Mathematics · Buku 2 · Grades 10–12

Matematika Sekolah Menengah Atas

Matematika Sekolah Menengah Atas · Grades 10–12

24Fungsi Trigonometri

Fungsi cos\cos dan sin\sin mengubah geometri lingkaran menjadi analisis. Didefinisikan dengan menggulung garis bilangan real pada lingkaran satuan, keduanya adalah purwarupa fungsi berkala, dan turunannya menjadikan keduanya penyelesaian persamaan osilasi y=yy'' = -y.

24.1 Lingkaran satuan

Definisi 24.1 (Kosinus dan sinus)

Misalkan C\mathcal{C} lingkaran berjari-jari 1 yang berpusat di titik asal suatu sistem koordinat ortonormal. Kepada setiap bilangan real tt kaitkan titik M(t)M(t) yang diperoleh dengan menggulung panjang t\abs{t} sepanjang C\mathcal{C} mulai dari titik I(1,0)I(1,0), berlawanan arah jarum jam jika t0t \geq 0 dan searah jarum jam jika sebaliknya. Maka cost\cos t dan sint\sin t adalah koordinat M(t)M(t):

M(t)=(cost,sint).M(t) = (\cos t, \sin t).

Karena keliling lingkarannya 2π2\pi, titik M(t)M(t) tidak berubah ketika tt bertambah sebesar 2π2\pi; dan karena M(t)M(t) terletak pada lingkaran satuan:

Proposisi 24.2 (Identitas dasar)

Untuk semua tRt \in \R dan kZk \in \Z:

cos2t+sin2t=1,cos(t+2kπ)=cost,sin(t+2kπ)=sint,\cos^2 t + \sin^2 t = 1, \qquad \cos(t + 2k\pi) = \cos t, \qquad \sin(t + 2k\pi) = \sin t,
cos(t)=cost,sin(t)=sint,\cos(-t) = \cos t, \qquad \sin(-t) = -\sin t,
cos(πt)=cost,sin(πt)=sint,cos(π2t)=sint,sin(π2t)=cost.\cos(\pi - t) = -\cos t, \quad \sin(\pi - t) = \sin t, \quad \cos\left(\tfrac{\pi}{2} - t\right) = \sin t, \quad \sin\left(\tfrac{\pi}{2} - t\right) = \cos t .

Bukti. Identitas pertama adalah persamaan lingkaran satuan; sisanya menyatakan kesetangkupan lingkaran itu: M(t)M(-t) adalah pencerminan M(t)M(t) pada sumbu-xx, M(πt)M(\pi - t) pada sumbu-yy, dan M(π2t)M(\frac\pi2 - t) pada garis y=xy = x.

Nilai yang harus dihafal:

tt00π6\dfrac{\pi}{6}π4\dfrac{\pi}{4}π3\dfrac{\pi}{3}π2\dfrac{\pi}{2}
[6pt] cost\cos t1132\dfrac{\sqrt3}{2}22\dfrac{\sqrt2}{2}12\dfrac1200
[6pt] sint\sin t0012\dfrac1222\dfrac{\sqrt2}{2}32\dfrac{\sqrt3}{2}11

Proposisi 24.3 (Rumus penjumlahan)

Untuk semua a,bRa, b \in \R:

cos(a+b)=cosacosbsinasinb,sin(a+b)=sinacosb+cosasinb,cos(ab)=cosacosb+sinasinb,sin(ab)=sinacosbcosasinb.\begin{align*} \cos(a+b) &= \cos a \cos b - \sin a \sin b, & \sin(a+b) &= \sin a \cos b + \cos a \sin b,\\ \cos(a-b) &= \cos a \cos b + \sin a \sin b, & \sin(a-b) &= \sin a \cos b - \cos a \sin b. \end{align*}

Khususnya cos2a=2cos2a1=12sin2a\cos 2a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a dan sin2a=2sinacosa\sin 2a = 2 \sin a \cos a.

Bukti. Vektor u=(cosa,sina)\vect{u} = (\cos a, \sin a) dan v=(cosb,sinb)\vect{v} = (\cos b, \sin b) adalah vektor satuan yang membentuk sudut aba - b; hasil kali skalarnya sama dengan cosacosb+sinasinb\cos a\cos b + \sin a \sin b (dari koordinatnya) sekaligus dengan uvcos(ab)=cos(ab)\norm{\vect u}\,\norm{\vect v}\cos(a-b) = \cos(a - b) (dari geometrinya), dan itulah rumus ketiga. Mengganti bb dengan b-b memberi rumus pertama; rumus sinusnya menyusul dengan memakai sinx=cos(π2x)\sin x = \cos(\frac\pi2 - x). Rumus pelipatduaannya adalah kasus b=ab = a digabung dengan cos2+sin2=1\cos^2 + \sin^2 = 1.

24.2 Kajian analitis

Lema 24.4 (Limit dasar)

limt0sintt=1danlimt0cost1t=0.\lim_{t \to 0} \frac{\sin t}{t} = 1 \qquad\text{dan}\qquad \lim_{t \to 0} \frac{\cos t - 1}{t} = 0 .

Bukti. Untuk 0<t<π20 < t < \frac{\pi}{2}, bandingkanlah tiga luas pada lingkaran satuan: segitiga OIM(t)OIM(t), juring lingkaran OIM(t)OIM(t), dan segitiga siku-siku beralas OIOI dan bertinggi tant\tan t:

sint2t2tant2.\frac{\sin t}{2} \leq \frac{t}{2} \leq \frac{\tan t}{2}.
Tiga luas yang bersarang: segitiga OIM (biru, luasnya t/2), juring lingkarannya (dibatasi busur merah, luasnya t/2), dan segitiga siku-siku bertinggi t (jingga, luasnya t/2).
Tiga luas yang bersarang: segitiga OIMOIM (biru, luasnya sint2\frac{\sin t}{2}), juring lingkarannya (dibatasi busur merah, luasnya t2\frac{t}{2}), dan segitiga siku-siku bertinggi tant\tan t (jingga, luasnya tant2\frac{\tan t}{2}).

Ketaksamaan pertama memberi sintt1\frac{\sin t}{t} \leq 1; yang kedua memberi costsintt\cos t \leq \frac{\sin t}{t}. Ketika t0+t \to 0^+, cost1\cos t \to 1 (kekontinuan), dan teorema apit memberikan sintt1\frac{\sin t}{t} \to 1; sifat ganjil-genapnya memperluas ini ke t0t \to 0. Untuk limit yang kedua,

cost1t=cos2t1t(cost+1)=sinttsintcost+1t0102=0.\frac{\cos t - 1}{t} = \frac{\cos^2 t - 1}{t(\cos t + 1)} = -\frac{\sin t}{t}\cdot\frac{\sin t}{\cos t + 1} \xrightarrow[t\to0]{} -1 \cdot \frac{0}{2} = 0. \qedhere

Teorema 24.5 (Turunan sinus dan kosinus)

Fungsi sin\sin dan cos\cos dapat diturunkan pada R\R, dengan

(sin)=cos,(cos)=sin.(\sin)' = \cos, \qquad (\cos)' = -\sin .

Secara lebih umum, (sin(ax+b))=acos(ax+b)(\sin(ax+b))' = a\cos(ax+b) dan (cos(ax+b))=asin(ax+b)(\cos(ax+b))' = -a\sin(ax+b).

Bukti. Menurut rumus penjumlahannya,

sin(x+h)sinxh=sinxcosh1h+cosxsinhhh0sinx0+cosx1=cosx,\frac{\sin(x+h) - \sin x}{h} = \sin x\,\frac{\cos h - 1}{h} + \cos x\,\frac{\sin h}{h} \xrightarrow[h\to0]{} \sin x \cdot 0 + \cos x \cdot 1 = \cos x,

dengan memakai Lema 24.4. Perhitungan untuk cos\cos serupa, dan bentuk umumnya menyusul dari aturan rantai.

Proposisi 24.6 (Variasi)

Pada [0,π]\intcc{0}{\pi}, cos\cos turun dari 11 ke 1-1. Pada [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2}, sin\sin naik dari 1-1 ke 11. Kedua fungsi itu berkala 2π2\pi dan berdaerah hasil [1,1]\intcc{-1}{1}; cos\cos genap, sin\sin ganjil.

Bukti. Pada (0,π)\intoo{0}{\pi}, (cos)=sin<0(\cos)' = -\sin < 0 sebab titik M(t)M(t) berordinat positif di sana; serupa pula (sin)=cos>0(\sin)' = \cos > 0 pada (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}. Sifat berkala dan sifat ganjil-genapnya berasal dari Proposisi 24.2.

Kurva  (biru) dan  (merah).
Kurva cos\cos (biru) dan sin\sin (merah).

Metode 24.7 (Menyelesaikan cosx=a\cos x = a dan sinx=a\sin x = a)

Untuk a[1,1]a \in \intcc{-1}{1}, carilah satu penyelesaian khusus α\alpha (dari tabel nilainya atau dengan kalkulator). Maka semua penyelesaiannya adalah:

cosx=cosα    x=α+2kπ atau x=α+2kπ,kZ;\cos x = \cos\alpha \iff x = \alpha + 2k\pi \text{ atau } x = -\alpha + 2k\pi, \quad k \in \Z;
sinx=sinα    x=α+2kπ atau x=πα+2kπ,kZ.\sin x = \sin\alpha \iff x = \alpha + 2k\pi \text{ atau } x = \pi - \alpha + 2k\pi, \quad k \in \Z.

Untuk pertidaksamaannya, letakkanlah busur penyelesaiannya pada lingkaran satuan lalu bacalah selangnya di dalam satu kala.

Contoh 24.8

Selesaikan cosx=12\cos x = \frac12 di (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}: satu penyelesaian khususnya π3\frac\pi3, jadi penyelesaiannya x=π3x = \frac\pi3 dan x=π3x = -\frac\pi3. Di seluruh R\R: x=±π3+2kπx = \pm\frac\pi3 + 2k\pi, kZk \in \Z.

24.3 Latihan

Latihan 24.1

Hitunglah cos2π3\cos\frac{2\pi}{3}, sin5π6\sin\frac{5\pi}{6}, cos7π4\cos\frac{7\pi}{4} dan sin(π3)\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right) dengan memakai identitas pada Proposisi 24.2.

Solusi

Solusi Latihan 24.1.

cos2π3=cos(ππ3)=cosπ3=12\cos\frac{2\pi}{3} = \cos\left(\pi - \frac\pi3\right) = -\cos\frac\pi3 = -\frac12.

sin5π6=sin(ππ6)=sinπ6=12\sin\frac{5\pi}{6} = \sin\left(\pi - \frac\pi6\right) = \sin\frac\pi6 = \frac12.

cos7π4=cos(2ππ4)=cos(π4)=22\cos\frac{7\pi}{4} = \cos\left(2\pi - \frac{\pi}{4}\right) = \cos\left(-\frac\pi4\right) = \frac{\sqrt2}{2}.

sin(π3)=sinπ3=32\sin\left(-\frac\pi3\right) = -\sin\frac\pi3 = -\frac{\sqrt3}{2}.

Latihan 24.2

Turunkanlah f(x)=sin2xf(x) = \sin^2 x, g(x)=cos(3x)+xsinxg(x) = \cos(3x) + x\sin x dan h(x)=sinx2+cosxh(x) = \dfrac{\sin x}{2 + \cos x}.

Solusi

Solusi Latihan 24.2.

f(x)=2sinxcosx=sin2xf'(x) = 2\sin x\cos x = \sin 2x (aturan rantai).

g(x)=3sin(3x)+sinx+xcosxg'(x) = -3\sin(3x) + \sin x + x\cos x (aturan rantai dan aturan hasil kali).

Aturan hasil bagi:

h(x)=cosx(2+cosx)sinx(sinx)(2+cosx)2=2cosx+cos2x+sin2x(2+cosx)2=2cosx+1(2+cosx)2.h'(x) = \frac{\cos x\,(2 + \cos x) - \sin x\,(-\sin x)}{(2+\cos x)^2} = \frac{2\cos x + \cos^2 x + \sin^2 x}{(2+\cos x)^2} = \frac{2\cos x + 1}{(2+\cos x)^2}.

Latihan 24.3

Selesaikan di (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}, lalu di R\R:

(a) sinx=32;(b) cos(2x)=22.\text{(a) } \sin x = \frac{\sqrt3}{2}; \qquad \text{(b) } \cos\left(2x\right) = \frac{\sqrt2}{2} .
Solusi

Solusi Latihan 24.3.

(a) Satu penyelesaian khusus sinx=32\sin x = \frac{\sqrt3}{2} adalah π3\frac\pi3. Penyelesaian umumnya: x=π3+2kπx = \frac\pi3 + 2k\pi atau x=ππ3+2kπ=2π3+2kπx = \pi - \frac\pi3 + 2k\pi = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi. Di (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}: x{π3,2π3}x \in \left\{\frac\pi3, \frac{2\pi}{3}\right\}.

(b) cos2x=22=cosπ4\cos 2x = \frac{\sqrt2}{2} = \cos\frac\pi4 memberi 2x=±π4+2kπ2x = \pm\frac\pi4 + 2k\pi, jadi x=±π8+kπx = \pm\frac\pi8 + k\pi. Di (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}: x{7π8,π8,π8,7π8}x \in \left\{-\frac{7\pi}{8}, -\frac\pi8, \frac\pi8, \frac{7\pi}{8}\right\}.

Latihan 24.4 ★★

Dengan memakai rumus penjumlahannya, hitunglah nilai eksak cosπ12\cos\frac{\pi}{12} dan sinπ12\sin\frac{\pi}{12}. (Petunjuk: π12=π3π4\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}.)

Solusi

Solusi Latihan 24.4.

Dengan a=π3a = \frac\pi3, b=π4b = \frac\pi4:

cosπ12=cosacosb+sinasinb=1222+3222=2+64,\cos\frac{\pi}{12} = \cos a\cos b + \sin a \sin b = \frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt2 + \sqrt6}{4},
sinπ12=sinacosbcosasinb=32221222=624.\sin\frac{\pi}{12} = \sin a\cos b - \cos a \sin b = \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} - \frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt6 - \sqrt2}{4}.

Latihan 24.5 ★★

Selesaikan di [0,2π]\intcc{0}{2\pi} pertidaksamaan 2sin2xsinx102\sin^2 x - \sin x - 1 \geq 0. (Petunjuk: faktorkanlah bentuk kuadrat dalam sinx\sin x itu.)

Solusi

Solusi Latihan 24.5.

Ambil s=sinxs = \sin x: 2s2s1=(2s+1)(s1)02s^2 - s - 1 = (2s + 1)(s - 1) \geq 0 jika dan hanya jika s12s \leq -\frac12 atau s=1s = 1.

sinx=1\sin x = 1 memberi x=π2x = \frac\pi2. Untuk sinx12\sin x \leq -\frac12: pada lingkaran satuan, itulah busur di bawah garis mendatar y=12y = -\frac12, yang di [0,2π]\intcc{0}{2\pi} menjadi x[7π6,11π6]x \in \intcc{\frac{7\pi}{6}}{\frac{11\pi}{6}}. Jadi

S={π2}[7π6,11π6].S = \left\{\frac{\pi}{2}\right\} \cup \intcc{\frac{7\pi}{6}}{\frac{11\pi}{6}} .

Latihan 24.6 ★★

Hitunglah limitnya

limx0sin3xx,limx01cosxx2,limx+xsin1x.\lim_{x\to0} \frac{\sin 3x}{x}, \qquad \lim_{x\to0} \frac{1 - \cos x}{x^2}, \qquad \lim_{x\to+\infty} x \sin\frac{1}{x}.
Solusi

Solusi Latihan 24.6.

sin3xx=3sin3x3x31=3\dfrac{\sin 3x}{x} = 3\,\dfrac{\sin 3x}{3x} \to 3 \cdot 1 = 3 (komposisi dengan u=3x0u = 3x \to 0).

Dengan memakai 1cosx=sin2x1+cosx1 - \cos x = \dfrac{\sin^2 x}{1 + \cos x}:

1cosxx2=(sinxx) ⁣211+cosxx0112=12.\frac{1 - \cos x}{x^2} = \left(\frac{\sin x}{x}\right)^{\!2} \frac{1}{1 + \cos x} \xrightarrow[x\to0]{} 1 \cdot \frac12 = \frac12 .

Dengan mensubstitusikan u=1x0+u = \frac1x \to 0^+: xsin1x=sinuu1x \sin\frac1x = \frac{\sin u}{u} \to 1.

Latihan 24.7 ★★

Kajilah fungsi f(x)=x+cosxf(x) = x + \cos x pada [0,2π]\intcc{0}{2\pi}: variasi dan nilai ekstremnya. Tunjukkan bahwa ff naik pada R\R walaupun ff' bernilai nol di tak berhingga banyak titik.

Solusi

Solusi Latihan 24.7.

f(x)=1sinx0f'(x) = 1 - \sin x \geq 0 untuk semua xx, dengan kesamaan tepat ketika sinx=1\sin x = 1, yaitu x=π2+2kπx = \frac\pi2 + 2k\pi. Pada [0,2π]\intcc{0}{2\pi}, ff naik dari f(0)=1f(0) = 1 ke f(2π)=2π+1f(2\pi) = 2\pi + 1 (nol ff' di π2\frac{\pi}{2} terpencil, sehingga naiknya bahkan tegas); minimumnya 11 di 00, maksimumnya 2π+12\pi + 1 di 2π2\pi. Pada R\R, f0f' \geq 0 di mana-mana dengan nol yang terpencil saja, jadi ff naik (secara tegas) menurut Teorema 22.7, walaupun ff' bernilai nol di setiap π2+2kπ\frac\pi2 + 2k\pi.

Latihan 24.8 ★★★

Misalkan f(x)=Acosx+Bsinxf(x) = A\cos x + B \sin x dengan (A,B)(0,0)(A,B) \neq (0,0).

  1. Tunjukkan bahwa ff dapat ditulis f(x)=Rcos(xφ)f(x) = R\cos(x - \varphi) dengan R=A2+B2R = \sqrt{A^2 + B^2} dan suatu φ\varphi yang sesuai.
  2. Simpulkan nilai maksimum dan minimum ff, lalu selesaikan cosx+sinx=1\cos x + \sin x = 1 di (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}.
Solusi

Solusi Latihan 24.8.

1. Misalkan R=A2+B2>0R = \sqrt{A^2 + B^2} > 0. Titik (AR,BR)\left(\frac AR, \frac BR\right) terletak pada lingkaran satuan, jadi ada φ\varphi dengan cosφ=AR\cos\varphi = \frac AR dan sinφ=BR\sin\varphi = \frac BR. Maka

Rcos(xφ)=R(cosxcosφ+sinxsinφ)=Acosx+Bsinx=f(x).R\cos(x - \varphi) = R\bigl(\cos x\cos\varphi + \sin x \sin\varphi\bigr) = A\cos x + B\sin x = f(x).

2. Karena daerah hasil cos\cos adalah [1,1]\intcc{-1}{1}, maksimum ff adalah RR dan minimumnya R-R. Untuk cosx+sinx\cos x + \sin x: A=B=1A = B = 1, R=2R = \sqrt2, φ=π4\varphi = \frac\pi4, jadi persamaannya menjadi 2cos(xπ4)=1\sqrt2\cos\left(x - \frac\pi4\right) = 1, yaitu cos(xπ4)=22\cos\left(x - \frac\pi4\right) = \frac{\sqrt2}{2}, yang memberi xπ4=±π4+2kπx - \frac\pi4 = \pm\frac\pi4 + 2k\pi: di (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}, x{0,π2}x \in \left\{0, \frac\pi2\right\}.

Latihan 24.9 ★★★

Tunjukkan bahwa sin\sin dan cos\cos keduanya memenuhi persamaan diferensial y=yy'' = -y. Sebaliknya, misalkan yy suatu penyelesaian y=yy'' = -y dengan y(0)=ay(0) = a dan y(0)=by'(0) = b; tunjukkan bahwa y=acos+bsiny = a\cos + b\sin. (Petunjuk: tinjaulah g=(yacosbsin)g = (y - a\cos - b\sin) dan “tenaga” E=g2+(g)2E = g^2 + (g')^2.)

Solusi

Solusi Latihan 24.9.

(sin)=(cos)=sin(\sin)'' = (\cos)' = -\sin dan (cos)=(sin)=cos(\cos)'' = (-\sin)' = -\cos: keduanya memenuhi y=yy'' = -y.

Misalkan g=yacosbsing = y - a\cos - b\sin. Maka g=gg'' = -g (kelinearan penurunan), g(0)=y(0)a=0g(0) = y(0) - a = 0 dan g(0)=y(0)b=0g'(0) = y'(0) - b = 0. Ambil E=g2+(g)2E = g^2 + (g')^2. Maka

E=2gg+2gg=2gg2gg=0,E' = 2g g' + 2g' g'' = 2g g' - 2g' g = 0,

sehingga EE tetap dan sama dengan E(0)=0E(0) = 0. Jumlah dua kuadrat yang bernilai nol secara identik memaksa g=0g = 0, jadi y=acos+bsiny = a\cos + b\sin.

24.4 Soal: Rahasia bandul

Soal 24.1

Soal akhir pekan — satu limit geometris menggerakkan turunan sinus dan kosinus, dan dari keduanya seluruh osilasi: pegas, bandul, layangan bunyi, dan meter yang nyaris jadi

Setiap jam yang pernah berdetak, setiap dawai yang pernah berbunyi, menuruti matematika yang sama: gaya pemulih yang sebanding dengan simpangannya, sehingga persamaannya y=ω2yy'' = -\omega^2 y, sehingga kosinus. Di dasar semuanya duduk satu limit yang tampak tak berdosa, sinxx1\frac{\sin x}{x} \to 1 — dijanjikan di kelas 9, dipakai oleh Teorema 24.5, dan dibuktikan di sini dengan gambar. Soal ini mendaki dari limit itu sampai ke ayunan sebuah bandul sepanjang satu meter, dan menjelaskan mengapa meter, tipis sekali bedanya, tidak didefinisikan olehnya.

Bagian I — Limit dasarnya.

  1. Pemanasan secara numeris: hitunglah sinxx\frac{\sin x}{x} untuk x=0.1x = 0.1 dan x=0.01x = 0.01 (dalam radian!).
  2. Apitannya, pada lingkaran satuan dengan 0<x<π20 < x < \frac\pi2: nyatakanlah dengan geometri dasar luas (i) segitiga yang bertitik sudut OO, A(1,0)A(1,0) dan titik lingkaran M(cosx,sinx)M(\cos x, \sin x); (ii) juring lingkaran OAMOAM; (iii) segitiga siku-siku OATOAT dengan T(1,tanx)T(1, \tan x).
  3. Dari apitan luas itu simpulkan sinx<x<tanx\sin x < x < \tan x, lalu cosx<sinxx<1\cos x < \frac{\sin x}{x} < 1, dan simpulkan dengan teorema apit bahwa limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 (sifat ganjilnya mengurus x<0x < 0).
  4. Simpulkan limx01cosxx2=12\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac12 (kalikan dengan sekawannya).
  5. Jelaskan mengapa limit ini adalah mesin Teorema 24.5 (berapakah sin(0)\sin'(0)?), dan mengapa ia juga melunasi utang lama: dalam arti apa radian adalah satu-satunya satuan sudut yang membuat sin=cos\sin' = \cos berlaku tanpa tetapan tambahan?

Bagian II — Gerak harmonis.

  1. Periksalah dengan aturan rantai bahwa y(t)=Rcos(ωtφ)y(t) = R\cos(\omega t - \varphi) memenuhi y=ω2yy'' = -\omega^2 y.
  2. Sebuah massa pada pegas menuruti y=4yy'' = -4y, dengan y(0)=3y(0) = 3 dan y(0)=8y'(0) = 8. Dengan menerima (dari Latihan 24.9) bahwa semua penyelesaiannya berbentuk Acos2t+Bsin2tA\cos 2t + B\sin 2t, tentukanlah AA dan BB.
  3. Tulislah ulang penyelesaiannya sebagai Rcos(2tφ)R\cos(2t - \varphi) (Latihan 24.8): berikan amplitudo RR, kala ayunnya, dan fase φ\varphi (tiga angka di belakang titik).
  4. Pada saat manakah massa itu untuk pertama kalinya melewati kedudukan seimbang y=0y = 0?
  5. Bandulnya: sebuah bandul pada tali sepanjang LL menuruti secara eksak θ=gLsinθ\theta'' = -\frac gL \sin\theta — tak terselesaikan dengan fungsi dasar. Untuk ayunan kecil, gantilah sinθ\sin\theta dengan θ\theta (Bagian I membenarkannya!) lalu simpulkan kala ayunnya T=2πLgT = 2\pi\sqrt{\frac Lg}. Hitunglah TT untuk L=1L = 1 m (g=9.81g = 9.81): penemuan masyhur Galileo — pada apakah rumus itu tidak bergantung?
  6. Bandul sekon: panjang berapakah yang memberi T=2T = 2 sekon tepat? Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis pada tahun 1791 ragu antara panjang itu dan sepersepuluh juta seperempat meridian untuk mendefinisikan meter — berapa milimeterkah beda kedua calon itu?

Bagian III — Rumus penjumlahan beraksi.

  1. Tunjukkan dengan rumus penjumlahannya (Proposisi 24.3) bahwa cos(x+π2)=sinx\cos\left(x + \frac\pi2\right) = -\sin x dan sin(x+π2)=cosx\sin\left(x + \frac\pi2\right) = \cos x: penurunan secara melingkar adalah seperempat putaran — periksalah keselarasannya dengan Teorema 24.5.
  2. Turunkanlah identitas hasil-kali-ke-jumlah cosacosb=12(cos(ab)+cos(a+b))\cos a \cos b = \frac12\left(\cos(a - b) + \cos(a + b)\right) dan pelinearan cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} (bab pengintegralan akan berterima kasih).
  3. Layangan bunyi: turunkanlah sinp+sinq=2sinp+q2cospq2\sin p + \sin q = 2 \sin\frac{p + q}{2} \cos\frac{p - q}{2}, lalu terapkan pada dua garpu tala pada 440440 dan 444444 Hz: nada apakah yang didengar telinga, dan berapa denyut tiap sekonnya? (Beginilah orkestra menyetel nadanya.)
  4. Turunkanlah identitas sudut rangkap tiga cos3x=4cos3x3cosx\cos 3x = 4\cos^3 x - 3\cos x (tulislah 3x=2x+x3x = 2x + x). Dengan mengambil x=20x = 20^\circ, persamaan pangkat tiga apakah yang harus dipenuhi cos20\cos 20^\circ? (Bahwa persamaan pangkat tiga itu tak dapat diselesaikan dengan akar kuadrat saja justru itulah sebabnya pembagian sudut menjadi tiga mengalahkan penggaris dan jangka selama dua ribu tahun — kisah lengkapnya diceritakan dalam jilid universitas.)
  5. Sebuah arus bolak-balik terbaca I(t)=3cos(100πt)+33sin(100πt)I(t) = 3\cos(100\pi t) + 3\sqrt3 \sin(100\pi t). Tulislah ulang sebagai Rcos(100πtφ)R\cos(100\pi t - \varphi): berapakah arus puncaknya dan fasenya?

Bagian IV — Dunia yang berayun.

  1. Kala ayun: berapakah kala (terkecil) dari sin2t\sin^2 t (pakailah pertanyaan 13)? Dan dari sin(2t)+sin(3t)\sin(2t) + \sin(3t)?
  2. Bandul yang sesungguhnya teredam: y(t)=et/10cos(2πt)y(t) = \eu^{-t/10}\cos(2\pi t). Lukiskan geraknya, hitunglah nilai selubungnya di t=10t = 10 (seorang kawan lama muncul kembali, Soal 23.1), lalu sebutkan bab tempat persamaan dengan penyelesaian seperti itu diselesaikan.
  3. Mengapa sinus dan kosinus menguasai setiap getaran? Berikan kamus fisika-ke-matematikanya dalam dua kalimat (gaya pemulih yang sebanding dengan simpangannya \rightarrow persamaan yang mana \rightarrow penyelesaian yang mana), lalu katakan apa sumbangan Latihan 24.9 bagi pernyataan itu.
  4. Penutup: busur bab ini dalam empat langkah — satu limit geometris, dua turunan, satu persamaan diferensial, seluruh osilasi. Dan tanda bintang yang jujur: untuk ayunan besar, kala bandul yang sebenarnya melibatkan integral eliptis, yang dihitung secepat kilat oleh …rata-rata aritmetika–geometri Gauss, hidangan penutup Soal 20.1. Benang-benang seri ini menyimpul dirinya.
Solusi

Solusi Soal 24.1.

1. 0.998330.99833\ldots dan 0.999980.99998\ldots: merayap menuju 11.

2. Segitiga OAMOAM: alasnya 11, tingginya sinx\sin x, luasnya sinx2\frac{\sin x}{2}. Juring OAMOAM: bagiannya x2π\frac{x}{2\pi} dari cakram satuan, luasnya x2\frac x2. Segitiga OATOAT: alasnya 11, tingginya tanx\tan x, luasnya tanx2\frac{\tan x}{2}.

3. Segitiga kecil itu duduk di dalam juringnya, dan juringnya di dalam segitiga besar: sinx2<x2<tanx2\frac{\sin x}{2} < \frac x2 < \frac{\tan x}{2}, yaitu sinx<x<tanx\sin x < x < \tan x. Dari sinx<x\sin x < x diperoleh sinxx<1\frac{\sin x}{x} < 1; dan dari x<tanx=sinxcosxx < \tan x = \frac{\sin x}{\cos x}, dengan mengalikan dengan cosxx>0\frac{\cos x}{x} > 0: cosx<sinxx\cos x < \frac{\sin x}{x}. Ketika x0+x \to 0^+, cosx1\cos x \to 1, sehingga terapit: sinxx1\frac{\sin x}{x} \to 1; dan sinxx\frac{\sin x}{x} genap, jadi limit dua sisinya adalah 11.

4. 1cosxx2=1cos2xx2(1+cosx)=(sinxx)211+cosx1×12\frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac{1 - \cos^2 x}{x^2 (1 + \cos x)} = \left(\frac{\sin x}{x}\right)^2 \frac{1}{1 + \cos x} \to 1 \times \frac12.

5. sin(0)=limh0sinh0h=1\sin'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin h - 0}{h} = 1: seluruh penurunan sinus dan kosinus mengalir dari satu limit ini. Diukur dalam derajat, limitnya menjadi π180\frac{\pi}{180}, dan setiap turunannya akan menyeret tetapan itu: radian tepat merupakan satuan yang membuat kalkulus osilasi menjadi bersih.

6. y=Rωsin(ωtφ)y' = -R\omega\sin(\omega t - \varphi), y=Rω2cos(ωtφ)=ω2yy'' = -R\omega^2\cos(\omega t - \varphi) = -\omega^2 y.

7. ω=2\omega = 2. y(0)=A=3y(0) = A = 3; y(0)=2B=8y'(0) = 2B = 8, jadi B=4B = 4 dan y=3cos2t+4sin2ty = 3\cos 2t + 4\sin 2t.

8. R=9+16=5R = \sqrt{9 + 16} = 5; kala ayunnya 2π2=π\frac{2\pi}{2} = \pi; fasenya φ=arctan430.927\varphi = \arctan\frac43 \approx 0.927, sehingga y=5cos(2t0.927)y = 5\cos(2t - 0.927).

9. 5cos(2tφ)=05\cos(2t - \varphi) = 0 untuk pertama kalinya ketika 2tφ=π22t - \varphi = \frac\pi2, jadi t=π/2+0.92721.25t = \frac{\pi/2 + 0.927}{2} \approx 1.25 sekon.

10. Dengan sinθθ\sin\theta \approx \theta: θ=gLθ\theta'' = -\frac gL \theta, yaitu gerak harmonis dengan ω=gL\omega = \sqrt{\frac gL} dan kala T=2πω=2πLgT = \frac{2\pi}{\omega} = 2\pi\sqrt{\frac Lg}. Untuk L=1L = 1: T2.006T \approx 2.006 sekon. Kala ayunnya tidak bergantung pada amplitudonya (untuk ayunan kecil) — keisokronan Galileo, kenyataan yang memungkinkan adanya jam bandul.

11. L=g(T2π)2=9.81π20.994L = g\left(\frac{T}{2\pi}\right)^2 = \frac{9.81}{\pi^2} \approx 0.994 m: bandul sekon itu kira-kira 66 mm lebih pendek daripada meter meridian. Akademinya memilih meridian (gravitasi berubah dari tempat ke tempat, mengkhianati bandulnya); seandainya gg setipis rambut lebih besar, meter kita akan berdetak.

12. cos(x+π2)=cosxcosπ2sinxsinπ2=sinx\cos\left(x + \frac\pi2\right) = \cos x \cos\frac\pi2 - \sin x \sin\frac\pi2 = -\sin x; sin(x+π2)=cosx\sin\left(x + \frac\pi2\right) = \cos x. Jadi menurunkan sinus memberi sinus yang bergeser seperempat putaran (cos\cos), lalu sekali lagi (sin-\sin), dan sekali lagi, dan pulang dalam empat langkah: penurunan memutar lingkarannya.

13. Dengan menjumlahkan kedua jabaran cos(ab)\cos(a \mp b): cos(ab)+cos(a+b)=2cosacosb\cos(a-b) + \cos(a+b) = 2\cos a\cos b. Dengan a=b=xa = b = x: 1+cos2x=2cos2x1 + \cos 2x = 2\cos^2 x, yaitu cos2x=1+cos2x2\cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}.

14. Dengan p=p+q2+pq2p = \frac{p+q}{2} + \frac{p-q}{2} dan qq bayangan cerminnya, lalu menjabarkan dan menjumlahkan: sinp+sinq=2sinp+q2cospq2\sin p + \sin q = 2\sin\frac{p+q}{2}\cos\frac{p-q}{2}. Untuk 440440 dan 444444 Hz: sebuah nada pada 442442 Hz yang kenyaringannya dimodulasi oleh cos(2π2t)\cos(2\pi \cdot 2t) — kenyaringannya memuncak 44 kali tiap sekonnya (nilai mutlak selubungnya): empat layangan tiap sekonnya, yang lenyap ketika kedua garpu itu sepakat.

15. cos3x=cos2xcosxsin2xsinx=(2cos2x1)cosx2sin2xcosx=4cos3x3cosx\cos 3x = \cos 2x\cos x - \sin 2x \sin x = (2\cos^2 x - 1)\cos x - 2\sin^2 x\cos x = 4\cos^3 x - 3\cos x. Di x=20x = 20^\circ: cos60=12\cos 60^\circ = \frac12, jadi c=cos20c = \cos 20^\circ memenuhi 8c36c1=08c^3 - 6c - 1 = 0persamaan pangkat tiga tanpa penyelesaian berbentuk akar kuadrat: melukis 2020^\circ, yaitu membagi tiga 6060^\circ, berada di luar jangkauan penggaris dan jangka.

16. R=9+27=6R = \sqrt{9 + 27} = 6; tanφ=333=3\tan\varphi = \frac{3\sqrt3}{3} = \sqrt3, jadi φ=π3\varphi = \frac\pi3 dan I(t)=6cos(100πtπ3)I(t) = 6\cos\left(100\pi t - \frac\pi3\right): puncaknya 66 ampere, dengan ketinggalan fase 6060^\circ.

17. sin2t=1cos2t2\sin^2 t = \frac{1 - \cos 2t}{2}, jadi kalanya π\pi. Kala sin2t\sin 2t adalah π\pi, sedangkan kala sin3t\sin 3t adalah 2π3\frac{2\pi}{3}: jumlahnya berulang setelah kelipatan persekutuan terkecilnya, yaitu 2π2\pi.

18. Osilasi berkala 11 di dalam selubung yang menyusut, ±et/10\pm\eu^{-t/10}: tiap ayunan kira-kira 10%10\,\% lebih rendah. Di t=10t = 10 selubungnya bernilai e10.368\eu^{-1} \approx 0.368 — lagi-lagi tetapan Soal 23.1. Persamaan dengan penyelesaian teredam seperti itu (y+ay+by=0y'' + a y' + b y = 0) diselesaikan di bab persamaan diferensial.

19. Gaya yang menarik kembali sebanding dengan simpangannya memberi y=ω2yy'' = -\omega^2 y; dan Latihan 24.9 menunjukkan bahwa penyelesaian persamaan itu tepat berupa gabungan cos\cos dan sin\sin — keberadaannya lewat contoh, ketunggalannya lewat latihan itu: getaran tidak punya pilihan selain menjadi sinusoidal.

20. Satu limit (sinxx1\frac{\sin x}{x} \to 1, lewat luas yang terapit), dua turunan (sin=cos\sin' = \cos, cos=sin\cos' = -\sin), satu persamaan (y=ω2yy'' = -\omega^2 y), dan sebuah dunia berisi jam, dawai, arus dan pasang surut. Tanda bintangnya: untuk ayunan lebar, T=4Lgπ/2M(1,cos(θ0/2))T = 4\sqrt{\frac Lg} \cdot \frac{\pi/2}{M(1, \cos(\theta_0/2))} — yaitu rata-rata aritmetika–geometri Soal 20.1 yang menghitung integral eliptis itu dalam beberapa lelaran saja: catatan buku harian Gauss dan bandul Galileo, hanya berjarak satu rumus.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium