ma3231 analisis real - · pdf filema3231 analisis real hendra gunawan* ... demikian pula kita...
TRANSCRIPT
MA3231 Analisis Real
Hendra Gunawan*
*http://hgunawan82.wordpress.com
Analysis and Geometry GroupBandung Institute of Technology
Bandung, INDONESIA
Program Studi S1 Matematika ITB, Semester II 2016/2017
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 1 / 24
BAB 14. SIFAT-SIFAT INTEGRAL RIEMANN
1 14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
2 14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
3 14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 2 / 24
BAB 14. SIFAT-SIFAT INTEGRAL RIEMANN
1 14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
2 14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
3 14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 2 / 24
BAB 14. SIFAT-SIFAT INTEGRAL RIEMANN
1 14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
2 14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
3 14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 2 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Pada bab ini kita akan mempelajari sifat-sifat dasar integral Riemann.
Sifat pertama adalah sifat kelinearan, yang dinyatakan dalamProposisi 1.
Sepanjang bab ini, I menyatakan interval [a, b], kecuali bila kitanyatakan lain.
Proposisi 1. Misalkan f, g : I → R terintegralkan pada I, dan λ ∈ Rsuatu konstanta. Maka λf dan f + g terintegralkan pada I dan∫ b
a
λf(x) dx = λ
∫ b
a
f(x) dx, (1)
∫ b
a
(f + g)(x) dx =
∫ b
a
f(x) dx+
∫ b
a
g(x) dx. (2)
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 3 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Bukti. (1) Jika λ = 0, maka pernyataan tentang λf jelas benar.Sekarang tinjau kasus λ > 0. (Kasus λ < 0 serupa dan diserahkansebagai latihan). Misalkan P := {x0, x1, . . . , xn} partisi sembarangdari I. Karena λ > 0, kita mempunyai
inf{λf(x) : x ∈ [xk−1, xk]} = λ inf{f(x) : x ∈ [xk−1, xk]}
untuk k = 1, 2, . . . , n. Kalikan tiap suku ini dengan xk − xk−1 danjumlahkan, kita dapatkan L(P, λf) = λL(P, f). Jadi, karena λ > 0,kita peroleh
L(λf) = sup{λL(P, f) : P partisi dari I}= λ sup{L(P, f) : P partisi dari I} = λL(f).
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 4 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Dengan cara yang serupa kita peroleh pula U(P, λf) = λU(P, f) dan
U(λf) = inf{λU(P, f) : P partisi dari I}= λ inf{U(P, f) : P partisi dari I} = λU(f).
Karena f terintegralkan, U(f) = L(f) dan akibatnya
L(λf) = λL(f) = λU(f) = U(λf).
Jadi λf terintegralkan dan∫ b
a
λf(x) dx = λ
∫ b
a
f(x) dx.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 5 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
(2) Untuk sembarang interval Ik := [xk−1, xk], kita mempunyai
inf{f(x) : x ∈ Ik}+inf{g(x) : x ∈ Ik} ≤ inf{(f+g)(x) : x ∈ Ik},
sup{(f+g)(x) : x ∈ Ik} ≤ sup{f(x) : x ∈ Ik}+sup{g(x) : x ∈ Ik}.Dari sini kita peroleh
L(P, f) + L(P, g) ≤ L(P, f + g)
U(P, f + g) ≤ U(P, f) + U(P, g)
untuk sembarang partisi P dari I. Sekarang, jika ε > 0 diberikan,maka terdapat partisi Pf,ε dan Pg,ε sedemikian sehingga
U(Pf,ε, f) ≤ L(Pf,ε, f) + (ε/2)
U(Pg,ε, g) ≤ L(Pg,ε, g) + (ε/2).
Akibatnya, untuk Pε := Pf,ε ∪ Pg,ε, kita peroleh
U(Pε, f+g) ≤ U(Pε, f)+U(Pε, g) ≤ L(Pε, f)+L(Pε, g)+ε ≤ L(Pε, f+g)+ε.
Menurut Kriteria Keterintegralan Riemann, f + g terintegralkan.HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 6 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Selanjutnya perhatikan bahwa dari ketaksamaan di atas, kita peroleh∫ b
a
(f + g)(x) dx ≤ U(Pε, f + g) ≤ L(Pε, f) + L(Pε, g) + ε
≤∫ b
a
f(x) dx+
∫ b
a
g(x) dx+ ε.
Sementara itu,∫ b
a
f(x) dx+
∫ b
a
g(x) dx ≤ U(Pε, f) + U(Pε, g) ≤ L(Pε, f + g) + ε
≤∫ b
a
(f + g)(x) dx+ ε.
Dari kedua ketaksamaan ini, kita peroleh∣∣∣∫ b
a
(f + g)(x) dx−(∫ b
a
f(x) dx+
∫ b
a
g(x) dx)∣∣∣ < ε.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 7 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Karena ini berlaku untuk ε > 0 sembarang, kita simpulkan bahwa∫ b
a
(f + g)(x) dx =
∫ b
a
f(x) dx+
∫ b
a
g(x) dx,
dan bukti pun selesai.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 8 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Proposisi berikut dikenal sebagai sifat kepositifan integral Riemann.(Buktinya diserahkan sebagai latihan.)
Proposisi 2. Misalkan f : I → R terintegralkan pada I. Jikaf(x) ≥ 0 untuk tiap x ∈ I, maka
∫ baf(x) dx ≥ 0.
Akibat 3. Misalkan f, g : I → R terintegralkan pada I. Jikaf(x) ≤ g(x) untuk tiap x ∈ I, maka
∫ baf(x) dx ≤
∫ bag(x) dx.
Akibat 4. Misalkan f : I → R terintegralkan pada I. Jikam ≤ f(x) ≤M untuk tiap x ∈ [a, b], maka
m(b− a) ≤∫ b
a
f(x) dx ≤M(b− a).
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 9 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
Proposisi 5. Misalkan f : [a, b]→ R terbatas dan a < c < b. Maka,f terintegralkan pada [a, b] jika dan hanya jika f terintegralkan pada[a, c] dan pada [c, b]. Dalam hal ini,∫ b
a
f(x) dx =
∫ c
a
f(x) dx+
∫ b
c
f(x) dx.
Catatan. Bukti Proposisi 4 tidak dibahas di sini; lihat [1] bila inginmempelajarinya.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 10 / 24
14.1 Sifat-sifat Dasar Integral Riemann
SOAL
1 Buktikan Proposisi 1 bagian (1) untuk kasus λ < 0.
2 Buktikan Proposisi 2.
3 Buktikan Akibat 3 dan Akibat 4.
4 Buktikan jika f terintegralkan pada I dan |f(x)| ≤ K untuk
tiap x ∈ I, maka∣∣∫ baf(x) dx
∣∣ ≤ K|b− a|.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 11 / 24
14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
Analog dengan Teorema Dasar Kalkulus I (Teorema 5 pada Sub-bab12.3) untuk integral dari fungsi kontinu, kita mempunyai hasil berikutuntuk integral Riemann dari fungsi terbatas. (Buktinya serupadengan bukti Teorema 5 pada Sub-bab 12.3.)
Teorema 6 (Teorema Dasar Kalkulus I). Misalkan f terbataspada I = [a, b] dan F didefinisikan pada I sebagai
F (x) :=
∫ x
a
f(t) dt, x ∈ I.
Maka, F kontinu pada I. Selanjutnya, jika f kontinu di c ∈ (a, b),maka F mempunyai turunan di c dan F ′(c) = f(c).
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 12 / 24
14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
Demikian pula kita mempunyai Teorema Dasar Kalkulus II untukintegral Riemann, yang dapat dibuktikan tanpa menggunakanTeorema Dasar Kalkulus I melainkan dengan menggunakan KriteriaKeterintegralan Riemann.
Teorema 7 (Teorema Dasar Kalkulus II). Misalkan fterintegralkan pada I = [a, b]. Jika F : I → R adalah anti-turunandari f pada I, maka ∫ b
a
f(t) dt = F (b)− F (a).
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 13 / 24
14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
Bukti. Diberikan ε > 0 sembarang, pilih partisi P := {x0, x1, . . . , xn}dari I sedemikian sehingga
U(P, f)− L(P, f) < ε.
Menurut Teorema Nilai Rata-rata (yang kita terapkan pada F ), padatiap interval [xk−1, xk] terdapat titik tk ∈ (xk−1, xk) sedemikiansehingga
F (xk)− F (xk−1) = (xk − xk−1)f(tk).Misalkan mk dan Mk adalah infimum dan supremum dari f pada[xk−1, xk]. Maka
mk(xk − xk−1) ≤ F (xk)− F (xk−1) ≤Mk(xk − xk−1)
untuk tiap k = 1, 2, . . . , n. Perhatikan bahwa bila kita jumlahkansuku-suku di tengah, maka kita peroleh suatu deret teleskopis yangjumlahnya sama dengan F (b)− F (a). Karena itu, kita peroleh
L(P, f) ≤ F (b)− F (a) ≤ U(P, f).
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 14 / 24
14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
Namun, kita juga mempunyai
L(P, f) ≤∫ b
a
f(t) dt ≤ U(P, f).
Akibatnya, kita peroleh∣∣∣∫ b
a
f(t) dt− [F (b)− F (a)]∣∣∣ < ε.
Karena ini berlaku untuk ε > 0 sembarang, kita simpulkan bahwa∫ b
a
f(t) dt = F (b)− F (a),
sebagaimana yang kita kehendaki.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 15 / 24
14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
SOAL
1 Misalkan f(x) = |x|, x ∈ [−1, 1]. Terkait dengan f , definisikan
F (x) :=
∫ x
−1f(t) dt, x ∈ [−1, 1].
1 Peroleh rumus untuk F (x), x ∈ [−1, 1].2 Periksa bahwa F ′(x) = f(x) untuk x ∈ [−1, 1].3 Periksa bahwa
∫ 1−1 f(t) dt = F (1)− F (−1).
2 Misalkan f : [−1, 1]→ R didefinisikan sebagai
f(x) =
−1, −1 ≤ x < 0;0, x = 0;1, 0 < x ≤ 1,
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 16 / 24
14.2 Teorema Dasar Kalkulus untuk Integral Riemann
1 Terkait dengan f , definisikan
F (x) :=
∫ x
1
f(t) dt, x ∈ [−1, 1].
1 Peroleh rumus untuk F (x). Apakah F kontinu pada [−1, 1]?2 Tunjukkan bahwa F ′(x) = f(x) untuk x ∈ [−1, 1], x 6= 0.3 Periksa apakah
∫ 1−1 f(t) dt = F (1)− F (−1). Berikan argumen
yang mendukung fakta tersebut.
2 Misalkan f dan g terintegralkan dan mempunyai anti-turunan Fdan G pada I = [a, b]. Buktikan bahwa∫ b
a
F (x)g(x) dx = [F (b)G(b)− F (a)G(a)]−∫ b
a
f(x)G(x) dx.
(Catatan. Hasil ini dikenal sebagai teknik pengintegralanparsial.)
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 17 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
Jika f kontinu pada I = [a, b], maka (menurut Teorema 12 pada Bab8) f akan mencapai nilai maksimum M dan minimum m pada [a, b].
Menurut Proposisi 4, kita mempunyai
m(b− a) ≤∫ b
a
f(x) dx ≤M(b− a)
atau
m ≤ 1
b− a
∫ b
a
f(x) dx ≤M.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 18 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
Nilai 1b−a
∫ baf(x) dx disebut sebagai nilai rata-rata integral f pada
interval I.
(Dalam versi diskrit, nilai rata-rata aritmetik dari sejumlah bilanganadalah jumlah dari bilangan-bilangan tersebut dibagi denganbanyaknya bilangan itu.
Dalam versi ‘kontinum’, integral menggantikan jumlah dan panjanginterval menggantikan banyaknya bilangan.
Secara fisis, bila f menyatakan kecepatan dari suatu partikel yangbergerak pada interval waktu I = [a, b], maka nilai rata-rata integralmenyatakan ‘kecepatan rata-rata’ partikel tersebut pada I.)
Mengingat m dan M ada di daerah nilai f dan 1b−a
∫ baf(x) dx ada di
antara kedua nilai tersebut, maka menurut Teorema Nilai Antaramestilah terdapat suatu titik c ∈ I sedemikian sehingga
f(c) =1
b− a
∫ b
a
f(x) dx.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 19 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
Fakta ini dikenal sebagai Teorema Nilai Rata-rata untuk integral,yang dinyatakan di bawah ini. (Ingat bahwa sebelumnya kita jugamempunyai Teorema Nilai Rata-rata untuk turunan. Dalam konteksturunan, f menyatakan posisi partikel yang bergerak pada intervalwaktu I = [a, b] sehingga nilai rata-rata turunan sama dengankecepatan rata-rata partikel tersebut pada I.)
Teorema 8 (Teorema Nilai Rata-rata untuk Integral). Jika fkontinu pada I = [a, b], maka terdapat c ∈ I sedemikian sehingga
f(c) =1
b− a
∫ b
a
f(x) dx.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 20 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
Pada Bab 10, kita telah membahas Teorema Taylor untuk turunan.Sekarang kita akan membahas teorema yang serupa untuk integral.
Teorema 9 (Teorema Taylor untuk Integral). Misalkanf, f ′, . . . , f (n) kontinu pada I = [a, b]. Maka
f(b) = f(a) + (b− a)f ′(a) + · · ·+ (b− a)n−1
(n− 1)!f (n−1)(a) + En
dengan En := 1(n−1)!
∫ ba(b− t)n−1f (n)(t) dt.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 21 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
Bukti. Untuk n = 1, berdasarkan Teorema Dasar Kalkulus I, kitamempunyai f(b) = f(a) + E1, dengan E1 :=
∫ baf ′(t) dt.
Selanjutnya, untuk n ≥ 2, teknik pengintegralan parsial akanmemberikan
En =1
(n− 1)!
[(b− t)n−1f (n−1)(t)|ba
+ (n− 1)
∫ b
a
(b− t)n−2f (n−1)(t) dt]
= −(b− a)n−1
(n− 1)!f (n−1)(a) +
1
(n− 2)!
∫ b
a
(b− t)n−2f (n−1)(t) dt.
Ulangi teknik pengintegralan parsial hingga n kali, dan kita pun akansampai pada hasil yang diinginkan.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 22 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
SOAL
1 Buktikan jika f kontinu pada I = [a, b] dan f(x) ≥ 0 untuk tiapx ∈ I, maka terdapat c ∈ I sedemikian sehingga
f(c) =[ 1
b− a
∫ b
a
f 2(x) dx]1/2
.
2 Buktikan jika f kontinu pada I = [a, b] dan f(x) ≥ 0 untuk tiapx ∈ I, maka untuk sembarang k ∈ N terdapat c = ck ∈ Isedemikian sehingga
f(c) =[ 1
b− a
∫ b
a
fk(x) dx]1/k
.
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 23 / 24
14.3 Teorema Nilai Rata-rata dan Teorema Taylor untuk Integral
1 Misalkan f dan g adalah fungsi yang kontinu pada I = [a, b]sedemikian sehingga∫ b
a
f(x) dx =
∫ b
a
g(x) dx.
Buktikan bahwa terdapat c ∈ I sedemikian sehinggaf(c) = g(c).
HG* (*ITB Bandung) MA3231 Analisis Real 29 March 2017 24 / 24