BAB VI BARISAN TAK HINGGA DAN DERET TAK HINGGA

BAB VI
BARISAN TAK HINGGA DAN DERET TAK HINGGA
Banjar/Barisan Tak Hingga
Barisan tak hingga {Sn} = S1, S2, S3, … , Sn, … adalah suatu fungsi dari n
dimana daerah domainnya adalah himpunan bilangan bulat positif (bilangan asli).
Contoh:
Bila n = 1, 2, 3, ……….., maka fungsi
Suku-suku
1 1 1 1
, , , , ..........
2 3 4 5
1
n +1
menghasilkan urutan atau banjar
banjar ini disebut Banjar Tak Berhingga untuk
menunjukkan bahwa tak ada suku terakhir. Fungsi
1
n +1
disebut suku umum atau
ke-n dari banjar.
Suatu banjar tak berhingga dinyatakan dengan menutup suku umum dalam kurung
⎧ 1 ⎫
kurawal seperti ⎨
⎬ , atau dapat ditulis :
⎩1 + n ⎭
1 1 1 1
1
, , , , .....,
, .....
2 3 4 5
n +1
Contoh lain:
1. {1, 2, 3, 4, ……… Un} → Un = n
2. {3, 6, 9, 12, ……… Un} → Un = 3n
1 1 1
1
3. {1, , , , .............U n } → U n . =
2 3 4
n
4. 1, 4, 7, 10, 13, … Æ an = 3n – 2,
1
1 2 3 4
5. 0, , , , , L Æ a n = 1 - ,
2 3 4 5
n
3 2 5 4 7 6
6. 0, , , , , , , L
2 3 4 5 6 7
n≥1
n ≥1
Æ b n = 1 + (-1)n
Andiani / Kalkulus I / September’08
1
,
n
n ≥1
1
3 2 5 4 7 6
7. 0, , - , , - , , - , L
2 3 4 5 6 7
Æ c n = (-1)n +
8. 0.999, 0.999, 0.999, 0.999, …
1
,
n
n ≥1
Æ dn = 0.999, n ≥ 1
Barisan {Sn} dikatakan terbatas jika terdapat bilangan-bilangan P dan Q
sehingga :
P ≤ Sn ≤ Q untuk semua n.
Contoh:
3 5 7
2n + 1
, , , ... ,
, ...
2n
2 4 6
adalah terbatas karena untuk semua n : 1 ≤ Sn ≤ 2
Tetapi 2, 4, 6, ... , 2n, ... adalah tidak terbatas.
Barisan {Sn} dikatakan tidak turun jika S1 ≤ S2 ≤ … ≤ Sn ≤ …
Dan dikatakan tidak naik jika S1 ≥ S2 ≥ … ≥ Sn ≥ …
Contoh:
Barisan
⎧ n 2 ⎫ 1 4 9 16
1. ⎨
, ... adalah barisan tidak turun.
⎬ = , , ,
2 3 4 5
⎩ n + 1⎭
2. {2n - (-1)n} = 3, 3, 7, 7, … adalah barisan tidak turun.
1 1 1
⎧1 ⎫
3. ⎨ ⎬ = 1, , , , ...
2 3 4
⎩n ⎭
adalah barisan tidak naik.
4. {-n} = -1, -2, -3, -4, …
adalah barisan tidak naik
Limit Barisan
Jika titik-titik berurutan yang diperoleh dari barisan :
1
3 5 7 9
1, , , , , ...., 2 - , ..... (*)
2 3 4 5
n
terletak pada garis bilangan, dan untuk n cukup besar akan terletak disekitar titik 2.
Keadaan seperti ini dikatakan bahwa Limit barisan adalah 2.
Andiani / Kalkulus I / September’08
2
™
Jika x adalah peubah yang jangkauannya barisan (*), maka dikatakan bahwa x
mendekati 2 sebagai limit atau x menuju 2 sebagai limit dan ditulis : x → 2
1
lim
{ U n = lim
{ (2 - ) = 2
n
n →∞
n →∞
Kekonvergenan
Barisan
{Sn} dikatakan konvergen ke bilangan berhingga
[ lim S = S] , jika untuk setiap bilangan positif
n → +∞
n
S sebagai limit,
∈, bagaimanapun kecilnya, terdapat
bilangan bulat positif m sehingga untuk n > m akan berlaku S - Sn < ∈
Jika suatu barisan memiliki limit, maka disebut barisan konvergen.
Jika suatu barisan tidak memiliki limit, maka disebut barisan divergen.
Barisan
{Sn} dikatakan divergen ke ∞,
[ lim S = ∞] ,
n → +∞
n
jika untuk setiap
bilangan positif M, bagaimanapun besarnya, terdapat bilangan bulat positif m sehingga
untuk n> m maka S n
> M.
lim S n = + ∞ .
