Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

16Rumus Taylor dan Ekspansi Asimtotik

Di dekat sebuah titik, fungsi yang mulus sama baiknya dengan polinomial — dengan galat yang terkendali. Rumus Taylor membuatnya persis dalam tiga rasa (yaitu sisa integral, sisa Lagrange, sisa Young), dan ekspansi asimtotik yang dihasilkannya, bila dimanipulasi secara aljabar, menjadi perkakas tertajam analisis elementer: yakni limit, kesetaraan, perilaku setempat, dan asimtot.

16.1 Notasi perbandingan

Definisi 16.1 (Notasi Landau)

Misalkan f,gf, g terdefinisi di dekat x0x_0 (dengan x0Rx_0 \in \R atau ±\pm\infty). Kita menulis, ketika xx0x \to x_0:

  • f=o(g)f = o(g) (“o kecil”) bila f=εgf = \varepsilon g dengan ε(x)0\varepsilon(x) \to 0;
  • f=O(g)f = O(g) (“O besar”) bila f=ugf = u g dengan uu yang terbatas di dekat x0x_0;
  • fgf \sim g (“setara”) bila f=(1+ε)gf = (1 + \varepsilon) g dengan ε0\varepsilon \to 0 — setara dengan itu, fg=o(g)f - g = o(g).

Notasi yang sama berlaku bagi barisan (dengan nn \to \infty).

Proposisi 16.2 (Aturannya)

Ketika xx0x \to x_0:

  1. \sim merupakan relasi kesetaraan; dan fgf \sim g mengakibatkan bahwa ff dan gg berbagi limit, tanda (di dekat x0x_0), serta ketiadaan nol;
  2. kesetaraan terkalikan dan terbagi: karena f1g1f_1 \sim g_1, f2g2f_2 \sim g_2 mengakibatkan f1f2g1g2f_1 f_2 \sim g_1 g_2 dan f1f2g1g2\frac{f_1}{f_2} \sim \frac{g_1}{g_2};
  3. kesetaraan tak terjumlahkan: karena x+1xx + 1 \sim x dan xx+2-x \sim -x + 2 di ++\infty, namun jumlahnya 11 dan 22 tak setara. Jadi untuk menjumlahkan, kembalilah ke ekspansi dengan suku o()o(\cdot) yang eksplisit;
  4. o(g)+o(g)=o(g)o(g) + o(g) = o(g),   uo(g)=o(ug)\;u \cdot o(g) = o(ug),   o(o(g))=o(g)\;o(o(g)) = o(g), dan fg    f=g+o(g)f \sim g \iff f = g + o(g).

Bukti. Masing-masingnya merupakan manipulasi singkat atas definisinya; misalnya f1f2=(1+ε1)(1+ε2)g1g2f_1 f_2 = (1+\varepsilon_1)(1+\varepsilon_2) g_1 g_2 dan (1+ε1)(1+ε2)1(1 + \varepsilon_1)(1+\varepsilon_2) \to 1. Adapun dua butir pada (4) pantas mendapat barisnya sendiri. Untuk uo(g)=o(ug)u\cdot o(g) = o(ug): jika f=εgf = \varepsilon g dengan ε0\varepsilon \to 0, maka uf=ε(ug)uf = \varepsilon\,(ug) dengan ε\varepsilon yang sama. Untuk o(o(g))=o(g)o(o(g)) = o(g): jika f=ε1hf = \varepsilon_1 h dan h=ε2gh = \varepsilon_2 g dengan kedua εi0\varepsilon_i \to 0, maka f=(ε1ε2)gf = (\varepsilon_1\varepsilon_2) g dan hasil kali kedua infinitesimalnya juga demikian. Adapun kesetaraan fg    f=g+o(g)f \sim g \iff f = g + o(g) merupakan definisinya yang dibaca dua kali: fg=εgf - g = \varepsilon g. Sedangkan contoh penyangkal pada (3) merupakan bukti (3).

Contoh 16.3 (Skala perbandingannya)

Ketika x+x \to +\infty, skala bakunya berbunyi, dengan urutan kekuatan yang menaik:

1  =  o(lnx),lnx=o(x0.01),x0.01=o(x),x=o(x10),x10=o(ex),ex=o(e2x),1 \;=\; o(\ln x), \quad \ln x = o(x^{0.01}), \quad x^{0.01} = o(\sqrt x), \quad \sqrt x = o(x^{10}), \quad x^{10} = o(\eu^{x}), \quad \eu^x = o(\eu^{2x}) ,

dengan setiap langkahnya merupakan kejadian perbandingan pertumbuhan pada Proposisi 4.6 (yaitu pangkat mengalahkan logaritma, eksponensial mengalahkan pangkat, dan di dalam satu keluarga eksponennya yang memutuskan). Ada dua kebiasaan yang pantas dibentuk: pertama, sebuah O()O(\cdot) yang mendarat di kelas yang lebih kecil naik pangkat diam-diam (karena O(lnx)O(\ln x) juga o(x0.01)o(x^{0.01})); kedua, pada x0+x \to 0^+ seluruh tangganya berbalik lewat penyulihan x1xx \mapsto \frac1x — karena lnx=o(x0.01)\ln x = o(x^{-0.01}) di sana, sehingga “xαlnx0x^\alpha \ln x \to 0” berlaku untuk setiap α>0\alpha > 0. Jadi menjaga skalanya tetap lurus adalah separuh dari setiap argumen asimtotik pada Bab 17.

Contoh 16.4 (Ketunggalan ekspansinya, dan dividen keparitasannya)

Jika sebuah fungsi mempunyai dua ekspansi di 00 pada orde yang sama,

a0+a1x++anxn+o(xn)=b0+b1x++bnxn+o(xn),a_0 + a_1 x + \dots + a_n x^n + o(x^n) = b_0 + b_1 x + \dots + b_n x^n + o(x^n),

maka ak=bka_k = b_k untuk setiap kk: karena dengan mengurangkannya lalu menetapkan ck=akbkc_k = a_k - b_k, menilai kesamaan c0+c1x++cnxn=o(xn)c_0 + c_1 x + \dots + c_n x^n = o(x^n) pada x0x \to 0 memberikan c0=0c_0 = 0; lalu bagilah dengan xx dan ulangi — dengan setiap pembagiannya sah karena ungkapan yang tersisa kembali menjadi o(xnk)o(x^{n-k}). Jadi koefisiennya bersifat hakiki, sehingga orang boleh menghitungnya lewat rute mana pun (yaitu turunan Taylor, aljabar atas ekspansi yang dikenal, atau pengintegralan): dan semua rutenya pasti bersesuaian. Adapun dividennya: bahwa fungsi yang genap hanya memuat pangkat genap pada ekspansinya — gantilah xx dengan x-x lalu panggillah ketunggalannya; demikian pula fungsi yang ganjil hanya berpangkat ganjil. Itulah sebabnya cos\cos membawa o(x2p+1)o(x^{2p+1}) alih-alih o(x2p)o(x^{2p}) pada tabel di bawah: karena suku ganjil yang absen itu keterangan yang cuma-cuma, yaitu satu orde ketelitian tanpa ongkos.

16.2 Ketiga rumus Taylornya

Teorema 16.5 (Taylor dengan sisa integral)

Misalkan ff berkelas Cn+1C^{n+1} pada sebuah selang yang memuat aa dan xx. Maka

f(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k+ax(xt)nn!f(n+1)(t) ⁣dt.f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}\,(x - a)^k + \int_a^x \frac{(x - t)^n}{n!}\, f^{(n+1)}(t)\, \dd t .

Bukti. Lewat induksi pada nn. Untuk n=0n = 0: f(x)=f(a)+axf(t) ⁣dtf(x) = f(a) + \int_a^x f'(t)\dd t merupakan teorema fundamentalnya (Teorema 15.9). Adapun langkahnya: integralkanlah sisanya secara parsial,

ax(xt)nn!f(n+1)(t) ⁣dt=[(xt)n+1(n+1)!f(n+1)(t)]ax+ax(xt)n+1(n+1)!f(n+2)(t) ⁣dt,\int_a^x \frac{(x-t)^n}{n!} f^{(n+1)}(t)\,\dd t = \Bigl[-\frac{(x-t)^{n+1}}{(n+1)!} f^{(n+1)}(t)\Bigr]_a^x + \int_a^x \frac{(x-t)^{n+1}}{(n+1)!} f^{(n+2)}(t)\,\dd t ,

dengan kurungnya menyumbangkan suku f(n+1)(a)(n+1)!(xa)n+1\frac{f^{(n+1)}(a)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}.

Contoh 16.6 (Sebuah ekspansi yang persis beserta sisanya)

Untuk ln(1+x)\ln(1 + x) sisa integralnya dapat dibuat sepenuhnya eksplisit tanpa menurunkan apa pun nn kali: integralkanlah kesamaan geometri yang hingga 11+t=k=0n1(t)k+(t)n1+t\frac{1}{1+t} = \sum_{k=0}^{n-1}(-t)^k + \frac{(-t)^n}{1+t} dari 00 sampai xx:

ln(1+x)=k=1n(1)k1xkk+(1)n0xtn1+t ⁣dt,\ln(1 + x) = \sum_{k=1}^{n} \frac{(-1)^{k-1}x^k}{k} + (-1)^n \int_0^x \frac{t^n}{1 + t}\,\dd t ,

dan untuk 0x10 \leq x \leq 1 sisanya terbatas oleh 0xtn ⁣dt=xn+1n+1\int_0^x t^n\,\dd t = \frac{x^{n+1}}{n+1}. Ini lebih kuat daripada Taylor–Young dalam dua hal: karena ia sebuah kesamaan yang sah bagi xx yang tetap (bukan hanya x0x \to 0), dan batas galatnya berupa angka. Adapun soal akhir pekan (Soal 16.1) hidup di atas bentuk yang persis semacam itu; sedangkan Taylor–Young di bawah adalah perkakas yang lebih ringan bagi limit, yang di situ hanya bentuk galatnya yang penting.

Teorema 16.7 (Ketaksamaan Taylor–Lagrange)

Misalkan ff berkelas Cn+1C^{n+1} dengan f(n+1)M\abs{f^{(n+1)}} \leq M di antara aa dan xx. Maka

f(x)k=0nf(k)(a)k!(xa)kMxan+1(n+1)!.\Bigl| f(x) - \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \Bigr| \leq M\, \frac{\abs{x - a}^{n+1}}{(n+1)!} .

Bukti. Batasilah sisa integralnya: ax(xt)nn!f(n+1)(t) ⁣dtMaxxtnn! ⁣dt=Mxan+1(n+1)!\bigl|\int_a^x \frac{(x-t)^n}{n!} f^{(n+1)}(t)\,\dd t\bigr| \leq M \bigl|\int_a^x \frac{\abs{x-t}^n}{n!}\dd t\bigr| = M\frac{\abs{x-a}^{n+1}}{(n+1)!}.

Contoh 16.8 (Numerik yang bersertifikat)

Berapakah 1.02\sqrt{1.02}? Terapkanlah Taylor–Lagrange pada f(t)=1+tf(t) = \sqrt{1 + t} di a=0a = 0, orde 22, dengan x=0.02x = 0.02:

1.021+0.0220.0228=1.00995,f(t)=38(1+t)5/238,\sqrt{1.02} \approx 1 + \frac{0.02}{2} - \frac{0.02^2}{8} = 1.00995 , \qquad \abs{f'''(t)} = \frac{3}{8}(1+t)^{-5/2} \leq \frac 38 ,

sehingga galatnya paling banyak 380.0236=5107\frac38 \cdot \frac{0.02^3}{6} = 5\cdot10^{-7}: jadi 1.02=1.00995\sqrt{1.02} = 1.00995 dengan enam desimal yang bersertifikat (dengan nilai sejatinya 1.00995049381.0099504938\dots — jadi batasnya hampir tajam). Inti gagasan penutupnya: bahwa Taylor–Young hanya mengatakan seberapa cepat galatnya lenyap; sedangkan Taylor–Lagrange mengubah polinomial yang sama menjadi sebuah sertifikat, yaitu bilangan ditambah palang galat yang terbukti. Jadi setiap kali sebuah klaim desimal dibuat dalam buku ini, sebuah batas bertipe Lagrange berdiri di belakangnya; dan soal akhir pekannya (Soal 16.1) mengindustrikan gagasannya.

Teorema 16.9 (Taylor–Young)

Misalkan ff dapat diturunkan nn kali di aa. Maka, ketika xax \to a:

f(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k+o((xa)n).f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}\,(x-a)^k + o\bigl((x-a)^n\bigr) .

Bukti. Lewat induksi pada nn. Untuk n=1n = 1 inilah definisi turunannya (Definisi 14.1). Anggaplah pernyataannya berlaku pada orde n1n - 1, lalu misalkan ff dapat diturunkan nn kali di aa. Terapkanlah hipotesis induksinya pada ff' (yang dapat diturunkan n1n-1 kali di aa):

f(t)=k=0n1f(k+1)(a)k!(ta)k+r(t),r(t)=o((ta)n1).f'(t) = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k+1)}(a)}{k!}(t-a)^k + r(t), \qquad r(t) = o\bigl((t-a)^{n-1}\bigr).

Misalkan g(x)=f(x)k=0nf(k)(a)k!(xa)kg(x) = f(x) - \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k; maka g=rg' = r dan g(a)=0g(a) = 0. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, pilihlah δ\delta dengan r(t)εtan1\abs{r(t)} \leq \varepsilon\abs{t - a}^{n-1} untuk taδ\abs{t-a} \leq \delta; lalu ketaksamaan nilai rata-ratanya (Teorema 14.9) yang diterapkan pada ruas dari aa ke xx (yang di situ gεxan1\abs{g'} \leq \varepsilon\abs{x-a}^{n-1}) menghasilkan g(x)εxan\abs{g(x)} \leq \varepsilon\abs{x - a}^n: yakni persis g(x)=o((xa)n)g(x) = o((x-a)^n).

Catatan 16.10 (Tiga rumus, tiga harga, tiga produk)

Hipotesisnya bertingkat persis seiring kesimpulannya. Taylor–Young menuntut yang paling sedikit (nn turunan di titiknya saja) dan menghasilkan yang paling sedikit: yaitu o((xa)n)o((x-a)^n) yang kualitatif, yang sempurna bagi limit tetapi tak berguna bagi angka bersertifikat. Sedangkan ketaksamaan Lagrange menuntut Cn+1C^{n+1} pada selangnya beserta batas MM di sana, dan mengembalikan palang galat berupa angka. Adapun bentuk integralnya menuntut keteraturan yang sama dan mengembalikan yang paling banyak: yaitu galatnya sebagai objek eksplisit yang dapat kita ubah (diintegralkan secara parsial, dibatasi sepotong-sepotong, atau diganti variabelnya) — dan itulah bentuk yang menggerakkan mesin keirasionalan pada Soal 15.1. Jadi memilih rumus terlemah yang menyangga tujuannya bukanlah kecerewetan: karena fungsi yang rata pada Soal 16.1 memenuhi Taylor–Young pada setiap ordenya sedangkan setiap kesimpulan yang lebih kuat tentangnya salah jauh dari 00.

Proposisi 16.11 (Ekspansi baku di 00)

Ketika x0x \to 0, untuk setiap orde nn yang tetap:

ex=1+x+x22!++xnn!+o(xn),cosx=1x22!+x44!+(1)px2p(2p)!+o(x2p+1),sinx=xx33!++(1)px2p+1(2p+1)!+o(x2p+2),11x=1+x+x2++xn+o(xn),ln(1+x)=xx22+x33+(1)n1xnn+o(xn),(1+x)α=1+αx+α(α1)2!x2++(αn)xn+o(xn),\begin{align*} \eu^x &= 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \dots + \frac{x^n}{n!} + o(x^n),\\ \cos x &= 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots + \frac{(-1)^p x^{2p}}{(2p)!} + o(x^{2p+1}),\\ \sin x &= x - \frac{x^3}{3!} + \dots + \frac{(-1)^p x^{2p+1}}{(2p+1)!} + o(x^{2p+2}),\\ \frac{1}{1 - x} &= 1 + x + x^2 + \dots + x^n + o(x^n),\\ \ln(1 + x) &= x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots + \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n} + o(x^n),\\ (1 + x)^\alpha &= 1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \dots + \binom{\alpha}{n} x^n + o(x^n), \end{align*}

dengan (αn)=α(α1)(αn+1)n!\binom{\alpha}{n} = \frac{\alpha(\alpha - 1)\cdots(\alpha - n + 1)}{n!} untuk α\alpha yang real. (Adapun cosh\cosh dan sinh\sinh: sama seperti cos\cos dan sin\sin tanpa tanda yang berselang-seling.)

Bukti. Setiap fungsinya mulus di dekat 00 dengan turunan yang mudah dinilai: (ex)(k)=ex(\eu^x)^{(k)} = \eu^x; turunan sin\sin dan cos\cos berdaur dengan periode 44; ((1+x)α)(k)=α(α1)(αk+1)(1+x)αk\bigl((1+x)^\alpha\bigr)^{(k)} = \alpha(\alpha - 1)\cdots(\alpha - k + 1)(1+x)^{\alpha - k}; (ln(1+x))(k)=(1)k1(k1)!(1+x)k\bigl(\ln(1+x)\bigr)^{(k)} = \frac{(-1)^{k-1}(k-1)!}{(1+x)^k}. Lalu terapkanlah Taylor–Young di a=0a = 0. (Adapun yang geometri bersifat persis: 11x0nxk=xn+11x=o(xn)\frac{1}{1-x} - \sum_0^n x^k = \frac{x^{n+1}}{1 - x} = o(x^n).)

Metode 16.12 (Menghitung dengan ekspansi)

  1. Tetapkanlah orde sasarannya nn lebih dulu, lalu penggallah setiap hasil antaranya di situ — karena membawa suku yang lebih tinggi merupakan kerja yang sia-sia, sedangkan membuang yang lebih rendah merupakan galat.
  2. Jumlah dan hasil kali: ekspansikanlah setiap faktornya sampai orde nn lalu kalikan, sambil membuang yang di luar xnx^n.
  3. Komposisi f(u(x))f(u(x)) dengan u(x)0u(x) \to 0: sulihkanlah ekspansi uu ke dalam ekspansi ff, orde demi orde.
  4. Hasil bagi: tulislah 11+v\frac{1}{1 + v} dengan v0v \to 0 lalu pakailah ekspansi geometrinya.
  5. Integralkanlah sebuah ekspansi suku demi suku (adapun menurunkannya menuntut kehati-hatian yang lebih — dengan pembenarannya: bahwa integral o(tn)o(t^n) dari 00 sampai xx adalah o(xn+1)o(x^{n+1}), lewat pembatasan langsung).

Contoh 16.13 (Komposisi, dengan pembukuannya diperlihatkan)

Ekspansikanlah esinx\eu^{\sin x} sampai orde 33. Ekspansi dalamnya: u=sinx=xx36+o(x3)u = \sin x = x - \frac{x^3}{6} + o(x^3), yang memang menuju 00. Adapun yang luarnya: eu=1+u+u22+u36+o(u3)\eu^u = 1 + u + \frac{u^2}{2} + \frac{u^3}{6} + o(u^3), dan o(u3)=o(x3)o(u^3) = o(x^3) karena uxu \sim x. Pangkat uu, yang dipenggal di x3x^3:

u2=x2+o(x3),u3=x3+o(x3)u^2 = x^2 + o(x^3), \qquad u^3 = x^3 + o(x^3)

(karena suku silangnya 2x(x36)2x\cdot(-\frac{x^3}{6}) sudah x4x^4). Rakitlah:

esinx=1+(xx36)+x22+x36+o(x3)=1+x+x22+o(x3):\eu^{\sin x} = 1 + \Bigl(x - \frac{x^3}{6}\Bigr) + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + o(x^3) = 1 + x + \frac{x^2}{2} + o(x^3) :

sehingga kedua sumbangan x3x^3-nya saling meniadakan dengan persis. Inti gagasan penutupnya: bahwa esinx\eu^{\sin x} dan ex\eu^x bersesuaian sampai orde 33 — bukan karena sinxx\sin x \approx x secara kasar, melainkan karena ketaksesuaian pertama eksponennya (x36-\frac{x^3}{6}) masuk dikalikan e0=1\eu^0 = 1 lalu ditemui oleh suku kubik eksponensial luarnya; jadi pembukuan orde demi orde mendeteksi persekongkolan semacam itu, sedangkan pengamatan sekilas tak pernah demikian. (Adapun suku berikutnya x48-\frac{x^4}{8}: jadi gencatan senjatanya berakhir pada orde 44.)

Contoh 16.14

Ekspansi tan\tan pada orde 55. Tulislah tanx=sinx1cosx\tan x = \sin x \cdot \frac{1}{\cos x}:

1cosx=11(x22x424+o(x5))=1+(x22x424)+(x22) ⁣2+o(x5)=1+x22+5x424+o(x5),\frac{1}{\cos x} = \frac{1}{1 - \bigl(\frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{24} + o(x^5)\bigr)} = 1 + \Bigl(\frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{24}\Bigr) + \Bigl(\frac{x^2}{2}\Bigr)^{\!2} + o(x^5) = 1 + \frac{x^2}{2} + \frac{5x^4}{24} + o(x^5),

lalu

tanx=(xx36+x5120)(1+x22+5x424)+o(x5)=x+x33+2x515+o(x5).\tan x = \Bigl(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120}\Bigr) \Bigl(1 + \frac{x^2}{2} + \frac{5x^4}{24}\Bigr) + o(x^5) = x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + o(x^5) .
Sinusnya (yang gelap) terhadap polinomial Taylornya di 0: T_1 = x, T_3 = x - x3/6 (yang putus-putus), T_5 = x - x3/6 + x5/120 (yang bertitik). Setiap pasang suku barunya memeluk kurvanya pada jendela yang tampak makin lebar, tetapi setiap polinomialnya akhirnya terlepas: jadi ekspansi Taylor merupakan kontrak yang setempat, yang dipertajam di 0 dan bungkam jauh dari sana. Adapun batas Taylor–Lagrange |x|n+1(n+1)! mengkuantifikasi jendelanya; sedangkan fungsi yang rata pada  menunjukkan bahwa kontraknya bahkan boleh kosong di luar titiknya sendiri.
Sinusnya (yang gelap) terhadap polinomial Taylornya di 00: T1=xT_1 = x, T3=xx36T_3 = x - \frac{x^3}{6} (yang putus-putus), T5=xx36+x5120T_5 = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} (yang bertitik). Setiap pasang suku barunya memeluk kurvanya pada jendela yang tampak makin lebar, tetapi setiap polinomialnya akhirnya terlepas: jadi ekspansi Taylor merupakan kontrak yang setempat, yang dipertajam di 00 dan bungkam jauh dari sana. Adapun batas Taylor–Lagrange xn+1(n+1)!\frac{\abs{x}^{n+1}}{(n+1)!} mengkuantifikasi jendelanya; sedangkan fungsi yang rata pada Soal 16.1 menunjukkan bahwa kontraknya bahkan boleh kosong di luar titiknya sendiri.

16.3 Penerapan

Contoh 16.15 (Limit)

limx0xsinxx3:xsinx=x36+o(x3)x36,sehingga limitnya 16\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3}: \qquad x - \sin x = \frac{x^3}{6} + o(x^3) \sim \frac{x^3}{6}, \qquad\text{sehingga limitnya } \frac16

— yang menyelesaikan pertanyaan yang diajukan pada Latihan 4.9. Demikian pula limx0(sinxx)1/x2\displaystyle\lim_{x\to0}\Bigl(\frac{\sin x}{x}\Bigr)^{1/x^2}: karena logaritmanya adalah

1x2ln(1x26+o(x2))=1x2(x26+o(x2))16,sehingga limitnya e1/6.\frac{1}{x^2}\ln\Bigl(1 - \frac{x^2}{6} + o(x^2)\Bigr) = \frac{1}{x^2}\Bigl(-\frac{x^2}{6} + o(x^2)\Bigr) \longrightarrow -\frac16, \qquad\text{sehingga limitnya } \eu^{-1/6}.

Catatan 16.16 (Jebakan yang lazim dengan ekspansi)

(i) Jangan pernah menjumlahkan atau mengurangkan kesetaraan: karena dari tanxx\tan x \sim x dan sinxx\sin x \sim x kita tak boleh menyimpulkan tanxsinx0\tan x - \sin x \sim 0 (yang tak bermakna) — adapun rute yang jujur adalah lewat ekspansi:

tanxsinx=(x+x33)(xx36)+o(x3)=x32+o(x3)x32.\tan x - \sin x = \Bigl(x + \frac{x^3}{3}\Bigr) - \Bigl(x - \frac{x^3}{6}\Bigr) + o(x^3) = \frac{x^3}{2} + o(x^3) \sim \frac{x^3}{2} .

(ii) Ekspansikanlah melewati pembantaiannya: karena pada perhitungan yang sama, orde 11 hanya melihat xx=0x - x = 0; jadi setiap kali suku utamanya saling meniadakan, naikkanlah ordenya sampai sebuah koefisien taknol bertahan, dan barulah mengubahnya kembali menjadi kesetaraan. (iii) Kesetaraan tak melewati eksponensial: karena n2+nn2n^2 + n \sim n^2, namun en2+n=enen2\eu^{n^2+n} = \eu^{n}\,\eu^{n^2} tak setara dengan en2\eu^{n^2} — jadi eksponensialkanlah hanya ekspansi eksponennya yang galatnya menuju 00, dan jangan pernah kesetaraan eksponennya. (Adapun logaritma lebih aman: jika unvn1u_n \sim v_n \to \ell \neq 1, >0\ell > 0, maka lnunlnvn\ln u_n \sim \ln v_n.) (iv) Kalkulus o()o(\cdot) berarah tunggal: karena o(x2)+o(x2)=o(x2)o(x^2) + o(x^2) = o(x^2), 5o(x2)=o(x2)5\,o(x^2) = o(x^2), xo(x2)=o(x3)x\cdot o(x^2) = o(x^3) — tetapi sebuah o(x2)o(x^2) bukan fungsi yang tertentu, sehingga jangan pernah meniadakan dua di antaranya satu sama lain: karena o(x2)o(x2)o(x^2) - o(x^2) adalah o(x2)o(x^2), bukan 00.

Proposisi 16.17 (Perilaku setempat)

Andaikan f(x)=f(a)+c(xa)p+o((xa)p)f(x) = f(a) + c\,(x - a)^p + o\bigl((x-a)^p\bigr) dengan c0c \neq 0 (yaitu suku taknol pertama setelah konstantanya; dengan p2p \geq 2 di sebuah titik kritis).

  • Jika pp genap: maka ff mempunyai minimum lokal di aa bila c>0c > 0, dan maksimum lokal bila c<0c < 0.
  • Jika pp ganjil: maka tak ada ekstremumnya (karena ff(a)f - f(a) berubah tanda); dan jika lebih lanjut ekspansinya bermula setelah suku linear f(a)(xa)f'(a)(x - a), maka grafiknya memotong garis singgungnya: yaitu sebuah titik belok.

Bukti. Di dekat aa, f(x)f(a)=(xa)p(c+o(1))f(x) - f(a) = (x-a)^p\bigl(c + o(1)\bigr) bertanda sama dengan c(xa)pc\,(x-a)^p: yaitu tanda yang tetap bila pp genap, dan berubah bila pp ganjil.

Contoh 16.18 (Eksponen harus diekspansikan sampai o(1)o(1))

Carilah kesetaraan bagi un=(1+1n)n2u_n = \bigl(1 + \frac1n\bigr)^{n^2}. Ekspansikanlah eksponennya sampai galatnya menuju 00:

n2ln(1+1n)=n2(1n12n2+O(1n3))=n12+O(1n),n^2 \ln\Bigl(1 + \frac1n\Bigr) = n^2\Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr)\Bigr) = n - \frac12 + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

sehingga un=en1/2eO(1/n)u_n = \eu^{\,n - 1/2}\,\eu^{O(1/n)} dengan eO(1/n)1\eu^{O(1/n)} \to 1:

un    en12.u_n \;\sim\; \eu^{\,n - \frac12} .

Perhatikanlah apa yang akan keliru dengan kehati-hatian yang lebih sedikit: menghentikan eksponennya pada n21n=n+O(1)n^2\cdot\frac1n = n + O(1) menyisakan faktor eO(1)\eu^{O(1)} — yang terbatas tetapi tak menuju 11 — sehingga tak ada kesetaraan yang dapat ditegaskan. Adapun aturan jebakan di atas, dalam bentuk positifnya: bahwa kesetaraan bagi ean\eu^{a_n} menuntut ekspansi ana_n sampai sebuah suku yang menuju nol, dengan setiap koefisien sebelum itu dijaga persis.

Contoh 16.19 (Menggolongkan titik kritis yang rata)

Telaahlah f(x)=cosx+x22f(x) = \cos x + \frac{x^2}{2} di dekat 00. Karena f(0)=0f'(0) = 0 dan f(0)=cos0+1=0f''(0) = -\cos 0 + 1 = 0: maka uji turunan keduanya bungkam. Jadi ekspansikanlah saja:

f(x)=(1x22+x424+o(x4))+x22=1+x424+o(x4):f(x) = \Bigl(1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\Bigr) + \frac{x^2}{2} = 1 + \frac{x^4}{24} + o(x^4) :

sehingga suku taknol pertamanya cxpc\,x^p dengan p=4p = 4 yang genap dan c=124>0c = \frac{1}{24} > 0: jadi sebuah minimum lokal, dengan kerataan yang tak biasa (karena grafiknya meninggalkan nilai minimumnya seperti x4x^4, bukan x2x^2). Inti gagasan penutupnya: bahwa ekspansinya melihat dalam satu baris apa yang dikaburkan pendiferensialan berulang — dan Proposisi 16.17 merupakan kamus sistematis dari “suku pertama yang bertahan” ke “bentuk setempatnya”.

Contoh 16.20 (Ekspansi di tak hingga)

Dua perhitungan yang di situ variabelnya berlari ke ++\infty dan penyulihan h=1x0+h = \frac1x \to 0^+ mengimpor seluruh kotak perkakasnya. Pertama,

xx2ln(1+1x)=xx2(1x12x2+O(1x3))=12+O(1x)12.x - x^2\ln\Bigl(1 + \frac1x\Bigr) = x - x^2\Bigl(\frac1x - \frac{1}{2x^2} + O\Bigl(\frac{1}{x^3}\Bigr)\Bigr) = \frac12 + O\Bigl(\frac1x\Bigr) \longrightarrow \frac12 .

Kedua, arkus tangennya di tak hingga: dari arctanx+arctan1x=π2\arctan x + \arctan\frac1x = \frac\pi2 untuk x>0x > 0 (Proposisi 4.12) dan ekspansi arctan\arctan di 00 (Latihan 16.3),

arctanx=π2arctan1x=π21x+13x3+o(1x3):\arctan x = \frac\pi2 - \arctan\frac1x = \frac\pi2 - \frac1x + \frac{1}{3x^3} + o\Bigl(\frac{1}{x^3}\Bigr) :

grafiknya mendekati asimtotnya y=π2y = \frac\pi2 dari bawah dengan kecepatan 1x\frac1x. Inti gagasan penutupnya: bahwa tak ada teori ekspansi di tak hingga yang tersendiri — karena satu penyulihan kebalikan mereduksinya menjadi ekspansi di 00, asalkan setiap OO dan oo antaranya dibawa dengan jujur.

Contoh 16.21 (Asimtot lewat ekspansi)

Ketika x+x \to +\infty,

x2+x=x1+1x=x(1+12x18x2+o(1x2))=x+1218x+o(1x):\sqrt{x^2 + x} = x\sqrt{1 + \tfrac1x} = x\Bigl(1 + \frac{1}{2x} - \frac{1}{8x^2} + o\bigl(\tfrac{1}{x^2}\bigr)\Bigr) = x + \frac12 - \frac{1}{8x} + o\bigl(\tfrac 1x\bigr):

garis y=x+12y = x + \frac12 merupakan asimtotnya, yang didekati dari bawah (karena suku berikutnya 18x-\frac{1}{8x} bernilai negatif).

Catatan 16.22 (Di mana ekspansinya bekerja berikutnya)

Ekspansi asimtotik merupakan bahasa tetap sisa buku ini: pada Bab 17 ia memutuskan kekonvergenan (karena kesetaraan menyuapi uji perbandingannya, dan telaah 1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} merupakan ekspansi yang menyamar); pada jilid Tahun ke-2 ia menjadi deret pangkat, yang di situ polinomial Taylornya memperoleh suku yang tak hingga banyaknya beserta jari-jari kekonvergenan; dan setiap pelinearan dalam fisika — yaitu bandul, gangguan orde pertama — merupakan pernyataan Taylor–Young dengan o()o(\cdot)-nya dibuang diam-diam. Adapun satu peringatan yang pantas diukir: bahwa sebuah ekspansi memerikan fungsinya hanya di dekat satu titik — lihatlah fungsi yang rata pada soal akhir pekannya, yang ekspansinya di 00 identik nol tanpa fungsinya demikian.

Catatan 16.23 (Cakrawala di dalam jilid ini)

Ekspansi merupakan bahasa kerja sisa analisisnya dan geometri yang akan datang. Bab 17 mengubahnya menjadi vonis kekonvergenan: karena kesetaraan suku umumnya merupakan ekspansi yang dipenggal pada suku pertamanya, dan uji yang lebih halus (yaitu yang berselang-seling dengan kendali galat) memakai suku keduanya juga. Bab 24 membaca geometri setempat dari ekspansi kedua fungsi koordinatnya: karena apakah sebuah kurva berparameter memotong, mencium, atau berkatup di sebuah titik diputuskan oleh pangkat tt yang mana yang bertahan pada x(t)x(t) dan y(t)y(t) — yaitu versi bidang bagi Proposisi 16.17. Sedangkan Bab 25 berhenti pada orde satu dengan sengaja: karena bidang singgungnya merupakan pernyataan Taylor–Young dua variabel, dengan teori orde dua yang lengkap (yaitu Hessian dan titik pelana) ditunda ke jilid Tahun ke-2. Adapun benang merahnya: bahwa setiap pertanyaan “setempat” dalam buku ini dijawab dengan menuliskan suku pertama sebuah ekspansi yang bertahan.

16.4 Latihan

Latihan 16.1

Berikanlah ekspansinya di 00: e2x\eu^{2x} sampai orde 33;   ln(1x)\;\ln(1 - x) sampai orde 44;   1+x\;\sqrt{1 + x} sampai orde 33;   11+x2\;\dfrac{1}{1 + x^2} sampai orde 66.

Solusi

Solusi Latihan 16.1.

e2x=1+2x+2x2+4x33+o(x3);ln(1x)=xx22x33x44+o(x4);\eu^{2x} = 1 + 2x + 2x^2 + \frac{4x^3}{3} + o(x^3); \qquad \ln(1 - x) = -x - \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + o(x^4);
1+x=1+x2x28+x316+o(x3);11+x2=1x2+x4x6+o(x6),\sqrt{1+x} = 1 + \frac x2 - \frac{x^2}{8} + \frac{x^3}{16} + o(x^3); \qquad \frac{1}{1 + x^2} = 1 - x^2 + x^4 - x^6 + o(x^6),

yang terakhir lewat penyulihan x2-x^2 ke dalam ekspansi geometrinya.

Latihan 16.2

Hitunglah limitnya:

limx0ex1xx2,limx0cosx1x2x4,limx0ln(1+x)sinxx2.\lim_{x\to 0} \frac{\eu^x - 1 - x}{x^2}, \qquad \lim_{x\to 0} \frac{\cos x - \sqrt{1 - x^2}}{x^4}, \qquad \lim_{x\to 0} \frac{\ln(1+x) - \sin x}{x^2}.
Solusi

Solusi Latihan 16.2.

ex1x=x22+o(x2)\eu^x - 1 - x = \frac{x^2}{2} + o(x^2): jadi limitnya 12\dfrac12.

cosx=1x22+x424+o(x4)\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4) dan 1x2=1x22x48+o(x4)\sqrt{1 - x^2} = 1 - \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{8} + o(x^4): sehingga selisihnya x424+x48=x46+o(x4)\frac{x^4}{24} + \frac{x^4}{8} = \frac{x^4}{6} + o(x^4): jadi limitnya 16\dfrac16.

ln(1+x)sinx=(xx22)x+o(x2)=x22+o(x2)\ln(1+x) - \sin x = \bigl(x - \frac{x^2}{2}\bigr) - x + o(x^2) = -\frac{x^2}{2} + o(x^2): jadi limitnya 12-\dfrac12.

Latihan 16.3

Ekspansikanlah arctanx\arctan x di 00 sampai orde 55 dengan mengintegralkan ekspansi 11+x2\frac{1}{1 + x^2}, dan arcsinx\arcsin x sampai orde 55 dengan mengintegralkan ekspansi (1x2)1/2(1 - x^2)^{-1/2}.

Solusi

Solusi Latihan 16.3.

11+t2=1t2+t4+o(t5)\frac{1}{1+t^2} = 1 - t^2 + t^4 + o(t^5); lalu mengintegralkannya dari 00 sampai xx (Metode 16.12 (5)):

arctanx=xx33+x55+o(x5)  (bahkan o(x6), karena ganjil).\arctan x = x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} + o(x^5)\ \ (\text{bahkan }o(x^6)\text{, karena ganjil}).

(1t2)1/2=1+t22+38t4+o(t5)(1 - t^2)^{-1/2} = 1 + \frac{t^2}{2} + \frac38 t^4 + o(t^5) (lewat ekspansi binomial dengan α=12\alpha = -\frac12, x=t2x = -t^2: (1/22)=(12)(32)2=38\binom{-1/2}{2} = \frac{(-\frac12)(-\frac32)}{2} = \frac38); lalu mengintegralkannya:

arcsinx=x+x36+3x540+o(x5).\arcsin x = x + \frac{x^3}{6} + \frac{3x^5}{40} + o(x^5) .

Latihan 16.4

Dengan memakai Taylor–Lagrange bagi exp\exp pada [0,1]\intcc{0}{1}, buktikan bahwa

ek=0n1k!3(n+1)!,\Bigl| \eu - \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!} \Bigr| \leq \frac{3}{(n+1)!},

lalu tentukanlah nn yang menjamin 66 desimal e\eu yang persis.

Solusi

Solusi Latihan 16.4.

Taylor–Lagrange (Teorema 16.7) bagi exp\exp di a=0a = 0, x=1x = 1: turunan ke-(n+1)(n+1)-nya adalah ete<3\eu^t \leq \eu < 3 pada [0,1]\intcc{0}{1}, sehingga

ek=0n1k!3(n+1)!.\Bigl|\eu - \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!}\Bigr| \leq \frac{3}{(n+1)!} .

Untuk 66 desimal yang persis, kita menginginkan 3(n+1)!<5×107\frac{3}{(n+1)!} < 5\times 10^{-7}, yakni (n+1)!>6×106(n+1)! > 6\times 10^{6}: dan karena 10!=362880010! = 3\,628\,800 dan 11!=3991680011! = 39\,916\,800, maka n+1=11n + 1 = 11, yakni n=10n = 10 mencukupi.

Latihan 16.5 ★★

Ekspansikanlah sampai orde 22 dalam 1n\frac1n lalu simpulkanlah limitnya dan kecepatan kekonvergenannya:

(1+1n) ⁣n=e(112n+1124n2+o(1n2)).\Bigl(1 + \frac 1n\Bigr)^{\!n} = \eu\Bigl(1 - \frac{1}{2n} + \frac{11}{24n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr).
Solusi

Solusi Latihan 16.5.

nln(1+1n)=n(1n12n2+13n3+o(1n3))=112n+13n2+o(1n2)n\ln\bigl(1 + \frac1n\bigr) = n\Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2} + \frac{1}{3n^3} + o\bigl(\frac{1}{n^3}\bigr)\Bigr) = 1 - \frac{1}{2n} + \frac{1}{3n^2} + o\bigl(\frac{1}{n^2}\bigr). Lalu mengeksponensialkannya, dengan u=12n+13n2u = -\frac{1}{2n} + \frac{1}{3n^2} dan eu=1+u+u22+o(u2)\eu^u = 1 + u + \frac{u^2}2 + o(u^2):

(1+1n)n=eeu=e(112n+13n2+18n2+o(1n2))=e(112n+1124n2+o(1n2)).\Bigl(1 + \frac1n\Bigr)^n = \eu\cdot \eu^{u} = \eu\Bigl(1 - \frac{1}{2n} + \frac{1}{3n^2} + \frac{1}{8n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr) = \eu\Bigl(1 - \frac{1}{2n} + \frac{11}{24n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr).

Jadi limitnya e\eu; sedangkan galatnya e2n\sim \dfrac{\eu}{2n}: yang lamban (yakni satu angka per kenaikan sepuluh kali lipat nn).

Latihan 16.6 ★★

Telaahlah perilaku setempat di 00 bagi f(x)=x2x4f(x) = x^2 - x^4 dan bagi g(x)=x3+x5g(x) = x^3 + x^5; lalu carilah kedudukan grafik h(x)=exh(x) = \eu^x terhadap garis singgungnya di a=1a = 1, mula-mula setempat lalu menyeluruh.

Solusi

Solusi Latihan 16.6.

f(x)=x2x4=x2(1+o(1))f(x) = x^2 - x^4 = x^2(1 + o(1)): dengan suku pertamanya x2x^2, p=2p = 2 yang genap, dan koefisiennya >0> 0: jadi minimum lokal di 00 (yang tak menyeluruh: karena f(2)=12f(2) = -12).

g(x)=x3+x5g(x) = x^3 + x^5: dengan suku pertamanya x3x^3, dan pp yang ganjil: jadi tak ada ekstremumnya; sehingga gg memotong garis singgungnya (yang mendatar): yakni titik belok di 00.

h=exph = \exp di a=1a = 1: h(x)=e+e(x1)+e2(x1)2+o((x1)2)h(x) = \eu + \eu(x-1) + \frac{\eu}{2}(x-1)^2 + o((x-1)^2); sehingga selisihnya dengan garis singgungnya adalah e2(x1)2+o()>0\frac{\eu}{2}(x-1)^2 + o(\cdot) > 0 secara setempat. Adapun secara menyeluruh: exex0\eu^x - \eu x \geq 0 untuk setiap xx menurut kecembungannya (Teorema 14.19 (3)): jadi grafiknya terletak di atas setiap garis singgungnya, dengan kesamaannya hanya di titik sentuhnya.

Latihan 16.7 ★★

Tentukanlah asimtot di ±\pm\infty bagi f(x)=x3+x23f(x) = \sqrt[3]{x^3 + x^2} beserta kedudukan kurvanya terhadap asimtot itu.

Solusi

Solusi Latihan 16.7.

Untuk x+x \to +\infty:

f(x)=x(1+1x)1/3=x(1+13x19x2+o(1x2))=x+1319x+o(1x):f(x) = x\Bigl(1 + \frac1x\Bigr)^{1/3} = x\Bigl(1 + \frac{1}{3x} - \frac{1}{9x^2} + o\Bigl(\frac{1}{x^2}\Bigr)\Bigr) = x + \frac13 - \frac{1}{9x} + o\Bigl(\frac1x\Bigr):

jadi asimtotnya y=x+13y = x + \frac13, dengan kurvanya di bawahnya di dekat ++\infty. Adapun ketika xx \to -\infty, perhitungan yang sama tetap sah (karena akar pangkat tiganya terdefinisi bagi setiap bilangan real, dan 1x0\frac1x \to 0): jadi asimtot yang sama y=x+13y = x + \frac13, tetapi kini 19x>0-\frac{1}{9x} > 0: sehingga kurvanya di atas garisnya.

Latihan 16.8 ★★

Carilah kesetaraannya, ketika nn \to \infty, bagi

un=n+1n,vn=ln(n+1)lnn,wn=sin1ntan1n,u_n = \sqrt{n+1} - \sqrt n, \qquad v_n = \ln(n+1) - \ln n, \qquad w_n = \sin\frac{1}{n} - \tan\frac{1}{n},

yang masing-masingnya berupa pangkat nn dikali sebuah konstanta.

Solusi

Solusi Latihan 16.8.

un=n(1+1n1)=n(12n+o(1n))12nu_n = \sqrt n\bigl(\sqrt{1 + \tfrac1n} - 1\bigr) = \sqrt n\bigl(\frac{1}{2n} + o(\frac1n)\bigr) \sim \dfrac{1}{2\sqrt n}.

vn=ln(1+1n)1nv_n = \ln\bigl(1 + \frac1n\bigr) \sim \dfrac 1n.

Adapun wnw_n: dengan h=1n0h = \frac1n \to 0, sinhtanh=(hh36)(h+h33)+o(h3)=h32+o(h3)\sin h - \tan h = \bigl(h - \frac{h^3}{6}\bigr) - \bigl(h + \frac{h^3}{3}\bigr) + o(h^3) = -\frac{h^3}{2} + o(h^3), sehingga wn12n3w_n \sim -\dfrac{1}{2n^3}.

Latihan 16.9 ★★★

Misalkan ff berkelas C2C^2 pada R\R. Buktikan bahwa untuk setiap xx dan h>0h > 0:

f(x)f(x+h)f(xh)2h+h2sup[xh,x+h]f,\abs{f'(x)} \leq \frac{\abs{f(x+h) - f(x-h)}}{2h} + \frac{h}{2}\sup_{\intcc{x-h}{x+h}}\abs{f''} ,

lalu simpulkanlah ketaksamaan bertipe Landau–Kolmogorov: bahwa jika fM0\abs f \leq M_0 dan fM2\abs{f''} \leq M_2 pada R\R, maka f2M0M2\abs{f'} \leq \sqrt{2 M_0 M_2} di mana-mana. (Optimumkanlah atas hh.)

Solusi

Solusi Latihan 16.9.

Taylor–Lagrange pada orde 11 di sekitar xx, pada kedua sisinya:

f(x+h)=f(x)+hf(x)+R+,f(xh)=f(x)hf(x)+R,R±h22supf.f(x + h) = f(x) + h f'(x) + R_+,\quad f(x - h) = f(x) - h f'(x) + R_-, \qquad \abs{R_\pm} \leq \frac{h^2}{2} \sup \abs{f''} .

Lalu menguranginya: f(x+h)f(xh)=2hf(x)+(R+R)f(x+h) - f(x-h) = 2h f'(x) + (R_+ - R_-), sehingga

f(x)f(x+h)f(xh)2h+h2sup[xh,x+h]f.\abs{f'(x)} \leq \frac{\abs{f(x+h) - f(x-h)}}{2h} + \frac{h}{2}\sup_{\intcc{x-h}{x+h}}\abs{f''} .

Dengan batas yang menyeluruh: f(x)M0h+M2h2\abs{f'(x)} \leq \frac{M_0}{h} + \frac{M_2 h}{2} untuk setiap h>0h > 0. Adapun ruas kanannya minimum di h=2M0/M2h = \sqrt{2M_0/M_2} (karena turunannya nol), dengan nilai 2M0M2\sqrt{2M_0M_2} — sehingga f2M0M2\abs{f'} \leq \sqrt{2M_0M_2}. (Jika M2=0M_2 = 0, biarkanlah hh \to \infty: maka f=0f' = 0, yang selaras.)

Latihan 16.10 ★★★

Barisan u0(0,π)u_0 \in \intoo{0}{\pi}, un+1=sinunu_{n+1} = \sin u_n turun ke 00 (benarkanlah secara singkat). Untuk mencari kecepatannya, tinjaulah vn=1un2v_n = \frac{1}{u_n^2}:

  1. dengan memakai ekspansi sin\sin, buktikan vn+1vn13v_{n+1} - v_n \to \frac13;
  2. dengan Cesàro (Latihan 11.10), simpulkan vnn13\frac{v_n}{n} \to \frac13, lalu kesetaraannya un3nu_n \sim \sqrt{\dfrac{3}{n}}.
Solusi

Solusi Latihan 16.10.

Pada (0,π)\intoo{0}{\pi}: 0<sinu<u0 < \sin u < u, sehingga (un)(u_n) turun tegas, positif, jadi konvergen; dan limitnya merupakan titik tetap sin\sin di [0,π]\intcc{0}{\pi}, sedangkan sin=\sin \ell = \ell memaksa =0\ell = 0 (karena sinx<x\sin x < x untuk x>0x > 0).

  1. Dengan memakai sinu=uu36+o(u3)\sin u = u - \frac{u^3}{6} + o(u^3) ketika u0u \to 0:

    vn+1vn=1sin2un1un2=1un2((1un26+o(un2)) ⁣21)=1un2(un23+o(un2))13.v_{n+1} - v_n = \frac{1}{\sin^2 u_n} - \frac{1}{u_n^2} = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\Bigl(1 - \frac{u_n^2}{6} + o(u_n^2)\Bigr)^{\!-2} - 1\Bigr) = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\frac{u_n^2}{3} + o(u_n^2)\Bigr) \longrightarrow \frac13 .
  2. Menurut Latihan 11.10 (3) (yaitu Cesàro bagi selisihnya), vnn13\frac{v_n}{n} \to \frac13, yakni vnn3v_n \sim \frac n3, yakni un23nu_n^2 \sim \frac 3n: dan karena un>0u_n > 0,

    un3n.u_n \sim \sqrt{\frac{3}{n}} .

Latihan 16.11 ★★

(Selisih tak hingga) Hitunglah

limx0(1x21sin2x)danlimx0+(1x1ln(1+x))\lim_{x \to 0} \Bigl(\frac{1}{x^2} - \frac{1}{\sin^2 x}\Bigr) \qquad\text{dan}\qquad \lim_{x \to 0^+} \Bigl(\frac 1x - \frac{1}{\ln(1 + x)}\Bigr)

dengan mereduksinya ke penyebut bersamanya lalu mengekspansikan pembilang dan penyebutnya secara terpisah.

Solusi

Solusi Latihan 16.11.

Lewat penyebut bersamanya. Limit pertamanya:

1x21sin2x=sin2xx2x2sin2x,sin2x=(xx36+o(x4)) ⁣2=x2x43+o(x5),\frac{1}{x^2} - \frac{1}{\sin^2 x} = \frac{\sin^2 x - x^2}{x^2\sin^2 x}, \qquad \sin^2 x = \Bigl(x - \frac{x^3}{6} + o(x^4)\Bigr)^{\!2} = x^2 - \frac{x^4}{3} + o(x^5) ,

sehingga pembilangnya x43+o(x4)-\frac{x^4}{3} + o(x^4) sedangkan penyebutnya x4\sim x^4: jadi limitnya 13-\dfrac13.

Yang kedua: 1x1ln(1+x)=ln(1+x)xxln(1+x)\dfrac1x - \dfrac{1}{\ln(1+x)} = \dfrac{\ln(1+x) - x}{x\ln(1+x)}; dengan pembilangnya x22+o(x2)-\frac{x^2}{2} + o(x^2), dan penyebutnya x(x+o(x))x2x\bigl(x + o(x)\bigr) \sim x^2: jadi limitnya 12-\dfrac12.

Latihan 16.12 ★★★

(Asimtotik akar tersirat) Tunjukkan bahwa untuk setiap kNk \in \N^* persamaan tanx=x\tan x = x mempunyai tepat satu penyelesaian xkx_k di (kππ2,kπ+π2)\intoo{k\pi - \frac\pi2}{k\pi + \frac\pi2}, bahwa xk=kπ+π2εkx_k = k\pi + \frac\pi2 - \varepsilon_k dengan εk=arctan1xk\varepsilon_k = \arctan\frac{1}{x_k}, lalu simpulkanlah ekspansinya

xk=kπ+π21kπ+o(1k)(k).x_k = k\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{k\pi} + o\Bigl(\frac 1k\Bigr) \qquad (k \to \infty).
Solusi

Solusi Latihan 16.12.

Pada Ik=(kππ2,kπ+π2)I_k = \intoo{k\pi - \frac\pi2}{k\pi + \frac\pi2}, fungsi g(x)=tanxxg(x) = \tan x - x berturunan tan2x0\tan^2 x \geq 0, yang lenyap hanya di titik tunggal kπk\pi: sehingga gg naik tegas pada IkI_k (Akibat 14.12 (2)), dengan limit -\infty dan ++\infty di ujungnya: jadi tepat satu nol xkx_k. Untuk k1k \geq 1, g(kπ)=kπ<0g(k\pi) = -k\pi < 0, sehingga xk(kπ,kπ+π2)x_k \in \intoo{k\pi}{k\pi + \frac\pi2}: tulislah xk=kπ+π2εkx_k = k\pi + \frac\pi2 - \varepsilon_k dengan εk(0,π2)\varepsilon_k \in \intoo{0}{\frac\pi2}. Lalu

xk=tanxk=tan(π2εk)=1tanεkεk=arctan1xk,x_k = \tan x_k = \tan\Bigl(\frac\pi2 - \varepsilon_k\Bigr) = \frac{1}{\tan\varepsilon_k} \quad\Longrightarrow\quad \varepsilon_k = \arctan\frac{1}{x_k} ,

dengan memakai tanεk=1xk\tan\varepsilon_k = \frac{1}{x_k} dan εk(0,π2)\varepsilon_k \in \intoo{0}{\frac\pi2}. Dan karena xkkπx_k \geq k\pi \to \infty: maka εk0\varepsilon_k \to 0, sehingga

εk=arctan1xk=1xk+O(1xk3)=1kπ+O(1)+O(1k3)=1kπ+O(1k2),\varepsilon_k = \arctan\frac{1}{x_k} = \frac{1}{x_k} + O\Bigl(\frac{1}{x_k^3}\Bigr) = \frac{1}{k\pi + O(1)} + O\Bigl(\frac{1}{k^3}\Bigr) = \frac{1}{k\pi} + O\Bigl(\frac{1}{k^2}\Bigr) ,

sehingga xk=kπ+π21kπ+o(1k)x_k = k\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{k\pi} + o\bigl(\frac1k\bigr).

16.5 Soal: Jumlah berselang-seling, angka bersertifikat, dan keirasionalan cos1\cos 1

Soal 16.1

Soal akhir pekan — taksiran berselang-seling SSnan+1\abs{S - S_n} \leq a_{n+1}: ln2\ln 2 dan π\pi dengan desimal yang terbukti, rumus Machin, dan cos1Q\cos 1 \notin \Q

Jumlah berselang-seling dengan suku yang menurun merupakan objek yang paling ramah dalam analisis numerik: karena galatnya terbatas oleh suku pertama yang dihilangkan, dengan tanda yang diketahui. Soal ini membuktikan asas itu dengan teorema barisan berdampingan, lalu membelanjakannya dengan tiga cara: yaitu desimal bersertifikat bagi ln2\ln 2 (lewat tiga rute yang bersaing) dan bagi π\pi (lewat Leibniz, lalu rumus Machin tahun 1706, yang masih menjadi gagasan di balik perhitungan rekor selama berabad-abad), keirasionalan cos1\cos 1, sin1\sin 1 dan cosh1\cosh 1, dan, sebagai penyeimbangnya, kesamaan Taylor–Lagrange beserta fungsi rata yang ekspansi Taylornya berdusta. Di sepanjang soal ini, bahasa “deret” bersifat tak resmi: karena setiap jumlah di sini merupakan barisan jumlah parsial, seperti pada Contoh 11.12; adapun teorinya sendiri dibuka pada Bab 17.

Bagian I — Taksiran berselang-selingnya. Misalkan (ak)k0(a_k)_{k \geq 0} turun ke 00 dan Sn=k=0n(1)kakS_n = \sum_{k=0}^{n} (-1)^k a_k.

  1. Tunjukkan bahwa (S2n+1)(S_{2n+1}) tidak turun, (S2n)(S_{2n}) tak naik, dan bahwa keduanya berdampingan (Teorema 11.11): sehingga keduanya konvergen ke SS yang sama dengan, untuk setiap nn,

    S2n+1SS2n,SSnan+1,S_{2n+1} \leq S \leq S_{2n}, \qquad \abs{S - S_n} \leq a_{n+1} ,

    dengan galatnya bertanda sama dengan suku pertama yang dihilangkan. Tunjukkan lebih lanjut bahwa jika penurunannya tegas, maka semua ketaksamaan itu tegas.

  2. Dividen pertamanya: untuk x=1x = 1 pada deret eksponensialnya, bandingkanlah dengan Teorema 16.7 di a=0a = 0: tunjukkan bahwa Tn=k=0n(1)kk!T_n = \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} konvergen ke e1\eu^{-1} dengan e1Tn<1(n+1)!\abs{\eu^{-1} - T_n} < \frac{1}{(n+1)!}.
  3. (Leibniz, 1674) Dari kesamaan hingga yang persis

    11+t2=k=0n(1)kt2k+(1)n+1t2n+21+t2,\frac{1}{1 + t^2} = \sum_{k=0}^{n} (-1)^k t^{2k} + \frac{(-1)^{n+1} t^{2n+2}}{1 + t^2} ,

    yang diintegralkan atas [0,1]\intcc{0}{1}, buktikanlah

    π4=k=0n(1)k2k+1+ρn,ρn12n+3.\frac\pi4 = \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{2k+1} + \rho_n, \qquad \abs{\rho_n} \leq \frac{1}{2n+3} .
  4. Kelambanannya: berapa banyak suku Leibniz yang menjamin enam desimal π\pi yang persis? (Kira-kira dua juta.) Nilailah 4S4=4(113+1517+19)4 S_4 = 4\bigl(1 - \frac13 + \frac15 - \frac17 + \frac19\bigr) beserta jaraknya ke π\pi, agar terasa pedihnya.

Bagian II — ln2\ln 2 lewat tiga cara.

  1. (Cara 1: harmonik berselang-seling) Dari 11+t=k=0n1(1)ktk+(1)ntn1+t\frac{1}{1+t} = \sum_{k=0}^{n-1}(-1)^k t^k + \frac{(-1)^n t^n}{1+t} yang diintegralkan atas [0,1]\intcc{0}{1}:

    ln2=k=1n(1)k1k+(1)nRn,12(n+1)Rn1n+1:\ln 2 = \sum_{k=1}^{n} \frac{(-1)^{k-1}}{k} + (-1)^n R_n, \qquad \frac{1}{2(n+1)} \leq R_n \leq \frac{1}{n+1} :

    jadi galatnya berorde persis 1n\frac 1n — yakni sejuta suku bagi enam desimal.

  2. (Cara 2: deret yang cepat) Integralkanlah 11t2=k=0nt2k+t2n+21t2\frac{1}{1 - t^2} = \sum_{k=0}^{n} t^{2k} + \frac{t^{2n+2}}{1-t^2} dari 00 sampai x(0,1)x \in \intoo{0}{1} lalu nilailah di x=13x = \frac13 (perhatikan 1+1/311/3=2\frac{1 + 1/3}{1 - 1/3} = 2):

    ln2=2k=0n(1/3)2k+12k+1+ρ~n,0<ρ~n94(1/3)2n+32n+3:\ln 2 = 2\sum_{k=0}^{n} \frac{(1/3)^{2k+1}}{2k+1} + \tilde\rho_n, \qquad 0 < \tilde\rho_n \leq \frac{9}{4}\cdot \frac{(1/3)^{2n+3}}{2n+3} :

    jadi kekonvergenan geometri, kira-kira satu angka per suku.

  3. (Cara 3: jumlah Riemann dan sebuah kesamaan yang tersembunyi) Buktikanlah lewat induksi kesamaan

    k=12n(1)k1k=H2nHn=k=1n1n+k,\sum_{k=1}^{2n} \frac{(-1)^{k-1}}{k} = H_{2n} - H_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n + k} ,

    lalu pulihkanlah ln2\ln 2 sebagai limit jumlah Riemann pada Contoh 15.21: jadi Cara 1 dan 3 diam-diam merupakan bilangan yang sama yang terlihat dua kali.

  4. Adu tembak pada enam suku: bandingkanlah k=16(1)k1k=0.6167\sum_{k=1}^{6} \frac{(-1)^{k-1}}{k} = 0.6167 dengan Cara 2 pada n=5n = 5, yang sudah memberikan ln2=0.693147\ln 2 = 0.693147 dengan galat 1.1107\leq 1.1\cdot10^{-7}. Jelaskanlah alasan strukturalnya (yaitu titik penilaian yang jauh di dalam selang kekonvergenannya lawan yang di perbatasannya).
  5. Berapa banyak suku Cara 2 yang mensertifikasi sepuluh desimal ln2\ln 2? Tunjukkan bahwa n=10n = 10 mencukupi.

Bagian III — Rumus Machin.

  1. Hitunglah (5+i)4(5 + \iu)^4 lalu periksalah kesamaan kompleks

    (5+i)4=2(1+i)(239+i).(5 + \iu)^4 = 2\,(1 + \iu)\,(239 + \iu) .

    Lalu dengan mengambil argumennya (menurut kesepakatan Bab 3), simpulkanlah rumus Machin

    π4=4arctan15arctan1239.\frac\pi4 = 4\arctan\frac15 - \arctan\frac{1}{239} .

    (Periksalah bahwa tak ada argumen yang meninggalkan (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}.)

  2. Seperti pada pertanyaan 3, tegakkanlah untuk 0<x<10 < x < 1:

    arctanx=k=0n(1)kx2k+12k+1+rn(x),rn(x)x2n+32n+3.\arctan x = \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k x^{2k+1}}{2k+1} + r_n(x), \qquad \abs{r_n(x)} \leq \frac{x^{2n+3}}{2n+3} .
  3. Sertifikasikanlah π\pi sampai tujuh desimal dengan enam suku: batasilah galat totalnya

    π16k=04(1)k(1/5)2k+12k+14(1239132393)\pi \approx 16\sum_{k=0}^{4} \frac{(-1)^k (1/5)^{2k+1}}{2k+1} - 4\Bigl(\frac{1}{239} - \frac{1}{3\cdot239^3}\Bigr)

    oleh 16(1/5)1111+4(1/239)55<510816\,\frac{(1/5)^{11}}{11} + 4\,\frac{(1/239)^5}{5} < 5\cdot10^{-8}, lalu berikanlah nilai yang dihasilkannya 3.14159263.1415926\dots

  4. Bandingkanlah ketiga rute menuju π\pi yang kini tersedia — yaitu Leibniz (pertanyaan 4), integral Dalzell pada Soal 15.1 (dengan galat 415m4^{1-5m}), dan Machin (dengan galat 165(2n+3)\approx 16\cdot 5^{-(2n+3)}) — dalam angka per suku, lalu jelaskanlah mengapa mengecilkan titik penilaiannya mengalahkan segalanya.

Bagian IV — Perangkap bilangan bulat, edisi berselang-seling.

  1. Andaikan cos1=pq\cos 1 = \frac pq. Kalikanlah apitan berselang-seling yang tegas bagi k(1)k(2k)!\sum_{k} \frac{(-1)^k}{(2k)!} (pertanyaan 1) dengan (2n)!(2n)! dengan 2nq2n \geq q, lalu turunkanlah sebuah pertentangan: sehingga cos1\cos 1 irasional.
  2. Sesuaikanlah bagi sin1=k(1)k(2k+1)!\sin 1 = \sum_k \frac{(-1)^k}{(2k+1)!} (dengan mengalikannya dengan (2n+1)!(2n+1)!): sehingga sin1Q\sin 1 \notin \Q. Keduanya irasional, namun cos21+sin21=1\cos^2 1 + \sin^2 1 = 1: jadi keirasionalan tak stabil di bawah aljabar.
  3. Adapun sepupunya yang tak berselang-seling: cosh1=k1(2k)!\cosh 1 = \sum_k \frac{1}{(2k)!} (dalam arti jumlah parsialnya, dengan batas ekor dua sisinya 0<cosh1kn1(2k)!<2(2n+2)!0 < \cosh 1 - \sum_{k \leq n} \frac{1}{(2k)!} < \frac{2}{(2n+2)!}, yang harus dibuktikan). Simpulkanlah cosh1Q\cosh 1 \notin \Q lewat perangkap yang sama.
  4. Doronglah ke cos1m\cos\frac 1m untuk setiap bilangan bulat m1m \geq 1: kalikanlah dengan m2n(2n)!m^{2n}(2n)! lalu simpulkanlah cos1mQ\cos\frac1m \notin \Q. Di manakah upaya yang sama patah bagi cosab\cos\frac ab dengan b>1b > 1 yang umum? (Kenalilah penyebut yang tak lagi terbersihkan.)

Bagian V — Yang lebih tajam dan lebih gelap: bentuk kesamaannya, dan sebuah fungsi yang menipu Taylor.

  1. (Taylor–Lagrange, bentuk kesamaannya) Misalkan ff dapat diturunkan n+1n + 1 kali di antara aa dan xx. Definisikanlah g(t)=f(x)k=0nf(k)(t)k!(xt)kA(xt)n+1(n+1)!g(t) = f(x) - \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(t)}{k!}(x - t)^k - A\,\frac{(x-t)^{n+1}}{(n+1)!} dengan konstanta AA yang dipilih sehingga g(a)=0g(a) = 0. Hitunglah gg' (karena jumlahnya berteleskop), terapkanlah Rolle pada [a,x]\intcc{a}{x}, lalu simpulkanlah bahwa ada cc yang tegas di antara aa dan xx dengan

    f(x)=k=0nf(k)(a)k!(xa)k+f(n+1)(c)(n+1)!(xa)n+1.f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}\,(x-a)^{n+1} .
  2. Dividen kesamaannya: untuk x>0x > 0 tunjukkanlah

    ex>1+x+x22!++xnn!\eu^x > 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \dots + \frac{x^n}{n!}

    (secara tegas, untuk setiap nn), lalu tunjukkanlah di mana ketaksamaannya berbalik untuk x<0x < 0 menurut keparitasan nn.

  3. Tolok ukurkanlah sisanya pada sin(0.5)\sin(0.5) pada orde 33: karena Young hanya memberikan o(x3)o(x^3) (tanpa angka); sedangkan Lagrange memberikan sin0.5(0.50.536)0.55120=2.61104\abs{\sin 0.5 - (0.5 - \frac{0.5^3}{6})} \leq \frac{0.5^5}{120} = 2.61\cdot10^{-4}; sementara taksiran berselang-selingnya memberikan batas yang sama ditambah keterangan tandanya sin0.5>0.50.536\sin 0.5 > 0.5 - \frac{0.5^3}{6}. Bandingkanlah dengan galat sejatinya 2.591042.59\cdot10^{-4}: jadi batasnya hampir tercapai. Perkakas mana yang akan kamu raih, dan kapan?
  4. (Fungsi yang rata) Misalkan f(x)=e1/x2f(x) = \eu^{-1/x^2} untuk x0x \neq 0, dan f(0)=0f(0) = 0. Tunjukkan bahwa ff kontinu di 00, bahwa f(0)=0f'(0) = 0, dan secara lebih umum — dengan membuktikan bahwa setiap turunannya berbentuk f(k)(x)=Pk(1x)e1/x2f^{(k)}(x) = P_k\bigl(\frac1x\bigr)\eu^{-1/x^2} untuk suatu polinomial PkP_k (lewat induksi) — bahwa f(k)(0)=0f^{(k)}(0) = 0 untuk setiap kk (menurut perbandingan pertumbuhan Proposisi 4.6). Simpulkanlah: bahwa semua polinomial Taylor ff di 00 lenyap, namun f(x)>0f(x) > 0 untuk x0x \neq 0: jadi Taylor–Young berlaku pada setiap ordenya, dan tak mengatakan apa pun tentang ff jauh dari 00. Jadi ekspansi memerikan perilaku setempat, bukan fungsinya.

Bagian VI — Sintesis.

  1. Jalankanlah perangkapnya sekali lagi, pada e1=k(1)kk!\eu^{-1} = \sum_k \frac{(-1)^k}{k!}: kalikanlah apitan berselang-seling yang tegas dengan n!n! lalu simpulkanlah e1Q\eu^{-1} \notin \Q, sehingga eQ\eu \notin \Q — yaitu bukti ketiga bagi fakta ini dalam jilid ini. Daftarkanlah ketiganya (yaitu barisan berdampingan, Latihan 11.9; integral, Soal 15.1; dan jumlah berselang-seling, di sini) beserta apa yang diperlukan masing-masingnya.
  2. Adapun catatan halusnya: bahwa kemonotonannya bukan hiasan. Misalkan bk=1kb_k = \frac1k untuk kk yang ganjil dan bk=1k2b_k = \frac{1}{k^2} untuk kk yang genap: maka bkb_k bersifat positif dan menuju 00, namun jumlah parsial (1)kbk\sum (-1)^k b_k divergen ke -\infty. Buktikanlah (pecahlah jumlah parsialnya menjadi bagian genapnya, yang terbatas lewat Contoh 11.22, dan bagian ganjilnya, yang mendominasi separuh deret harmoniknya, Latihan 11.5), lalu katakanlah langkah mana persisnya pada pertanyaan 1 yang memakai kemonotonannya.
  3. Periksalah kesamaan Euler yang lebih sederhana arctan12+arctan13=π4\arctan\frac12 + \arctan\frac13 = \frac\pi4 lewat (2+i)(3+i)=5(1+i)(2 + \iu)(3 + \iu) = 5(1 + \iu), taksirlah suku yang diperlukan bagi enam desimal π\pi lewat rute ini (n=10n = 10 mencukupi), lalu tempatkanlah ia di antara Leibniz dan Machin pada peringkat pertanyaan 13.
  4. Sintesis, satu kalimat untuk masing-masing: (i) nyatakanlah taksiran berselang-selingnya beserta kedua keluarannya (yaitu batas dan tanda); (ii) mengapakah kesamaan hingga yang persis dengan sisa yang eksplisit mengalahkan pernyataan limit bagi numerik yang bersertifikat; (iii) daftar isi soal ini (π\pi sampai 10710^{-7} dengan tangan, ln2\ln 2 sampai sepuluh desimal, empat bukti keirasionalan, satu teorema kesamaan, dan satu contoh peringatan); (iv) benang mana di antaranya yang akan dipungut Bab 17 (yaitu uji deret berselang-seling, kekonvergenan mutlak lawan bersyarat, dan drama penyusunan ulang pada soal akhir pekannya).
Solusi

Solusi Soal 16.1.

1. Di sini S2n+1S2n1=a2na2n+10S_{2n+1} - S_{2n-1} = a_{2n} - a_{2n+1} \geq 0 dan S2n+2S2n=a2n+2a2n+10S_{2n+2} - S_{2n} = a_{2n+2} - a_{2n+1} \leq 0, sedangkan S2nS2n+1=a2n+10S_{2n} - S_{2n+1} = a_{2n+1} \to 0: sehingga barisan (S2n+1)(S_{2n+1}) dan (S2n)(S_{2n}) berdampingan, yang konvergen ke SS yang sama (Teorema 11.11) dengan S2n+1SS2nS_{2n+1} \leq S \leq S_{2n}. Untuk nn yang genap: Sn+1SSnS_{n+1} \leq S \leq S_n memberikan an+1SSn0-a_{n+1} \leq S - S_n \leq 0; sedangkan untuk nn yang ganjil: 0SSnan+10 \leq S - S_n \leq a_{n+1}. Pada kedua kasusnya SSnan+1\abs{S - S_n} \leq a_{n+1} dan SSnS - S_n bertanda sama dengan (1)n+1(-1)^{n+1}, yaitu suku pertama yang dihilangkan. Adapun penurunan yang tegas membuat setiap ketaksamaan yang terpampang menjadi tegas, khususnya 0<SSn<an+10 < \abs{S - S_n} < a_{n+1}.

2. Di sini ak=1k!a_k = \frac{1}{k!} turun tegas ke 00: sehingga pertanyaan 1 berlaku. Lalu Taylor–Lagrange (Teorema 16.7) bagi exp\exp di antara 1-1 dan 00: e1Tn1(n+1)!\abs{\eu^{-1} - T_n} \leq \frac{1}{(n+1)!} (karena turunannya et\eu^t bernilai 1\leq 1 di sana), sehingga Tne1T_n \to \eu^{-1}, dan limit SS pada pertanyaan 1 adalah e1\eu^{-1}, dengan batas tegasnya 0<e1Tn<1(n+1)!0 < \abs{\eu^{-1} - T_n} < \frac{1}{(n+1)!}.

3. Dengan mengintegralkan kesamaannya atas [0,1]\intcc{0}{1}: ruas kirinya menjadi arctan1=π4\arctan 1 = \frac\pi4 (menurut teorema fundamentalnya), lalu suku ke-kk-nya memberikan (1)k2k+1\frac{(-1)^k}{2k+1}, dan

ρn=(1)n+101t2n+21+t2 ⁣dt,ρn01t2n+2 ⁣dt=12n+3.\rho_n = (-1)^{n+1}\int_0^1 \frac{t^{2n+2}}{1+t^2}\dd t, \qquad \abs{\rho_n} \leq \int_0^1 t^{2n+2}\dd t = \frac{1}{2n+3} .

4. Galat pada π\pi adalah 4ρn42n+34\abs{\rho_n} \leq \frac{4}{2n+3}: dan di bawah 10610^{-6} menuntut 2n+3>41062n + 3 > 4\cdot10^6, yakni kira-kira dua juta suku. Sementara itu 4S4=4(113+1517+19)=4×0.834921=3.3396834S_4 = 4\bigl(1 - \frac13 + \frac15 - \frac17 + \frac19\bigr) = 4 \times 0.834921 = 3.339683, yang hampir 0.20.2 jauhnya dari π\pi: jadi lima suku, tanpa satu angka pun.

5. Dengan mengintegralkannya atas [0,1]\intcc{0}{1}: ln2=k=1n(1)k1k+(1)nRn\ln 2 = \sum_{k=1}^{n} \frac{(-1)^{k-1}}{k} + (-1)^n R_n dengan Rn=01tn1+t ⁣dtR_n = \int_0^1 \frac{t^n}{1+t}\dd t; lalu dari 1211+t1\frac12 \leq \frac{1}{1+t} \leq 1: 12(n+1)Rn1n+1\frac{1}{2(n+1)} \leq R_n \leq \frac{1}{n+1}. Jadi galatnya terperangkap di antara dua kelipatan 1n\frac1n: sehingga enam desimal berongkos kira-kira sejuta suku.

6. Dengan mengintegralkannya dari 00 sampai xx: 12ln1+x1x=k=0nx2k+12k+1+0xt2n+21t2 ⁣dt\frac12\ln\frac{1 + x}{1 - x} = \sum_{k=0}^{n} \frac{x^{2k+1}}{2k+1} + \int_0^x \frac{t^{2n+2}}{1-t^2}\dd t. Lalu di x=13x = \frac13: 1+1/311/3=2\frac{1 + 1/3}{1 - 1/3} = 2, dan pada [0,13]\intcc{0}{\frac13}, 11t298\frac{1}{1 - t^2} \leq \frac98:

ln2=2k=0n(1/3)2k+12k+1+ρ~n,0<ρ~n94(1/3)2n+32n+3:\ln 2 = 2\sum_{k=0}^{n} \frac{(1/3)^{2k+1}}{2k+1} + \tilde\rho_n, \qquad 0 < \tilde\rho_n \leq \frac{9}{4}\cdot \frac{(1/3)^{2n+3}}{2n+3} :

sehingga setiap suku tambahannya membagi galatnya kira-kira dengan 99.

7. Lewat induksi: untuk n=1n = 1: 112=12=H2H11 - \frac12 = \frac12 = H_2 - H_1. Adapun langkahnya:

H2n+2Hn+1=(H2nHn)+12n+1+12n+21n+1=(H2nHn)+12n+112n+2,H_{2n+2} - H_{n+1} = (H_{2n} - H_n) + \frac{1}{2n+1} + \frac{1}{2n+2} - \frac{1}{n+1} = (H_{2n} - H_n) + \frac{1}{2n+1} - \frac{1}{2n+2},

yang persis merupakan pertambahan jumlah berselang-selingnya. Dan H2nHn=k=1n1n+kH_{2n} - H_n = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{n+k} merupakan jumlah Riemann pada Contoh 15.21, yang konvergen ke ln2\ln 2: jadi jumlah parsial genap Cara 1 adalah jumlah Riemann Cara 3.

8. Di sini k=16(1)k1k=0.61667\sum_{k=1}^{6}\frac{(-1)^{k-1}}{k} = 0.61667, dengan galat 0.07650.0765; sedangkan Cara 2 pada n=5n = 5 memberikan 0.69314710.6931471 dengan galat 94(1/3)1313=1.1107\leq \frac94\cdot\frac{(1/3)^{13}}{13} = 1.1\cdot10^{-7}. Adapun alasannya: bahwa Cara 1 menilai deret logaritmanya di titik perbatasan x=1x = 1, yang di situ sukunya meluruh seperti 1k\frac1k; sedangkan Cara 2 menilainya di x=13x = \frac13, yang jauh di dalam, yang di situ setiap sukunya membawa faktor 19\frac19 yang baru.

9. Sepuluh desimal: kita menginginkan ρ~n51011\tilde\rho_n \leq 5\cdot10^{-11}. Pada n=10n = 10: 94(1/3)2323=941.061011231.01012<51011\frac94 \cdot \frac{(1/3)^{23}}{23} = \frac94\cdot\frac{1.06\cdot10^{-11}}{23} \approx 1.0\cdot10^{-12} < 5\cdot10^{-11}: sehingga sebelas suku mencukupi.

10. Di sini (5+i)2=24+10i(5+\iu)^2 = 24 + 10\iu, lalu (5+i)4=(24+10i)2=476+480i(5+\iu)^4 = (24 + 10\iu)^2 = 476 + 480\iu; dan 2(1+i)(239+i)=2(238+240i)=476+480i2(1+\iu)(239+\iu) = 2(238 + 240\iu) = 476 + 480\iu: jadi sama. Adapun argumennya: arg(5+i)=arctan15\arg(5 + \iu) = \arctan\frac15, sehingga ruas kirinya berargumen 4arctan150.79(0,π)4\arctan\frac15 \approx 0.79 \in \intoo{0}{\pi}; sedangkan ruas kanannya berargumen π4+arctan1239(0,π)\frac\pi4 + \arctan\frac{1}{239} \in \intoo{0}{\pi}. Jadi dua bilangan kompleks yang sama dengan argumen pada selang yang sama berpanjang <2π< 2\pi:

4arctan15=π4+arctan1239,4\arctan\frac15 = \frac\pi4 + \arctan\frac{1}{239} ,

yang merupakan rumus Machin.

11. Integralkanlah 11+t2=k=0n(1)kt2k+(1)n+1t2n+21+t2\frac{1}{1+t^2} = \sum_{k=0}^n (-1)^k t^{2k} + \frac{(-1)^{n+1}t^{2n+2}}{1+t^2} dari 00 sampai xx:

arctanx=k=0n(1)kx2k+12k+1+rn(x),rn(x)0xt2n+2 ⁣dt=x2n+32n+3.\arctan x = \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k x^{2k+1}}{2k+1} + r_n(x), \qquad \abs{r_n(x)} \leq \int_0^x t^{2n+2}\dd t = \frac{x^{2n+3}}{2n+3} .

12. Galatnya: 16(1/5)1111=3.010816\,\frac{(1/5)^{11}}{11} = 3.0\cdot 10^{-8} dan 4(1/239)55110124\,\frac{(1/239)^5}{5} \approx 1\cdot10^{-12}: jadi totalnya <5108< 5\cdot10^{-8}. Adapun jumlah yang terpampang bernilai 3.141592683.14159268\dots, sehingga π=3.1415926\pi = 3.1415926\dots tersertifikasi sampai 51085\cdot10^{-8}: jadi tujuh desimal dari enam suku (yaitu lima di 15\frac15, dan dua di 1239\frac1{239} bila dihitung dengan murah hati).

13. Leibniz: dengan galat 1n\sim \frac1n, sehingga setiap angka barunya mengalikan bebannya dengan sepuluh. Dalzell (Soal 15.1, pertanyaan 22): dengan galat 415m4^{1-5m}, yakni kira-kira tiga angka per langkah, dengan setiap langkahnya berupa polinomial yang lebih berat. Machin: dengan nisbah galat 125\frac{1}{25} per suku, yakni kira-kira 1.41.4 angka per suku, dengan setiap sukunya satu pembagian. Adapun moralnya: bahwa sisa ekspansi bertipe geometri terskala seperti x2nx^{2n}, sehingga membuat xx kecil membeli angka dengan ongkos yang tetap per suku — jadi kesamaan kompleks Machin persis merupakan mesin bagi pengecilan xx.

14. Di sini ak=1(2k)!a_k = \frac{1}{(2k)!} turun tegas ke 00; sehingga menurut pertanyaan 1 dan Proposisi 16.11 (dengan batas Lagrange seperti pada pertanyaan 2), kn(1)k(2k)!cos1\sum_{k \leq n}\frac{(-1)^k}{(2k)!} \to \cos 1 dengan kurung yang tegas 0<cos1Sn<1(2n+2)!0 < \bigl|\cos 1 - S'_n\bigr| < \frac{1}{(2n+2)!}. Andaikan cos1=pq\cos 1 = \frac pq lalu ambillah 2nq2n \geq q: maka (2n)!Sn=kn(1)k(2n)!(2k)!Z(2n)!\,S'_n = \sum_{k\leq n} (-1)^k \frac{(2n)!}{(2k)!} \in \Z dan (2n)!pqZ(2n)!\,\frac pq \in \Z, sedangkan

0<(2n)!cos1(2n)!Sn<(2n)!(2n+2)!=1(2n+1)(2n+2)<1:0 < \Bigl|(2n)!\cos 1 - (2n)!S'_n\Bigr| < \frac{(2n)!}{(2n+2)!} = \frac{1}{(2n+1)(2n+2)} < 1 :

yaitu bilangan bulat taknol yang nilai mutlaknya <1< 1. Jadi bertentangan: sehingga cos1Q\cos 1 \notin \Q.

15. Dengan cara yang identik memakai ak=1(2k+1)!a_k = \frac{1}{(2k+1)!}, lalu mengalikannya dengan (2n+1)!(2n+1)! dengan 2n+1q2n + 1 \geq q: maka sin1Q\sin 1 \notin \Q. Namun cos21+sin21=1Q\cos^2 1 + \sin^2 1 = 1 \in \Q: jadi hasil kali dan jumlah bilangan irasional boleh saja rasional — sehingga keirasionalan tak melewati operasi aljabar mana pun secara cuma-cuma.

16. Adapun batas ekornya: untuk m>nm > n,

k=n+1m1(2k)!1(2n+2)!(1+12+14+)2(2n+2)!,\sum_{k=n+1}^{m} \frac{1}{(2k)!} \leq \frac{1}{(2n+2)!}\Bigl(1 + \frac12 + \frac14 + \dots\Bigr) \leq \frac{2}{(2n+2)!} ,

karena setiap nisbah berurutannya adalah 1(2k+1)(2k+2)12\frac{1}{(2k+1)(2k+2)} \leq \frac12; sedangkan ekornya positif (karena suku pertamanya demikian). Jadi 0<cosh1kn1(2k)!<2(2n+2)!0 < \cosh 1 - \sum_{k\leq n}\frac{1}{(2k)!} < \frac{2}{(2n+2)!}, lalu mengalikannya dengan (2n)!(2n)! dengan 2nq2n \geq q memerangkap bilangan bulat taknol di (0,1)\intoo{0}{1} lagi: sehingga cosh1Q\cosh 1 \notin \Q.

17. Di sini cos1m=k(1)km2k(2k)!\cos\frac1m = \sum_k \frac{(-1)^k}{m^{2k}(2k)!}: sukunya turun tegas ke nol, dan m2n(2n)!1m2k(2k)!=m2(nk)(2n)!(2k)!Zm^{2n}(2n)!\cdot\frac{1}{m^{2k}(2k)!} = m^{2(n-k)}\frac{(2n)!}{(2k)!} \in \Z untuk knk \leq n. Jika cos1m=pq\cos\frac1m = \frac pq, kalikanlah kurung tegasnya dengan qm2n(2n)!q\,m^{2n}(2n)!: maka galatnya terbatas oleh qm2(2n+1)(2n+2)<1\frac{q}{m^2(2n+1)(2n+2)} < 1 untuk nn yang besar: jadi bertentangan. Adapun untuk ab\frac ab dengan a2a \geq 2: membersihkan penyebutnya mengalikan ekornya dengan b2n(2n)!b^{2n}(2n)!, tetapi suku pertama yang dihilangkan adalah a2n+2b2n+2(2n+2)!\frac{a^{2n+2}}{b^{2n+2}(2n+2)!}, dan hasil kalinya a2n+2b2(2n+1)(2n+2)\frac{a^{2n+2}}{b^2(2n+1)(2n+2)} meledak: sehingga pembilangnya a2n+2a^{2n+2} tak lagi terbersihkan, dan perangkapnya macet. (Adapun hasilnya tetap benar — lewat mesin bergaya Niven, bukan yang ini.)

18. Di t=xt = x setiap suku gg lenyap kecuali f(x)f(x)=0f(x) - f(x) = 0: sehingga g(x)=0g(x) = 0; dan AA dipilih agar g(a)=0g(a) = 0. Lalu menurunkannya, jumlahnya berteleskop:

g(t)=f(n+1)(t)n!(xt)n+A(xt)nn!=(xt)nn!(Af(n+1)(t)).g'(t) = -\frac{f^{(n+1)}(t)}{n!}(x - t)^n + A\,\frac{(x-t)^n}{n!} = \frac{(x-t)^n}{n!}\bigl(A - f^{(n+1)}(t)\bigr) .

Lalu Rolle pada ruas dari aa ke xx memberikan cc yang tegas di antaranya dengan g(c)=0g'(c) = 0; dan karena (xc)n0(x - c)^n \neq 0: maka A=f(n+1)(c)A = f^{(n+1)}(c). Sehingga membuka g(a)=0g(a) = 0 menghasilkan kesamaan Taylornya dengan sisa f(n+1)(c)(n+1)!(xa)n+1\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}.

19. Untuk x>0x > 0, sisanya adalah ec(n+1)!xn+1>0\frac{\eu^{c}} {(n+1)!}x^{n+1} > 0: sehingga eksponensialnya melampaui setiap polinomial Taylornya, secara tegas, pada setiap ordenya. Adapun untuk x<0x < 0 tanda sisanya sama dengan tanda xn+1x^{n+1}: jadi ex\eu^x berada di atas polinomialnya untuk nn yang ganjil, dan di bawahnya untuk nn yang genap — yaitu sisi yang berselang-seling, sebagaimana grafik 1+x1 + x dan 1+x+x221 + x + \frac{x^2}{2} terhadap ex\eu^x sudah memperlihatkan.

20. Galat sejatinya: sin0.50.4791667=2.59104\sin 0.5 - 0.4791667 = 2.59\cdot10^{-4}, terhadap batasnya 0.55120=2.60104\frac{0.5^5}{120} = 2.60\cdot10^{-4}: jadi hampir tercapai (karena suku berikutnya mendominasi ekornya). Adapun Young: bagi limit dan analisis setempat, yang di situ tak ada konstanta yang diperlukan. Lagrange: bagi desimal yang bersertifikat. Sedangkan yang berselang-seling: bila berlaku, ia memberikan batas yang sama ditambah arah galatnya — jadi yang terbaik di antara ketiganya, tetapi yang paling jarang.

21. Kekontinuannya di 00: dengan u=1x2+u = \frac{1}{x^2} \to +\infty, f(x)=eu0=f(0)f(x) = \eu^{-u} \to 0 = f(0). Adapun turunannya di 00: f(h)h=ueu0\bigl|\frac{f(h)}{h}\bigr| = \sqrt u\,\eu^{-u} \to 0 (Proposisi 4.6): sehingga f(0)=0f'(0) = 0. Untuk x0x \neq 0, f(x)=2x3e1/x2f'(x) = \frac{2}{x^3}\eu^{-1/x^2}: yaitu bentuk P1(1x)e1/x2P_1\bigl(\frac1x\bigr)\eu^{-1/x^2} dengan P1(X)=2X3P_1(X) = 2X^3; lalu secara induktif, menurunkan Pk(1x)e1/x2P_k(\frac1x)\eu^{-1/x^2} memberikan Pk+1(X)=2X3Pk(X)X2Pk(X)P_{k+1}(X) = 2X^3 P_k(X) - X^2 P_k'(X), yaitu sebuah polinomial. Lalu

f(k)(h)0h=vPk(v)ev2v=1/h0\frac{f^{(k)}(h) - 0}{h} = v\,P_k(v)\,\eu^{-v^2} \Big|_{v = 1/h} \longrightarrow 0

(yaitu polinomial terhadap ev2\eu^{-v^2}, menurut perbandingan pertumbuhan di ±\pm\infty): sehingga lewat induksi f(k)(0)=0f^{(k)}(0) = 0 untuk setiap kk. Jadi semua polinomial Taylor ff di 00 lenyap, namun f>0f > 0 di luar 00: sehingga Taylor–Young persis pada setiap ordenya dan buta di luar perilaku setempatnya. Jadi sebuah ekspansi hanyalah keterangan yang setempat.

22. Menurut pertanyaan 2, 0<e1Tn<1(n+1)!0 < \abs{\eu^{-1} - T_n} < \frac{1}{(n+1)!}, secara tegas. Jika e1=pq\eu^{-1} = \frac pq, ambillah nqn \geq q lalu kalikanlah dengan n!n!: maka n!TnZn!\,T_n \in \Z dan n!pqZn!\frac pq \in \Z, sehingga sebuah bilangan bulat taknol bernilai mutlak <n!(n+1)!=1n+1<1< \frac{n!}{(n+1)!} = \frac{1}{n+1} < 1: jadi bertentangan. Sehingga e1Q\eu^{-1} \notin \Q, dan e=1e1\eu = \frac{1}{\eu^{-1}} pun irasional. Adapun ketiga buktinya: barisan berdampingan yang mengapit q!eq!\,\eu (Latihan 11.9); rekurensi integral An=enAn1A_n = \eu - nA_{n-1} (Soal 15.1); dan kurung berselang-selingnya (di sini). Jadi satu perangkap, tiga sertifikat kekecilan.

23. Kelompokkanlah jumlah parsialnya berpasangan: k=12n(1)kbk=EnOn\sum_{k=1}^{2n} (-1)^k b_k = E_n - O_n dengan En=j=1n14j2E_n = \sum_{j=1}^{n} \frac{1}{4j^2}, yang terbatas (menurut batas teleskopis pada Contoh 11.22, En12E_n \leq \frac12), dan On=j=1n12j112Hn+O_n = \sum_{j=1}^{n}\frac{1}{2j-1} \geq \frac12 H_n \to +\infty (Latihan 11.5): sehingga jumlah parsialnya menuju -\infty. Adapun kemonotonannya dipakai pada pertanyaan 1 persis di tempat S2n+1S2n1=a2na2n+1S_{2n+1} - S_{2n-1} = a_{2n} - a_{2n+1} memerlukan sebuah tanda: karena tanpa penurunannya, subbarisan genap dan ganjilnya tak harus monoton, sehingga kedampingannya runtuh.

24. Di sini (2+i)(3+i)=5+5i=5(1+i)(2+\iu)(3+\iu) = 5 + 5\iu = 5(1+\iu); lalu mengambil argumennya (yang semuanya di (0,π2)\intoo{0}{\frac\pi2}): arctan12+arctan13=π4\arctan\frac12 + \arctan\frac13 = \frac\pi4. Adapun ongkos deretnya bagi enam desimal: galatnya 4((1/2)2n+32n+3+(1/3)2n+32n+3)\leq 4\bigl(\frac{(1/2)^{2n+3}}{2n+3} + \frac{(1/3)^{2n+3}}{2n+3}\bigr), yang pada n=10n = 10 bernilai 2108<5107\approx 2\cdot10^{-8} < 5\cdot10^{-7}: jadi sebelas suku. Peringkatnya: lebih baik daripada Leibniz dengan selisih yang eksponensial, tetapi di belakang Machin (yang titik dominannya 15\frac15 lebih kecil daripada 12\frac12): yaitu kira-kira 0.60.6 angka per suku terhadap 1.41.4 milik Machin.

25. (i) Untuk ak0a_k \to 0 yang menurun, jumlah parsial berselang-selingnya konvergen dengan SSnan+1\abs{S - S_n} \leq a_{n+1} dan galatnya membawa tanda suku pertama yang dihilangkan. (ii) Adapun kesamaan hingga dengan sisa yang eksplisit dapat dinilai dan dibatasi di sebuah titik yang dipilih, sedangkan pernyataan limit hanya menjanjikan kedekatan yang akhirnya — sehingga sertifikasi memerlukan yang pertama. (iii) Yang terpetik: π\pi sampai 51085\cdot10^{-8} lewat Machin, ln2\ln 2 sampai sepuluh desimal lewat deret 13\frac13-nya, keirasionalan cos1\cos 1, sin1\sin 1, cosh1\cosh 1, cos1m\cos\frac1m dan e1\eu^{-1}, beserta kesamaan Taylor–Lagrange, dan peringatan fungsi yang rata. (iv) Adapun Bab 17 menaikkan pangkat pertanyaan 1 menjadi uji deret berselang-seling, memisahkan kekonvergenan mutlak dari yang bersyarat, lalu soal akhir pekannya mementaskan drama penyusunan ulang yang bagi drama itu deret harmonik berselang-seling Cara 1 menjadi saksi utamanya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium