Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

15Pengintegralan pada Sebuah Ruas

Integral pada jilid Sekolah Menengah dahulu didasarkan pada luas yang diambil secara intuitif. Bab ini mengonstruksinya: mula-mula bagi fungsi tangga, yang di situ integralnya berupa jumlah yang hingga, lalu bagi fungsi yang kontinu (dan kontinu sepotong-sepotong) lewat hampiran seragam — yaitu tempat teorema Heine (Teorema 13.22) mendapatkan nafkahnya. Lalu teorema fundamental kalkulus menghubungkan konstruksinya dengan primitif, sedangkan jumlah Riemann menghubungkannya dengan rata-rata yang diskret.

Di sepanjang bab ini, a<ba < b merupakan bilangan real.

15.1 Fungsi tangga

Definisi 15.1

Fungsi φ ⁣:[a, b]→R\varphi \colon \intcc{a}{b} \to \R disebut fungsi tangga bila ada partisi a=x0<x1<⋯<xn=ba = x_0 < x_1 < \dots < x_n = b sedemikian sehingga φ\varphi konstan, yang sama dengan cic_i, pada setiap selang terbuka (xi−1, xi)\intoo{x_{i-1}}{x_i} (adapun nilainya di simpulnya tak dibatasi). Adapun integralnya adalah

∫abφ=∑i=1nci (xi−xi−1),\int_a^b \varphi = \sum_{i=1}^{n} c_i\,(x_i - x_{i-1}),

yang tak bergantung pada partisi yang dipilih (haluskanlah dua partisi lewat partisi bersamanya: karena kedua ruasnya tak berubah oleh penghalusan).

Proposisi 15.2

Pada fungsi tangga, integralnya bersifat linear, naik (karena φ≤ψ  ⟹  ∫φ≤∫ψ\varphi \leq \psi \implies \int\varphi \leq \int\psi), dan memenuhi relasi Chasles ∫ab=∫ac+∫cb\int_a^b = \int_a^c + \int_c^b untuk a<c<ba < c < b.

Bukti. Mesinnya adalah kekekalan terhadap penghalusan, yang dinyatakan pada definisinya: bahwa menyisipkan satu simpul tambahan t∈(xi−1, xi)t \in \intoo{x_{i-1}}{x_i} ke dalam sebuah partisi mengganti suku ci(xi−xi−1)c_i(x_i - x_{i-1}) dengan ci(t−xi−1)+ci(xi−t)c_i(t - x_{i-1}) + c_i(x_i - t) — yaitu bilangan yang sama — sehingga integralnya tak berubah oleh penghalusan hingga mana pun. Sekarang ambillah φ\varphi dengan partisi σ\sigma dan ψ\psi dengan partisi σ′\sigma': maka pada penghalusan bersamanya σ∪σ′\sigma \cup \sigma' keduanya merupakan fungsi tangga dengan simpul yang sama, dan pada setiap kepingannya φ+λψ\varphi + \lambda\psi konstan sama dengan ci+λdic_i + \lambda d_i: sehingga kelinearannya tereduksi menjadi kelinearan jumlah yang hingga. Adapun kenaikannya: ci≤dic_i \leq d_i pada setiap kepingannya memberikan ∑ciΔi≤∑diΔi\sum c_i \Delta_i \leq \sum d_i \Delta_i (karena panjangnya Δi≥0\Delta_i \geq 0). Sedangkan Chasles: sisipkanlah simpul cc lalu pecahlah jumlahnya di situ. ∎

15.2 Integral fungsi yang kontinu

Teorema 15.3 (Hampiran seragam)

Misalkan ff kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b}. Untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada fungsi tangga φ,ψ\varphi, \psi dengan

φ≤f≤ψdanψ−φ≤ε pada [a, b].\varphi \leq f \leq \psi \qquad\text{dan}\qquad \psi - \varphi \leq \varepsilon \text{ pada } \intcc{a}{b}.

Bukti. Menurut teorema Heine (Teorema 13.22), ff bersifat kontinu seragam: pilihlah δ\delta bagi ε\varepsilon, dan sebuah partisi berjala <δ< \delta (misalnya yang berjarak sama, dengan n>b−aδn > \frac{b - a}{\delta} keping). Pada setiap keping tertutupnya [xi−1, xi]\intcc{x_{i-1}}{x_i}, ff mencapai minimum mim_i dan maksimum MiM_i (Teorema 13.13), dan Mi−mi≤εM_i - m_i \leq \varepsilon (karena kedua titik ekstremnya berjarak δ\delta). Definisikanlah φ=mi\varphi = m_i dan ψ=Mi\psi = M_i pada (xi−1, xi)\intoo{x_{i-1}}{x_i} (serta φ=ψ=f\varphi = \psi = f di simpulnya). ∎

Teorema 15.4 (Definisi integralnya)

Misalkan ff kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b}. Kedua bilangan

I−(f)=sup⁡{∫abφ:φ tangga, φ≤f},I+(f)=inf⁡{∫abψ:ψ tangga, ψ≥f}I_-(f) = \sup\Bigl\{\int_a^b \varphi : \varphi \text{ tangga},\ \varphi \leq f\Bigr\}, \qquad I_+(f) = \inf\Bigl\{\int_a^b \psi : \psi \text{ tangga},\ \psi \geq f\Bigr\}

bernilai sama; dan nilai bersamanya adalah integral ∫abf\int_a^b f (yang juga ditulis ∫abf(t)  ⁣dt\int_a^b f(t)\,\dd t). Ia berimpit dengan gagasan sebelumnya pada fungsi tangga, dan meluas ke fungsi yang kontinu sepotong-sepotong lewat pemecahan [a, b]\intcc{a}{b} di titik ketakkontinuannya (dengan Chasles sebagai definisinya di sana).

Bukti. Kedua himpunannya tak kosong (karena ff terbatas) dan setiap integral tangga bawahnya bernilai ≤\leq setiap yang atasnya (menurut kemonotonan pada fungsi tangga): sehingga I−(f)≤I+(f)I_-(f) \leq I_+(f). Lalu menurut Teorema 15.3, untuk setiap ε\varepsilon ada sepasang dengan ∫ψ−∫φ≤ε(b−a)\int\psi - \int\varphi \leq \varepsilon(b - a): sehingga sup dan infnya terapit bersama, jadi I−=I+I_- = I_+. ∎

Contoh 15.5 (Kontinu sepotong-sepotong, tanpa drama)

Fungsi lantai pada [0, 3]\intcc{0}{3} merupakan fungsi tangga yang menyamar: karena dengan memecahnya di lompatannya,

∫03⌊t⌋  ⁣dt=∫010+∫121+∫232=0+1+2=3,\int_0^3 \lfloor t \rfloor\,\dd t = \int_0^1 0 + \int_1^2 1 + \int_2^3 2 = 0 + 1 + 2 = 3 ,

dan nilainya di titik lompatannya 1,21, 2 tak relevan: karena mengubah sebuah fungsi di titik yang berhingga banyak tak mengubah integralnya (sebab fungsi tangga pengapitnya tak terpengaruh). Inilah seluruh isi perluasan “kontinu sepotong-sepotong” itu: potonglah di titik ketakkontinuannya yang berhingga banyak, integralkanlah setiap keping yang kontinu, lalu jumlahkan — jadi Chasles sebagai definisi.

Contoh 15.6 (Definisinya menghitung, sekali)

Misalkan f(x)=xf(x) = x pada [0, 1]\intcc{0}{1} lalu potonglah menjadi nn keping yang sama. Adapun fungsi tangga terbaik yang konstan pada kepingnya adalah φ=k−1n\varphi = \frac{k-1}{n} dan ψ=kn\psi = \frac kn pada keping ke-kk, dengan

∫01φ=∑k=1nk−1n⋅1n=n−12n,∫01ψ=∑k=1nkn⋅1n=n+12n.\int_0^1 \varphi = \sum_{k=1}^{n} \frac{k-1}{n}\cdot\frac1n = \frac{n-1}{2n}, \qquad \int_0^1 \psi = \sum_{k=1}^{n} \frac{k}{n}\cdot\frac1n = \frac{n+1}{2n} .

Setiap integral bawahnya ≤I−(f)≤I+(f)≤\leq I_-(f) \leq I_+(f) \leq setiap yang atasnya, sehingga n−12n≤I−(f)≤I+(f)≤n+12n\frac{n-1}{2n} \leq I_-(f) \leq I_+(f) \leq \frac{n+1}{2n} untuk setiap nn: jadi keduanya terapit menuju 12\frac12, dan ∫01x  ⁣dx=12\int_0^1 x\,\dd x = \frac12 langsung dari definisinya. Inti gagasan penutupnya: bahwa inilah pertama dan terakhir kalinya kita mengintegralkan dari definisinya — karena teorema fundamental di bawah mengganti semua perhitungan semacam itu dengan satu pencarian antiturunan, dan itulah seluruh inti ekonomi bab ini.

Teorema 15.7 (Sifatnya)

Untuk f,gf, g yang kontinu (atau kontinu sepotong-sepotong) pada [a, b]\intcc{a}{b} dan λ∈R\lambda \in \R:

  1. kelinearan: ∫(f+λg)=∫f+λ∫g\int (f + \lambda g) = \int f + \lambda \int g;
  2. kemonotonan: f≤g  ⟹  ∫abf≤∫abgf \leq g \implies \int_a^b f \leq \int_a^b g; dan ∣∫abf∣≤∫ab∣f∣≤(b−a) sup⁡∣f∣\bigl|\int_a^b f\bigr| \leq \int_a^b \abs f \leq (b - a)\, \sup\abs f;
  3. Chasles: ∫ab=∫ac+∫cb\int_a^b = \int_a^c + \int_c^b (dengan kesepakatan ∫ba=−∫ab\int_b^a = -\int_a^b, yang sah untuk urutan batas mana pun);
  4. kepositifan tegas: jika ff kontinu, f≥0f \geq 0 dan ∫abf=0\int_a^b f = 0, maka f=0f = 0 di mana-mana pada [a, b]\intcc{a}{b}.

Bukti. (1)–(3) berpindah dari fungsi tangga ke limitnya lewat definisi sup/infnya. Adapun kelinearannya pantas diperinci sekali: diberikan ε>0\varepsilon > 0, apitlah φf≤f≤ψf\varphi_f \leq f \leq \psi_f dan φg≤g≤ψg\varphi_g \leq g \leq \psi_g dengan celah ≤ε\leq \varepsilon (Teorema 15.3). Untuk λ≥0\lambda \geq 0, φf+λφg≤f+λg≤ψf+λψg\varphi_f + \lambda\varphi_g \leq f + \lambda g \leq \psi_f + \lambda\psi_g merupakan apitan oleh fungsi tangga dengan celah ≤(1+λ)ε\leq (1 + \lambda)\varepsilon, dan integral tangganya sama dengan ∫φf+λ∫φg\int \varphi_f + \lambda\int\varphi_g dan seterusnya (Proposisi 15.2): sehingga membiarkan ε→0\varepsilon \to 0 mengapit ∫(f+λg)\int(f + \lambda g) menuju ∫f+λ∫g\int f + \lambda\int g. Untuk λ<0\lambda < 0, mengalikan dengan λ\lambda membalikkan apitan gg — karena fungsi tangga bawah bagi λg\lambda g adalah λψg\lambda \psi_g — dan apitan yang sama berjalan dengan perannya tertukar. Adapun batas ∣∫f∣≤∫∣f∣\abs{\int f} \leq \int \abs f datang dari −∣f∣≤f≤∣f∣-\abs f \leq f \leq \abs f dan kemonotonannya.

(4) Lewat kontraposisinya: jika f(x0)=m>0f(x_0) = m > 0, maka kekontinuannya menyediakan subselang berpanjang η>0\eta > 0 yang di situ f≥m2f \geq \frac m2; lalu fungsi tangga yang bernilai m2\frac m2 di sana dan 00 di tempat lain bersifat ≤f\leq f, sehingga ∫f≥mη2>0\int f \geq \frac{m\eta}{2} > 0. ∎

Contoh 15.8 (Chasles dalam kerja: integral dengan nilai mutlak)

Untuk mengintegralkan nilai mutlak, potonglah di tempat tandanya berubah.

∫02∣x−1∣  ⁣dx=∫01(1−x)  ⁣dx+∫12(x−1)  ⁣dx=12+12=1,\int_0^2 \abs{x - 1}\,\dd x = \int_0^1 (1 - x)\,\dd x + \int_1^2 (x - 1)\,\dd x = \frac12 + \frac12 = 1 ,

lalu, dengan memotong [0, 2π]\intcc{0}{2\pi} di π\pi:

∫02π∣sin⁡t∣  ⁣dt=∫0πsin⁡t  ⁣dt−∫π2πsin⁡t  ⁣dt=2+2=4,\int_0^{2\pi} \abs{\sin t}\,\dd t = \int_0^{\pi} \sin t\,\dd t - \int_{\pi}^{2\pi} \sin t\,\dd t = 2 + 2 = 4 ,

sedangkan ∫02πsin⁡t  ⁣dt=0\int_0^{2\pi} \sin t\,\dd t = 0: jadi peniadaannya nyata, dan itulah sebabnya pernyataan kepositifan tegasnya (Teorema 15.7 (4)) membawa hipotesis f≥0f \geq 0 — karena tanpanya, integral yang lenyap tak membuktikan apa pun tentang ff. Inti gagasan penutupnya: bahwa ∫∣f∣\int \abs f mengukur luas, sedangkan ∫f\int f mengukur neraca bertanda; sehingga ketaksamaan ∣∫f∣≤∫∣f∣\abs{\int f} \leq \int\abs f merupakan catatan yang persis tentang apa yang dapat dihancurkan peniadaannya.

15.3 Teorema fundamental kalkulus

Teorema 15.9 (Teorema fundamental kalkulus)

Misalkan ff kontinu pada sebuah selang II dan a∈Ia \in I. Maka fungsi

F(x)=∫axf(t)  ⁣dtF(x) = \int_a^x f(t)\, \dd t

berkelas C1C^1 pada II, dengan F′=fF' = f: jadi setiap fungsi yang kontinu pada sebuah selang mempunyai primitif. Akibatnya, untuk sebarang primitif GG bagi ff:

∫abf(t)  ⁣dt=G(b)−G(a).\int_a^b f(t)\,\dd t = G(b) - G(a) .

Bukti. Tetapkanlah x0∈Ix_0 \in I dan ε>0\varepsilon > 0; maka kekontinuan di x0x_0 menyediakan δ\delta dengan ∣f(t)−f(x0)∣≤ε\abs{f(t) - f(x_0)} \leq \varepsilon untuk ∣t−x0∣≤δ\abs{t - x_0} \leq \delta. Untuk 0<∣h∣≤δ0 < \abs{h} \leq \delta (dan x0+h∈Ix_0 + h \in I), Chasles memberikan

F(x0+h)−F(x0)h−f(x0)=1h∫x0x0+h(f(t)−f(x0)) ⁣dt,\frac{F(x_0 + h) - F(x_0)}{h} - f(x_0) = \frac 1h \int_{x_0}^{x_0+h} \bigl(f(t) - f(x_0)\bigr)\dd t ,

yang nilai mutlaknya ≤1∣h∣⋅∣h∣ ε=ε\leq \frac{1}{\abs h}\cdot \abs h\, \varepsilon = \varepsilon (menurut batas (2), yang sah untuk urutan batas mana pun). Jadi F′(x0)=f(x0)F'(x_0) = f(x_0); dan F′=fF' = f kontinu: sehingga FF berkelas C1C^1. Jika G′=fG' = f juga, maka (G−F)′=0(G - F)' = 0 pada selangnya, sehingga G=F+cG = F + c (Akibat 14.12), dan G(b)−G(a)=F(b)−F(a)=∫abfG(b) - G(a) = F(b) - F(a) = \int_a^b f. ∎

Contoh 15.10 (Kesetangkupan sebelum perhitungan)

Pada selang yang setangkup, keparitasannya yang bekerja: jika ff ganjil, maka penyulihan t↦−tt \mapsto -t mengirim ∫−a0f\int_{-a}^{0} f ke −∫0af-\int_0^a f, sehingga

∫−aaf(t)  ⁣dt=0;sedangkan jika f genap,∫−aaf=2∫0af.\int_{-a}^{a} f(t)\,\dd t = 0 ; \qquad\text{sedangkan jika $f$ genap,}\quad \int_{-a}^{a} f = 2\int_0^a f .

Jadi ∫−11t3cos⁡t1+t4  ⁣dt=0\int_{-1}^{1} \frac{t^3\cos t}{1 + t^4}\,\dd t = 0 tanpa primitif yang terlihat (karena integrannya ganjil), dan ∫−ππt2cos⁡t  ⁣dt=2∫0πt2cos⁡t  ⁣dt\int_{-\pi}^{\pi} t^2\cos t\,\dd t = 2\int_0^\pi t^2\cos t\, \dd t. Jadi periksalah kesetangkupannya sebelum meraih tekniknya: karena integral tercepat adalah yang tak pernah dihitung.

Contoh 15.11 (Mengenali sebuah turunan pada pandangan pertama)

Hitunglah ∫0π/2 ⁣dx1+cos⁡x\displaystyle\int_0^{\pi/2} \frac{\dd x}{1 + \cos x}. Kesamaan sudut paruhnya 1+cos⁡x=2cos⁡2x21 + \cos x = 2\cos^2\frac x2 mengubah integrannya menjadi 12(1+tan⁡2x2)\frac{1}{2}\bigl(1 + \tan^2\frac x2\bigr), yang persis merupakan turunan tan⁡x2\tan\frac x2:

∫0π/2 ⁣dx1+cos⁡x=[tan⁡x2]0π/2=tan⁡π4=1.\int_0^{\pi/2} \frac{\dd x}{1 + \cos x} = \Bigl[\tan\frac x2\Bigr]_0^{\pi/2} = \tan\frac\pi4 = 1 .

Jadi tak ada mesin penyulihan yang diperlukan — hanya refleks membaca sebuah integran sebagai turunan seseorang, dan teorema fundamentalnya mengerjakan sisanya. (Adapun perkakas sistematis di balik integral trigonometri semacam itu, yaitu penyulihan t=tan⁡x2t = \tan\frac x2, termasuk kotak perkakas baku yang dibangun dari Teorema 15.15 (2).)

Contoh 15.12 (Fungsi yang didefinisikan oleh integral)

Teorema fundamentalnya memproduksi fungsi. Misalkan

F(x)=∫0xe−t2  ⁣dt.F(x) = \int_0^x \eu^{-t^2}\,\dd t .

Tak ada kombinasi fungsi klasik yang berturunan e−t2\eu^{-t^2} (yaitu teorema Liouville, yang diterima); namun FF ada, berkelas C1C^1 dengan F′(x)=e−x2>0F'(x) = \eu^{-x^2} > 0, naik tegas, ganjil (lewat penyulihan t↦−tt \mapsto -t), dan terbatas: karena untuk x≥1x \geq 1,

F(x)−F(1)=∫1xe−t2 ⁣dt≤∫1xe−t ⁣dt≤e−1,F(x) - F(1) = \int_1^x \eu^{-t^2}\dd t \leq \int_1^x \eu^{-t}\dd t \leq \eu^{-1} ,

sehingga F≤F(1)+e−1≤1+e−1F \leq F(1) + \eu^{-1} \leq 1 + \eu^{-1}. (Adapun limitnya yang persis, π2\frac{\sqrt\pi}{2}, dihitung dengan integral rangkap pada jilid Tahun ke-3.) Aturan rantai bagi batas yang bergerak:  ⁣d ⁣dx∫xx2e−t2 ⁣dt=2x e−x4−e−x2\frac{\dd}{\dd x}\int_x^{x^2} \eu^{-t^2}\dd t = 2x\,\eu^{-x^4} - \eu^{-x^2}. Inti gagasan penutupnya: bahwa pengintegralan menciptakan fungsi baru dari yang lama, dengan segala sifatnya terbaca dari integrannya — jadi primitif yang tak dapat kamu tuliskan tetap fungsi yang kamu kendalikan sepenuhnya.

Contoh 15.13 (Menaksir tanpa menilai)

Integral Rn=∫01tn1+t  ⁣dtR_n = \int_0^1 \frac{t^n}{1 + t}\,\dd t tak berbentuk tertutup yang menyenangkan, namun kemonotonannya memakukannya dengan tepat: karena pada [0, 1]\intcc{0}{1}, 12≤11+t≤1\frac12 \leq \frac{1}{1+t} \leq 1, sehingga

12(n+1)=12∫01tn  ⁣dt  ≤  Rn  ≤  ∫01tn  ⁣dt=1n+1:\frac{1}{2(n+1)} = \frac12\int_0^1 t^n\,\dd t \;\leq\; R_n \;\leq\; \int_0^1 t^n \,\dd t = \frac{1}{n+1} :

jadi orde peluruhannya yang persis (Rn∼R_n \sim kelipatan 1n\frac1n, dan sesungguhnya Rn∼12nR_n \sim \frac{1}{2n}) dengan dua baris dan tanpa antiturunan. Adapun soal akhir pekan bab ini dan bab berikutnya berjalan persis di atas apitan semacam itu — jadi naluri pertama seorang analis di hadapan sebuah integral seharusnya membatasinya, lalu barulah, bila perlu, menghitungnya.

Contoh 15.14 (Nilai rata-rata)

Rata-rata sebuah ff yang kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b} adalah 1b−a∫abf\frac{1}{b-a}\int_a^b f. Untuk lengkung sinusnya:

1π∫0πsin⁡t  ⁣dt=1π[−cos⁡t]0π=2π≈0.637:\frac{1}{\pi}\int_0^\pi \sin t\,\dd t = \frac{1}{\pi}\bigl[-\cos t\bigr]_0^\pi = \frac{2}{\pi} \approx 0.637 :

jadi satu lengkung positif yang penuh berata-rata bukan 12\frac12 melainkan 2π\frac2\pi — karena kurvanya menghabiskan waktu lebih lama di atas daripada segitiga yang sebanding. Menurut Latihan 15.11 (yaitu teorema nilai rata-rata bagi integral, dengan g=1g = 1), rata-ratanya merupakan sebuah nilai: sin⁡c=2π\sin c = \frac2\pi untuk suatu c∈(0, π)c \in \intoo{0}{\pi}. Dan menurut jumlah Riemann pada bab ini, rata-ratanya merupakan limit rata-rata biasa atas nn cuplikan — jadi jembatan antara rata-rata diskret sebuah data dan rata-rata kontinu sebuah isyarat, dan begitulah integralnya masuk ke fisika.

Teorema 15.15 (Pengintegralan parsial; penyulihan)

  1. Jika u,vu, v berkelas C1C^1 pada [a, b]\intcc{a}{b}:

    ∫abu′v=[uv]ab−∫abuv′.\int_a^b u'v = \bigl[uv\bigr]_a^b - \int_a^b uv' .
  2. Jika φ\varphi berkelas C1C^1 pada [α, β]\intcc{\alpha}{\beta} dan ff kontinu pada φ([α, β])\varphi(\intcc{\alpha}{\beta}):

    ∫αβf(φ(t)) φ′(t)  ⁣dt=∫φ(α)φ(β)f(x)  ⁣dx.\int_{\alpha}^{\beta} f\bigl(\varphi(t)\bigr)\,\varphi'(t)\, \dd t = \int_{\varphi(\alpha)}^{\varphi(\beta)} f(x)\, \dd x .

Bukti. (1) Karena (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'; integralkanlah atas [a, b]\intcc{a}{b} lalu terapkan teorema fundamentalnya pada fungsi C1C^1 yaitu uvuv.

(2) Misalkan FF sebuah primitif bagi ff pada selang petanya (Teorema 15.9). Maka (F∘φ)′=(f∘φ) φ′(F \circ \varphi)' = (f \circ \varphi)\,\varphi' (menurut aturan rantainya), sehingga kedua ruasnya sama dengan F(φ(β))−F(φ(α))F(\varphi(\beta)) - F(\varphi(\alpha)). ∎

Contoh 15.16

∫01t et ⁣dt=[t et]01−∫01et ⁣dt=e−(e−1)=1\int_0^1 t\,\eu^t \dd t = \bigl[t\,\eu^t\bigr]_0^1 - \int_0^1 \eu^t\dd t = \eu - (\eu - 1) = 1. Lalu dengan penyulihan x=sin⁡tx = \sin t (t∈[0, π2]t \in \intcc{0}{\frac\pi2}):

∫011−x2  ⁣dx=∫0π/2cos⁡t⋅cos⁡t  ⁣dt=∫0π/21+cos⁡2t2  ⁣dt=π4,\int_0^1 \sqrt{1 - x^2}\, \dd x = \int_0^{\pi/2} \cos t \cdot \cos t \, \dd t = \int_0^{\pi/2} \frac{1 + \cos 2t}{2}\, \dd t = \frac\pi4 ,

— yaitu seperempat cakram satuan, sebagaimana dituntut geometrinya. (Jadi pelinearan dari Metode 3.11 sedang bekerja.)

Catatan 15.17 (Jebakan yang lazim dalam kalkulus integral)

(i) Penyulihannya harus C1C^1 pada seluruh selangnya: karena penggantian x=1tx = \frac1t tak sah melintasi 00; dan bila diterapkan secara buta pada ∫−11 ⁣dx1+x2\int_{-1}^{1}\frac{\dd x}{1 + x^2} ia “membuktikan” bahwa integralnya sama dengan negatifnya sendiri. Jadi ketika sebuah penyulihan mempunyai kesingularan, potonglah selangnya lebih dulu (dengan Chasles), lalu sulihkan pada setiap kepingnya, dan barulah gabungkan kembali. (ii) Primitif logaritma menuntut nilai mutlak: karena ∫ ⁣dxx−2=ln⁡∣x−2∣+C\int \frac{\dd x}{x - 2} = \ln\abs{x - 2} + C pada masing-masing sisi 22 secara tersendiri — sehingga menulis ln⁡(x−2)\ln(x - 2) pada (0, 1)\intoo{0}{1} berarti menulis logaritma bilangan yang negatif; dan konstantanya CC boleh berbeda pada kedua sisi kesingularannya. (iii) Integral yang lenyap tak membunuh fungsinya: karena ∫02πsin⁡=0\int_0^{2\pi}\sin = 0; jadi kepositifan integrannya dituntut sebelum menyimpulkan f=0f = 0 (Contoh 15.8). (iv) Jumlah Riemann harus terkalibrasi: karena pada b−an∑f(a+kb−an)\frac{b-a}{n}\sum f\bigl(a + k\frac{b-a}{n}\bigr), langkah di luarnya dan titik di dalamnya harus cocok dengan partisi yang sama — adapun galat yang sering terjadi adalah jumlah ∑k=1nf(kn)\sum_{k=1}^{n} f\bigl(\frac kn\bigr) tanpa faktor 1n\frac1n, yang divergen alih-alih konvergen ke ∫01f\int_0^1 f. Jadi daftar periksa sebelum memanggil Teorema 15.20: keluarkanlah faktor 1n\frac1n, tulislah ulang sukunya sebagai ff dari kn\frac kn, namailah ff lalu periksalah kekontinuannya.

Contoh 15.18 (Tebak, turunkan, sesuaikan)

Berapakah ∫1x(ln⁡t)2  ⁣dt\int_1^x (\ln t)^2\,\dd t? Tebaklah sebuah primitif berbentuk t P(ln⁡t)t\,P(\ln t) dengan PP polinomial lalu turunkanlah:

(t P(ln⁡t))′=P(ln⁡t)+P′(ln⁡t).\bigl(t\,P(\ln t)\bigr)' = P(\ln t) + P'(\ln t) .

Kita memerlukan P(u)+P′(u)=u2P(u) + P'(u) = u^2: ambillah P(u)=u2−2u+2P(u) = u^2 - 2u + 2 (dengan mencocokkan koefisiennya turun dari u2u^2). Sehingga

∫1x(ln⁡t)2  ⁣dt=[t((ln⁡t)2−2ln⁡t+2)]1x=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x−2,\int_1^x (\ln t)^2\,\dd t = \bigl[t\bigl((\ln t)^2 - 2\ln t + 2\bigr)\bigr]_1^x = x(\ln x)^2 - 2x\ln x + 2x - 2 ,

yaitu hasil yang selainnya dicapai lewat dua kali pengintegralan parsial. Inti gagasan penutupnya: bahwa untuk integran berbentuk (polinomial dalam ln⁡t\ln t) atau (polinomial dikali eλt\eu^{\lambda t}), primitifnya berbentuk sama — sehingga menurunkan sebuah tebakan yang terbentuk mengubah pengintegralan menjadi aljabar linear atas koefisiennya, yang lebih cepat dan lebih kecil kemungkinan galatnya daripada parsial yang berulang.

Contoh 15.19 (Integral bumerang)

Hitunglah I=∫0π/2excos⁡x  ⁣dxI = \int_0^{\pi/2} \eu^x \cos x\,\dd x. Integralkanlah secara parsial dua kali, dengan menurunkan faktor trigonometrinya setiap kalinya:

I=[exsin⁡x]0π/2−∫0π/2exsin⁡x  ⁣dx=eπ/2−J,J=[−excos⁡x]0π/2+∫0π/2excos⁡x  ⁣dx=1+I.I = \bigl[\eu^x \sin x\bigr]_0^{\pi/2} - \int_0^{\pi/2} \eu^x \sin x\,\dd x = \eu^{\pi/2} - J, \qquad J = \bigl[-\eu^x\cos x\bigr]_0^{\pi/2} + \int_0^{\pi/2} \eu^x\cos x\,\dd x = 1 + I .

Integralnya sudah kembali ke dirinya sendiri: I=eπ/2−1−II = \eu^{\pi/2} - 1 - I, sehingga

I=eπ/2−12.I = \frac{\eu^{\pi/2} - 1}{2} .

Inti gagasan penutupnya: bahwa ketika integrannya hasil kali dua fungsi yang memproduksi dirinya sendiri di bawah pendiferensialan (eax\eu^{ax}, cos⁡bx\cos bx, sin⁡bx\sin bx), maka dua kali pengintegralan parsial menghasilkan persamaan linear bagi integral yang tak diketahuinya — jadi pecahkanlah ia alih-alih mengintegralkannya; dan setara dengan itu, lewatilah e(a+ib)x\eu^{(a + \iu b)x} (Bab 3) lalu ambillah bagian realnya. Kedua jalannya memberikan jawaban yang sama, dan memeriksa bahwa demikianlah halnya merupakan uji kewarasan yang cuma-cuma.

15.4 Jumlah Riemann

Teorema 15.20 (Jumlah Riemann)

Misalkan ff kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b}. Maka

Sn=b−an∑k=0n−1f(a+k b−an)→n→∞∫abf(t)  ⁣dt,S_n = \frac{b - a}{n} \sum_{k=0}^{n-1} f\Bigl(a + k\,\frac{b-a}{n}\Bigr) \xrightarrow[n \to \infty]{} \int_a^b f(t)\, \dd t ,

dan demikian pula dengan sebarang titik penilaian di dalam subselangnya.

Bukti. Di sini SnS_n merupakan integral fungsi tangga φn\varphi_n yang sama dengan f(a+kb−an)f(a + k\frac{b-a}{n}) pada subselang ke-kk. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, kekontinuan seragamnya (menurut Heine) menyediakan δ\delta; lalu untuk n>b−aδn > \frac{b-a}{\delta}, setiap titik sebuah subselang berjarak δ\delta dari titik penilaiannya, sehingga ∣f−φn∣≤ε\abs{f - \varphi_n} \leq \varepsilon pada [a, b]\intcc{a}{b}, jadi

∣∫abf−Sn∣=∣∫ab(f−φn)∣≤(b−a) ε.\Bigl| \int_a^b f - S_n \Bigr| = \Bigl| \int_a^b (f - \varphi_n) \Bigr| \leq (b-a)\,\varepsilon . \qedhere

∎

Sebuah jumlah Riemann kiri dengan n = 8 persegi panjang: bahwa ketika jalanya menyusut, kekontinuan seragamnya memaksa luas tangganya menuju ∈t_ab f.
Sebuah jumlah Riemann kiri dengan n=8n = 8 persegi panjang: bahwa ketika jalanya menyusut, kekontinuan seragamnya memaksa luas tangganya menuju ∫abf\int_a^b f.

Contoh 15.21

∑k=1n1n+k=1n∑k=1n11+k/n→n→∞∫01 ⁣dx1+x=ln⁡2\displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n + k} = \frac 1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{1 + k/n} \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_0^1 \frac{\dd x}{1 + x} = \ln 2: yaitu limit yang tak kasatmata bagi batas elementer, tetapi bening sebagai jumlah Riemann.

Contoh 15.22 (Jumlah Riemann kedua, beserta kalibrasinya)

Carilah lim⁡n→∞∑k=1nn(n+k)2\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^{n} \dfrac{n}{(n+k)^2}. Kalibrasikanlah:

∑k=1nn(n+k)2=1n∑k=1nn2(n+k)2=1n∑k=1n1(1+kn)2,\sum_{k=1}^{n} \frac{n}{(n+k)^2} = \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} \frac{n^2}{(n+k)^2} = \frac1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\bigl(1 + \frac kn\bigr)^2} ,

yaitu jumlah Riemann bagi f(x)=1(1+x)2f(x) = \frac{1}{(1+x)^2} yang kontinu pada [0, 1]\intcc{0}{1}: sehingga limitnya adalah

∫01 ⁣dx(1+x)2=[−11+x]01=12.\int_0^1 \frac{\dd x}{(1 + x)^2} = \Bigl[-\frac{1}{1+x}\Bigr]_0^1 = \frac12 .

Inti gagasan penutupnya: bahwa seluruh seninya ada pada baris tengahnya — paksalah sukunya menjadi bentuk f(kn)f(\frac kn) dengan ongkos mengeluarkan tepat satu faktor 1n\frac1n; dan begitu bentuknya tepat, teoremanya mengerjakan analisisnya sedangkan teorema fundamentalnya mengerjakan aritmetikanya.

Catatan 15.23 (Di mana integralnya bekerja berikutnya)

Konstruksi bab ini masing-masing mempunyai kelanjutan. Adapun jumlah Riemann kembali pada Bab 17 sebagai jembatan antara deret dan integral (yaitu perbandingan ∑1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} dengan ∫ ⁣dttα\int \frac{\dd t}{t^\alpha}); sedangkan sisa integralnya merupakan bentuk paling tajam rumus Taylor pada Bab 16; dan definisi berbasis sup⁡\sup-nya merupakan purwarupa bagi integral Lebesgue pada jilid Tahun ke-3, yang di situ ketiga sifat yang sama (kelinearan, kemonotonan, dan sebuah teorema kekonvergenan) dibangun kembali pada kelas fungsi yang jauh lebih besar. Adapun soal akhir pekan di bawah mengubah pengintegralan parsial menjadi aritmetika: yaitu keirasionalan π2\pi^2.

15.5 Latihan

Latihan 15.1 ★

Hitunglah: ∫01 ⁣dxx2−4\displaystyle\int_0^1 \frac{\dd x}{x^2 - 4} (lewat pecahan parsial, Bab 9); ∫1eln⁡t  ⁣dt\displaystyle\int_1^{\eu} \ln t \,\dd t; ∫0πtsin⁡t  ⁣dt\displaystyle\int_0^{\pi} t \sin t\, \dd t.

Solusi

Solusi Latihan 15.1.

1x2−4=1/4x−2−1/4x+2\dfrac{1}{x^2-4} = \dfrac{1/4}{x - 2} - \dfrac{1/4}{x+2} (lewat penutupan), sehingga

∫01 ⁣dxx2−4=14[ln⁡∣x−2∣−ln⁡∣x+2∣]01=14(ln⁡13−ln⁡1)=−ln⁡34.\int_0^1 \frac{\dd x}{x^2 - 4} = \frac14\Bigl[\ln\abs{x-2} - \ln\abs{x+2}\Bigr]_0^1 = \frac14\Bigl(\ln\frac{1}{3} - \ln 1\Bigr) = -\frac{\ln 3}{4}.

Lewat parsial (u′=1u' = 1, v=ln⁡tv = \ln t): ∫1eln⁡t  ⁣dt=[tln⁡t]1e−∫1e ⁣dt=e−(e−1)=1\int_1^{\eu} \ln t\,\dd t = \bigl[t\ln t\bigr]_1^{\eu} - \int_1^{\eu} \dd t = \eu - (\eu - 1) = 1.

Lewat parsial (u′=sin⁡tu' = \sin t, v=tv = t): ∫0πtsin⁡t  ⁣dt=[−tcos⁡t]0π+∫0πcos⁡t  ⁣dt=π+0=π\int_0^\pi t\sin t\,\dd t = \bigl[-t\cos t\bigr]_0^\pi + \int_0^\pi \cos t\,\dd t = \pi + 0 = \pi.

Latihan 15.2 ★

Hitunglah ∫01t(t2+1)2  ⁣dt\displaystyle\int_0^{1} \frac{t}{(t^2+1)^2}\,\dd t (lewat penyulihan) dan ∫0π/2cos⁡3t  ⁣dt\displaystyle\int_0^{\pi/2} \cos^3 t\, \dd t (dengan menulis cos⁡3=cos⁡(1−sin⁡2)\cos^3 = \cos(1 - \sin^2)).

Solusi

Solusi Latihan 15.2.

Lewat penyulihan u=t2+1u = t^2 + 1,  ⁣du=2t  ⁣dt\dd u = 2t\,\dd t:

∫01t  ⁣dt(t2+1)2=12∫12 ⁣duu2=12[−1u]12=14.\int_0^1 \frac{t\,\dd t}{(t^2+1)^2} = \frac12 \int_1^2 \frac{\dd u}{u^2} = \frac12\Bigl[-\frac1u\Bigr]_1^2 = \frac14 .

Dengan u=sin⁡tu = \sin t: ∫0π/2cos⁡3t  ⁣dt=∫0π/2(1−sin⁡2t)cos⁡t  ⁣dt=[sin⁡t−sin⁡3t3]0π/2=1−13=23\int_0^{\pi/2} \cos^3 t\,\dd t = \int_0^{\pi/2} (1 - \sin^2 t)\cos t\,\dd t = \bigl[\sin t - \frac{\sin^3 t}{3}\bigr]_0^{\pi/2} = 1 - \frac13 = \frac23.

Latihan 15.3 ★

Carilah limitnya, sebagai jumlah Riemann:

un=∑k=1nnn2+k2,vn=1n(2n)!n! nnn (ambillah logaritmanya).u_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{n}{n^2 + k^2}, \qquad v_n = \frac{1}{n}\sqrt[n]{\frac{(2n)!}{n!\,n^n}} \ \emph{(ambillah logaritmanya)}.
Solusi

Solusi Latihan 15.3.

un=1n∑k=1n11+(k/n)2u_n = \dfrac1n \sum_{k=1}^{n} \dfrac{1}{1 + (k/n)^2}: yaitu jumlah Riemann bagi x↦11+x2x \mapsto \frac{1}{1+x^2} pada [0, 1]\intcc{0}{1}, sehingga un→∫01 ⁣dx1+x2=arctan⁡1=π4u_n \to \int_0^1 \frac{\dd x}{1+x^2} = \arctan 1 = \dfrac\pi4.

ln⁡vn=1n∑k=1nln⁡n+kn=1n∑k=1nln⁡(1+kn)→∫01ln⁡(1+x)  ⁣dx=[(1+x)ln⁡(1+x)−x]01=2ln⁡2−1\ln v_n = \dfrac1n \sum_{k=1}^{n} \ln\dfrac{n+k}{n} = \dfrac 1n \sum_{k=1}^n \ln\Bigl(1 + \dfrac kn\Bigr) \to \int_0^1 \ln(1+x)\,\dd x = \bigl[(1+x)\ln(1+x) - x\bigr]_0^1 = 2\ln 2 - 1. Jadi vn→e2ln⁡2−1=4ev_n \to \eu^{2\ln 2 - 1} = \dfrac 4\eu. (Periksa pengenalannya: (2n)!n! nn=∏k=1nn+kn\frac{(2n)!}{n!\,n^n} = \prod_{k=1}^{n} \frac{n+k}{n}.)

Latihan 15.4 ★

Misalkan ff kontinu pada [0, 1]\intcc{0}{1}. Hitunglah lim⁡n→∞∫01xnf(x)  ⁣dx\lim_{n\to\infty} \int_0^1 x^n f(x)\,\dd x. (Potonglah [0, 1]\intcc{0}{1} di 1−δ1 - \delta.)

Solusi

Solusi Latihan 15.4.

Limitnya 00. Misalkan M=sup⁡∣f∣M = \sup \abs f dan ε∈(0, 1)\varepsilon \in \intoo{0}{1}. Potonglah di 1−ε1 - \varepsilon:

∣∫01xnf∣≤∫01−εxn∣f∣+∫1−ε1xn∣f∣≤M (1−ε)n+Mε.\Bigl| \int_0^1 x^n f \Bigr| \leq \int_0^{1 - \varepsilon} x^n \abs f + \int_{1-\varepsilon}^1 x^n \abs f \leq M\,(1-\varepsilon)^n + M\varepsilon .

Karena (1−ε)n→0(1 - \varepsilon)^n \to 0 (Latihan 11.3), maka limsup ruas kirinya ≤Mε\leq M\varepsilon untuk setiap ε\varepsilon: sehingga integralnya menuju 00.

Latihan 15.5 ★★

(Cauchy–Schwarz) Untuk f,gf, g yang kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b}, buktikanlah

(∫abfg) ⁣2≤∫abf2⋅∫abg2,\Bigl(\int_a^b fg\Bigr)^{\!2} \leq \int_a^b f^2 \cdot \int_a^b g^2 ,

dengan menjabarkan ∫ab(f+λg)2≥0\int_a^b (f + \lambda g)^2 \geq 0 sebagai kuadratik dalam λ\lambda. Kapankah ia menjadi kesamaan?

Solusi

Solusi Latihan 15.5.

Q(λ)=∫ab(f+λg)2=∫f2+2λ∫fg+λ2∫g2≥0Q(\lambda) = \int_a^b (f + \lambda g)^2 = \int f^2 + 2\lambda \int fg + \lambda^2 \int g^2 \geq 0 untuk setiap λ\lambda. Jika ∫g2=0\int g^2 = 0, maka g=0g = 0 (menurut kepositifan tegasnya, Teorema 15.7 (4)) dan ketaksamaannya menjadi 0≤00 \leq 0. Kalau tidak, QQ merupakan kuadratik yang sejati, yang di mana-mana ≥0\geq 0: sehingga diskriminannya ≤0\leq 0, yakni (∫fg)2≤∫f2∫g2\bigl(\int fg\bigr)^2 \leq \int f^2 \int g^2.

Kesamaannya berlaku jika dan hanya jika diskriminannya lenyap, jika dan hanya jika Q(λ0)=0Q(\lambda_0) = 0 untuk suatu λ0\lambda_0, yakni ∫(f+λ0g)2=0\int (f + \lambda_0 g)^2 = 0, yakni (menurut kepositifan tegasnya lagi) f=−λ0gf = -\lambda_0 g: jadi kesamaannya berlaku tepat ketika ff dan gg sebanding.

Latihan 15.6 ★★

Misalkan ff kontinu pada R\R, dan periodik-TT. Buktikan bahwa ∫aa+Tf\int_a^{a+T} f tak bergantung pada aa, dan bahwa 1x∫0xf(t)  ⁣dt→1T∫0Tf\frac1x \int_0^x f(t)\,\dd t \to \frac 1T \int_0^T f ketika x→+∞x \to +\infty.

Solusi

Solusi Latihan 15.6.

Misalkan Φ(a)=∫aa+Tf\Phi(a) = \int_a^{a+T} f. Menurut teorema fundamentalnya (Teorema 15.9), Φ\Phi dapat diturunkan dengan Φ′(a)=f(a+T)−f(a)=0\Phi'(a) = f(a + T) - f(a) = 0: jadi konstan.

Untuk x>0x > 0, tulislah x=nT+rx = nT + r, 0≤r<T0 \leq r < T (dengan n=⌊x/T⌋n = \lfloor x/T \rfloor). Menurut Chasles:

∫0xf=n∫0Tf+∫nTnT+rf,∣∫nTnT+rf∣≤Tsup⁡[0, T]∣f∣=C.\int_0^x f = n \int_0^T f + \int_{nT}^{nT + r} f, \qquad \Bigl| \int_{nT}^{nT+r} f \Bigr| \leq T \sup_{\intcc{0}{T}} \abs f = C .

Lalu 1x∫0xf=nTx⋅1T∫0Tf+O(1x)\frac 1x \int_0^x f = \frac{nT}{x}\cdot\frac 1T \int_0^T f + O\bigl(\frac 1x\bigr), dan nTx→1\frac{nT}{x} \to 1: sehingga limitnya 1T∫0Tf\frac1T \int_0^T f.

Latihan 15.7 ★★

Untuk ff yang kontinu pada [0, 1]\intcc{0}{1} dengan ∫01f=12\int_0^1 f = \frac12, buktikan bahwa ff mempunyai titik tetap di [0, 1]\intcc{0}{1}. (Integralkanlah f(x)−xf(x) - x lalu pakailah kepositifan tegasnya, Teorema 15.7 (4), lewat kontraposisinya yang digabung dengan teorema nilai antara.)

Solusi

Solusi Latihan 15.7.

Misalkan g(x)=f(x)−xg(x) = f(x) - x: yang kontinu, dengan

∫01g=∫01f−12=0.\int_0^1 g = \int_0^1 f - \frac12 = 0 .

Seandainya gg tak pernah lenyap, maka teorema nilai antara akan memaksa tanda yang tetap (karena fungsi kontinu pada sebuah selang yang mengambil kedua tandanya pasti lenyap); katakanlah g>0g > 0. Maka, menurut kepositifan tegasnya (Teorema 15.7 (4) yang diterapkan pada g>0g > 0, yang memberikan ∫g>0\int g > 0): yang bertentangan dengan ∫g=0\int g = 0. Jadi g(c)=0g(c) = 0 untuk suatu cc: sehingga f(c)=cf(c) = c.

Latihan 15.8 ★★★

(Integral Wallis) Misalkan Wn=∫0π/2sin⁡nt  ⁣dtW_n = \int_0^{\pi/2} \sin^n t\,\dd t.

  1. Buktikan rekurensi nWn=(n−1)Wn−2n W_n = (n-1) W_{n-2} (n≥2n \geq 2) lewat parsial, lalu hitunglah W0,W1W_0, W_1, kemudian W2pW_{2p} dan W2p+1W_{2p+1} dalam bentuk tertutup.
  2. Buktikan bahwa (Wn)(W_n) turun dengan Wn+1Wn→1\frac{W_{n+1}}{W_n} \to 1; buktikan bahwa besaran (n+1) Wn+1Wn(n+1)\,W_{n+1} W_n bersifat konstan, yang sama dengan π2\frac\pi2; lalu simpulkanlah kesetaraan Wn∼π2nW_n \sim \sqrt{\dfrac{\pi}{2n}}.
Solusi

Solusi Latihan 15.8.

  1. Lewat parsial dengan u′=sin⁡tu' = \sin t, v=sin⁡n−1tv = \sin^{n-1} t:

    Wn=[−cos⁡tsin⁡n−1t]0π/2+(n−1)∫0π/2cos⁡2t sin⁡n−2t  ⁣dt=(n−1)(Wn−2−Wn),W_n = \bigl[-\cos t\sin^{n-1}t\bigr]_0^{\pi/2} + (n-1)\int_0^{\pi/2} \cos^2 t\,\sin^{n-2} t\,\dd t = (n-1)(W_{n-2} - W_n),

    sehingga nWn=(n−1)Wn−2nW_n = (n-1)W_{n-2}. Dari W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1:

    W2p=(2p−1)(2p−3)⋯1(2p)(2p−2)⋯2 π2=(2p)!4p(p!)2 π2,W2p+1=(2p)(2p−2)⋯2(2p+1)(2p−1)⋯3=4p(p!)2(2p+1)!.W_{2p} = \frac{(2p-1)(2p-3)\cdots 1}{(2p)(2p-2)\cdots 2}\, \frac{\pi}{2} = \frac{(2p)!}{4^p (p!)^2}\,\frac\pi2, \qquad W_{2p+1} = \frac{(2p)(2p-2)\cdots 2}{(2p+1)(2p-1)\cdots 3} = \frac{4^p (p!)^2}{(2p+1)!} .
  2. Pada (0, π2)\intoo{0}{\frac\pi2}, 0<sin⁡t<10 < \sin t < 1, sehingga sin⁡n+1<sin⁡n\sin^{n+1} < \sin^n dan (Wn)(W_n) turun (secara tegas) dan positif. Lalu mengapitnya dengan rekurensinya:

    nn+1=Wn+1Wn−1≤Wn+1Wn≤1  ⟹  Wn+1Wn→1.\frac{n}{n+1} = \frac{W_{n+1}}{W_{n-1}} \leq \frac{W_{n+1}}{W_n} \leq 1 \quad\implies\quad \frac{W_{n+1}}{W_n} \to 1 .