Jika Sn > M maka
n → +∞
Jika Sn < -M maka
lim S n = - ∞ .
n → +∞
Jadi dapat disimpulkan:
Definisi
-
Barisan
sebagai:
-
{an}
dinamakan konvergen menuju L atau berlimit L dan ditulis
lim a n = L
n →∞
Apabila untuk tiap bilangan positif ε , ada bilangan positif N sehingga untuk
•
-
n ≥ N => | an – L | < ε
Suatu barisan yang tidak konvergen ke suatu bilangan L yang terhingga
dinamakan divergen.
Andiani / Kalkulus I / September’08
3
Teorema-Teorema Barisan
1. Setiap barisan tidak turun atau tidak naik dan terbatas adalah konvergen.
2. Setiap barisan yang tidak terbatas adalah divergen.
3. Barisan konvergen atau divergen akan tetap konvergen atau divergen sesudah n
suku pertama dihapus.
4. Limit dari barisan konvergen adalah tunggal.
™ Andaikan {sn}
dan
{tn}
barisan-barisan yang konvergen dan k sebuah
konsatanta, maka
Jika lim s n = s dan lim t n = t
n → +∞
n → +∞
5. Lim (k.sn) = k lim s n = ks dimana k konstanta
n → +∞
6.
7.
8.
lim (s n ± t n ) = lim s n ± lim t n = s ± t
n → +∞
n → +∞
n → +∞
lim (s n . t n ) = lim s n . lim t n = s . t
n → +∞
n →+ ∞
n → +∞
lim s n
⎛s ⎞
s
=
lim ⎜⎜ n ⎟⎟ = n → ∞
n → +∞
t
tn
⎝ t n ⎠ nlim
→ +∞
jika t ≠ 0 dan tn ≠ 0 untuk semua n
9. Jika {sn} adalah barisan suku-suku tidak nol dan jika :
lim s n = ∞ , maka lim
1
n → + ∞ Sn
n → +∞
= 0
10. Jika a > 1, maka lim a n = + ∞
n → +∞
11. Jika
r < 1, maka lim r n = 0
n → +∞
Jumlah :
∞
∑S
n =1
n
= s1 + s 2 + s3 + L + s n + L
............... (1)
Dan barisan tak hingga {Sn} disebut deret tak hingga.
Untuk setiap deret terdapat sebarisan jumlah parsial :
S1 = s1
S2 = s1 + s2
S3 = s1 + s2 + s3
M
Andiani / Kalkulus I / September’08
4
Sn = s1 + s2 + s3 + … + sn
M
Jika
lim Sn = s suatu bilangan hingga, maka deret (1) dikatakan konvergen dan s
n → +∞
disebut jumlahnya.
Jika lim S n = tidak ada , maka deret (1) dikatakan divergen.
n → +∞
Suatu deret adalah divergen karena
lim S n = ∞ atau jika n membesar maka Sn
n → +∞
membesar dan mengecil tanpa mendekati suatu limit.
Contoh :
Deret : 1 – 1 + 1 – 1 + .....
Untuk deret ini : s1 = 1,
s2 = 0,
s3 = 1,
s4 = 0 , ……
Contoh-Contoh:
1. Gunakan Teorema 1 untuk memperlihatkan bahwa barisan
{1 - }
1
n
adalah
konvergen.
Penyelesaian :
Barisan
Jika Sn
{1 - } adalah terbatas karena
= {1 - }, maka :
1
n
0 ≤ Sn ≤ 1 untuk semua n. Karena :
1
n
S n +1 = 1 -
=1-
1
n +1
1
1
+
n
n(n + 1)
= Sn +
1
n(n + 1)
Berarti bahwa Sn+1 ≥ Sn , merupakan barisan yang tidak turun.
Andiani / Kalkulus I / September’08
5
Jadi barisan ini konvergen ke s = 1
⎧1.3.5.7.....(2n - 1) ⎫
2. Gunakan Teorema 1 untuk memperlihatkan bahwa barisan ⎨
⎬
⎩ 2.4.6.8.....(2n) ⎭
adalah konvergen.
Penyelesaian :
Barisan
1.3.5.7.....(2n - 1)
adalah terbatas, karena 0 ≤ Sn ≤ 1 untuk semua n.
2.4.6.8.....(2n)
Karena :
Jika S n =
1.3.5.7.....(2n - 1)
2.4.6.8.....(2n)
Maka :
S n +1 =
=
1.3.5.7.....(2n + 1)
2.4.6.8.....(2n + 2)
2n + 1
. Sn
2n + 2
Berarti barisan ini tidak naik, jadi barisan konvergen ke s = 0
3. Limit dari barisan konvergen adalah tunggal.
Misalkan berlaku kebalikannya sehingga:
lim Sn = s dan lim S n = t , dimana s - t > 2ε > 0
n →∞
n→∞
Lingkungan ε dari s dan t mempunyai sifat-sifat yang saling berkontradiksi :
i) Tidak memiliki titik-titik persekutuan
ii) Masing-masing memiliki semua suku-suku barisan kecuali sejumlah
berhingga dari suku-suku tersebut.
