan persamaan integral yang diberikan yaitu : dx dx dy x x ∫ = ∫ x x dy ∫ x x dy = x f x f − dx y x f x x ∫ , = y x f − x f = y + dx y x f x x ∫ , x f = ∫ + x x dx x x f y , ϕ PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Teorema 4.1.4 Teorema Eksistensi dan Ketunggalan Diberikan segiempat { } k y y h x x y x S ≤ − ≤ − = , , , M y x f ≤ , untuk suatu M0. Fungsi R S f → : kontinu dan memenuhi Kondisi Lipschitz terhadap y , diambil x tetap, yaitu 2 1 2 1 , , y y y x f y x f − ≤ − α , untuk semua , 1 y x dan S y x ∈ , 2 . Jika k Mh ≤ dan 1 h α maka terdapat dengan tunggal fungsi terdiferensial kontinu ϕ pada { } h x x h x x I + ≤ ≤ − = yang memenuhi y x = ϕ , dan , x x f dx dy ϕ = . Gambar 4.1.1 Bukti : Menurut Lemma 4.1.1 cukup dicari penyelesaian dari persamaan integral ∫ + = x x dt t t f y x , ϕ ϕ dengan k y x ≤ − ϕ , untuk setiap I x ∈ . a,b -a,b -a,-b a,-b R t Misalkan I C adalah ruang metrik dari fungsi kontinu terbatas pada I dan I C E ⊆ dimana berlaku k y x ≤ − ϕ , untuk setiap I x ∈ . Jika { } n ϕ barisan fungsi pada E yang konvergen ke fungsi I C ∈ ϕ maka ketaksamaan y y n n − + − ≤ − ϕ ϕ ϕ ϕ menunjukkan bahwa ϕ juga berada di E. Sehingga E adalah himpunan bagian tertutup dari I C dan menurut Teorema 2.3.5, E merupakan ruang metrik lengkap. Didefinisikan fungsi F pada E dengan aturan ψ ϕ = F dimana ∫ + = x x dt t t f y x , ϕ ψ , E ∈ ϕ . Diperoleh : y x − ϕ = k Mh x x M dt t t f x x ≤ − ≤ ∫ , ϕ , untuk setiap x sehingga ψ ϕ = F berada di E dan fungsi F memetakan ruang metrik E ke dirinya sendiri. Sekarang akan ditunjukkan bahwa F adalah fungsi kontraksi. Misalkan E ∈ 2 1 , ϕ ϕ dengan 1 1 ϕ ψ F = dan 2 2 ϕ ψ F = maka 1 2 x x ψ ψ − = ∫ ∫ − x x x x dt t t f dt t t f , , 1 2 ϕ ϕ = { } ∫ − x x dt t t f t t f , , 1 2 ϕ ϕ ≤ ∫ − x x dt t t 1 2 ϕ ϕ α ≤ 1 2 . sup x x t t I t − − ∈ ϕ ϕ α ≤ 1 2 , . ϕ ϕ α d h Oleh karena itu 1 2 1 2 , . , ϕ ϕ α ψ ψ d h d ≤ , 1 h α Terbukti bahwa F adalah fungsi kontraksi dan selanjutnya dengan menggunakan Teorema Titik Tetap Banach diperoleh bahwa fungsi F mempunyai titik tetap tunggal. Dengan kata lain persamaan integral ∫ + = x x dt t t f y x , ϕ ϕ mempunyai sebuah penyelesaian tunggal. Teorema ini sering kali disebut sebagai Teorema Eksistensi dan Ketunggalan Picard . Teorema ini dapat digunakan untuk mendapatkan barisan pendekatan yang konvergen ke penyelesaian dari , x x f dx d ϕ ϕ = , y x = ϕ Proses hampiran dimulai dengan fungsi konstan y x = ϕ . Selanjutnya, ∫ + = x x dt y t f y x , 1 ϕ ∫ + = x x dt t t f y x , 1 2 ϕ ϕ M ∫ − + = x x n n dt t t f y x , 1 ϕ ϕ Teknik hampiran ini dikenal dengan Metode Hampiran Berurutan Successive Approximation Method . Berikut ini akan diberikan beberapa contoh penerapan Teorema Eksistensi dan Ketunggalan Picard. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Contoh 4.1.1 Akan diselesaikan masalah nilai awal ϕ ϕ = dx d , 1 = ϕ Dengan teknik di atas didapat barisan : 1 = ϕ x dt x + = + = ∫ 1 1 1 ϕ 2 1 1 1 2 2 x x dt t x + + = + + = ∫ ϕ M 2 1 1 . 3 . 2 2 1 1 2 1 2 n x x x dt n t t t n x n n + + + + = − + + + + + = ∫ − K K K ϕ Jelas tampak bahwa { } n ϕ konvergen ke penyelesaian x e = ϕ masalah nilai awal tersebut karena n ϕ merupakan polinomial MacLaurin dari x e . Lemma 4.1.2 Test M-Weierstrass Diketahui x a n merupakan barisan dari fungsi k R S ⊂ ke m R dan n M merupakan barisan bilangan real sehingga n n S x n M x a a ≤ = ∈ ∞ sup untuk semua S a ∈ . Jika ∑ ∞ =1 n n M konvergen maka ∑ ∞ =1 n n x a konvergen seragam dalam S. Bukti : Untuk setiap S x ∈ , barisan x a n konvergen seragam karena PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI ∞ ≤ ∑ ∑ ∑ ∞ = ∞ = ∞ ∞ = 1 1 1 n n n n n n M a x a Kemudian akan dijumlahkan. Dimisalkan ∑ ∞ = = 1 n n x a x f . Maka untuk setiap S x ∈ , ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∞ + = ∞ + = ∞ ∞ + = ∞ + = = ≤ ≤ ≤ = − 1 1 1 1 1 k n n k n n k n n k n n k n n M a x a x a x a x f . Hasilnya tidak tergantung pada x. Kemudian lim lim 1 1 = ≤ − ∑ ∑ + = ∞ → ∞ = ∞ → k k n n k k n n k M a f Oleh karena itu, suku-suku ini akan konvergen seragam ke f. Contoh 4.1.2 Akan diselesaikan masalah nilai awal 1 x f x x f − + = ′ , [ ] 2 1 2 1 , − ∈ x , f =1 Pertama masalah nilai awal diubah ke persamaan integral. x f = ∫ − + + x dt t f t 1 1 = dt t f x x x ∫ − + + 2 2 1 1 , dengan [ ] 2 1 2 1 , − ∈ C f . Didefinisikan fungsi T dalam [ ] 2 1 2 1 , − C yang memetakan f menjadi f T dengan aturan dt t f x x x f T x ∫ − + + = 2 2 1 1 . Penyelesaian dari persamaan integral ini adalah titik tetap dari T. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI Menurut Teorema Titik Tetap Banach, akan dibuktikan bahwa T fungsi kontraksi. x g T x f T − = dt t g t f x ∫ − ≤ dt t g t f x ∫ − ≤ ∫ x dt g f d , = , g f d ∫ x dt ≤ 2 1 , g f d Maka , g T f T d ≤ 2 1 , g f d Jadi T adalah fungsi kontraksi. Menurut Teorema Eksistensi dan Ketunggalan, terdapat titik tetap f yang tunggal yang merupakan penyelesaian persamaan diferensial tersebut. Lebih lanjut untuk sebarang barisan fungsi n f dan 1 n n f T f = + akan konvergen ke f dalam [ ] 2 1 2 1 , − C . Sebagai contoh diambil f fungsi konstan satu yaitu 1 = x f . Maka, 2 2 1 2 1 1 1 2 1 1 x dt x x x f T x f x + = − + + = = ∫ 3 2 2 2 1 2 6 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 x x dt x x x x f T x f x − + = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − + + = = ∫ 4 3 2 3 2 2 2 3 24 1 6 1 2 1 1 6 1 2 1 1 2 1 1 x x x dt x x x x x f T x f x + − + = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + − + + = = ∫ Secara umum dengan menggunakan induksi matematika akan didapat 1 5 4 3 2 1 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 + − + + + − + − + = n n x n x x x x x f L Tampak bahwa barisan terdiri dari jumlah parsial suatu barisan tak hingga. Suku baru yang ditambahkan pada langkah ke-n adalah 1 1 1 + − + n x n , yang mana pada [ ] 2 1 2 1 , − memiliki norma maksimum 1 1 1 2 1 1 2 1 sup − + + ≤ + = + − n n x n n x . Oleh karena itu deret kuasa ini akan konvergen seragam dalam [ ] 2 1 2 1 , − menurut Test M-Weierstrass. Akan didapatkan ∑ ∞ = − + = − + = 1 k x k x e x k x x f Ini menunjukkan x e x + − merupakan penyelesaian tunggal dari persamaan integral di atas, Jelas bahwa x e x e x e x x x + − + = + − = ′ + − − − 1 1 dan 1 = + e yang berarti benar bahwa x e x f x + = − memenuhi masalah nilai awal tersebut. Terakhir akan diperkenalkan secara singkat mengenai perluasan penyelesaian persamaan diferensial, yang nantinya dapat dijadikan bahan skripsi seterusnya. Jika f terdefinisi dalam himpunan terbuka D dalam 2 R dan M , 1 M dari Teorema Eksistensi dan Ketunggalan Picard mencakup untuk semua D, maka penyelesaian ϕ dapat dibentuk beberapa segi empat di dalam D. Pada pembuktian teorema di atas ukuran h hanya tergantung pada M , 1 M , k dan tidak terhadap ϕ . Pada saat penyelesaian ϕ ditemukan dalam sebuah segi empat dengan pusat , y x , dapat dibentuk sebarang titik pada penyelesaian ini, anggap saja 1 1 , y x . Dengan melihat gambar 4.1.1, dapat dengan mudah menunjukkan penyelesaian baru akan selalu ada. Menggunakan sifat ketunggalan maka penyelesaian harus melewati segi empat sebelumnya. Selanjutnya dapat dibentuk segi empat lainnya yang memuat penyelesaian selama segi empat tersebut berada dalam D. Gambar 4.1.1

BAB V KESIMPULAN

Berdasarkan pembahasan pada bab-bab terdahulu diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Setiap pemetaan kontinu [ ] [ ] b a b a f , , : → mempunyai paling sedikit satu titik tetap, yaitu titik [ ] b a x , ∈ sehingga x x f = . 2. Diberikan d X , ruang metrik lengkap. Setiap fungsi kontraksi X X F → : mempunyai sebuah titik tetap yang tunggal. Teorema Titik Tetap Banach. Teorema ini memberikan syarat cukup suatu fungsi dari ruang metrik lengkap ke dirinya sendiri memiliki titik tetap. Selanjutnya titik tetap dapat dicari dengan teknik iterasi. 3. Teorema titik tetap Banach mempunyai banyak penerapan dalam berbagai ilmu. Di dalam bidang persamaan diferensial teorema titik tetap Banach digunakan untuk menunjukkan eksistensi dan ketunggalan penyelesaian persamaan diferensial linear orde satu , y x f dx dy = . Diberikan segiempat { } k y y h x x y x S ≤ − ≤ − = , , , M y x f ≤ , untuk suatu M0. Fungsi R S f → : kontinu dan memenuhi Kondisi Lipschitz terhadap y, diambil x tetap, yaitu 2 1 2 1 , , y y y x f y x f − ≤ − α , untuk semua , 1 y x dan S y x ∈ , 2 . Jika k Mh ≤ dan 1 h α maka terdapat dengan tunggal fungsi terdiferensial kontinu ϕ pada { } h x x h x x I + ≤ ≤ − = yang memenuhi y x = ϕ , k y x ≤ − ϕ dan , x x f dx dy ϕ = . Teorema Eksistensi dan Ketunggalan Picard. Daftar Pustaka Davidson, Kenneth, R. and Donsig, Allan, P. 2002. Real Analysis with Real Applications . New Jersey : Prentice Hall, Inc. Gordon, Russel A. 1997. Real Analysis: A First Course. Addison-Wisley Publishing Company. Kreyszig, Erwin. 1978. Introduction Functional Analysis with Application. New York : John Wiley dan Sons. Parzynski, R. William and Zipse, W. Philip. 1987. Introduction to Mathematical Analysis . McGraw-Hill Book Company. Protter, H. and Morrey, B. Charles, Jr 1997. A First Course in Real Analysis. New York : Springers-Verlag. Rudin,Walter. 1976. Principles of Mathematical Analysis, rd 3 edition. Tokyo: McGraw-Hill Kogakhusa. Shaskin, Yu.A. 1991. Fixed Point. USA:American Mathematical Society. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI