Definisi Barisan Tak Terhingga

  Ayundyah

  

  Deret Tak Terhingga

  

  Ayundyah Kesumawati

  Prodi Statistika FMIPA-UII

  

  April 29, 2015

  

  Ayundyah

  Barisan

  

   a

  1 , a 2 , a 3 , a 4 , ...

   adalah susunan bilangan-bilangan real yang teratur, satu untuk

   setiap bilangan bulat positif.

  Barisan Tak Terhingga adalah fungsi yang daerah asalnya adalah himpunan bilangan bulat positif dan daerah hasilnya

   adalah himpunan bilangan real. Barisan Tak Terhingga dapat

   dinotasikan sebagai a n .

  

  Ayundyah

  Definisi 1. Barisan a dikatakan konvergen menuju L, dan

  n

  ditulis sebagai

  

   lim a = L

  n n→∞

  

  Jika untuk tiap bilangan positif ε terdapat sebuah bilangan positif N yang bersesuaian, sedemikian rupa sehingga

   n

  n

  ≥ N ⇒ |a − L| < ε

  Barisan yang tidak konvergen menuju bilangan terhingga L

   sebarang dikatakan divergen atau menyebar.

  Ayundyah

  Misalkan a dan b adalah barisan-barisan konvergen dan k

  n n

  adalah konstanta. Maka:

  1. lim k = k n→∞

   lim ka a

  2. n→∞ n = klim n→∞ n

   lim a b

  3. n→∞ (a n n ) = lim n→∞ n n→∞ n

  ± b ± Lim lim a b

  

4. n→∞ (a n .b n ) = lim n→∞ n .Lim n→∞ n

   lim a

  n→∞ n

   lim b

  

5. n→∞ , asalkan lim n→∞ n

  6= 0 lim n→∞ b n

  

  Ekspresi matematika yang berbentuk

  Ayundyah

  a

  1 + a 2 + a 3 + a 4 + ...

  

  

  atau dalam notasi

  

   ∞

  X a

  k

   k =1 disebut deret tak terhingga dan bilangan real a disebut suku

  k

   ke k deret tersebut. Prakteknya, kita tidak mungkin melakukan

   penjumlahan dengan banyak suku tak berhingga, namun hanya

  

  mengambil berhingga banyak suku sebagai aproksimasinya.

  

  Perhatikan

  Ayundyah

   S

  1 = a

1 Hingga

  2

  X S a

  2 = a 1 + a 2 = k

  

  k =1

  

  3 X

   S

  3 = a 1 + a 2 + a 3 = a k

  

  k =1

   ..

  .

  

  n

  X

  

  S a

  n = a 1 + a 2 + a 3 + ... + a n = k Ayundyah ∞

  P a Barisan (S n ) disebut jumlah parsial ke n deret. Deret k

  

  k =1

   dikatakan konvergen dengan jumlah S jika barisan (S n )

  

  konvergen ke S, yaitu:

  

  

  ∞ n

  

  X X

  S a S a = k := lim n = lim k

  n→∞ n→∞

  

  =1 =1 k k

  

  ∞

   P

   Jika barisan (S n ) tidak konvergen maka deret disebut

  =1 k

   divergen.

  

  Ayundyah

  

  Sebelum masuk pada pendalaman teori lebih lanjut, perhatikan

  

  pengaruh suku-suku (a k ). Agar deret konvergen maka

  

  suku-suku ini haruslah menuju nol, ini merupakan syarat perlu bagi suatu deret konvergen. Tetapi sebaliknya, jika a k tidak

   menuju nol maka deret dipastikan divergen. Bayangkan apa

   yang terjadi kalau kita menjumlahkan tak terhingga banyak

   bilangan tak nol meskipun nilainya super kecil, tentulah

   hasilnya tak terhingga atau divergen.

  

  Contoh Tunjukkan bahwa deret

  Ayundyah ∞

  X

  1 k

  2

  =1 k

   konvergen. Perhatikan jumlahan parsial berikut

  

  1

  1 S

  

1 = =

  1

  2

  2

  1

  1

  3

  S

  2 = =

  

  2

  4

  4

  1

  1

  1

  7 S

  3 =

  = + +

  2

  4

  8

  8

  

  .. . Ayundyah

   Berdasarkan definisi jumlah deret tak terhingga diperoleh:

  

  1 S lim n = lim = 1

  1 − n

  n→∞ n→∞

  2

  

  Kita tunjukkan deret

  Ayundyah ∞ k

   Σ

  k =1

  (−1) divergen. Diperhatikan bahwa deret ini dapat diekspansi

  

  

  sebagai berikut

   ∞

k

  Σ

  =1 k (−1) = −1 + 1 − 1 + 1 − ...

   sehingga jumlah parsialnya diperoleh

   (

   jika n ganjil

  −1

   S n :=

  

  jika n genap

  

  Ayundyah

  

  Deret Teleskoping

  Kita tunjukkan deret

   ∞

  

  X

  1

  2

  k

  • k

  k =1

   konvergen.

  

  

  Ayundyah

  1

  1

  1 −1

  = = = + a

  k

2 Barisan Tak

  k k k k

  • k (k + 1) + 1

  

  Jadi, jumlah parsial n sukunya dapat disajikan sebagai berikut

   n n

  

  X X

  1

  1 −1

  

  S = = +

  n

  2

  k k k

  • k + 1

  

  k =1 k =1

  

  1

  1

  1

  1

  1

  1

  1 = + ... + + + 1 − − − −

  2

  2

  3

  3 4 n n + 1

  1

  1

  1

  1

  1

  1

  1 = 1 + + + ... +

  − − − −

  

  2

  2

  3 3 n n n + 1

  

  Ayundyah

  

  Jadi, jumlah deret adalah

  n

  

  X

  1

  1 S = = lim

  n

  1 −

2 Bentuk Deret n→∞

  k n

  • k + 1

   k =1

  

  Pada deret teleskoping ini, sebagian besar suku-sukunya saling menghilangkan kecuali suku awal dan suku akhirnya sehingga

  n

   rumus jumlah parsial S mempunyai bentuk yang sederhana.

  

  

  ∞ Ayundyah

  X

  k−

  1

  ar := a + ar + ar

  2 + ar 3 + ...

  

  k =1

   dengan a disebut suku pertama dan r disebut rasio.

  Diperhatikan jumlah parsial deret geometri ini

  

  1 n−

  S := a + ar + ar + ar + ... + ar

  n

  2

  3

  

  Selanjutnya, dengan mengalikan kedua ruas dengan r, diperoleh

  n− 1 n

  rS

  n = ar + ar 2 + ar 3 + ... + ar + ar

  

  

  Bila kedua kesamaan ini dikurangkan maka akan diperoleh:

  

  Ayundyah

  Sekarang kita amati nilai S n untuk n → ∞). Bila r = 1 maka S

  n tidak terdefinisi karena muncul pembagian dengan nol. Jika

  

  n n

   r > 1 maka suku r

  n

  → ∞ dan (1 − r ) → −∞ sehingga S

  n tidak

  tidak konvergen. Demikian juga bila r < −1 maka S

  n

  konvergen. Sekarang, bila −1 < r < 1 maka r → 0 sehingga

   n

  a a a )

  (1 − r (1 − 0) S

   lim n = lim = lim =

  n→∞ n→∞ n→∞

   (1 − r) (1 − r) (1 − r)

  

  Jadi deret geometri konvergen jika |r| < 1 dengan jumlah a

  

  S =

  

  (1 − r) Ayundyah

  

  Latihan

  Sederhanakan bentuk jumlah parsial S n sehingga tidak memuat lambang Σ lagi. Bila deret ini konvergen, hitunglah jumlahnya

   ∞

  1

1 Sederhana P 1.

  k =2 √ − √

   k k

  • 1

  

  ∞

1 P

  k =0

   2.

  (k + 1)(k + 2)

  

  Dua pertanyaan yang berkaitan dengan deret tak berhingga

  Ayundyah

  P ∞ a

  k adalah k =1

  

  1 Apakah deret konvergen

  

  

  2 Bila konvergen, berapakah jumlahnya.

  Kecuali deret-deret khusus seperti yang telah diberikan sebelumnya, untuk mengetahui kekonvergenan suatu deret

  

  bukanlah pekerjaan yang mudah. Bahkan, deret yang sudah

  

  dipastikan konvergen tidaklah terlalu mudah untuk

  

  mendapatkan jumlahnya. Pendekatan numerik biasanya digunakan untuk menentukan jumlah deret secara aproksimasi.

  

  

  Namun, ada kasus dimana visualisasi numerik tidak dapat

  

  Sebagai contoh, perhatikan contoh berikut

  Ayundyah

  Contoh Diberikan deret

  ∞

  

  X

  1 k

  k =1

   Selidikilah kekonvergenan deret ini.

  

  Untuk melihat secara intuitif dan visualisasi jumlah deret ini,

  

  kita perhatikan jumlah parsial ke n

  

  

  1

  1

  1 S

  n := 1 + + + ... +

   n

  2

  3

   sehingga berdasarkan data ini ”seolah-olah” jumlah deret akan

  Ayundyah menuju bilangan tertentu atau konvergen.

  

  

  

  

  1

  Dilihat dari polanya, suku-suku pada deret ini yaitu a =

  k k

  Diperhatikan

  Ayundyah

  1

  1

  1 S

  = 1 + + + ... +

  2

  3

  4

  1

  1

  1

  1

  1

  1

  1

  • = 1 = + + + ...

  2

  3

  4

  5

  6

  7

  8

  1

  1

  1

  1

  1

  1

  1

  • > 1 + + + + ... + + + +

  

  2

  4

  4

  8

  8

  8

  8

  

  1

  1

  1 = 1 + + + ... +

  2

  2

  2

  1 = 1 + (1 + 1 + 1 + ...)

  

  2

  

  Ayundyah

  Deret yang mempunyai suku-suku positif menjadi bahasan pada uji integral ini. Uji integral ini menggunakan ide dimana suatu

   integral didefinisikan melalui bentuk jumlahan. Memang, kedua

   R

   notasi Σ dan ini mempunyai kaitan yang erat.

  Teorema

  Jika a k = f (k) dimana f (x) fungsi positif, kontinu dan turun pada x ≥ 1 maka kedua ekspresi berikut

   ∞

  ∞

  Z

  X a dan f (x)dx

  

k

  1 k =1

  sama-sama konvergen atau sama-sama divergen

  Bukti

  Ayundyah

  Perhatikan ilustrasi grafik berikut ini

  

  

   Figure: Jumlah Atas dan Bawah Luas Persegipanjang

  

  Ayundyah

  L 1 = A1, L2 = A2, ...., LN = A n−

  1

   Luas persegipanjang pada gambar dibawah adalah

  

  A 1 = a1, A2 = a2, ...., AN = an Luas daerah yang dibatasi oleh kurva y = f (x) dari x = 1 sampai dengan x = n adalah

  Z n

  I f

  n = (x)dx

  1 Jadi,

  Ayundyah

   S

  n 1 n n n (1)

  − a ≤ I ≤ S − a

  R ∞

  Misalkan integral f (x)dx < ∞ (konvergen), maka

1 Beberapa berdasarkan persamaan di atas didapatkan

  

  ∞

  Z f (x)dx := lim I n S n

  1

  ≥ lim − a n→∞ n→∞

1 Deret Tak

   dan

  

   ∞

  ∞

  Z

  X

  

  S a S f = k := lim n (x)dx + a

  1

  ≤ < ∞

  

n→∞

  1 Ayundyah

   P Sebaliknya, jika deret a konvergen maka lim a = 0

   k n→∞ n

  

k =1

   dan berdasarkan (3.1) diperoleh

  ∞

  Z f

  I (x)dx := lim n (S n n

  ≤ lim − a ) = S − 0 < ∞

  n→∞ n→∞

1 Uji

   Selanjutnya, kedivergenan kedua ekspresi ini juga didasarkan

   pada ketidaksamaan (3.1) dan dapat dilakukan dengan cara

   yang sama seperti diatas.

  

  

  Ayundyah

  Contoh

  ∞

  P

  1

  Lakukan uji integral untuk melihat bahwa deret S =

  k =1 k

   divergen.

  Penyelesaian

1 Beberapa

  Diambil f (x) :=

  x , x ≥ 1. Fungsi f (x) kontinu, positif dan

  

  1

  . Selanjutnya, turun pada x ≥ 1 dan f (k) = k ∞ ∞

  Z Z

  1

  ∞

   f (x)dx = dx = lnx|

  1 = ln∞ − ln1 = ∞(divergen)

  x

  1

  1

   P ∞

  1 Deret S = disebut Deret Harmonik. Lebih umum,

  deret harmonik diperumum menjadi Deret-p,

  Contoh

  Ayundyah ∞

  P

  1 Tentukan harga p agar deret-p berikut S = p k =1 k

   konvergen.

  Penyelesaian

1 Diambil f (x) =

   , x ≥ 1. Fungsi f (x) kontinu, positif, turun x

  p

  

1 Sederhana

  

p

  . Telah diperoleh pada Bab Integral pada x ≥ 1 dan f (k) = k

  Tak Wajar bahwa 

  ∞

  1 Z 

  

  1 , p > 1 dx = p

  − 1

  p

   x

  1

  

   divergen

  , p ≤ 1

  

  Ayundyah

  

  Jika diperhatikan pada integral diatas maka Teorema Uji

  Integral dimulai dari x = 1. Dalam kasus batas ini lebih dari 1 maka teorema ini tetap berlaku. Untk kasus ini kita harus

   menentukan nilai b > 1 sehingga fungsi f (x) positif, kontinu

   dan turun untuk x > b. Secara sederhana hasil ini dikaitkan

   pada kenyataan bahwa kekonvergenan suatu deret tidak

   ditentukan oleh sejumlah berhingga suku-suku awal tapi

   ditentukan oleh takberhingga banyak suku-suku dibelakangnya.

  

  

  Ayundyah

  

  Contoh k

  ∞

   Ujilah kekonvergenan deret berikut Σ , dan jika

  =1 k k /5

  e konvergen hitunglah jumlahnya secara aproksimasi.

  Penyelesaian x

  Bila diambil fungsi f (x) = maka fungsi ini positif dan

  x /5

  

  e

   kontinu untuk x > 0. Tetapi sifat turunnya belum dapat

   dipastikan.

  

  

  

  Ayundyah

  

  

  

  

  Ayundyah x

   Berdasarkan gambar tersebut, fungsi f (x) = x pada awalnya

  /5 e

   naik kemudian turun terus. Untuk memastikan titik dimana

   fungsi mulai turun, digunakan materi pada kalkulus elementer,

  ′

   f turun jika dan hanya jika f (x) < 0.

  1

  ′ − − x x /5 /5

   f e (x) = e < 0

  − x

  5

  

x /5

  ⇔ e (1 − x/5) < 0

  

  Ayundyah − x /5

   Karena e

  6= 0 maka diperoleh harga nolnya, (1 − x/5) = 0 ⇔ x = 5. jadi fungsi f (x) turun untuk x > 5.

  Selanjutnya, kekonvergenan deret diperiksa dengan menghitung integral tak wajar.

  ∞

  Z

  

  − x

  /5

  xe dx

5 Deret Tak

  

  

  Dengan menggunakan definisi integral tak wajar, dan teknik integrasi parsial diperoleh

  

  ∞

  Z Z T

  Ayundyah − − x x

  

/5 /5

  xe dx xd = lim )

  (−5e

  T →∞

  

  5

5 Hingga

  ∞

  Z

  − − x /5 T x /5

   dx

  = lim

  5

  −5xe | − −5e

  T →∞

  5 − − x /5 x /5 T

   = lim

  5

  (−5xe − 25e ) |

  T →∞ − − 1 −

  1 T /5 T /5

   = lim + 25e + 25e )

  (−5Te − 25e

  T →∞

  

  T + 5

  50

  • lim

  

  = −5 lim

  T /5 T →∞ T →∞

  e e

  1

  50

  50

  = 0 +

  

  = −5 lim

  1 < ∞ T /5 T →∞

  e e e

  5 Ayundyah

   ada dua macam uji komparasi, yaitu uji komparasi langsung

   dan uji limit komparasi’ Ide pada uji ini adalah membandingkan

   suatu deret dengan deret lain yang konvergen, juga dengan

   deret lain yang divergen.

  

  Ayundyah

  

  ∞ ∞

  P P a b Misalkan ada dua deret tak berhingga k dan k

  =1 =1 k k

  

  k k dengan 0 ≤ a ≤ b untuk setiap k ≥ N, N suatu bilangan asli.

   ∞ ∞

  P P

i. Jika deret b konvergen maka deret a

  k k k =1 k =1

   konvergen

  

  ∞ ∞

  P P

ii. Jika deret a divergen maka deret b divergen

  k k k =1 k =1

  

  

  Ayundyah

   Bukti

  

  ∞ ∞

  P P b b

i. Karena k konvergen maka k k =1 k =1 < ∞.

   Selanjutnya

  

1 N−

  1 X

  ∞ ∞ ∞ N−

  X X

  X X a a a a b

  k = k k k k (2)

  • ≤ &lt; ∞

  

  k =1 k =1 k =1 k =1 k =1

  

  

  P a yang berarti deret k konvergen

  =1

k

  

   a a

ii. Karena divergen dan a

  k k k k =1 ≥ 0 maka k =1 = ∞ Ayundyah

  sehingga

  1

  

∞ ∞

N−

  X X

  X a a a

  k = k k (3)

   − = ∞

  

  k =N k =1 k =1

   Akhirnya didapat,

1 N−

  1

  ∞ ∞ ∞ N−

  X X

  X X

  X

  • b = b b b a (4)

  k k k k k

  ≥ k =1 k =1 k =N k =1 k =N

  N−

  1

  X b

  

= k (5)

  • ∞ = ∞

  

  Ayundyah

  Untuk menggunakan uji ini dibutuhkan deret lain sebagai pembanding. pekerjaan memilih deret yangtepat yang akan digunakan sebagai bahan perbandingan tidaklah sederhana,

   sangat bergantung dari pengalaman. Namun dua deret penting yaitu deret p dan deret geometri sering digunakan sebagai deret

   pembanding.

   Contoh

  

  Ujilah kekonvergenan deret

  

   X k

  

  k (k + 2)2

k =1

  

  Ayundyah

  Penyelesaian

  k k

  k k

  1

  1 a

  k = =

  ≤

  

k

   (k + 2)2 k + 2

  2

  2

  k k

   1 ∞

  1 P m Diambil b = . Diperhatikan bahwa

  k k =1

  

  2

  2 merupakan deret geometri yang konvergen sebab r = 1/2. jadi,

  

  ∞ k

  P deret juga konvergen. Dengan menggunakan

  =1 k k

  (k + 2)2 pendekatan numerik diperoleh jumlah deret secara aproksimasi

  

  adalah 0,4548 (Silahkan cek) Ayundyah

  

  Latihan Gunakan uji integral untuk mengetahui kekonvergenan deret di bawah ini. Bila konvergen, tentukan nilai untuk

   aproksimasi jumlahnya P ∞

  1 1. .

  k =2

2 Uji

  (2 + 3k) lnk

  ∞

  P 2. .

  k =2

  k

  

  Misalkan a &gt; 0 dan b &gt; 0 untuk k cukup besar, diambil

  k k Ayundyah

  a

  k

  

  I := lim

  

  k→∞

  b

  k

  

  ∞ ∞

  P P a b

  k dan k

  Jika 0 &lt; L &lt; ∞ maka kedua deret k =1 k =1 sama-sama konvergen atau sama-sama divergen.

  Untuk melakukan uji ini dalam menguji kekonvergenan deret

  ∞

   P a

   k dilakukan prosedur sebagai berikut:

  =1 k

  

  

  P

  1. Temukan deret b yang sudah diketahui sifat k

k =1

   kekonvergenannya, dan bentuk suku-sukunya b k ”mirip”

   dengan a k

  

  a

  

  2. Hitunglah limit L = lim k→∞ , pastikan nilainya positif. dinyatakan gagal, sehingga harus dilakukan dengan uji yang

  Ayundyah lain.

   Latihan

   Lakukan uji komparasi limit untuk mengetahui sifat kekonvergenan deret, nila konvergen, hitunglah jumlahnya

   secara aproksimasi

  

  ∞ 3k + 2

  P a.

  k =1 √

   k

  (3k − 5)

  ∞

1 P b.

  

  k =1 √

  k k

  ∞

1 Teorema Uji P

  

   c. k =1 √

  2k + 3

  

  P a Secara intuitif, deret k dengan suku-suku positif akan

  

k =1

Ayundyah konvergen jika kekonvergenan barisan a k ke nol cukup cepat.

   Bandingkan kedua deret ini

   ∞ ∞

  X X

  1

  1 dan

  2

  k k

  k =1 k =1

  

  Telah diketahui bahwa deret pertama divergen sedangkan deret

  1 kedua konvergen. Faktanya, kekonvergenan barisan menuju

  2

  k

  1 nol lebih cepat dari barisan . Selain daripada itu, untuk k

  

  mengukur kecepatan konvergensi ini dapat diperhatikan pola

  

  ∞

  P a Diberikan deret k dengan a k &gt; 0, dan dihitung

  =1 k Ayundyah

  a +1

  k

   L = lim

   k→∞ a

  k

   diperoleh hasil pengujian sebagai berikut:

   P ∞

  

  1

  a Jika L &lt; 1 maka deret k konvergen

  k =1

  

  ∞

  P

  2

  a

  k divergen =1

  Jika L &gt; 1 atau L = ∞ maka deret k

   kesimpulan)

3 L = 1 maka pengujian gagal (tidak dapat diambil

   Contoh

   Dengan menggunakan uji rasio, ujilah kekonvergenan deret

  

  

  berikut

   ∞ k Ayundyah k

  Karena a k = maka diperoleh k !

  

k

  k

  L = lim

  

  k→∞

  k !

  • 1 k

   (k + 1)

  

  k +1 k

  (k + 1) k (k + 1)!

   = lim = lim

  k

  

  k→∞ k→∞

  k (k + 1)! k ! k

  !

  k k

  (k + 1) (k + 1)

  = lim = lim

  k k k→∞ k→∞

  k k

   k

  

  1 Ayundyah

  

  Latihan

  Dengan menggunakan uji rasio, ujilah kekonvergenan deret berikut

  

  ∞

  X

   k

  − 2 k

  2

  k =1

  

   a Pada bahasan sebelumnya kita dapatkan bahwa lim = 0

  k→∞ k Ayundyah

  belumlah menjamin bahwa deret konvergen, karena dapat saja deret tersebut divergen. Pada uji akar ini akan dilihat

  √ k a kekonvergenan deret melalui suku-suku k .

   Teorema

  P ∞ a

  Diberikan deret k dengan a k

  k =1 ≥ 0 dan dihitung

  

  √ k L = lim a

  

  k k→∞

   diperoleh hasil pengujian sebagai berikut:

   P ∞

  1

  a Jika L &lt; 1 maka deret k konvergen

   k =1

  ∞

  P

  

2 Komparasi

  a divergen

  k

  Jika L &gt; 1 atau L = ∞ maka deret k =1

  

  Ayundyah

  

  Latihan Gunakan uji akar untuk mengetahui apakah deret

  2 ∞ −

  

  k

  X

  1 1 + k

  k =1

   konvergen. Bila konvergen, aproksimasikan jumlahnya.

  

  

  Ayundyah

  

  Pemilihan uji merupakan masalah tersendiri yang juga membutuhkan pengalaman agar tepat memilih uji mana yang

   akan dipakai. Namun, dari beberapa contoh sebelumnya, uji rasio lebih cocok digunakan pada deret yang suku-sukunya

   memuat eksponen dan faktorial. Sedangkan uji akar lebih cocok untuk deret dengan suku-suku memaut pangkat k.

  

  

  Ayundyah

  Latihan Gunakan uji rasio atau uji akar untuk mengetahui

   kekonvergenan deret dibawah ini, jika konvergen hitung

   nilainya.

  

k

   k

  ∞

  P a.

  k =1

   3k + 1

  

  5

  k

  ∞ + 100

   P b.

  k =1

  k !

  ∞ k!

  P c.

  k =1

   k

2 Teorema Uji