Jadi s = t dan limitnya adalah tunggal.
4. Jika a > 1, maka lim a n = + ∞
n→∞
Ambil M > 0, betapapun besarnya.
Andiani / Kalkulus I / September’08
6
Misalkan a = 1 + b dimana b > 0, maka :
a n = (1 + b )
n
= 1 + nb +
Jika n >
Karena
n(n - 1) 2
b + ...... > 1 + nb > M
1.2
M
b
an > M
dan jika
n >
M
b
untuk
M
betapapun besarnya maka
lim a n = + ∞
n→∞
5. Deret aritmatika tak hingga a + (a + d) + (a + 2d) + ….. + [a + (n-1)d] divergen
jika a2 + d2 > 0
Untuk deret a + (a + d) + (a + 2d) + ….. + [a + (n-1)d]
Sn = ½ n [2a + (n-1)d] dan lim S n = ∞
n →∞
Kecuali untuk a = d = 0
Jadi deret divergen jika a2 + d2 > 0
6. Deret geometri tak hingga a + ar + ar2 + ….. + arn-1 + ….., dimana a ≠ 0
Konvergen ke
a
jika
1- r
r < 1 dan divergen jika
r ≥1
Untuk deret a + ar + ar2 + ….. + arn-1 :
Sn =
=
a - ar n
1- r
a
a n
r , r ≠1
1- r 1- r
a
1- r
Jika
r < 1 , maka lim r n = 0 sehingga lim S n =
Jika
r > 1 , maka lim r n = ∞ sehingga Sn divergen.
Jika
r = 1 , deretnya berbentuk a + a + a + a + a + ……….
n→∞
n →∞
n →∞
Atau a – a + a – a + a + ………… yang divergen.
Andiani / Kalkulus I / September’08
7
7. Untuk deret 1 +
1
1
1
1
+
+
+ ... + ,
2
3
4
n
Jumlah bagiannya adalah :
S4 > 2
S8 > 2 ½
S16 > 3
S32 > 3 ½
S64 > 4
M
Jadi barisan jumlah-jumlah bagiannya tidak terbatas dan divergen, Jadi deretnya
divergen.
Uji Konvergensi dan Divergensi dari Deret Positif
I. Uji Integral
Misalkan f(n) menyatakan suku umum Sn dari deret ∑ Sn yang suku-sukunya
semua positif. Jika f(x) > 0 dan tidak pernah naik dalam interval x > ξ , dimana ξ
suatu bilangan bulat positif, maka deret ∑ Sn konvergen atau divergen tergantung
+∞
kepada apakah
∫ξ f(x) dx
ada atau tidak ada.
II. Uji Banding untuk Konvergensi
Suatu deret positif
∑ Sn adalah konvergen jika setiap suku (mungkin sesudah
sejumlah berhingga) adalah lebih kecil atau sama dengan suku yang bersesuaian dari
suatu deret positif konvergen yang diketahui ∑ cn
III. Uji Banding untuk Divergensi
Suatu deret positif
∑ Sn adalah divergen jika setiap suku (mungkin sesudah
sejumlah berhingga) adalah sama dengan atau lebih besar dari suku yang bersesuaian dari
suatu deret positif divergen yang diketahui ∑ dn
Andiani / Kalkulus I / September’08
8
IV. Uji Rasio
Deret positif
∑ Sn
konvergen jika
lim
n →∞
Sn + 1
< 1 , dan divergen jika
Sn
Sn + 1
S
> 1 . Jika lim n + 1 = 1 uji ini tidak dapat dipakai.
n →∞ S
n →∞ S
n
n
lim
Contoh :
Selidiki konvergensi dari :
1
3
1
+
5
+
1
7
+
1
9
+L
Dengan menggunakan uji integral.
Penyelesaian :
1
f(n) = Sn =
Ambil f(x) =
2n + 1
,
n = 1, 2, 3, ...
1
2x + 1
Pada interval x > 1, f(x) > 0 dan menurun jika x naik.
Ambil ξ = 1 dan pandang :
+∞
∫ f(x) dx
1
u
= lim
u → +∞
= lim
u →∞
∫
1
u
dx
= lim 2x + 1
u→∞
2x + 1
1
2u + 1 -
3 = ∞
Nilai integralnya tidak ada, jadi deret divergen.
Andiani / Kalkulus I / September’08
9
Soal :
Dengan menggunakan uji integral selidiki kekonvergensian dari :
1.