    Adapun invariannya: an=(n+1)Wn+1Wna_n = (n+1)W_{n+1}W_n memenuhi an=an−1a_n = a_{n-1} menurut rekurensi (n+1)Wn+1=nWn−1(n+1)W_{n+1} = nW_{n-1}, sehingga an=a0=1⋅W1W0=π2a_n = a_0 = 1 \cdot W_1 W_0 = \frac\pi2. Lalu

    nWn2∼(n+1)Wn+1Wn=π2  ⟹  Wn∼π2n.n W_n^2 \sim (n+1) W_{n+1} W_n = \frac\pi2 \quad\implies\quad W_n \sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}} .

Latihan 15.9 ★★★

(Niven: π\pi irasional) Andaikan π=ab\pi = \frac ab dengan a,b∈N∗a, b \in \N^*, lalu tetapkan, untuk nn yang akan dipilih,

P(x)=xn(a−bx)nn!,In=∫0πP(x)sin⁡x  ⁣dx.P(x) = \frac{x^n (a - bx)^n}{n!}, \qquad I_n = \int_0^{\pi} P(x)\sin x\, \dd x .
  1. Buktikan bahwa 0<In≤π (πa)nn!0 < I_n \leq \pi\,\frac{(\pi a)^n}{n!}, yang bernilai <1< 1 untuk nn yang besar.
  2. Buktikan bahwa PP beserta semua turunannya mengambil nilai bulat di 00 dan di π=ab\pi = \frac ab. (Lewat penjabaran binomialnya: karena koefisien PP dikali k!k! bersifat bulat untuk k≥nk \geq n; dan P(π−x)=P(x)P(\pi - x) = P(x).)
  3. Tetapkanlah Q=P−P′′+P(4)−…Q = P - P'' + P^{(4)} - \dots (yaitu jumlah yang hingga). Periksalah bahwa (Q′sin⁡x−Qcos⁡x)′=Psin⁡x\bigl(Q'\sin x - Q\cos x\bigr)' = P \sin x, lalu simpulkanlah bahwa In=Q(π)+Q(0)I_n = Q(\pi) + Q(0) bersifat bulat.
  4. Tutuplah kesimpulannya.
Solusi

Solusi Latihan 15.9.

  1. Pada (0, π)\intoo{0}{\pi}: x>0x > 0, a−bx=b(ab−x)=b(π−x)>0a - bx = b(\frac ab - x) = b(\pi - x) > 0 dan sin⁡x>0\sin x > 0, sehingga integrannya >0> 0 dan In>0I_n > 0 (menurut kepositifan tegasnya). Adapun batasnya: pada [0, π]\intcc{0}{\pi}, x≤πx \leq \pi dan a−bx≤aa - bx \leq a, sehingga P≤πnann!P \leq \frac{\pi^n a^n}{n!} dan In≤π (πa)nn!I_n \leq \pi\,\frac{(\pi a)^n}{n!}, yang menuju 00 (karena faktorialnya mengalahkan suku geometrinya: sebab ia suku umum deret eksponensial yang konvergen, bandingkan Contoh 11.12); khususnya In<1I_n < 1 untuk nn yang besar.
  2. Jabarkanlah xn(a−bx)n=∑j=0n(nj)an−j(−b)jxn+jx^n(a - bx)^n = \sum_{j=0}^{n} \binom nj a^{n-j} (-b)^j x^{n+j}: sehingga P=1n!∑jcjxn+jP = \frac{1}{n!}\sum_j c_j x^{n+j} dengan cjc_j yang bulat. Lalu P(k)(0)=0P^{(k)}(0) = 0 untuk k<nk < n (menurut valuasinya) dan, untuk n≤k≤2nn \leq k \leq 2n, P(k)(0)=k!n!ck−nP^{(k)}(0) = \frac{k!}{n!} c_{k-n}, yaitu bilangan bulat karena n!∣k!n! \mid k!. Lebih lanjut P(π−x)=P(x)P(\pi - x) = P(x) (lewat penyulihan: karena π−x\pi - x menukar faktornya, dengan memakai a−b(π−x)=bxa - b(\pi - x) = bx), sehingga P(k)(π)=±P(k)(0)P^{(k)}(\pi) = \pm P^{(k)}(0): yang bulat pula.
  3. Dengan Q=P−P′′+P(4)−…Q = P - P'' + P^{(4)} - \dots (yang hingga: karena PP berderajat 2n2n): Q+Q′′=PQ + Q'' = P, dan

    (Q′sin⁡x−Qcos⁡x)′=(Q+Q′′)sin⁡x=Psin⁡x.\bigl(Q'\sin x - Q\cos x\bigr)' = (Q + Q'')\sin x = P\sin x .

    Sehingga In=[Q′sin⁡x−Qcos⁡x]0π=Q(π)+Q(0)I_n = \bigl[Q'\sin x - Q\cos x\bigr]_0^{\pi} = Q(\pi) + Q(0), yaitu jumlah nilai P(2k)P^{(2k)} di 00 dan π\pi: jadi bilangan bulat menurut (2).

  4. Untuk nn yang besar, InI_n merupakan bilangan bulat dengan 0<In<10 < I_n < 1: yang mustahil. Jadi anggapan π=ab\pi = \frac ab gagal: sehingga π\pi irasional.

Latihan 15.10 ★★★

Misalkan ff berkelas C1C^1 pada [a, b]\intcc{a}{b}. Buktikan limit bertipe Riemann–Lebesgue

∫abf(t)sin⁡(λt)  ⁣dt→λ→+∞0\int_a^b f(t)\sin(\lambda t)\,\dd t \xrightarrow[\lambda \to +\infty]{} 0

lewat pengintegralan parsial. Lalu buktikanlah ia lagi untuk ff yang sekadar kontinu, lewat hampiran seragam dengan fungsi tangga (Teorema 15.3).

Solusi

Solusi Latihan 15.10.

Kasus C1C^1-nya: lewat parsial,

∫abf(t)sin⁡λt  ⁣dt=[−f(t)cos⁡λtλ]ab+1λ∫abf′(t)cos⁡λt  ⁣dt,\int_a^b f(t)\sin\lambda t\,\dd t = \Bigl[-f(t)\frac{\cos\lambda t}{\lambda}\Bigr]_a^b + \frac{1}{\lambda}\int_a^b f'(t)\cos\lambda t\,\dd t,

yang nilai mutlaknya terbatas oleh 2sup⁡∣f∣+(b−a)sup⁡∣f′∣λ→0\frac{2\sup\abs f + (b - a)\sup\abs{f'}} {\lambda} \to 0.

Kasus kontinunya: misalkan ε>0\varepsilon > 0 lalu pilihlah fungsi tangga φ\varphi dengan ∣f−φ∣≤ε\abs{f - \varphi} \leq \varepsilon (karena Teorema 15.3 menyediakan φ≤f≤ψ\varphi \leq f \leq \psi dengan celah ≤ε\leq\varepsilon; ambillah φ\varphi). Maka

∣∫abfsin⁡λt∣≤∫ab∣f−φ∣+∣∫abφsin⁡λt∣≤(b−a)ε+∑i∣ci∣ ∣∫xi−1xisin⁡λt  ⁣dt∣,\Bigl|\int_a^b f\sin\lambda t\Bigr| \leq \int_a^b \abs{f - \varphi} + \Bigl|\int_a^b \varphi \sin\lambda t\Bigr| \leq (b-a)\varepsilon + \sum_i \abs{c_i}\,\Bigl|\int_{x_{i-1}}^{x_i} \sin\lambda t\,\dd t\Bigr| ,

dan masing-masing ∣∫sin⁡λt∣=∣cos⁡λxi−1−cos⁡λxiλ∣≤2λ\bigl|\int \sin \lambda t\bigr| = \bigl|\frac{\cos\lambda x_{i-1} - \cos\lambda x_i}{\lambda}\bigr| \leq \frac{2}{\lambda}: sehingga suku keduanya menuju 00. Jadi limsupnya ≤(b−a)ε\leq (b-a)\varepsilon untuk setiap ε\varepsilon: sehingga limitnya 00.

Latihan 15.11 ★★

(Teorema nilai rata-rata bagi integral) Misalkan f,gf, g kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b} dengan g≥0g \geq 0. Buktikan bahwa ada c∈[a, b]c \in \intcc{a}{b} dengan

∫abf(t) g(t)  ⁣dt=f(c)∫abg(t)  ⁣dt,\int_a^b f(t)\,g(t)\,\dd t = f(c)\int_a^b g(t)\,\dd t ,

lalu tunjukkanlah lewat sebuah contoh bahwa hipotesis g≥0g \geq 0 tak dapat dilepaskan.

Solusi

Solusi Latihan 15.11.

Misalkan m=min⁡fm = \min f dan M=max⁡fM = \max f, yang tercapai menurut teorema nilai ekstrem. Karena g≥0g \geq 0: maka m g≤fg≤M gm\,g \leq fg \leq M\,g, sehingga menurut kemonotonannya

m∫abg  ≤  ∫abfg  ≤  M∫abg.m \int_a^b g \;\leq\; \int_a^b fg \;\leq\; M \int_a^b g .

Jika ∫abg=0\int_a^b g = 0: maka kepositifan tegasnya (Teorema 15.7 (4)) memaksa g≡0g \equiv 0, sehingga kedua ruasnya lenyap, dan sebarang cc berlaku. Kalau tidak, t=∫fg∫gt = \frac{\int fg}{\int g} terletak di [m, M]=f([a, b])\intcc{m}{M} = f(\intcc{a}{b}) (Teorema 13.13 dan 13.10), sehingga t=f(c)t = f(c) untuk suatu cc.

Tandanya penting: pada [−1, 1]\intcc{-1}{1} dengan f(t)=g(t)=tf(t) = g(t) = t: ∫fg=∫−11t2=23\int fg = \int_{-1}^1 t^2 = \frac23, sedangkan f(c)∫−11t  ⁣dt=0f(c)\int_{-1}^1 t\,\dd t = 0 untuk setiap cc.

Latihan 15.12 ★★★

(Momen memaksa nol) Misalkan ff kontinu pada [a, b]\intcc{a}{b} dengan

∫abf(t) tk  ⁣dt=0untuk k=0,1,…,n.\int_a^b f(t)\,t^k\,\dd t = 0 \qquad \text{untuk } k = 0, 1, \dots, n .

Buktikan bahwa ff lenyap di n+1n + 1 titik berbeda pada (a, b)\intoo{a}{b}. (Jika ff berubah tanda hanya di z1<⋯<zmz_1 < \dots < z_m dengan m≤nm \leq n, integralkanlah ff terhadap P(t)=(t−z1)⋯(t−zm)P(t) = (t - z_1) \cdots (t - z_m) lalu pakailah kepositifan tegasnya.)

Solusi

Solusi Latihan 15.12.

Jika f≡0f \equiv 0 maka klaimnya hampa (karena setiap titiknya sebuah nol). Jadi anggaplah f≢0f \not\equiv 0 dan andaikan ia mempunyai paling banyak nn nol yang berbeda di (a, b)\intoo{a}{b}; lalu misalkan z1<⋯<zmz_1 < \dots < z_m (m≤nm \leq n) nol yang di situ ff berubah tanda (yang mungkin saja tak ada). Tetapkanlah P(t)=∏i=1m(t−zi)P(t) = \prod_{i=1}^{m}(t - z_i) (dengan hasil kali kosong =1= 1), yang berderajat m≤nm \leq n. Pada setiap subselang yang dipotong oleh ziz_i, baik ff maupun PP bertanda tetap, dan keduanya berbalik tanda ketika melintasi suatu ziz_i: sehingga hasil kalinya fPfP bertanda tetap pada seluruh (a, b)\intoo{a}{b}. Dan karena kontinu, tak identik nol, dan bertanda tetap, maka ia mempunyai ∣∫abfP∣>0\bigl|\int_a^b fP\bigr| > 0 (menurut kepositifan tegasnya yang diterapkan pada ∣fP∣\abs{fP}). Padahal ∫fP\int f P merupakan kombinasi linear momen ∫f tk\int f\,t^k, k≤nk \leq n, yang semuanya nol: yang bertentangan. Jadi ff mempunyai sekurang-kurangnya n+1n + 1 nol berbeda di (a, b)\intoo{a}{b}.

Catatan 15.24 (Cakrawala di dalam jilid ini)

Tiga bab ke depan bersandar langsung pada bab ini. Bab 16 membawa sisa integralnya — karena yang paling tajam di antara ketiga rumus Taylornya adalah pengintegralan parsial yang diulang nn kali. Bab 17 mengubah apitan jumlah oleh integral menjadi uji yang menentukan bagi ∑n−α\sum n^{-\alpha}, dan soal akhir pekannya menghaluskan apitan itu menjadi konstanta Euler. Bab 24 membuat integralnya geometris: karena panjang sebuah busur berparameter adalah ∫x′(t)2+y′(t)2  ⁣dt\int \sqrt{x'(t)^2 + y'(t)^2}\,\dd t, yaitu integral fungsi yang kontinu pada sebuah ruas — persis objek yang dibangun di sini, tanpa memerlukan teori takwajar apa pun. Adapun fakta yang paling banyak dipakai ulang justru yang paling rendah hati: ∣∫f∣≤(b−a)sup⁡∣f∣\bigl|\int f\bigr| \leq (b - a)\sup\abs{f}, yaitu ketaksamaan yang mengubah setiap taksiran titik demi titik menjadi taksiran integral.

15.6 Soal: Mesin keirasionalan lewat integral

Soal 15.1

Soal akhir pekan — e\eu dan π2\pi^2 bersifat irasional, e\eu sampai enam desimal, dan 227>π\frac{22}{7} > \pi beserta buktinya

Satu mekanisme menggerakkan seluruh soal ini: bahwa ungkapan yang harus menjadi bilangan bulat positif, namun terbukti lebih kecil daripada 11, tak mungkin ada. Latihan 15.9 (Niven) menjalankannya sekali untuk membuktikan π∉Q\pi \notin \Q; sedangkan di sini kita mengindustrikannya. Mesinnya memerlukan tiga bagian: masukan kebulatan (yaitu nilai titik ujung polinomial yang terpilih baik), masukan kekecilan (yaitu faktor 1n!\frac{1}{n!} yang menggilas integralnya), dan sebuah jembatan (yaitu pengintegralan parsial) yang menghubungkan keduanya. Kita membuktikan bahwa e\eu bersifat irasional lalu menghitungnya dengan galat yang bersertifikat, membuktikan teorema Legendre yang lebih tajam bahwa π2\pi^2 irasional, lalu berakhir dengan integral paling memikat dalam analisis: ∫01x4(1−x)41+x2 ⁣dx=227−π\int_0^1 \frac{x^4(1 - x)^4}{1 + x^2}\dd x = \frac{22}{7} - \pi, yang mengapit π\pi dengan tangan.

Bagian I — Bahan bakarnya.

  1. Buktikan bahwa c nn!→0\dfrac{c^{\,n}}{n!} \to 0 untuk setiap c>0c > 0 yang tetap (karena di luar n≥2cn \geq 2c, setiap langkahnya sekurang-kurangnya memaruhkan sukunya).
  2. (Integral Beta) Buktikan, lewat induksi pada mm dengan pengintegralan parsial:

    ∫01x k (1−x) m  ⁣dx=k! m!(k+m+1)!(k,m∈N).\int_0^1 x^{\,k}\,(1 - x)^{\,m}\,\dd x = \frac{k!\,m!}{(k + m + 1)!} \qquad (k, m \in \N).
  3. Simpulkan ∫01(x(1−x))n ⁣dx=1(2n+1)(2nn)\displaystyle\int_0^1 \bigl(x(1-x)\bigr)^n \dd x = \frac{1}{(2n+1)\binom{2n}{n}}, dan — dengan membandingkannya dengan batas x(1−x)≤14x(1 - x) \leq \frac14 — taksiran (2nn)≥4n2n+1\binom{2n}{n} \geq \dfrac{4^n}{2n+1}, yang cocok dengan (2nn)1/n→4\binom{2n}{n}^{1/n} \to 4 dari Soal 11.1.
  4. Buktikan lema kekecilan yang dipakai dua kali di bawah: bahwa untuk setiap g>0g > 0 yang kontinu pada (0, 1)\intoo{0}{1},

    0<∫01(x(1−x))ng(x)  ⁣dx≤sup⁡[0, 1]∣g∣4 n.0 < \int_0^1 \bigl(x(1-x)\bigr)^n g(x)\,\dd x \leq \frac{\sup_{\intcc{0}{1}}\abs g}{4^{\,n}} .

Bagian II — e\eu: keirasionalannya, lalu enam desimalnya. Tetapkanlah An=∫01xnex ⁣dxA_n = \displaystyle\int_0^1 x^n \eu^x \dd x.

  1. Hitunglah A0A_0 dan A1A_1, buktikan rekurensi An=e−nAn−1A_n = \eu - n A_{n-1}, beserta batasnya 0<An≤en+10 < A_n \leq \dfrac{\eu}{n+1}.
  2. Tunjukkan lewat induksi bahwa An=αn+βneA_n = \alpha_n + \beta_n \eu dengan αn,βn∈Z\alpha_n, \beta_n \in \Z.
  3. Simpulkan bahwa e\eu irasional (karena jika e=pq\eu = \frac pq, maka qAnq A_n merupakan bilangan bulat yang terperangkap di (0, 1)\intoo{0}{1} untuk nn yang besar). Bandingkanlah dengan bukti Latihan 11.9: yaitu penutup yang sama, dengan bahan bakar yang berbeda.
  4. Buktikan, lewat induksi dan pengintegralan parsial, rumus sisanya yang persis

    e=∑k=0n1k!+Rn,Rn=1n!∫01(1−t)n e t  ⁣dt,1(n+1)!≤Rn≤e(n+1)!.\eu = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!} + R_n, \qquad R_n = \frac{1}{n!}\int_0^1 (1 - t)^n\,\eu^{\,t}\,\dd t, \qquad \frac{1}{(n+1)!} \leq R_n \leq \frac{\eu}{(n+1)!} .
  5. Ambillah n=9n = 9: batasilah R9R_9 dengan memakai e<2.75\eu < 2.75 (dari b2=2.75b_2 = 2.75 pada Contoh 11.12), nilailah jumlahnya, lalu simpulkan apitan bersertifikatnya 2.7182818≤e≤2.71828232.7182818 \leq \eu \leq 2.7182823 — jadi enam desimal, e≈2.718282\eu \approx 2.718282, beserta buktinya.

Bagian III — Teorema Legendre: bahwa π2\pi^2 irasional. Misalkan f(x)=xn(1−x)nn!f(x) = \dfrac{x^n (1 - x)^n}{n!}, dan andaikan π2=ab\pi^2 = \frac ab dengan a,b∈N∗a, b \in \N^*.

  1. Tunjukkan f(1−x)=f(x)f(1 - x) = f(x) dan 0<f≤14n n!0 < f \leq \dfrac{1}{4^n\,n!} pada (0, 1)\intoo{0}{1}.
  2. Tunjukkan bahwa f(k)(0)f^{(k)}(0) dan f(k)(1)f^{(k)}(1) bersifat bulat untuk setiap k≥0k \geq 0 (jabarkanlah xn(1−x)nx^n(1-x)^n dengan koefisien bulat; lalu k!n!∈Z\frac{k!}{n!} \in \Z untuk k≥nk \geq n; kemudian pakailah kesetangkupannya).
  3. Definisikanlah

    G=b n∑k=0n(−1)k π2n−2kf(2k).G = b^{\,n} \sum_{k=0}^{n} (-1)^k\, \pi^{2n - 2k} f^{(2k)} .

    Tunjukkan bahwa G(0)G(0) dan G(1)G(1) bersifat bulat (karena masing-masing bnπ2n−2k=a n−k b kb^n \pi^{2n-2k} = a^{\,n-k}\,b^{\,k}).

  4. Periksalah teleskopnya G′′+π2G=bnπ2n+2f=π2anfG'' + \pi^2 G = b^n \pi^{2n+2} f = \pi^2 a^n f, lalu

     ⁣d ⁣dx(G′(x)sin⁡πx−π G(x)cos⁡πx)=π2anf(x)sin⁡πx.\frac{\dd}{\dd x}\Bigl(G'(x)\sin \pi x - \pi\,G(x)\cos \pi x\Bigr) = \pi^2 a^n f(x)\sin \pi x .
  5. Integralkanlah atas [0, 1]\intcc{0}{1} lalu simpulkanlah

    π an∫01f(x)sin⁡(πx)  ⁣dx=G(0)+G(1)∈Z,\pi\,a^n \int_0^1 f(x)\sin(\pi x)\,\dd x = G(0) + G(1) \in \Z ,

    yaitu bilangan bulat yang positif yang terbatas oleh πan4n n!\dfrac{\pi a^n}{4^n\,n!}.

  6. Tutuplah dengan pertanyaan 1 bahwa π2\pi^2 bersifat irasional (Legendre, 1794), dan bahwa ini memperkuat Latihan 15.9: mengapakah keirasionalan π2\pi^2 mengakibatkan keirasionalan π\pi, dan tidak sebaliknya?

Bagian IV — Memahami mesinnya.

  1. Tunjukkanlah kedua daya yang berlawanan (yaitu kebulatan data titik ujungnya; dan kekecilan analitik integralnya) beserta jembatannya, pada Bagian II dan III. Lalu jelaskan mengapa faktor 1n!\frac{1}{n!} pada ff menjadi titik gentingnya: bahwa jika ia dibuang, kebulatannya bertahan, tetapi ketaksamaan mana yang mati, dan untuk pecahan ab\frac ab yang diklaim yang mana buktinya lalu gagal?
  2. Keefektifannya: andaikan seseorang mengklaim π2=ab\pi^2 = \frac ab dengan a≤10a \leq 10. Tunjukkan bahwa pertentangannya sudah mendarat di n=7n = 7: hitunglah π (10/4)7/7!≈0.38<1\pi\,(10/4)^7/7! \approx 0.38 < 1. Jadi mesinnya tak sekadar membantah; ia membantah pada tahap yang tetap dan terhitung.
  3. Periksalah kewarasan jembatannya tanpa syarat: buktikan lewat dua kali pengintegralan parsial bahwa

    ∫01x(1−x)sin⁡(πx)  ⁣dx=4π3,\int_0^1 x(1 - x)\sin(\pi x)\,\dd x = \frac{4}{\pi^3},

    lalu rukunkanlah dengan pertanyaan 14 di n=1n = 1 (dengan menjaga π2\pi^2 tetap simbolis: karena kesamaan teleskopnya berbunyi π3∫01f1sin⁡πx=−(f1′′(0)+f1′′(1))=4\pi^3 \int_0^1 f_1 \sin \pi x = -(f_1''(0) + f_1''(1)) = 4).

  4. Apakah yang membuat ex\eu^x dan sin⁡πx\sin \pi x layak menjadi inti mesinnya? Kenalilah sifatnya (bahwa masing-masingnya memenuhi persamaan diferensial linear berkoefisien konstan, sehingga pengintegralan parsial yang berulang berdaur kembali ke awalnya), lalu namailah perbatasannya: bahwa mesin yang sama, yang dihaluskan oleh Hermite dan Lindemann, membuktikan bahwa e\eu dan π\pi bersifat transenden — yang di luar jilid ini.

Bagian V — 227\frac{22}{7} lawan π\pi, dan moralnya.

  1. Tegakkanlah pembagian polinomialnya

    x4(1−x)41+x2=x6−4x5+5x4−4x2+4−41+x2,\frac{x^4(1-x)^4}{1 + x^2} = x^6 - 4x^5 + 5x^4 - 4x^2 + 4 - \frac{4}{1 + x^2},

    lalu simpulkanlah kesamaan yang termasyhur

    ∫01x4(1−x)41+x2  ⁣dx=227−π.\int_0^1 \frac{x^4 (1-x)^4}{1 + x^2}\,\dd x = \frac{22}{7} - \pi .
  2. Integrannya positif: simpulkanlah π<227\pi < \frac{22}{7}. Lalu, dengan membatasi 11+x2\frac{1}{1+x^2} di antara 12\frac12 dan 11 dan memakai ∫01(x(1−x))4=1630\int_0^1 (x(1-x))^4 = \frac{1}{630} (pertanyaan 3), buktikanlah

    227−1630  ≤  π  ≤  227−11260,\frac{22}{7} - \frac{1}{630} \;\leq\; \pi \;\leq\; \frac{22}{7} - \frac{1}{1260} ,

    yakni 3.14126≤π≤3.142073.14126 \leq \pi \leq 3.14207: jadi dua desimal yang benar, dengan tangan.

  3. Samaratakanlah: dengan membagi x4m(1−x)4mx^{4m}(1-x)^{4m} dengan 1+x21 + x^2, tunjukkan bahwa sisanya adalah konstanta (−4)m(-4)^m (bekerjalah modulo x2+1x^2 + 1: karena (1−x)2≡−2x(1-x)^2 \equiv -2x), lalu simpulkanlah adanya bilangan rasional rmr_m dengan

    ∣π−rm∣≤4 1−5m,\abs{\pi - r_m} \leq 4^{\,1 - 5m} ,

    lalu periksalah bahwa m=1m = 1 memproduksi ulang pertanyaan 20–21.

  4. Hadapkanlah bilangan rasional ini dengan teori hampiran pada Soal 14.1: hitunglah ∣π−227∣≈1.26⋅10−3\abs{\pi - \frac{22}{7}} \approx 1.26\cdot10^{-3} terhadap jaminan Dirichlet 149\frac{1}{49}, lalu kutiplah ∣π−355113∣≈2.7⋅10−7\abs{\pi - \frac{355}{113}} \approx 2.7\cdot10^{-7} terhadap 11132≈7.8⋅10−5\frac{1}{113^2} \approx 7.8\cdot10^{-5}: jadi ada hampiran rasional yang luar biasa baik bagi π\pi — yang selaras, karena π\pi tak diketahui buruk penghampirannya.
  5. (Perangkap bilangan bulat, yang diabstraksikan) Buktikanlah lema yang menyatukan segalanya: bahwa jika x∈Rx \in \R dan ada bilangan bulat an,bna_n, b_n dengan 0<∣an+bnx∣→00 < \abs{a_n + b_n x} \to 0, maka xx irasional. Daftarkanlah kejadiannya pada soal ini, pada Latihan 15.9, pada Latihan 11.9, dan pada Soal 14.1.
  6. Sintesis, satu kalimat untuk masing-masing: (i) ketiga bagian mesinnya dan di mana masing-masingnya tinggal pada kotak perkakas bab ini; (ii) apakah yang disumbangkan integralnya yang tak dapat disumbangkan teorema nilai rata-rata pada Soal 14.1; (iii) daftar hasil yang terpetik (yaitu dua keirasionalan, satu konstanta berdesimal enam, satu apitan bagi π\pi, dan satu batas binomial); (iv) adapun perbatasannya (Hermite, Lindemann; beserta perangkap yang sama, yang dijalankan pada ζ(2)\zeta(2) dan ζ(3)\zeta(3), dalam aritmetika abad kedua puluh).
Solusi

Solusi Soal 15.1.

1. Misalkan N=⌈2c⌉N = \lceil 2c \rceil. Untuk n≥Nn \geq N: cn+1/(n+1)!cn/n!=cn+1≤12\frac{c^{n+1}/(n+1)!}{c^n/n!} = \frac{c}{n+1} \leq \frac12, sehingga 0<cnn!≤cNN! 2−(n−N)→00 < \frac{c^n}{n!} \leq \frac{c^N}{N!}\,2^{-(n - N)} \to 0: jadi lewat apitan.

2. Tetapkanlah kk; lalu induksi pada mm. Untuk m=0m = 0: ∫01xk=1k+1=k! 0!(k+1)!\int_0^1 x^k = \frac{1}{k+1} = \frac{k!\,0!}{(k+1)!}. Adapun langkahnya, lewat parsial (u=(1−x)mu = (1-x)^m, v′=xkv' = x^k):

∫01xk(1−x)m ⁣dx=[xk+1k+1(1−x)m]01+mk+1∫01xk+1(1−x)m−1 ⁣dx=mk+1⋅(k+1)! (m−1)!(k+m+1)!,\int_0^1 x^k (1-x)^m \dd x = \Bigl[\frac{x^{k+1}}{k+1}(1-x)^m\Bigr]_0^1 + \frac{m}{k+1}\int_0^1 x^{k+1}(1-x)^{m-1}\dd x = \frac{m}{k+1}\cdot\frac{(k+1)!\,(m-1)!}{(k+m+1)!} ,

yaitu k! m!(k+m+1)!\frac{k!\,m!}{(k+m+1)!}.

3. Dengan k=m=nk = m = n: ∫01(x(1−x))n=(n!)2(2n+1)!=1(2n+1)(2nn)\int_0^1 (x(1-x))^n = \frac{(n!)^2}{(2n+1)!} = \frac{1}{(2n+1)\binom{2n}{n}}. Dan karena x(1−x)≤14x(1-x) \leq \frac14 pada [0, 1]\intcc{0}{1}, maka integralnya ≤4−n\leq 4^{-n}, sehingga (2nn)≥4n2n+1\binom{2n}{n} \geq \frac{4^n}{2n+1} — yang selaras dengan (2nn)1/n→4\binom{2n}{n}^{1/n} \to 4 (Soal 11.1).

4. Integrannya kontinu, ≥0\geq 0, dan positif pada (0, 1)\intoo{0}{1}, sehingga tak identik nol: jadi integralnya >0> 0 (Teorema 15.7 (4)). Adapun batas atasnya: (x(1−x))n≤4−n(x(1-x))^n \leq 4^{-n} dan g≤sup⁡∣g∣g \leq \sup\abs g, lalu kemonotonannya.

5. Di sini A0=e−1A_0 = \eu - 1; A1=[xex]01−∫01ex=e−(e−1)=1A_1 = [x\eu^x]_0^1 - \int_0^1 \eu^x = \eu - (\eu - 1) = 1. Lewat parsial: An=[xnex]01−n∫01xn−1ex=e−nAn−1A_n = [x^n \eu^x]_0^1 - n\int_0^1 x^{n-1}\eu^x = \eu - n A_{n-1}. Adapun batasnya: integrannya positif, sehingga An>0A_n > 0; dan ex≤e\eu^x \leq \eu memberikan An≤e∫01xn=en+1A_n \leq \eu\int_0^1 x^n = \frac{\eu}{n+1}.

6. Di sini A0=−1+1⋅eA_0 = -1 + 1\cdot\eu. Jika An−1=αn−1+βn−1eA_{n-1} = \alpha_{n-1} + \beta_{n-1}\eu dengan entri yang bulat, maka

An=e−nαn−1−nβn−1e=(−n αn−1)⏟αn+(1−n βn−1)⏟βn e,A_n = \eu - n\alpha_{n-1} - n\beta_{n-1}\eu = \underbrace{(-n\,\alpha_{n-1})}_{\alpha_n} + \underbrace{(1 - n\,\beta_{n-1})}_{\beta_n}\,\eu ,

yang keduanya bulat.

7. Jika e=pq\eu = \frac pq: maka qAn=qαn+pβn∈Zq A_n = q\alpha_n + p\beta_n \in \Z, dan 0<qAn≤qen+1<10 < qA_n \leq \frac{q\eu}{n+1} < 1 untuk nn yang besar: yaitu bilangan bulat yang tegas di antara 00 dan 11 — yang mustahil. Jadi e∉Q\eu \notin \Q. Adapun pada Latihan 11.9 bilangan bulat yang terperangkap adalah q! pq−q! aqq!\,\frac pq - q!\,a_q; sedangkan di sini ia qAnqA_n: jadi perangkap yang sama, dengan bahan bakar integral.

8. Untuk n=0n = 0: R0=∫01et=e−1R_0 = \int_0^1 \eu^t = \eu - 1, sehingga e=1+R0\eu = 1 + R_0. Lewat parsial (u=etu = \eu^t, v=−(1−t)n+1n+1v = -\frac{(1-t)^{n+1}}{n+1}):

Rn=1n!([−(1−t)n+1n+1et]01+1n+1∫01(1−t)n+1et)=1(n+1)!+Rn+1,R_n = \frac{1}{n!}\Bigl(\Bigl[-\frac{(1-t)^{n+1}}{n+1} \eu^t\Bigr]_0^1 + \frac{1}{n+1}\int_0^1 (1-t)^{n+1}\eu^t\Bigr) = \frac{1}{(n+1)!} + R_{n+1} ,

sehingga rumusnya merambat dari nn ke n+1n + 1. Adapun batasnya: 1≤et≤e1 \leq \eu^t \leq \eu pada [0, 1]\intcc{0}{1} dan ∫01(1−t)n=1n+1\int_0^1 (1-t)^n = \frac{1}{n+1} memberikan 1(n+1)!≤Rn≤e(n+1)!\frac{1}{(n+1)!} \leq R_n \leq \frac{\eu}{(n+1)!}.

9. Di sini ∑k=091k!=986410362880=2.71828152…\sum_{k=0}^{9} \frac{1}{k!} = \frac{986410}{362880} = 2.71828152\dots, dan

110!=2.76⋅10−7≤R9≤2.7510!=7.58⋅10−7,\frac{1}{10!} = 2.76\cdot10^{-7} \leq R_9 \leq \frac{2.75}{10!} = 7.58\cdot10^{-7} ,

sehingga 2.7182818≤e≤2.71828232.7182818 \leq \eu \leq 2.7182823: jadi beserta buktinya, e=2.718282\eu = 2.718282 sampai enam desimal (dengan nilai sejatinya 2.7182818…2.7182818\dots).

10. Di sini f(1−x)=(1−x)nxnn!=f(x)f(1 - x) = \frac{(1-x)^n x^n}{n!} = f(x). Pada (0, 1)\intoo{0}{1}: 0<x(1−x)≤140 < x(1-x) \leq \frac14, sehingga 0<f≤14n n!0 < f \leq \frac{1}{4^n\,n!}.

11. Di sini xn(1−x)n=∑j=0n(−1)j(nj) xn+jx^n(1-x)^n = \sum_{j=0}^{n} (-1)^j\binom nj\,x^{n+j}, sehingga f=1n!∑jcj xn+jf = \frac{1}{n!}\sum_j c_j\,x^{n+j} dengan cj∈Zc_j \in \Z. Jadi f(k)(0)=0f^{(k)}(0) = 0 untuk k<nk < n atau k>2nk > 2n, dan untuk n≤k≤2nn \leq k \leq 2n: f(k)(0)=k!n! ck−nf^{(k)}(0) = \frac{k!}{n!}\, c_{k-n}, yaitu bilangan bulat karena n!∣k!n! \mid k!. Lalu kesetangkupannya memberikan f(k)(1)=(−1)kf(k)(0)∈Zf^{(k)}(1) = (-1)^k f^{(k)}(0) \in \Z.

12. Di sini bnπ2n−2k=bn(ab) n−k=a n−k b k∈Zb^n \pi^{2n-2k} = b^n\bigl(\frac ab\bigr)^{\,n-k} = a^{\,n-k}\,b^{\,k} \in \Z, sehingga G(0)=∑k(−1)kan−kbkf(2k)(0)G(0) = \sum_k (-1)^k a^{n-k} b^k f^{(2k)}(0) dan demikian pula G(1)G(1) bersifat bulat menurut pertanyaan 11.

13. Pada π2G+G′′\pi^2 G + G'', suku ke-kk dari π2G\pi^2 G membawa π2n−2k+2f(2k)\pi^{2n-2k+2}f^{(2k)} sedangkan suku j=k−1j = k - 1 dari G′′G'' membawa (−1)k−1π2n−2k+2f(2k)(-1)^{k-1}\pi^{2n-2k+2}f^{(2k)}: sehingga semuanya saling meniadakan kecuali k=0k = 0 pada jumlah pertamanya dan j=nj = n pada yang kedua, yakni

G′′+π2G=bn(π2n+2f+(−1)nf(2n+2))=bnπ2n+2f=π2anfG'' + \pi^2 G = b^n\bigl(\pi^{2n+2} f + (-1)^n f^{(2n+2)}\bigr) = b^n \pi^{2n+2} f = \pi^2 a^n f

(karena ff berderajat 2n2n, sehingga f(2n+2)=0f^{(2n+2)} = 0; dan bnπ2n=anb^n\pi^{2n} = a^n). Lalu

(G′sin⁡πx−πGcos⁡πx)′=(G′′+π2G)sin⁡πx=π2anfsin⁡πx.\bigl(G'\sin\pi x - \pi G\cos\pi x\bigr)' = (G'' + \pi^2 G)\sin \pi x = \pi^2 a^n f\sin\pi x .

14. Dengan mengintegralkannya atas [0, 1]\intcc{0}{1}:

π2an∫01fsin⁡(πx)  ⁣dx=[G′sin⁡πx−πGcos⁡πx]01=π(G(1)+G(0)),\pi^2 a^n \int_0^1 f\sin(\pi x)\,\dd x = \bigl[G'\sin\pi x - \pi G\cos\pi x\bigr]_0^1 = \pi\bigl(G(1) + G(0)\bigr) ,

sehingga πan∫01fsin⁡πx=G(0)+G(1)∈Z\pi a^n \int_0^1 f\sin\pi x = G(0) + G(1) \in \Z. Pada (0, 1)\intoo{0}{1}, f>0f > 0 dan sin⁡πx>0\sin\pi x > 0: sehingga ruas kirinya positif, jadi G(0)+G(1)≥1G(0) + G(1) \geq 1; dan sin⁡≤1\sin \leq 1 beserta pertanyaan 10 membatasinya oleh πan4n n!\frac{\pi a^n}{4^n\,n!}.

15. Menurut pertanyaan 1 (dengan c=a4c = \frac a4), πan4nn!→0\frac{\pi a^n}{4^n n!} \to 0: sehingga untuk nn yang besar ia <1< 1, yang bertentangan dengan G(0)+G(1)≥1G(0) + G(1) \geq 1. Jadi tak ada pecahan ab\frac ab yang sama dengan π2\pi^2: itulah teorema Legendre. Dan seandainya π\pi rasional, maka π2\pi^2 pun demikian: sehingga π∉Q\pi \notin \Q — dan implikasinya hanya berjalan ke arah ini (karena 2\sqrt2 irasional dengan kuadrat yang rasional), dan itulah sebabnya π2∉Q\pi^2 \notin \Q sungguh lebih kuat daripada Latihan 15.9.

16. Kebulatannya: pertanyaan 11–12 (yaitu turunan titik ujungnya); kekecilannya: pertanyaan 10 dan 1; jembatannya: pertanyaan 13–14 (yaitu pengintegralan parsial rangkap yang berteleskop). Tanpa 1n!\frac{1}{n!}, data titik ujungnya tetap bulat (bahkan lebih mudah), tetapi batasnya menjadi πan4n\frac{\pi a^n}{4^n}, yang menuju 00 hanya ketika a<4a < 4 — padahal setiap calonnya mempunyai a=b π2>9a = b\,\pi^2 > 9. Jadi faktorialnyalah yang persis mengalahkan pertumbuhan geometri ana^n: tanpa faktorial, tak ada teorema.

17. Untuk a≤10a \leq 10, bilangan bulat G(0)+G(1)G(0) + G(1) bersifat positif dan paling banyak π (10/4)n/n!\pi\,(10/4)^n/n!. Pada n=7n = 7: 2.57=610.35…2.5^7 = 610.35\dots, sehingga batasnya π×610.355040≈0.38<1\frac{\pi \times 610.35}{5040} \approx 0.38 < 1 (sedangkan pada n=6n = 6 ia masih 1.071.07): jadi pertentangannya mendarat pada tahap ketujuh, secara eksplisit.

18. Lewat dua kali pengintegralan parsial:

∫01x(1−x)sin⁡πx  ⁣dx=1π∫01(1−2x)cos⁡πx  ⁣dx=2π2∫01sin⁡πx  ⁣dx=2π2⋅2π=4π3\int_0^1 x(1-x)\sin\pi x\,\dd x = \frac1\pi\int_0^1 (1 - 2x)\cos\pi x\,\dd x = \frac{2}{\pi^2}\int_0^1 \sin\pi x\,\dd x = \frac{2}{\pi^2}\cdot\frac{2}{\pi} = \frac{4}{\pi^3}

(karena suku kurungnya lenyap: yaitu x(1−x)x(1-x) di 0,10, 1, dan sin⁡πx\sin\pi x di 0,10, 1). Secara simbolis, teleskop n=1n = 1-nya (tanpa anggapan atas π\pi) berbunyi π3∫01f1sin⁡πx=−(f1′′(0)+f1′′(1))\pi^3\int_0^1 f_1\sin\pi x = -(f_1''(0) + f_1''(1)) dengan f1=x(1−x)f_1 = x(1 - x), f1′′=−2f_1'' = -2: sehingga ruas kanannya 44 — jadi kedua perhitungannya bersesuaian.

19. Fungsi ex\eu^x memecahkan y′=yy' = y dan sin⁡πx\sin\pi x memecahkan y′′=−π2yy'' = -\pi^2 y: yaitu persamaan linear berkoefisien konstan, sehingga pengintegralan parsial mendaurkan intinya kembali ke dirinya dan menjaga semua data perbatasannya di dalam Z+Ze\Z + \Z\eu (masing-masing polinomial bulat dalam π2\pi^2). Sifat ketertutupan itulah yang diperlukan mesinnya. Lalu dihaluskan dengan inti yang disesuaikan bagi beberapa titik sekaligus, mekanisme yang sama menghasilkan teorema Hermite (bahwa e\eu transenden, 1873) dan teorema Lindemann (bahwa π\pi transenden, 1882) — yang di luar jilid ini.

20. Lewat pembagian polinomial (atau kalikan balik lalu periksa):

x4(1−x)4=(x6−4x5+5x4−4x2+4)(1+x2)−4.x^4(1-x)^4 = (x^6 - 4x^5 + 5x^4 - 4x^2 + 4)(1 + x^2) - 4 .

Lalu mengintegralkan kesamaan yang terpampang itu dibagi 1+x21 + x^2:

∫01x4(1−x)41+x2 ⁣dx=(17−46+1−43+4)−4arctan⁡1=227−π,\int_0^1 \frac{x^4(1-x)^4}{1+x^2}\dd x = \Bigl(\frac17 - \frac46 + 1 - \frac43 + 4\Bigr) - 4\arctan 1 = \frac{22}{7} - \pi ,

dengan memakai 17−23+1−43+4=3+17\frac17 - \frac23 + 1 - \frac43 + 4 = 3 + \frac17 dan arctan⁡1=π4\arctan 1 = \frac\pi4.

21. Integrannya kontinu dan positif pada (0, 1)\intoo{0}{1}: sehingga integralnya >0> 0, jadi π<227\pi < \frac{22}{7}. Lebih lanjut 12≤11+x2≤1\frac12 \leq \frac{1}{1+x^2} \leq 1 pada [0, 1]\intcc{0}{1} dan ∫01(x(1−x))4=(4!)29!=1630\int_0^1 (x(1-x))^4 = \frac{(4!)^2}{9!} = \frac{1}{630} (pertanyaan 3):

11260≤227−π≤1630⟹3.14126<227−1630≤π≤227−11260<3.14207.\frac{1}{1260} \leq \frac{22}{7} - \pi \leq \frac{1}{630} \quad\Longrightarrow\quad 3.14126 < \frac{22}{7} - \frac{1}{630} \leq \pi \leq \frac{22}{7} - \frac{1}{1260} < 3.14207 .

22. Modulo x2+1x^2 + 1: x2≡−1x^2 \equiv -1, sehingga x4m=(x2)2m≡1x^{4m} = (x^2)^{2m} \equiv 1 dan (1−x)2=1−2x+x2≡−2x(1 - x)^2 = 1 - 2x + x^2 \equiv -2x, jadi (1−x)4m≡(−2x)2m=4m(x2)m≡(−4)m(1-x)^{4m} \equiv (-2x)^{2m} = 4^m (x^2)^m \equiv (-4)^m: sehingga sisanya adalah konstanta (−4)m(-4)^m, dan hasil baginya QmQ_m berkoefisien bulat (karena pembagian oleh polinomial bulat yang monik). Lalu membagi kesamaannya dengan 1+x21 + x^2 dan mengintegralkannya:

Jm:=∫01(x(1−x))4m1+x2 ⁣dx=sm+(−4)m π4,sm=∫01Qm∈Q.J_m := \int_0^1 \frac{(x(1-x))^{4m}}{1+x^2}\dd x = s_m + (-4)^m\,\frac{\pi}{4}, \qquad s_m = \int_0^1 Q_m \in \Q .

Lalu memecahkannya bagi π\pi: dengan rm=(−1)m+1 4 1−msm∈Qr_m = (-1)^{m+1}\,4^{\,1-m} s_m \in \Q,   ∣π−rm∣=4 1−mJm≤4 1−m⋅4−4m=4 1−5m\;\abs{\pi - r_m} = 4^{\,1-m} J_m \leq 4^{\,1-m}\cdot4^{-4m} = 4^{\,1-5m}. Untuk m=1m = 1: s1=227s_1 = \frac{22}{7}, r1=227r_1 = \frac{22}{7}, dengan batas 4−4=12564^{-4} = \frac{1}{256} — jadi pertanyaan 20–21 lagi.

23. Di sini ∣π−227∣=227−π≈1.26⋅10−3\bigl|\pi - \frac{22}{7}\bigr| = \frac{22}{7} - \pi \approx 1.26\cdot10^{-3}, yaitu enam belas kali lebih baik daripada tolok ukur berorde 22 yaitu 172≈2.0⋅10−2\frac{1}{7^2} \approx 2.0\cdot10^{-2} yang dijamin Dirichlet (Soal 14.1, pertanyaan 4); dan ∣π−355113∣≈2.7⋅10−7\bigl|\pi - \frac{355}{113}\bigr| \approx 2.7\cdot10^{-7} mengalahkan 11132≈7.8⋅10−5\frac{1}{113^2} \approx 7.8\cdot10^{-5} dengan faktor ≈300\approx 300. Namun tak ada pertentangan dengan apa pun yang terbukti: karena ketaksamaan Liouville membatasi dari bawah galat hampiran hanya bagi bilangan aljabar, dan tak ada batas semacam itu bagi π\pi yang tersedia pada tingkat ini — jadi π\pi bebas dihampiri dengan luar biasa baik.

24. Lemanya: andaikan x=pqx = \frac pq dan 0<∣an+bnx∣→00 < \abs{a_n + b_n x} \to 0. Maka ∣an+bnx∣=∣qan+pbn∣q\abs{a_n + b_n x} = \frac{\abs{q a_n + p b_n}}{q}, dengan qan+pbnq a_n + p b_n merupakan bilangan bulat taknol (yang taknol karena nilai mutlaknya >0> 0): sehingga ∣an+bnx∣≥1q\abs{a_n + b_n x} \geq \frac1q untuk setiap nn, yang bertentangan dengan kekonvergenannya ke 00. Adapun kejadiannya: pertanyaan 7 (x=ex = \eu, an=αna_n = \alpha_n, bn=βnb_n = \beta_n); Latihan 11.9 (x=ex = \eu lagi, dengan aq=−q!∑k≤q1k!a_q = -q!\sum_{k \leq q}\frac{1}{k!}, bq=q!b_q = q!); dan Soal 14.1, pertanyaan 1, merupakan bentuk geometrinya. Sedangkan pada Bagian III dan pada Latihan 15.9 perangkapnya berjalan di dalam pertentangannya: karena menganggap kerasionalannya mengubah sebuah ungkapan menjadi bilangan bulat, yang lalu diapit analisisnya ke dalam (0, 1)\intoo{0}{1} — jadi asas yang sama, yang ditransposisikan.

25. (i) Kebulatannya tinggal pada kalkulus titik ujung polinomialnya (pertanyaan 6, 11–12), kekecilannya pada batas yang diberikan kemonotonan sup⁡\sup-nya (pertanyaan 4, 10), dan jembatannya pada pengintegralan parsial (pertanyaan 8, 13–14) — ketiganya merupakan teorema bab ini. (ii) Adapun integralnya memasok apa yang tak dapat dipasok teorema nilai rata-rata: yaitu kesamaan yang persis antara objek analitiknya dan data aritmetikanya (jadi kesamaan, bukan sekadar ketaksamaan dengan cc yang tak diketahui), dan itulah sebabnya mesinnya mencapai π2\pi^2 sedangkan Soal 14.1 hanya mencapai eksponen hampirannya. (iii) Yang terpetik: e∉Q\eu \notin \Q, π2∉Q\pi^2 \notin \Q (sehingga π∉Q\pi \notin \Q), e=2.718282\eu = 2.718282 yang bersertifikat, 227−1630≤π≤227−11260\frac{22}{7} - \frac{1}{630} \leq \pi \leq \frac{22}{7} - \frac{1}{1260}, dan (2nn)≥4n2n+1\binom{2n}{n} \geq \frac{4^n}{2n+1}. (iv) Adapun perbatasannya: Hermite dan Lindemann mendorong mesin yang sama ke ketransendenan; sedangkan Apéry (1979) menjalankan perangkap bilangan bulatnya pada ζ(3)\zeta(3) — jadi mesinnya masih memproduksi matematika abad kedua puluh.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium