diktat kuliah kalkulus peubah banyak
advertisement
DIKTAT KULIAH KALKULUS PEUBAH BANYAK (IE-308) BAB 3 TURUNAN PARSIAL Diktat ini digunakan bagi mahasiswa Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik Universitas Kristen Maranatha Ir. Rudy Wawolumaja M.Sc JURUSAN TEKNIK INDUSTRI - FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA BANDUNG 2015 Diktat ini disusun berdasarkan “Calculus III” oleh Paul Dawkins, Lamar University dengan penyesuaian berupa penerjemahan, pengurangan dan penambahan dari sumber-sumber lainnya. Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 BAB 3 TURUNAN PARSIAL 3.1. Limit Dalam fungsi peubah tunggal, dikatakan : jika, Dimana, Adalah limit sebelah kanan dan nilai x ditinjau hanya untuk nilai x yang lebih besar dari a. Demikian juga, Adalah limit sebelah kiri dilihat hanya untuk nilai x yang lebih kecil dari a. Dengan kata lain kita akan mendapatkan bila mendekati L bila x bergerak menuju (sangat mendekati namun tidak sampai mencapai ) dari kedua arah (kiri & kanan). Untuk fungsi peubah ganda, konsepnya sama, hanya proses pengerjaannya agak lebih panjang dan rumit. Untuk notasi ditetapkan sbb. : Misal ingin didapat limit dari fungsi Dapat dituliskan dengan notasi sbb.: dimana x mendekati a dan y mendekati b. Dalam kuliah dan buku ini akan digunakan notasi yang kedua. Dengan mencari limit fungsi peubah ganda berarti mencari nilai bergerak makin dekat dan lebih dekat lagi ke titik bila titik sedemikian sangat mendekati namun tidak sampai mencapai . Dan seperti konsep limit pada fungsi peubah tunggal, maka agar suatu limit ada maka fungsi tersebut mencapai suatu nilai yang sama dari segala arah pendekatan yang ditempuh menuju . Masalahnya bila pada limit fungsi peubah tunggal hanya ada 2 arah yaitu kiri dan kanan untuk mencapai batas x, maka pada fungsi peubah ganda/dua ada banyak sekali bahkan tak hingga cara untuk menuju . Gambar 3.1. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 44 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Dengan kata lain, untuk menunjukkan apakah limit suatu fungsi peubah ganda ada atau tidak secara teknis perlu di cek melalui cara yang tak berhingga. Tetapi dengan menggunakan konsep kontinuitas / kesinambungan fungsi hal tersebut tidak perlu dilakukan. Definisi Suatu fungsi adalah kontinu/sinambung pada titik Sehingga apabila diketahui suatu fungsi tidak kontinu dititik jika, maka adalah salah. Tafsiran fisis secara geometris suatu fungsi kontinu bila graphik garis atau permukaan fungsi tersebut tidak lubang atau terpotong pada titik tersebut. Dalam kalkulus 1, bila kita mengetahui suatu fungsi adalah kontinu maka nilai limit fungsi tersebut didapatkan dengan memasukkan nilai titik kedalam fungsi. Semua fungsi standard yang kita ketahui kontinu tetap kontinu walaupun sekarang kita memasukkan lebih dari satu variabel. Yang perlu diperhatikan adalah pembagian dengan 0, akar bilangan negatif dan logaritma nol atau negatif. Contoh 3.1.1. Tentukan apakah limit berikut ada atau tidak. Bila ada berapa nilai limit nya. (a) (c) (b) (d) Jawab (a) Fungsi diatas adalah kontinu pada titik yang diminta, sehingga kita tinggal memasukkan nilai titik tersebut kedalam fungsi. (b) Dalam kasus ini fungsi tidak kontinyu sepanjang garis karena pada garis tersebut kita akan mendapatkan nilai penyebut pembagian = 0. Tapi karena titik yang diminta (5,1) tidak terdapat dalam garis tersebut, maka (c) Dalam kasus ini fungsi tersebut tidak kontinyu pada titik yang diminta. Jadi tidak ada limit pada titik tersebut. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 45 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Pendekatan sepanjang garis sumbu x, Sepanjang garis sumbu y-axis. Sepanjang garis . Didapat Menunjukkan tidak ada limit. (d) Fungsi tidak kontinyu pada titik yang diminta, jadi tidak ada limit. Hal ini juga dapat ditunjukkan dengan berbedanya nilai limit dengan pendekatan arah yang berbeda. Kita coba dekati melalui sepanjang garis menuju (0,0) . Kita coba dengan jalur . Didapat, Nilai limit tidak ada, karena melalui pendekatan yang ada nilai limit berbeda. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 46 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 3.2. Turunan parsial Prolog: Diketahui sebuah fungsi peubah ganda dan akan ditentukan laju perubahan fungsi pada titik . Penentuan laju perubahan dilakukan dua tahap; tahap pertama dengan menahan y tetap (fixed) dan membolehkan x berubah kemudian pada tahap kedua menahan x tetap dan membolehkan y berubah. Tahap pertama kita menahan y=b dan membiarkan x bergerak, sehingga kita mendapatkan Kita mendapatkan fungsi variabel tunggal dan menentukan laju perubahan g(x) pada x=a dengan menghitung g’(a) yaitu g’(a) = 4a . adalah turunan parsial / partial derivative terhadap x pada titik dan dinyatakan sebagai Tahap kedua kita menahan x = a dan membiarkan y bergerak sehingga mendapatkan adalah turunan parsial / partial derivative terhadap y pada titik dan we dinyatakan sebagai Kedua turunan diatas biasa disebut turunan parsial orde pertama / first order partial derivatives. Rumusan Formal : Bila kita melakukan proses turunan parsial fungsi seperti diatas dengan tidak menggunakan notasi tetapi dengan tetap menggunakan , kita dapat menuliskannya sebagai: dan , yaitu pertama menahan y tetap dan melakukan turunan terhadap x, setelah itu menahan x tetap dan melakukan turunan terhadap y. Definisi formal dari kedua turunan parsial tsb adalah sbb.: Berikut ini beberapa alternatif notasi untuk menyatakan turunan . Untuk fungsi Contoh 3.2.1. notasi berikut dapat digunakan sebagai turunan parsial : Dapatkan turunan parsial orde pertama untuk fungsi (a) (b) Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 47 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus (c) Jawab : (d) UK Maranatha 2012 (a) (b) (c) Untuk memudahkan penurunan persamaan diatas ditulis ulang sebagai, Petunjuk untuk turunan fungsi natural logarithms, gunakan . (d) Gunakan aturan rantai/chain rule yang pernah dipelajari di kalkulus 1 &2, dalam contoh ini bagaimana menurunkan fungsi eksponensial. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 48 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Contoh 3.2.2. Dapatkan turunan parsial orde satu fungsi berikut ini: (a) (b) (c) Jawab: (a) (b) (c) Dengan menggunakan prinsip aturan rantai/chain rule didapat, Turunan implisit dalam turunan parsial Dari contoh-contoh yang diberikan diatas, dengan menguasai turunan fungsi peubah tunggal dari kalkulus 1 & 2 maka proses turunan parsial fungsi peubah banyak tidak sulit. Selanjutnya akan dibahas proses turunan implisit dalam turunan parsial fungsi peubah banyak. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 49 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Contoh 3.2.3. me- review turunan implisit pada fungsi peubah tunggal dan pada contoh 3.2.4. bagaimana penerapannya dalam fungsi peubah banyak. Contoh 3.2.3. Dapatkan Jawab: untuk persamaan . Dengan selalu mengingat bahwa y adalah fungsi dari x, atau dan dengan demikian setiap kali menurunkan suatu suku/term yang melibatkan y terhadap x maka diperlukan untuk menggunakan aturan rantai, berarti perlu dituliskan pada suku/term tersebut. Langkah ke 1: menurunkan suku/term yang ada pada sisi kiri dan kanan tanda( = )terhadap x. Langkah ke-2: mendapatkan . Perlakuan untuk proses turunan implisit fungsi peubah banyak, berlaku serupa dengan proses turunan implisit pada fungsi peubah banyak. Dalam fungsi yang melibatkan variabel x, y, dan z dan misal z adalah fungsi x dan y, . Maka ketika kita memproses turunan z / differensiasi z terhadap x maka aturan rantai/chain rule digunakan dan dituliskan . Demikian juga dalam proses turunan z / differensiasi z terhadap y maka perlu ditulis. Contoh 3.2.4. Dapatkan (a) dan untuk fungsi berikut ini: (b) Jawab: (a) Untuk mendapatkan . Kedua sisi kiri kanan persamaan kita turunkan terhadap x dengan selalu menuliskan setiap kita menurunkan z. Ingat karena maka setiap perkalian x dan z merupakan perkalian dua fungsi x sehinga teorema aturan turunan perkalian fungsi harus dipakai. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 50 Rudy Wawolumaja Untuk mendapatkan Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 . Untuk mendapatkan dilakukan proses yang sama . (b) Untuk mendapatkan . Untuk mendapatkan . Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 51 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 3.3. Interpretasi Geometris Turunan Parsial Dalam Kalkulus Peubah tunggal, tangent line terhadap adalah kemiringan (slope) dari garis singgung / pada atau dapat juga dikatakan sebagai kemiringan kuva pada x=a. Demikian juga, dan juga adalah kemiringan (slope) dari garis singgung/tangent lines . Pada Kalkulus Peubah tunggal tangent line menyinggung lengkungan kurva, dalam kalkulus peubah ganda kita tahu fungsi berupa bidang permukaan, sehingga ada banyak garis singgung yang dapat menyinggung bidang permukaan pada suatu titik. Jadi pertanyaannya turunan parsial fungsi ganda merepresentasi kemiringan sudut garis singgung yang mana? Dalam hal ini turunan parsial adalah kemiringan garis singgung pada traces atau dapat dikatakan kemiringan dari irisan/traces. (Untuk trace lihat lagi bab fungsi multivariable) Definisi traces: Bila level curve adalah irisan permukaan dengan bidang datar , maka traces suatu permukaan adalah kurva/garis lengkung yang merupakan penampang irisan dengan bidang datar Jadi turunan parsial datar pada titik atau . adalah kemiringan trace yaitu irisan dengan bidang . Demikian juga partial derivative kemiringan trace yaitu irisan dengan bidang datar adalah pada titik Contoh 3.3.1. : Dapatkan kemiringan traces untuk fungsi . Solusi Gambar sketsa trace untuk irisan bidang Gambar 3.2. Turunan parsial fungsi dan . pada titik adalah sbb.: adalah sbb.: Dengan memasukkan titik singgung kedalam persamaan kita mendapatkan: Jadi, garis singgung/ tangent line pada dengan bidang datar untuk irisan/trace permukaan mempunyai kemiringan/slope sebesar -8. Dan garis singgung/ Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 52 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 tangent line pada untuk irisan/ trace permukaan dengan bidang datar mempunyai kemiringan sebesar -4. Menentukan persamaan garis singgung dan bidang singgung fungsi peubah ganda. Kita telah pelajari bahwa garis, bidang dalam 3 Dimensi dapat dinyatakan dalam tiga bentuk persamaan: 1. bentuk vektor persamaan garis / vector form of the equation of a line. 2. bentuk parametric persamaan garis / parametric form of the equation of a line. 3. Bentuk simetrik persamaan garis / symmetric equations of the line. Dalam bab Fungsi Vektor telah dibahas bahwa : Semua Fungsi Multivariabel dapat dinyatakan dalam Fungsi Vektor !!!!!!!. Untuk menyatakan persamaan suatu garis dalam bentuk vector, maka kita membutuhkan suatu titik pada garis tersebut dan vector arah. Untuk menentukan titik dalam 3 D kita memasukkan kedalam koodinat (a,b, f(a,b)). Berikut kita menentukan garis singgung pada titik tersebut: Bila kita mempunyai permukaan / surface yang dinyatakan dengan z= f(x,y), maka kita dapat menyatakan nya dalam bentuk fungsi vector: . Kita akan mendapatkan tangent vector dengan mendifferensiasi fungsi vector terhadap x , yang berarti dalam persoalan kita dengan mendifferensiasi fungsi irisan permukaan dengan bidang datar y=b. Irisan yang kita dapat adalah: Vektor tangent untuk trace/irisan dengan y constant (y=b) adalah: . Dengan mendifferensiasi fungsi vector terhadap y , yaitu mendifferensiasi fungsi irisan permukaan dengan bidang datar x=a. Irisan yang kita dapat adalah: Vektor tangent untuk trace/irisan dengan x constant (x=a) adalah: . Kedua tangent vector , adalah vector arah yang dari garis singgung yang ingin dicari. yang didapat Persamaan garis singgung dengan irisan fungsi vector dan y=b adalah: Persamaan garis singgung dengan irisan fungsi vector dan x=a adalah: Menentukan bidang singgung: Dalam bab persamaan bidang, persamaan bidang dinyatakan sebagai dot product: , dimana adalah vector normal bidang dan adalah titik pada bidang. = , = , = Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 53 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Dalam persoalan kita mencari bidang singgung, perlu dicari titik pada bidang dan vector normal bidang . Titik pada bidang yang merupakan titik singgung dengan permukaan adalah: (a,b, f(a,b)) yang kita tuliskan ( ) . Vektor posisi = . Vektor normal didapat dengan perkalian silang (cross product) dari vector tangent: x , sehingga didapat =- - +1 = . =0 + =0 Sehingga persamaan bidang singgung adalah : = + Contoh 3.3.2. Tuliskan persamaan bidang singgung dengan permukaan di titik . Titik singgung adalah: Persamaan garis singgung pada irisan/trace permukaan dengan bidang datar . Persamaan garis singgung pada irisan/trace permukaan dengan bidang datar . Bidang singgung: = = , sehingga persamaan bidang singgung : Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 54 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 3.4.Turunan parsial orde tinggi. Untuk fungsi variable ganda, dapat diturunkan beberapa kali, misal turunan parsial orde satu adalah fungsi dari x dan y, maka turunan itu bisa diturunkan lagi. Berikut ini notasi yang digunakan : Contoh 3.4.1. Dapatkan turunan orde dua untuk Turunan orde satu adalah: . Turunan orde satu diturunkan lagi sehingga didapat turunan orde dua: Dari contoh diatas kita mendapatkan : . Hal ini bukan kebetulan dan untuk semua kasus berlaku, dan hal ini dinyatakan dalam Teorema Clairut. Teorema Clairaut Bila f didefinisikan pada D dan memiliki titik kontinu pada D maka, . Bila fungsi Contoh 3.4.2. Verifikasi Teorema Clairaut untuk dan adalah . Keduanya sama. Teorema Clairut dapat diperluas untuk turunan orde ketiga dan seterusnya untuk orde yang lebih tinggi. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 55 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Sehingga Teorema ini juga berlaku tidak hanya untuk fungsi variable ganda, tetapi juga untuk fungsi variable 3 , 4 dan seterusnya (multivariable umumnya). Sehingga bila memenuhi syarat kontinu berlaku Secara umum bila memenuhi syarat kontinuitas, Teorema Clairut berlaku untuk fungsi multivariable dan turunan orde tinggi. Contoh 3.4.3. (a) Dapatkan untuk (b) Dapatkan untuk Jawab (a) , (b) , , , , Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK , Halaman 56 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 3.5. Differentials Diketahui fungsi dz = dx + maka differential dz atau df adalah : dy atau df = dx + dy Rumusanl diatas dapat diperluas kefungsi variable 3 atau lebih.. Contoh diketahui fungsi Contoh 3.5.1. maka differential dw adalah: Hitung differential untuk fungsi berikut ini (a) (b) (a) (b) Catatan : Terkadang differential disebut juga total differentials. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 57 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 3.6. Aturan Rantai Berikut notasi pada single variable, yang menyatakan bila F fungsi x yang dapat dinyatakan sebagai F fungsi dari g dan g fungsi dari x , maka turunannya dinyatakan sebagai F’(x) dengan rumusan: Notasi alternatif adalah sbb.: Bila y = f(x) dan x = g(t) maka Untuk fungsi dua variabel, Kasus 1 : ada beberapa kemungkinan. , , diminta untuk menghitung . Aturan rantai untuk kasus ini adalah sbb.: Contoh 3.6.1. Hitung untuk (a) (b) , , , , Solution (a) , , Dengan men substitusi x dan y dengan t kita mendapatkan: Soal diatas lebih mudah dikerjakan dengan mensubstitusi x dan y dengan t dari awal, pengerjaan diatas adalah untuk menunjukkan penggunaan aturan rantai. Dengan mensubstitusi x dan y dengan t dari awal, kita mendapatkan: Hasilnya sama. (b) , , Dalam kasus ini menggunakan aturan rantai akan lebih mudah daripada mensubstitusi x dan y dari awal. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 58 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Berikut ini variasi dari kasus, dimana Maka aturan rantai untuk adalah: Dimana : Contoh 3.6.2. Hitung Kasus 2 : untuk , , , Contoh 3.6.3. Dapatkan Aturan rantai untuk . Aturan rantai untuk . dan dan diminta untuk Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK dan , . , . Halaman 59 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Berikut ini rumusan umum Aturan Rantai Jika z adalah fungsi n variabel, , dan variabel tersebut adalah fungsi dari m variabel, . Maka untuk setiap variabel , maka: Untuk memudahkan pengerjaan aturan rantai untuk setiap situasi maka diagram pohon sebaiknya digunakan. Contoh penggunaan diagram pohon dalam pengerjaan aturan rantai / chain rule untuk diketahui bahwa , , Berikut diagram pohon untuk kasus ini: . Contoh 3.6.4. Gunakan tree diagram untuk menuliskan chain rule untuk turunan. (a) untuk , (b) untuk , (a)Diagram pohon untuk dimana , , dan , ,dan , , , dan Sehingga: (b) Diagram pohon untuk Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 60 Rudy Wawolumaja dimana Multivariable Calculus , , UK Maranatha 2012 dan Sehingga : Contoh 3.6.5. Dapatkan Solution Turunan pertama: untuk bila dan . Turunan kedua : Dengan menggunakan aturan perkalian turunan didapat: Kita perlu menentukan dan . Kita menulis ulang hasil aturan rantai pertama, sebagai: (1) Rumusan persamaan (1) diatas dapat ditafsirkan sebagai rumusan untuk men differensiasi sembarang fungsi x dan y terhadap yang memenuhi syarat Dan kita tahu bahwa turunan parsial orde satu, dan mensubstitusi f dengan dan . , adalah fungsi x dan y dan syarat berlaku, sehingga kita dapat menggunakan persamaan (1) dengan dan : Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK dan Halaman 61 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 persamaan (1) Sehingga kita dapat menghitung . Dan dapat menghitung . Dengan memasukkan dan kedalam persamaan yang telah didapat: Kita mendapatkan: Turunan Implisit. Suatu fungsi dituliskan dalam bentuk dimana . Untuk mendapatkan dengan mendifferensi sehingga didapat : Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 62 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus Contoh 3.6.6. Dapatkan untuk Persamaan diatas dituliskan dalam bentuk F(x,y) = 0. Sehingga dengan menggunakan formula Untuk kasus fungsi dituliskan dalam UK Maranatha 2012 . diperoleh dimana z = f (x,y) ,dicari dan . Untuk mendapatkan maka dilakukan differensiasi terhadap x dan memperlakukan y sebagai konstan. Kita melakukan pernurunan dengan menggunakan aturan rantai, sehingga didapat: Dengan memasukkan dan kedalam persamaan didapat: Contoh 3.6.7. Dapatkan dan untuk Persamaan diatas dituliskan dalam bentuk F(x,y,z) = 0. . Maka sehingga Dan sehingga Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 63 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 3.7. Turunan Berarah Turunan parsial dan , menyatakan laju perubahan dari f bila kita merubah x (dengan menahan y tetap) dan merubah y (dengan menahan x tetap). Pada bagian ini kita akan mempelajari bagaimana perubahan f bila kita membolehkan x dan y berubah bersamaan. Ada banyak cara untuk membolehkan x dan y berubah bersamaan. Misalnya x berubah lebih cepat dari y. Misalnya pada suatu titik . Kita merubah x dengan laju positif dua kali lebih cepat dari laju perubahan positif y. Dalam turunan parsial kita mendefinisikan bahwa laju perubahan f yang dinyatakan dengan adalah dalam arah vector , sedangkan laju perubahan f yang dinyatakan dengan adalah dalam arah vector . Dan misalnya ingin diketahui laju perubahan f dalam arah . Ada banyak vektor yang menyatakan arah , bisa vektor , Maka agar tetap konsisten maka kita nyatakan vektor arah perubahan dinyatakan dalam unit vektor. Definisi unit vektor adalah vektor yang memiliki panjang =1. Bila kita mempunyai vektor , maka panjang vektor (magnitude) dinyatakan sebagai : Jadi untuk contoh . , unit vektor yang panjang =1 dan arah yang sama adalah . Terkadang kita menyatakan arah perubahan x dan y sebagai suatu sudut. Misalnya, berapa laju perubahan f dalam arah . Unit vektor yang mewakili arah ini adalah: . Berikut definisi dari Turunan Berarah: Definisi Laju perubahan dalam arah vektor unit ditulis dengan notasi disebut turunan berarah dan . Definisi dari turunan berarah adalah, Definisi diatas secara teknis dan praktis akan sangat sulit menghitung limitnya. Perlu dicari suatu cara agar dapat lebih mudah menghitung turunan berarah. Berikut ini diuraikan proses penurunan suatu rumusan yang lebih praktis untuk menghitung directional derivatives. Suatu fungsi peubah tunggal didefinisikan : dimana , , a , dan b adalah suatu bilangan tetap. Maka berdasarkan definisi turunan fungsi perubah tunggal didapat, dan turunan pada Bila kita substitusi adalah: didapat, Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 64 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Jadi kita mendapatkan hubungan sbb.: (1) Bila ditulis ulang sebagai: Dari aturan rantai didapat: (2) Dengan memasukkan didapat dan kedalam persamaan (2), kita mendapatkan : sehingga bila kita masukkan (3) Persamaan (1) sama dengan persamaan (3), sehingga: Bila dan formula sbb. : disubstitusi dengan x dan y (sebagai variabel) kita mendapatkan rumus / Rumusan diatas lebih praktis dan sederhana dari definisi limit turunan berarah. Rumusan yang sama dapat diperluas untuk fungsi lebih dari 2 variabel. Misal untuk fungsi , turunan berarah dari dalam arah unit vektor adalah, Contoh 3.7.1. Tentukan turunan berarah untuk soal dibawah ini . (a) (b) Jawab : dimana dan adalah unit vektor dengan arah dimana dengan arah . . (a) . Unit vektor arah adalah: Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 65 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Jadi, Dengan memasukan titik (2,0) kepersamaan didapat: (b) Perlu dicari unit vektor arah, vektor dicari panjangnya. Jadi vektor diatas bukan unit vektor. Sehingga perlu vektor arah tersebut dikonversi menjadi unit vektor arah, yaitu dengan membaginya dengan panjang vektor, sehingga didapat: Maka turunan berarah adalah: Rumusan turunan berarah dapat dituliskan dalam beberapa versi : Turunan berarah ditulis sebagai dot product antara gradient vektor f dengan unit vektor arah . Dimana gradient f atau gradient vektor f didefinisikan sebagai, atau Atau bila menggunakan notasi basis vektor dituliskan: atau Dengan definisi gradient , maka turunan berarah dapat dituliskan sebagai: Atau juga dengan notasi sbb.: dimana Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK atau Halaman 66 Rudy Wawolumaja Multivariable Calculus UK Maranatha 2012 Contoh 3.7.2. Tentukan turunan berarah. (a) untuk dalam arah (b) untuk at . arah . Solusi (a) Jadi : (b) Unit vektor arah: Jadi, directional derivative pada titik yang dimaksud adalah: Teorema 1 Nilai maximum dari (atau laju perubahan maximum fungsi dan terjadi dalam arah Bukti . Karena adalah unit vector, bentuk perkalian titik ) adalah adalah dimana adalah sudut antara gradient dan ., maka nilai maximum yang mungkin adalah pada nilai = 1 yaitu pada . Jadi nilai Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 67 Rudy Wawolumaja maximum Multivariable Calculus adalah UK Maranatha 2012 dan terjadi pada sudut antara gradient dan nol, dengan kata lain pada kondisi adalah mempunyai arah yang sama dengan gradient, . Contoh 3.7.3. Misalkan ketinggian bukit diatas permukaan laut dinyatakan dalam fungsi . Pada titik dalam arah manakah yang paling menanjak atau menurun ? Berapakah nilai maximum kemiringan pada titik ini? Jawab Persamaan fungsi diatas menunjuk pada bentuk elliptic paraboloid dengan mulut terbuka kebawah. Perubahan maximum laju perubahan kemiringan adalah pada Nilai kemiringan maximum pada titik ini adalah, Vektor arah , mempunyai kedua komponen negative artinya arah perubahan maximum adalah kearah pusat. Teorema 2 Vektor gradient adalah orthogonal (atau tegak lurus) terhadap level curve pada titik . Demikian juga, vektor gradient orthogonal terhadap level surface Bukti pada titik adalah . Bila S adalah level surface yang dinyatakan dan bila dimana P ada di S. Dan bila C adalah suatu kurva pada S dan melewati P , yang dinyatakan dalam bentuk persamaan vektor . Sehingga pada t = sehingga , yaitu vektor posisi P . Dan karena C ada pada S sehingga setiap titik pada C harus memenuhi persamaan S. Yaitu, Dengan menerapkan Aturan Rantai / Chain Rule didapat kan : (4) dan At, sehingga persamaan (4) menjadi, this is, Perkalian titik diatas menyatakan, bahwa vektor gradient pada P , , adalah orthogonal terhadap vektor tangent , , untuk setiap kurva C yang melewati P dan terletak pada permukaan S dan karena itu harus juga orthogonal terhadap permukaan S. Rudy Wawolumaja- Universitas Kristen Maranatha KALKULUS PEUBAH BANYAK Halaman 68