2.
3.
1
1
1
1
+
+
+
+ ...
4
16
36
64
sin π +
1+
1
1
1
1
1
1
sin π +
sin π +
sin π + ...
4
2
9
3
16
4
1
1
1
1
+ p + p + p + ... (p > 0)
p
2
3
4
5
Uji Banding
Suku umum dari deret yang diketahui yang akan diuji konvergensinya akan
dibandingkan dengan suku umum dari deret yang diketahui konvergensinya atau
divergensinya. Deret-deret berikut akan berguna sebagai deret uji :
a) Deret geometri a + ar + ar2 + ….. + arn + ….., dimana a ≠ 0 akan konvergen jika
0 < r < 1 dan divergen jika p ≥ 1.
b) Deret 1 +
1
1
1
1
+ p + p +L+ p +L
p
4
n
2
3
konvergen jika p > 1 dan divergen jika p ≤ 1
Contoh :
Selidiki konvergensi dari :
1
1
1
1
1
+
+
+
+L+ 2
+L
2
5 10
17
n +1
Dengan menggunakan uji banding.
Penyelesaian :
1
1
1
1
1
+
+
+
+L+ 2
+L
2
5 10
17
n +1
Suku umum S n =
1
1
< 2
n +1
n
2
Andiani / Kalkulus I / September’08
10
Jadi suku-suku deret ini adalah lebih kecil dari suku-suku deret :
1+
1
1
1
+
+ L + 2 + L yang konvergen karena p = 2
4
9
n
Jadi deret yang diketahui juga konvergen. (Uji integral juga dapat digunakan disini)
Lanjut Soal :
Dengan menggunakan uji banding, selidiki konvergensi dari :
4.
5.
1
1
+
1
2
+
1
3
+
1
4
+L
1
1
1
+
+
+ L
2! 3!
4!
1+
Tugas
Selidiki konvergensi dari deret-deret dengan menggunakan uji banding :
1.
2 +
3
4
5
+ 3 + 3 +L
3
2
3
4
2.
1+
1
1
1
+ 3 + 4 +L
2
3
4
2
3.
1+
22 + 1
32 + 1
42 + 1
+
+
+L
33 + 1
43 + 1
23 + 1
Uji Rasio
Sn +1
<1
n →∞ S
n
Deret positif ∑ Sn konvergen jika lim
Sn + 1
> 1.
n →∞ S
n
Dan divergen jika lim
Sn + 1
= 1 uji ini tidak dapat dipakai
n →∞ S
n
Jika lim
Andiani / Kalkulus I / September’08
11
Contoh :
Dengan menggunakan uji rasio, selidiki konvergensi dari :
1
2
3
4
+ 2 + 3 + 4 +L
3
3
3
3
Penyelesaian :
Suku umum S n =
S n +1
n + 1 3n
= n +1 .
Sn
n
3
Maka lim
n →∞
n
n +1
, maka S n +1 = n +1
n
3
3
n +1
3n
=
Sn +1
n +1 1
= lim
= <1
n
→
∞
3
3n
Sn
sehingga deret konvergen
Lanjut Soal :
Dengan menggunakan uji rasio, selidiki konvergensi dari :
6.
1
2!
3!
4!
+ 2 + 3 + 4 +L
3
3
3
3
1.2
1.2.3 1.2.3.4
+
+
+ L
1.3 1.3.5 1.3.5.7
7.
1+
8.
1
1
1
1
+
+
+
+L
2
3
1.2
3.2
4.2 4
2.2
9.
2 +
4 1
5 1
3 1
+
+
+L
2
2 4
3 4
4 43
Tugas:
1. Tentukan apakah konvergen atau divergen dengan uji integral :
a).
1
∑n
b).
50
∑ n(n + 1)
c).
1
∑ n ln n
d).
n
∑ (n + 1)(n + 2)
2. Tentukan apakah konvergen atau divergen dengan uji banding :
a).
∑n
1
b).
-1
3
∑
n-2
n3
c).
∑
1
3
n
d).
∑n
2
1
+5
3. Tentukan apakah konvergen atau divergen dengan uji rasio :
a).
∑
(n + 1)(n + 2)
n!
b).
5n
∑ n!
Andiani / Kalkulus I / September’08
c).
n
∑ 2 2n
d).
3 2n -1
∑ n2 + n
12
4. Tentukan apakah konvergen atau divergen :
a).
1
1
1
1
+ 2 +
+ 2 +L
2
2
4
7
10
13
b).
3 +
c).
1
1
1
1
+
+
+
+ L
2
3.4
4.5.6
5.6.7.8
d)
3 +
3
3
2
+
3
3
3
+
3
3
4
+L
3
11
9
+
+
+L
4
27
32
Andiani / Kalkulus I / September’08
13