Daftar Isi 3. BARISAN ANALISIS REAL (Semester I Tahun 2011-2012) Hendra Gunawan∗ ∗ Dosen FMIPA - ITB E-mail: [email protected]. August 29, 2011 Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Dalam kisah Zeno tentang perlombaan lari antara Achilles dan seekor kura-kura, ketika Achilles mencapai posisi x0 tempat sang kura-kura mulai berlari, sang kura-kura telah menempuh x1 meter; dan ketika Achilles mencapai posisi tersebut beberapa saat kemudian, sang kura-kura telah menempuh x2 meter lebih jauh; dan seterusnya. Sebagai contoh, bila Achilles berlari dengan kecepatan 6 m/detik sementara sang kura-kura berlari dengan kecepatan 3 m/detik (ditarik roda), maka Achilles akan mencapai posisi-posisi tertentu yang pernah dicapai oleh sang kura-kura pada saat 1 1 1 + + · · · + n detik, n = 1, 2, 3, . . . . 2 4 2 Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bentuk penjumlahan di atas membentuk sebuah deret geometri, yang jumlahnya sama dengan 1 − 21n . Jadi, dalam cerita di atas, kita mempunyai sebuah ‘barisan’ bilangan h1 − 21n i. Bila n ‘menuju tak terhingga’, maka 21n ‘menuju 0’. Jadi barisan bilangan di atas ‘konvergen ke 1’. Dengan pengetahuan ini, pada akhirnya kita dapat menyimpulkan bahwa Achilles akan menyalip sang kura-kura setelah berlari selama 1 detik. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Sebuah barisan bilangan real dapat diartikan sebagai suatu daftar bilangan real x1 , x2 , x3 , . . . . Persisnya, sebuah barisan bilangan real adalah suatu fungsi dari N k eR, yakni suatu aturan yang mengaitkan setiap bilangan asli n dengan sebuah bilangan real tunggal xn . Di sini xn disebut sebagai suku ke-n barisan tersebut. Notasi hxn i menyatakan barisan dengan suku ke-n xn . Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Himpunan {xn : n ∈ N} disebut sebagai daerah nilai barisan hxn i. Barisan hxn i dikatakan terbatas (terbatas di atas atau terbatas di bawah) apabila daerah nilainya terbatas (terbatas di atas atau terbatas di bawah). Jadi, hxn i terbatas jika dan hanya jika terdapat K > 0 sedemikian sehingga |xn | ≤ K untuk setiap n ∈ N. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 1 (i) Barisan h n1 i adalah barisan bilangan 1, 1 1 2, 3, . . . . (ii) Barisan h(−1)n i adalah barisan bilangan −1, 1, −1, 1, . . . . Jika n ganjil, maka suku ke-n bernilai −1; dan jika n genap, maka suku ke-n bernilai 1. Jadi daerah nilai barisan ini adalah {−1, 1}. (iii) Barisan hrn i yang didefinisikan secara induktif dengan r1 = 1 dan 1 rn+1 = 1 + , untuk n = 1, 2, 3, . . . rn adalah barisan 1, 2, 23 , 35 , . . . . Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Soal Latihan 1 Buktikan bahwa ketiga barisan pada Contoh 1 merupakan barisan terbatas. 2 Berikan dua buah contoh barisan yang tak terbatas. 3 Barisan Fibonacci 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... dapat didefinisikan secara induktif dengan x1 = x2 = 1 dan xn+2 = xn + xn+1 , n = 1, 2, 3, . . . . Buktikan bahwa barisan hxn i tak terbatas. 4 Misalkan hxn i adalah barisan Fibonacci. Definisikan rn := xn+1 xn , n ∈ N. Buktikan bahwa barisan hrn i terbatas. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Barisan hxn i dikatakan konvergen ke L (L ∈ R) apabila untuk setiap > 0 terdapat bilangan asli N (yang bergantung hanya pada ) sedemikian sehingga jika n ≥ N, maka |xn − L| < . Secara intuitif, hxn i konvergen ke L apabila xn semakin mendekati L ketika n semakin besar. Secara informal, kita dapat mengatakan bahwa xn ‘menuju L’ bila n ‘menuju tak terhingga’. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bilangan L dalam hal ini disebut sebagai limit barisan hxn i, dan kita tuliskan lim xn = L, n→∞ atau xn → L, bila n → ∞. Untuk tiap n ∈ N, bilangan xn dapat dianggap sebagai hampiran untuk L (dan sebaliknya, L merupakan hampiran untuk xn ). Jarak |xn − L| antara xn dan L menyatakan kesalahan pada penghampiran tersebut (dengan sebagai taksiran kesalahan maksimum-nya). Definisi di atas menyatakan bahwa kesalahan tersebut dapat dibuat sekecil-kecilnya dengan memilih n cukup besar. Hendra Gunawan ANALISIS REAL 3.1 3.2 3.3 3.4 Daftar Isi 3. BARISAN Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 2 Barisan h n1 i konvergen ke 0, yakni lim n→∞ 1 = 0. n Diberikan > 0 sembarang, kita dapat memilih bilangan asli N > 1 sedemikian sehingga jika n ≥ N, maka 1 1 1 < . − 0 = ≤ n n N Catatan. Eksistensi bilangan asli N yang lebih besar dari bilangan real 1 tentu saja dijamin oleh Sifat Archimedes.) Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Teorema 3 Sebuah barisan tidak mungkin konvergen ke dua buah limit yang berbeda. Bukti. Misalkan hxn i konvergen ke L dan juga ke M. Untuk > 0 sembarang, kita dapat memilih n cukup besar sedemikian sehingga |L − M| ≤ |L − xn | + |xn − M| < + = 2. Karena ketaksamaan ini berlaku untuk tiap > 0, kita simpulkan bahwa |L − M| = 0 atau L = M. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Teorema 4 Jika hxn i konvergen, maka hxn i terbatas. Catatan. Kebalikan dari Teorema 4 tidak berlaku. Sebagai contoh, h(−1)n i terbatas, tetapi tidak konvergen. Di sini keterbatasan merupakan ‘syarat perlu’ tetapi bukan merupakan ‘syarat cukup’ untuk kekonvergenan. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bukti. Misalkan hxn i konvergen ke L. Pilih N ∈ N sedemikian sehingga untuk n ≥ N berlaku |xn − L| < 1. Akibatnya, untuk n ≥ N, kita mempunyai |xn | ≤ |xn − L| + |L| < 1 + |L|. Sebut K := maks{|x1 |, . . . , |xN |, 1 + |L|}. Maka jelas bahwa |xn | ≤ K , untuk tiap n ∈ N. Ini menunjukkan bahwa hxn i terbatas. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Barisan yang tidak konvergen disebut barisan divergen. Dari Teorema 4, kita mengetahui bahwa barisan tak terbatas tidak mungkin konvergen, dan karenanya ia merupakan barisan divergen. Sebagai contoh, barisan Fibonacci 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, . . . merupakan barisan divergen karena ia tak terbatas. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Selanjutnya perlu diingat bahwa barisan terbatas pun mungkin saja divergen. Sebagai contoh, barisan h(−1)n i merupakan barisan divergen. Dengan mudah kita dapat menunjukkan bahwa lim (−1)n 6= ±1. Namun ini belum menunjukkan bahwa h(−1)n i n→∞ divergen. Untuk menunjukkan kedivergenan h(−1)n i, kita harus meyakinkan bahwa lim (−1)n 6= L untuk sembarang L ∈ R. n→∞ Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Soal Latihan 1 2 3 Buktikan bahwa untuk setiap bilangan rasional r > 0, barisan h n1r i konvergen ke 0. Buktikan bahwa n−1 n+1 konvergen ke 1. Tuliskan arti dari lim xn 6= L. Tunjukkan bahwa n→∞ lim (−1)n 6= L untuk sembarang L ∈ R. n→∞ 4 Buktikan jika c ∈ R dan hxn i konvergen ke L, maka hcxn i konvergen ke cL. 5 Buktikan jika hxn i konvergen ke L > 0, maka terdapat N ∈ N sedemikian sehingga xn > L2 untuk tiap n ≥ N. 6 Berikan alasan sederhana mengapa barisan Fibonacci tidak mungkin konvergen. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Dalam contoh dan soal-soal latihan pada subbab sebelumnya, ketika > 0 diberikan, cukup mudah bagi kita untuk mencari bilangan asli N yang memenuhi definisi barisan konvergen. Namun secara umum tidaklah selalu demikian situasinya. Dalam hal ini kita perlu mempunyai cara lain untuk memeriksa kekonvergenan suatu barisan (dan menentukan limitnya) tanpa harus menggunakan definisinya. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Proposisi 5 Misalkan xn → L dan yn → M bila n → ∞, dan λ, µ ∈ R. Maka (i) λxn + µyn → λL + µM bila n → ∞. (ii) xn yn → LM bila n → ∞. xn L (iii) bila n → ∞, asalkan M 6= 0. → yn M Catatan. Bukti bagian (ii) dan (iii) diserahkan sebagai latihan. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bukti. (i) Berdasarkan Soal Latihan 3.2 No. 4, cukup dibuktikan bahwa, jika xn → L dan yn → M untuk n → ∞, maka xn + yn → L + M untuk n → ∞. Diberikan > 0 sembarang, terdapat N1 ∈ N sedemikian sehingga untuk n ≥ N1 berlaku |xn − L| < . 2 Pada saat yang sama, terdapat N2 ∈ N sedemikian sehingga untuk n ≥ N2 berlaku |yn − M| < . 2 Sekarang pilih N := maks{N1 , N2 }. Maka, untuk n ≥ N, kita peroleh (dengan menggunakan Ketaksamaan Segitiga) |(xn + yn ) − (L + M)| ≤ |xn − L| + |yn − M| < + = . 2 2 Ini menunjukkan bahwa xn + yn → L + M untuk n → ∞. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 6 2n2 − 5n 2 = . 2 n→∞ 3n − 7n + 4 3 lim Penjelasan. Berdasarkan Proposisi 5 (serta contoh dan soal latihan pada §3.2), 2 − (5/n) 2−0 2 2n2 − 5n = → = 3n2 − 7n + 4 3 − (7/n) + (4/n2 ) 3−0+0 3 bila n → ∞. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Teorema 7 (Teorema Apit) Misalkan xn ≤ yn ≤ zn untuk tiap n ∈ N. Jika xn → L dan zn → L untuk n → ∞, maka yn → L untuk n → ∞. Catatan. Hipotesis bahwa xn ≤ yn ≤ zn berlaku untuk tiap n ∈ N dapat ‘diperlunak’ menjadi hanya berlaku untuk tiap n ≥ n0 untuk suatu n0 ∈ N. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bukti. Diberikan > 0 sembarang, pilih N ∈ N sedemikian sehingga untuk n ≥ N berlaku |xn − L| < dan |zn − L| < atau L − < xn < L + dan L − < zn < L + . Akibatnya, untuk n ≥ N, kita peroleh L − < xn ≤ yn ≤ zn < L + , sehingga |yn − L| < . Ini menunjukkan bahwa yn → L untuk n → ∞. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 8 xn = 0. n→∞ n Penjelasan. Barisan hxn i terbatas berarti terdapat K > 0 sedemikian sehingga untuk setiap n ∈ N berlaku Misalkan hxn i terbatas. Maka lim −K ≤ xn ≤ K . Akibatnya − Karena lim n→∞ K xn K ≤ ≤ . n n n xn K = 0, maka menurut Teorema Apit lim = 0. n→∞ n n Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Teorema 9 (i) Jika xn → L untuk n → ∞, maka |xn | → |L| untuk n → ∞. (ii) Jika xn ≥ 0 untuk √ tiap n ∈ N dan xn → L untuk n → ∞, maka √ L ≥ 0 dan xn → L untuk n → ∞. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bukti. (i) Berdasarkan Ketaksamaan Segitiga, untuk setiap n ∈ N, kita mempunyai |xn | − |L| ≤ |xn − L|. Karena itu jelas jika xn → L untuk n → ∞, maka |xn | → |L| untuk n → ∞. (ii) Andaikan L < 0, kita dapat memilih n ∈ N sedemikian sehingga xn < L2 < 0, bertentangan dengan hipotesis. Jadi mestilah L ≥ 0. √ √ Selanjutnya, untuk membuktikan bahwa h xn i konvergen ke L, kita tinjau kasus L = 0 dan kasus L > 0 secara terpisah. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton √ √ Untuk kasus L = 0, kita perhatikan bahwa xn < bila xn < . √ Karena itu, xn → 0 untuk n → ∞ karena xn → 0 untuk n → ∞. Sekarang misalkan L > 0. Untuk tiap n ∈ N, kita mempunyai √ √ 1 |xn − L| √ ≤ √ |xn − L|. | xn − L| = √ xn + L L Jadi, diberikan > 0, kita tinggal memilih N ∈ N √ sedemikian sehingga untuk setiap n ≥ N √ berlaku |xn − L| < L. Ini √ menunjukkan bahwa xn → L untuk n → ∞. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Soal Latihan 1 Buktikan Proposisi 5 bagian (ii) dan (iii). 2 Buktikan jika |xn − L| ≤ yn untuk tiap n ∈ N dan yn → 0 untuk n → ∞, maka xn → L untuk n → ∞. Buktikan bahwa 21n konvergen ke 0, dengan menggunakan fakta bahwa n < 2n untuk tiap n ∈ N. √ √ Buktikan bahwa h n + 1 − ni konvergen ke 0. 3 4 5 6 Diketahui |x| < 1. Buktikan bahwa hx n i konvegen ke 0. 1 1 (Petunjuk. Tuliskan |x| = 1+a , maka |x n | < an .) Misalkan xn ≤ yn untuk tiap n ∈ N. Buktikan jika xn → L dan yn → M untuk n → ∞, maka L ≤ M. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Barisan hxn i dikatakan naik apabila xn ≤ xn+1 untuk tiap n ∈ N. Serupa dengan itu, hxn i dikatakan turun apabila xn ≥ xn+1 untuk tiap n ∈ N. Barisan naik atau turun disebut barisan monoton. Bila xn < xn+1 atau xn > xn+1 untuk tiap n ∈ N, maka hxn i dikatakan naik murni atau turun murni. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 10 (i) Barisan h n1 i merupakan barisan monoton turun. (ii) Barisan Fibonacci 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, . . . merupakan barisan monoton naik. (iii) Barisan konstan hci merupakan barisan monoton naik dan sekaligus turun. (iv) Barisan h(−1)n i bukan merupakan barisan monoton. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Teorema 11 (i) Jika hxn i naik dan terbatas (di atas), maka ia konvergen ke sup{xn : n ∈ N}. (ii) Jika hxn i turun dan terbatas (di bawah), maka ia konvergen ke inf{xn : n ∈ N}. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Bukti. (i) Misalkan A := {xn : n ∈ N} dan L = sup A. Akan ditunjukkan bahwa xn → L untuk n → ∞. Untuk setiap > 0, L − bukan batas atas himpunan A, dan karenanya terdapat N ∈ N sedemikian sehingga L − < xN ≤ L. Karena hxn i naik, untuk setiap n ≥ N berlaku L − < xN ≤ xn ≤ L, dan sebagai akibatnya |xn − L| < . Dengan demikian xn → L untuk n → ∞. (ii) Serupa dengan bukti untuk bagian (i). Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 12 1 1 Misalkan xn := 1 + 2 + · · · + 2 , n ∈ N. Di sini jelas bahwa hxn i 2 n naik. Selanjutnya, untuk tiap n ≥ 2, kita mempunyai 1 1 1 1 ≤ = − . 2 n n(n − 1) n−1 n Akibatnya, untuk tiap n ∈ N berlaku 1+ 1 1 1 1 1 1 1 + · · · + ≤ 1 + − + · · · + − = 2 − < 2. 2 2 2 n 1 2 n−1 n n Jadi hxn i terbatas (di atas). Menurut Teorema 11, hxn i konvergen (ke suatu bilangan L ≤ 2). Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 13 Diberikan x0 > 0, definisikan barisan hxn i secara induktif dengan xn = 2 1 xn−1 + , 2 xn−1 n ∈ N. Maka, √ dapat ditunjukkan bahwa hxn i turun dan√terbatas di bawah oleh 2, sehingga konvergen. Limitnya adalah 2. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Contoh 14 n Misalkan xn := 1 + n1 , n ∈ N. Maka dapat diperiksa bahwa hxn i naik dan terbatas (di atas), sehingga konvergen. Limitnya adalah bilangan e. Hendra Gunawan ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN Hendra Gunawan 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton ANALISIS REAL Daftar Isi 3. BARISAN 3.1 3.2 3.3 3.4 Definisi Barisan Kekonvergenan Barisan Teorema Limit Barisan Monoton Soal Latihan 1 Berikan contoh barisan naik dan barisan turun yang belum dibahas dalam bab ini. 2 Buktikan Teorema 11 bagian (ii). 3 4 5 Diketahui 0 < x < 1. Buktikan bahwa hx n i turun dan terbatas di bawah, sehingga ia konvergen. 1 1 Misalkan xn := 1 + + · · · + , n ∈ N. Buktikan bahwa 2! n! hxn i naik dan terbatas (di atas). (Petunjuk. Gunakan fakta bahwa 2n−1 ≤ n! untuk tiap n ∈ N.) 1 1 Misalkan xn := 1 + + · · · + , n ∈ N. Buktikan bahwa hxn i 2 n naik. Apakah hxn i terbatas (di atas)? Hendra Gunawan ANALISIS REAL