Download Materi Kalkulus Peubah Banyak dan Aplikasi

Kalkulus Peubah Banyak Modul Pembelajaran January UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG ALFIANI ATHMA PUTRI ROSYADI, M.Pd A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 2 IDENTITAS MAHASISWA NAMA : ……………………………………………… KLS/NIM :………………………………………………. KELOMPOK:………………………………………………. A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 3 Daftar Isi Kata Pengantar ………………………………………………………………………………………………………………………. 3 Peta Konsep Materi ……………………………………………………………………………………………………………….. 4 Bab I Turunan dalam Dimensi n A. Fungsi Dua Peubah atau Lebih …………………………………………………………………. 12 B. Turunan Parsial Fungsi Dua Peubah atau Lebih ………………………………………… 14 C. Turunan Parsial Tingkat Tinggi ………………………………………………………………….. 17 D. Differensial Total ………………………………………………………………………………………. 20 Bab II Integral A. Integral Ganda Dua Atas Daerah Persegi Panjang……………………………………… 24 B. Integral Lipat ……………………………………………………………………………………………. 29 C. Integral ganda dua dalam koordinat kutub ………………………………………………. 32 D. Integral Ganda Tiga dalam Koordinat Kartesius ………………………………………… 34 E. Integral Ganda Tiga dalam Koordinat Tabung …………………………………………… 35 F. Aplikasi Integral Ganda Tiga ……………………………………………………………………….35 A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 4 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmatnya sehingga modul pembelajaran matakuliah Kalkulus Peubah Banyak ini selesai disusun. Modul ini digunakan sebagai salah satu media pembelajaran guna menunjang terlaksananya proses perkuliahan matakuliah Kalkulus Peubah Banyak. Di dalam modul pembelajaran ini terdapat kilasan materi prasyarat, materi yang dibahas, contoh soal, latihan soal, kegiatan diskusi, dan peta konsep yang dapat memudahkan mahasiswa memahami keterkaitan antar materi. Modul ini bukan satu-satunya media untuk belajar bagi mahasiswa, sehingga diharapkan didampingi dengan buku teks, handout, dan sumber lain yang relevan. Kritik dan saran yang membangun penulis harapkan dari berbagai pihak demi perbaikan untuk penyusunan modul berikutnya. Alfiani Athma Putri Rosyadi A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 5 PETA KONSEP Secara garis besar, materi yang dibahas pada matakuliah kalkulus peubah banyak ini dapat disajikan dalam peta konsep berikut: Kalkulus Peubah banyak Turunan dalam ruang dimensi-n Fungsi Dua peubah atau lebih Turunan Parsial fungsi dua variabel fungsi tiga variabel Lebih dari tiga variabel Aplikasi Turunan Parsial Differensial Total Integral Integral dalam Rn, Integral Ganda dua koordinat polar Koordinat tabung Integral gandatiga Aplikasi Integral A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 6 Pada Bab 1 ini akan dibahas antara lain sebagai berikut. A. Fungsi Dua Peubah Atau Lebih Turunan Parsial dan aplikasinya Differensial Total Tema sentral dari bab ini adalah kalkulus dari fungsi peubah banyak (multivariable) khususnya dengan dua atau tiga peubah. Kebanyakan fungsi yang digunakan dalam sains dan engineering adalah fungsi peubah banyak. Contohnya: teori peluang, statistik, fisika, dinamika fluida, dan listrik-magnet. Kalkulus fungsi ini jauh lebih kaya, turunannya juga bervariasi karena terdapat lebih banyak variabel yang berinteraksi. Sebelum mempelajari BAB ini materi prasyarat yang harus diperoleh adalah system koordinat, permukaan bidang dan ruang, serta sketsa beberapa grafik (bola, elipsoida dst) Sebelum mempelajari BAB I, akan disajikan beberapa materi pendukung yang bisa membantu mahasiswa untuk menyelesaikan berbagai persoalan dalam materi BAB I. Materi pendukung yang disajikan antara lain sebagai berikut a. Sistem Koordinat b. Permukaan di ruang c. Bola, elipsoida, hiperboloida, dan paraboloida 1 A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 7 MATERI PRASYARAT a. Sistem Koordinat b. Permukaan di Ruang Sebelum belajar tentang fungsi dua peubah, terlebih dahulu kita mengenal permukaan di ruang dan cara membuat sketsa suatu permukaan di ruang (R3). Berikut beberapa fungsi permukaan di ruang, antara lain : Bola, mempunyai bentuk umum Dengan, Jejak di bidang XOY, z=0, (berupa lingkaran) Jejak di bidang XOZ, y=0, (berupa lingkaran) Jejak di bidang YOZ, x=0, (berupa lingkaran) A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 8 Gambar 1.1 Bola Ellipsoida Ellipsoida mempunyai bentuk umum sebagai berikut. Dengan Jejak di bidang berupa ellips Jejak di bidang berupa ellips Jejak di bidang berupa ellips Gambar 1.2 Ellipsoida A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 9 Hiperboloida Berdaun satu Hiperboloida berdaun satu mempunyai bentuk umum sebagai berikut. Jejak di bidang berupa ellips Jejak di bidang berupa hiperbolik Jejak di bidang berupa hiperbolik Gambar 1.3 Hiperboloida berdaun Satu Hiperboloida berdaun dua Hiperboloida berdaun dua mempunyai persamaan umum sebagai berikut. Jejak di bidang berupa hiperbolik Jejak di bidang berupa hiperbolik A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 10 Jejak di bidang tidak ada jejak Gambar 1.4 Hiperboloida berdaun 2 Macam-macam persamaan di R3 a. Paraboloida eliptik, mempunyai bentuk umum: b. Paraboloida hiperbolik mempunyai bentuk umum: c. Kerucut eliptik mempunyai bentuk umum: d. Bidang mempunyai bentuk umum: A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 11 Berikut adalah gambar dari masing-masing jenis persamaan di atas Gambar 1.5 Paraboloida Eliptik, paraboloida Hiperbolik, Kerucut Eliptik dan Bidang A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 12 A. Fungsi Dua Peubah Atau Lebih Fungsi dua peubah atau variabel, misalnya x dan y, adalah fungsi yang memetakan tiap pasang (x,y) pada tepat satu bilangan real. Demikian pula dengan fungsi tiga peubah, misalnya x,y, dan z. 1. Berilah contoh fungsi dua peubah dan fungsi tiga peubah ! Jawaban: a. f ( x, y) = x − y b. c. f ( x, y, z) = xy + ey sin z d. Domain fungsi f dua peubah, x dan y, adalah himpunan dari semua pasangan terurut (x,y) sehingga fungsi tersebut terdefinisi. Sedangkan range suatu fungsi adalah himpunan semua nilai z=f(x,y) fungsi itu dengan x dan y peubah bebas sedangkan z adalah peubah tak bebas 2. Tentukanlah domain dari fungsi Jawab: Fungsi ini terdefinisi hanya bila Sehingga dapat dituliskan Example Remember A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 13 1. Misalkan , tentukan nilai dari a. b. c. 2. Tentukan daerah asal dari setiap fungsi berikut a. b. c. 3. Carilah jika dan , Lembar Jawaban Exercise A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 14 Turunan Parsial Fungsi Dua Peubah atau Lebih Untuk mempelajari turunan parsial, kita perlu mengingat kembali tentang materi turunan. Masih ingatkah kalian definisi dari turunan yang sudah kalian pelajari sebelumnya? Definisi turunan. Misalkan f sebuah fungsi real dan . Turunan dari f di titik x, ditulis Jika Turunan pada fungsi dengan satu peubah mempunyai arti laju perubahan fungsi jika peubahnya mengalami perubahan nilai. Tentu saja turunan pada fungsi dengan dua atau lebih peubah diinginkan memiliki interpretasi yang sama. Namun dalam hal ini terdapat lebih dari satu peubah. Apa yang terjadi bila hanya satu peubah yang mengalami perubahan nilai? Bagaimana bila lebih dari satu variabel yang berubah? Yang menjadi masalah adalah apabila lebih dari satu variabel berubah, maka terdapat tak hingga kemungkinan cara variabel-variabel tersebut berubah. Diberikan fungsi dengan dua variabel f(x,y). Sepanjang garis y = y0, nilai variabel y konstan, sehingga f(x,y0) adalah fungsi satu variabel. Turunannya disebut turunan parsial dari f terhadap x. Definisi Diberikan fungsi dua variable dan . Maka turunan parsial dari f terhadap x di titik adalah Sedangkan turunan parsial dari f terhadap y di titik adalah Notasi A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 15 Jika , maka notasi-notasi berikut lazim digunakan untuk turunan-turunan parsial dari f Ilustrasi Tinggi gelombang T di laut terbuka bergantung pada laju angin v dan lama waktu t. Nilai fungsi dicatat pada tabel berikut 5 10 15 20 30 40 50 10 2 2 2 2 15 4 4 5 5 20 5 7 8 8 30 9 13 16 17 40 14 21 25 28 50 19 29 36 49 60 24 37 47 54 Perhatikan kolom t = 20 Jadi fungsi dari variabel tunggal v adalah untuk t tetap (Menunjukkan perubahan tinggi gelombang dengan berubahnya laju angin ketika t= 20) Turunan H saat v = 30 adalah laju perubahan tinggi gelombang terhadap v saat t = 20. v t A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 16 Diskusikan dengan kelompok Anda penyelesaian dari permasalahan berikut! 1. Apakah perbedaan antara turunan dengan turunan parsial? Jelaskan! 2. Berilah satu contoh fungsi dua peubah, kemudian carilah turunan parsialnya terhadap salah satu peubah! Lembar Jawaban Questions A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 17 Turunan Parsial Tingkat Tinggi Secara umum, karena turunan parsial suatu fungsi x dan y adalah fungsi lain dari dua peubah yang sama ini, turunan tersebut dapat diturunkan secara parsial terhadap x atau y untuk memperoleh empat buah turunan parsial kedua fungsi f Berilah contoh sebuah fungsi dua peubah, kemudian tentukan keempat turunan persial kedua fungsi tersebut! Lembar Jawaban Questions A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 18 PEUBAH LEBIH DARI DUA Andaikan f suatu fungsi tiga peubah x,y, dan z. Turunan parsial f terhadap x di (x,y,z) dinyatakan oleh atau dan didefinisikan oleh Jadi boleh diperoleh dengan memperlakukan y dan z sebagai konstanta dan menurunkan terhadap x. Turunan parsial terhadap y dan z didefinisikan dengan cara yang serupa. ,y, Jika , tentukan dan ! Penyelesaian: Untuk memperoleh , kita pandang y dan z sebagai konstanta dan turunkan terhadap peubah x. Sehingga diperoleh Example A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 19 Jika . Tentukan nilai dari: 1. 2. 3. Exercise Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 20 DIFFERENSIAL TOTAL Definisi Diferensial total dari dari f ditulis dengan didefinisikan oleh Agar Anda lebih memahami definisi tersebut, diskusikan bagian berikut dengan kelompok Anda Andaikan . Hitung dan bila berubah dari ke Penyelesaian : Dengan kalkulator Menggunakan diferensial total Pada (2,1) dengan dan Maka diperoleh Example A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 21 Gunakan diferensial total dz untuk menghampiri perubahan dalam z bila (x,y) bergerak dari P ke Q. Kemudian gunakan kalkulator untuk mencari perubahan eksak 1. 2. Ingat bahwa : Task Exercise Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 22 Tuliskan aplikasi dari turunan dan turunan parsial dalam bidang teknologi, ekonomi, social, dll Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 23 MATERI YANG DIBAHAS PADA BAB INI ANTARA LAIN SEBAGAI BERIKUT. 1. Integral Ganda Dua atas persegi panjang 2. Integral Lipat 3. Integral ganda dua dalam koordinat kutub 4. Integral Ganda tiga dalam koordinat kartesius 5. Integral ganda tiga dalam koordinat tabung 6. Penerapan integral ganda tiga PENDAHULUAN Masalah-masalah yang dipecahkan oleh integral dengan dua variabel atau lebih serupa dengan yang dipecahkan oleh integral satu variabel, hanya lebih umum. Seperti halnya pada turunan fungsi n variabel, integral inipun dibangun berdasarkan pengalaman kita pada integral satu variabel. Hubungan antara integral dan turunan untuk fungsi multivariable juga sangat erat seperti halnya fungsi satu variabel. Di sini kita dapat mereduksi integral menjadi beberapa integral fungsi satu variabel sehingga Teorema Dasar Kalkulus dapat kembali berperan dalam konteks yang lebih umum ini. 2 A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 24 A. Integral Ganda Dua atas persegi panjang Jumlah Riemann (pada fungsi satu variable) Kita mencoba mengingat lagi materi integral pada Matakuliah Kalkulus II. Gambar 2.1 Jumlah riemann A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 25 Ingat kembali pada fungsi satu variabel f (x), kita membagi interval [a,b] menjadi interval-interval dengan panjang Δxk, k=1,2,…,n, berdasarkan partisi P : x1 < x2 < … < xk , memilih titik sampel xk dari interval ke k, kemudian menuliskan Kita meneruskan dalam cara yang persis sama untuk mendefinisikan integral untuk fungsi dua peubah. Tetapkan R berupa persegi panjang dengan sisi-sisi sejajar sumbu-sumbu koordinat, yakni ambil Bentuk suatu partisi P dari R dengan memakai sarana berupa garis-garis sejajar sumbu x dan y, seperti pada gambar 1. Ini membagi R menjadi beberapa persegipanjang kecil, semuanya n buah, yang kita tunjukkan dengan . Tetapkan dan adalah panjang sisi-sisi dan adalah luasnya. Pada , ambil sebuah titik contoh dan bentuk penjumlahan reimann adalah Z A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 26 Definisi (Integral Ganda Dua). Andaikan f suatu fungsi dua peubah yang terdefinisi pada suatu persegi panjang tertutup R , jika ada, kita katakana f terintegralkan pada R. Lebih lanjut, yang disebut integral ganda dua f pada R, diberikan oleh Gambar 2.2 jumlah Riemann di R-3 Dari ilustrasi tersebut di atas, dapat kita definisikan sebagai berikut A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 27 Ilustrasi dari definisi tersebut dapat dilihat pada gambar 4.3 berikut Gambar 2.3 Berikut adalah sifat-sifat integral ganda dua yang mewarisi hampir semua sifat-sifat tunggal 1. Integral ganda-dua adalah linear yaitu a. b. 2. Integral ganda dua adalah aditif pada persegi panjang yang saling melengkapi hanya pada suatu ruas garis 3. Sifat perbandingan berlaku. Jika untuk semua di R , maka Exercise A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 28 1. Hampiri dengan Dan 2. Andaikan f adalah fungsi tangga yaitu Hitung dengan Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 29 B. Integral Lipat Masalah integral erat kaitannya dengan volume. Maka kita coba mendekati masalah menghitung integral dengan masalah menghitung volume. Misalkan kita ingin menentukan volume benda pejal dibawah bidang z=f(x,y) di atas persegi panjang R: a ≤ x ≤ b, c ≤ y ≤ d, dengan mengirisnya. Misalnya benda tersebut diiris tegak lurus terhadap sb-x selebar Δx. Misalkan luas penampang irisan benda pejal dengan bidang x adalah A(x). Gambar 2.4 Volume dari kepingan secara hampiran diberikan oleh . Selanjutnya kita bisa menuliskan dengan Sebaliknya untuk y tetap kita boleh menghitung A(y) dengan menggunakan integral tunggal biasa, sehingga diperoleh A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 30 Jadi dapat disimpulkan bahwa Yang selanjutnya kita sebut dengan integral lipat (iterasi) Kemudian apabila kita mengiris benda pejal dengan bidang-bidang yang sejajar dengan bidang yz kita akan memperoleh integral lipat lain dengan pengintegralan yang berlangsung dalam urutan berlawanan Hitung Penyelesaian Example A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 31 1. 2. 3. Exercise Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 32 c. Integral Ganda Dua dalam Koordinat Kutub Banyak integral yang lebih mudah dihitung bila dengan menggunakan koordinat polar. Pada bagian ini akan dipelajari mengubah integral menjadi koordinat polar dalam koordinat polar dan menghitungnya. Gambar 2.4 Misalkan R adalah suatu persegi panjang kutub . Andaikan menentukan suatu permukaan atas R dan andaikan f adalah kontinu dan tak negative, maka Volume (V) diberikan sebagai berikut. Karena koordinat kutub, maka suatu persegi panjang kutub R berbentuk Dengan . Serta persamaan permukaan dapat dituliskan sebagai Dengan menggunakan tehnik partisi, diperoleh rumus V R A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 33 1. Tentukan volume V dari benda padat di atas persegi panjang kutub , dengan Lembar Jawaban Exercise A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 34 1.1 Integral Ganda tiga dalam koordinat kartesius/siku Konsep yang diwujudkan dalam integral tunggal dan ganda-dua meluas pada integral ganda tiga bahkan ke ganda-n. Langkah yang dilakukan juga hampir sama yaitu melakukan partisi sehingga membentuk balok-balok bagian. Akibatnya, integral ganda tiga dapat didefinisikan Sifat yang ada pada integral ganda dua juga berlaku pada integral ganda tiga. Akibatnya, dapat dituliskan sebagai integral lipat tiga Contoh 2 Hitunglah dengan B adalah kotak Penyelesaian BAB V INTEGRAL GANDA TIGA A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 35 1.2 Integral ganda tiga dalam koordinat tabung Hubungan antara koordinat tabung dan kartesius adalah Sehingga dapat diperoleh 1.3 Penerapan integral ganda tiga Carilah sumber yang relevan untuk mencari aplikasi integral ganda tiga! Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 36 Lembar Jawaban A l f i a n i A t h m a P u t r i R o s y a d i , M . P d Page 37