Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

4Fungsi Baku

Analisis hanya seberguna persediaan fungsi yang kita kuasai. Pada koleksi warisan sekolah menengah — pangkat, eksponensial, logaritma, fungsi trigonometri — bab ini menambahkan fungsi inversnya (arcsin\arcsin, arccos\arccos, arctan\arctan) dan keluarga hiperbolik. Turunan dipakai dengan bebas pada taraf sekolah menengah; teori di balik fungsi invers dituntaskan pada Bab 13 dan 14.

4.1 Eksponensial, logaritma, pangkat

Proposisi 4.1 (Ringkasan dan pencirian)

exp ⁣:R(0,+)\exp \colon \R \to \intoo{0}{+\infty} dan ln ⁣:(0,+)R\ln \colon \intoo{0}{+\infty} \to \R adalah dua bijeksi yang saling invers, naik tegas, dengan

exp(x+y)=expxexpy,ln(xy)=lnx+lny,exp=exp,ln(x)=1x.\exp(x + y) = \exp x \exp y, \qquad \ln(xy) = \ln x + \ln y, \qquad \exp' = \exp, \qquad \ln'(x) = \frac 1x .

Lebih lanjut, exp\exp adalah satu-satunya fungsi f ⁣:RRf \colon \R \to \R yang dapat diturunkan dengan f=ff' = f dan f(0)=1f(0) = 1.

Bukti. Ringkasannya adalah bahan sekolah menengah. Untuk ketunggalannya, misalkan f=ff' = f, f(0)=1f(0) = 1, lalu tulis g(x)=f(x)exg(x) = f(x)\,\eu^{-x}. Maka g=fexfex=0g' = f'\eu^{-x} - f\eu^{-x} = 0, jadi gg konstan dan sama dengan g(0)=1g(0) = 1: f=expf = \exp.

Definisi 4.2 (Pangkat umum)

Untuk x>0x > 0 dan αR\alpha \in \R:   xα=eαlnx\;x^\alpha = \eu^{\alpha \ln x}. Untuk a>0a > 0, a1a \neq 1, logaritma dengan bilangan pokok aa adalah logax=lnxlna\log_a x = \frac{\ln x}{\ln a}, yaitu invers xaxx \mapsto a^x.

Contoh 4.3 (Menyelesaikan persamaan eksponensial)

Selesaikan 2x=5x12^x = 5^{\,x-1} di R\R. Kedua ruasnya positif, jadi ambil logaritmanya — langkah yang dapat dibalik:

xln2=(x1)ln5    x(ln2ln5)=ln5    x=ln5ln5ln2=ln5ln521.756.x\ln2 = (x - 1)\ln5 \iff x(\ln2 - \ln5) = -\ln5 \iff x = \frac{\ln5}{\ln5 - \ln2} = \frac{\ln 5}{\ln\frac52} \approx 1.756 .

Berikutnya, selesaikan x2=3x^{\sqrt2} = 3 untuk x>0x > 0: pangkatkan dengan 12\frac1{\sqrt2} (yakni terapkan bijeksi inversnya): x=31/2=e(ln3)/22.175x = 3^{1/\sqrt2} = \eu^{(\ln 3)/\sqrt2} \approx 2.175. Inti gagasannya: setiap persamaan yang mencampur pangkat terurai lewat ln\ln dan exp\exp, karena definisi xα=eαlnxx^\alpha = \eu^{\alpha\ln x} menyusutkan semua manipulasi pangkat menjadi aritmetika eksponen — tetapi hanya pada daerah x>0x > 0 yang di situlah definisi itu hidup.

Contoh 4.4 (Waktu penggandaan)

Sebuah besaran tumbuh 3%3\% per langkah: setelah nn langkah ia terkali (1.03)n(1.03)^n. Kapan ia berlipat dua? Selesaikan (1.03)n2(1.03)^n \geq 2:

nln(1.03)ln2    nln2ln1.03=0.69310.0295623.4,n\ln(1.03) \geq \ln2 \iff n \geq \frac{\ln 2}{\ln 1.03} = \frac{0.6931}{0.02956} \approx 23.4 ,

jadi penggandaan pertama terjadi pada langkah 2424. (“Aturan 7272” para pemodal, yang menaksir waktu penggandaan sebagai 7272 dibagi lajunya dalam persen, adalah perhitungan ini dengan hampiran ln(1+x)x\ln(1 + x) \approx x, yang dikuantifikasi pada Bab 16.) Proses eksponensial paling baik dinalar lewat logaritmanya: pada skala itu, pertumbuhannya linear dan pertanyaannya menjadi pembagian.

Contoh 4.5 (Sepanjang apa 220262^{2026}?)

Banyaknya angka desimal sebuah bilangan bulat N1N \geq 1 adalah log10N+1\floor{\log_{10} N} + 1 (memang NN mempunyai dd angka tepat ketika 10d1N<10d10^{d-1} \leq N < 10^d, yakni d1log10N<dd - 1 \leq \log_{10}N < d). Untuk N=22026N = 2^{2026}:

log1022026=2026log102=2026×0.301030=609.887,\log_{10} 2^{2026} = 2026\,\log_{10}2 = 2026 \times 0.301030 = 609.887 ,

jadi 220262^{2026} mempunyai 610610 angka. Bagian pecahannya membawa bonus: 100.8877.710^{0.887} \approx 7.7, jadi bilangan itu diawali 77. Satu perkalian menjawab pertanyaan tentang bilangan yang tak seorang pun akan pernah menuliskannya — logaritma memampatkan ukuran perkalian menjadi ukuran penjumlahan, dan itulah seluruh maknanya secara historis (Contoh 7.12 membuat kalimat itu menjadi tepat).

Proposisi 4.6 (Kaidah pangkat dan perbandingan pertumbuhan)

Untuk x,y>0x, y > 0 dan α,βR\alpha, \beta \in \R:

xα+β=xαxβ,(xα)β=xαβ,(xy)α=xαyα,(xα)=αxα1.x^{\alpha+\beta} = x^\alpha x^\beta, \quad (x^\alpha)^\beta = x^{\alpha\beta}, \quad (xy)^\alpha = x^\alpha y^\alpha, \quad (x^\alpha)' = \alpha\, x^{\alpha - 1}.

Skala pertumbuhan ketika x+x \to +\infty, untuk setiap α>0\alpha > 0 dan β>0\beta > 0:

(lnx)βxα0,xαeβx0.\frac{(\ln x)^\beta}{x^\alpha} \longrightarrow 0, \qquad \frac{x^\alpha}{\eu^{\beta x}} \longrightarrow 0 .

Bukti. Kesamaan itu menyalin kesamaan exp\exp dan ln\ln lewat definisinya. Secara rinci untuk yang kedua (yang paling tak kasatmata): xα>0x^\alpha > 0 dan ln(xα)=αlnx\ln(x^\alpha) = \alpha\ln x (terapkan ln\ln pada definisinya), sehingga

(xα)β=eβln(xα)=eβαlnx=xαβ;(x^\alpha)^\beta = \eu^{\beta\ln(x^\alpha)} = \eu^{\beta\alpha\ln x} = x^{\alpha\beta} ;

yang pertama dan ketiga adalah penguraian dua baris yang sama lewat exp(u+v)=expuexpv\exp(u + v) = \exp u\exp v dan ln(xy)=lnx+lny\ln(xy) = \ln x + \ln y. Turunannya adalah aturan rantai: (eαlnx)=αxeαlnx(\eu^{\alpha\ln x})' = \frac{\alpha}{x} \eu^{\alpha\ln x}.

Perbandingannya: dari lntt0\frac{\ln t}{t} \to 0 (yang dibuktikan pada jilid sekolah menengah), substitusikan t=xα/βt = x^{\alpha/\beta}: lnxxα/β0\frac{\ln x}{x^{\alpha/\beta}} \to 0, lalu pangkatkan dengan β\beta. Untuk yang kedua, substitusikan x=lnux = \ln u pada yang pertama.

Contoh 4.7 (Dua limit yang harus dikuasai setiap pembaca)

Berapa limx0+xx\lim_{x \to 0^+} x^x dan limx+x1/x\lim_{x \to +\infty} x^{1/x}? Kedua pangkat itu terdefinisi lewat eksponensial, jadi selesaikan dulu eksponennya:

xx=exlnx,xlnx=ln(1/x)1/x0(x0+),sehingga xxe0=1;x^x = \eu^{x\ln x}, \qquad x\ln x = -\frac{\ln(1/x)}{1/x} \longrightarrow 0 \quad (x \to 0^+), \qquad\text{sehingga } x^x \longrightarrow \eu^0 = 1 ;

dan x1/x=e(lnx)/xe0=1x^{1/x} = \eu^{(\ln x)/x} \to \eu^0 = 1 ketika x+x \to +\infty, langsung menurut perbandingan pertumbuhan. Inti gagasannya: pangkat tak tentu (yang berbentuk 000^0 atau 0\infty^0) selalu ditangani dengan menuliskannya ulang uv=evlnuu^v = \eu^{v\ln u} lalu menganalisis hasil kali vlnuv \ln u — jangan pernah dengan menerka dari bilangan pokok dan eksponennya secara terpisah. Fungsi xlnxxx \mapsto \frac{\ln x}{x} yang memutuskan kedua limit itu dipelajari tuntas pada soal akhir pekan bab ini.

Skala pertumbuhan pada : di dekat tepi kanan, x baru saja melewati 1.6 sedangkan x sudah meninggalkan bingkainya. Setiap rasionya (logaritma dibagi pangkat, dan pangkat dibagi eksponensial) menuju 0 — gambarnya hanya mengisyaratkan apa yang dibuat tepat oleh substitusi pada buktinya.
Skala pertumbuhan pada Proposisi 4.6: di dekat tepi kanan, lnx\ln x baru saja melewati 1.61.6 sedangkan ex\eu^x sudah meninggalkan bingkainya. Setiap rasionya (logaritma dibagi pangkat, dan pangkat dibagi eksponensial) menuju 00 — gambarnya hanya mengisyaratkan apa yang dibuat tepat oleh substitusi pada buktinya.

Catatan 4.8 (Jebakan yang lazim dengan pangkat dan logaritma)

  1. Daerahnya. xαx^\alpha untuk α\alpha yang irasional menuntut x>0x > 0; (8)1/3(-8)^{1/3} sebaiknya dihindari dan diganti dengan “akar pangkat tiga real dari 8-8”, karena kaidah (xα)β=xαβ(x^\alpha)^\beta = x^{\alpha\beta} gugur diam-diam pada bilangan negatif: ((8)2)1/6=22\bigl((-8)^2\bigr)^{1/6} = 2 \neq -2.
  2. x2=x\sqrt{x^2} = \abs x, bukan xx: melupakan nilai mutlaknya adalah sumber klasik hilangnya penyelesaian yang negatif.
  3. ln(xy)=lnx+lny\ln(xy) = \ln x + \ln y menuntut x,y>0x, y > 0. Untuk argumen yang negatif, ln(xy)\ln(xy) bisa saja terdefinisi sedangkan ruas kanannya tidak.
  4. Fungsi mana yang tumbuh? Pada xαx^\alpha yang berubah adalah bilangan pokoknya; pada axa^x yang berubah adalah eksponennya. Pertumbuhan keduanya jauh berbeda (Proposisi 4.6), dan ungkapan campuran seperti xlnxx^{\ln x} atau x1/xx^{1/x} harus ditulis ulang sebagai e()\eu^{(\cdot)} sebelum dinalar — seperti pada Contoh 4.7.

4.2 Fungsi invers trigonometri

Definisi 4.9 (arcsin\arcsin, arccos\arccos, arctan\arctan)

Pembatasan

sin ⁣:[π2,π2][1,1],cos ⁣:[0,π][1,1],tan ⁣:(π2,π2)R\sin \colon \intcc{-\tfrac\pi2}{\tfrac\pi2} \to \intcc{-1}{1}, \qquad \cos \colon \intcc{0}{\pi} \to \intcc{-1}{1}, \qquad \tan \colon \intoo{-\tfrac\pi2}{\tfrac\pi2} \to \R

adalah bijeksi yang monoton tegas. Pemetaan inversnya ditulis arcsin\arcsin, arccos\arccos dan arctan\arctan. Jadi, misalnya, y=arcsinxy = \arcsin x (x[1,1]x \in \intcc{-1}{1}) adalah satu-satunya sudut di [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2} yang sinusnya xx.

Dari kiri ke kanan: , , . Masing-masing mewarisi grafiknya dari fungsi langsung yang dibatasi lewat pencerminan pada garis y = x.
Dari kiri ke kanan: arcsin\arcsin, arccos\arccos, arctan\arctan. Masing-masing mewarisi grafiknya dari fungsi langsung yang dibatasi lewat pencerminan pada garis y=xy = x.

Proposisi 4.10 (Turunannya)

Pada bagian dalam daerah asalnya:

arcsinx=11x2,arccosx=11x2,arctanx=11+x2.\arcsin' x = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}, \qquad \arccos' x = \frac{-1}{\sqrt{1 - x^2}}, \qquad \arctan' x = \frac{1}{1 + x^2}.

Bukti. Dengan mendahului aturan fungsi invers yang dibuktikan pada Bab 14: jika ff bijeksi yang dapat diturunkan dan f0f' \neq 0, maka (f1)(x)=1f(f1(x))(f^{-1})'(x) = \frac{1}{f'(f^{-1}(x))}. Untuk arcsin\arcsin: dengan y=arcsinxy = \arcsin x,

arcsinx=1cosy=11sin2y=11x2,\arcsin' x = \frac{1}{\cos y} = \frac{1}{\sqrt{1 - \sin^2 y}} = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}},

dengan cosy=+1sin2y\cos y = +\sqrt{1 - \sin^2 y} karena y(π2,π2)y \in \intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2} memaksa cosy>0\cos y > 0. Demikian pula arccosx=1siny\arccos' x = \frac{1}{-\sin y} dengan siny>0\sin y > 0 pada (0,π)\intoo{0}{\pi}, dan arctanx=11+tan2y=11+x2\arctan' x = \frac{1}{1 + \tan^2 y} = \frac{1}{1 + x^2} dengan memakai tan=1+tan2\tan' = 1 + \tan^2.

Contoh 4.11 (Mengenali konstanta yang tersembunyi)

Pelajari g(x)=arctan1x1+xg(x) = \arctan\dfrac{1 - x}{1 + x} pada (1,+)\intoo{-1} {+\infty}. Aturan rantai dan sedikit perhitungan:

g(x)=11+(1x1+x)2(1+x)(1x)(1+x)2=2(1+x)2+(1x)2=11+x2,g'(x) = \frac{1}{1 + \bigl(\frac{1-x}{1+x}\bigr)^2}\cdot \frac{-(1+x) - (1-x)}{(1+x)^2} = \frac{-2}{(1+x)^2 + (1-x)^2} = \frac{-1}{1 + x^2} ,

karena (1+x)2+(1x)2=2+2x2(1+x)^2 + (1-x)^2 = 2 + 2x^2. Jadi g=arctang' = -\arctan': fungsi g+arctang + \arctan berturunan nol pada selang (1,+)\intoo{-1}{+\infty}, sehingga konstan di sana; nilainya di x=0x = 0 adalah arctan1+arctan0=π4\arctan 1 + \arctan 0 = \frac\pi4. Kesimpulannya:

arctan1x1+x=π4arctanx(x>1).\arctan\frac{1 - x}{1 + x} = \frac\pi4 - \arctan x \qquad (x > -1) .

Pada (,1)\intoo{-\infty}{-1} perhitungan turunan yang sama berlaku tetapi konstantanya berbeda (3π4-\frac{3\pi}4: hitung limitnya ketika xx \to -\infty). Inti gagasannya: “turunan nol berarti konstan” adalah pernyataan selang demi selang — persis kehalusan yang dimanfaatkan pada Latihan 4.6 dan Latihan 4.10.

Proposisi 4.12 (Kesamaan baku)

  1. Untuk x[1,1]x \in \intcc{-1}{1}: arcsinx+arccosx=π2\arcsin x + \arccos x = \dfrac{\pi}{2}.
  2. Untuk x>0x > 0: arctanx+arctan1x=π2\arctan x + \arctan\dfrac 1x = \dfrac{\pi}{2} (dan π2-\frac\pi2 untuk x<0x < 0).
  3. sin(arccosx)=cos(arcsinx)=1x2\sin(\arccos x) = \cos(\arcsin x) = \sqrt{1 - x^2};   tan(arcsinx)=x1x2\;\tan(\arcsin x) = \dfrac{x}{\sqrt{1 - x^2}} untuk x<1\abs x < 1.

Bukti. (1) Turunan xarcsinx+arccosxx \mapsto \arcsin x + \arccos x bernilai nol pada (1,1)\intoo{-1}{1} (Proposisi 4.10), jadi fungsinya konstan di sana dan sama dengan nilainya π2\frac\pi2 di 00; nilai di titik ujung ±1\pm 1 diperiksa langsung (π2+0\frac\pi2 + 0 dan π2+π-\frac\pi2 + \pi).

(2) Metode yang sama pada (0,+)\intoo{0}{+\infty}: turunannya adalah 11+x2+1/x21+1/x2=11+x21x2+1=0\frac{1}{1+x^2} + \frac{-1/x^2}{1 + 1/x^2} = \frac{1}{1+x^2} - \frac{1}{x^2 + 1} = 0, dan di x=1x = 1 jumlahnya 2arctan1=π22\arctan 1 = \frac\pi2. Untuk x<0x < 0, pakai keganjilan arctan\arctan.

(3) Dengan y=arccosx[0,π]y = \arccos x \in \intcc{0}{\pi}: siny0\sin y \geq 0, jadi siny=1cos2y=1x2\sin y = \sqrt{1 - \cos^2 y} = \sqrt{1 - x^2}; demikian pula untuk cos(arcsinx)\cos(\arcsin x), dan rumus tangennya adalah hasil baginya.

Catatan 4.13

arcsin(sinθ)=θ\arcsin(\sin\theta) = \theta berlaku hanya untuk θ[π2,π2]\theta \in \intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2}: misalnya arcsin(sinπ)=0π\arcsin(\sin\pi) = 0 \neq \pi. Komposisi ke arah sebaliknya, sin(arcsinx)=x\sin(\arcsin x) = x, sah pada seluruh [1,1]\intcc{-1}{1}.

Contoh 4.14 (Melipat kembali ke selang utamanya)

Hitunglah

arctan(tan3π4)danarctan(tan17π5).\arctan\Bigl(\tan\frac{3\pi}4\Bigr) \qquad\text{dan}\qquad \arctan\Bigl(\tan\frac{17\pi}5\Bigr).

Resepnya: gantilah sudut itu dengan satu-satunya sudut di (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2} yang tangennya sama, yakni kurangkan kelipatan π\pi yang tepat (yaitu periode tan\tan). Pertama: 3π4π=π4\frac{3\pi}4 - \pi = -\frac\pi4, jadi jawabannya π4-\frac\pi4. Kedua: 17π53π=2π5(π2,π2)\frac{17\pi} 5 - 3\pi = \frac{2\pi}5 \in \intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}, jadi jawabannya 2π5\frac{2\pi}5. Perhitungan itu sesungguhnya pembagian Euclid sudut itu oleh π\pi yang menyamar — dan resep analognya untuk arcsin\arcsin (cerminkan ke dalam [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2}, dengan periode 2π2\pi) dan arccos\arccos (cerminkan ke dalam [0,π]\intcc0\pi) menggerakkan Latihan 4.1 dan jawaban sepotong-sepotong pada Latihan 4.10.

Contoh 4.15 (Menjumlahkan arkus tangen dengan aman)

Mari kita buktikan

arctan12+arctan15+arctan18=π4.\arctan\frac12 + \arctan\frac15 + \arctan\frac18 = \frac\pi4 .

Dua bahannya: rumus penjumlahan tangen, dan — langkah yang dilupakan pemula — pelokalan jumlahnya. Pertama, tan(u+v)=tanu+tanv1tanutanv\tan(u + v) = \frac{\tan u + \tan v}{1 - \tan u\tan v} dengan u=arctan12u = \arctan\frac12, v=arctan15v = \arctan\frac15 memberikan

tan(u+v)=12+151110=7/109/10=79,lalutan(u+v+arctan18)=79+181772=65/7265/72=1.\tan(u + v) = \frac{\frac12 + \frac15}{1 - \frac1{10}} = \frac{7/10}{9/10} = \frac79, \qquad\text{lalu}\qquad \tan\Bigl(u + v + \arctan\frac18\Bigr) = \frac{\frac79 + \frac18}{1 - \frac7{72}} = \frac{65/72}{65/72} = 1 .

Kedua, masing-masing dari ketiga sudut itu terletak di (0,π4)\intoo0{\frac\pi4} (karena argumennya kurang dari 11), jadi jumlahnya terletak di (0,3π4)\intoo0{\frac{3\pi}4}; satu-satunya sudut di sana yang bertangen 11 adalah π4\frac\pi4. Tanpa pelokalan itu kesimpulannya hanya akan berbunyi “π4\frac\pi4 sampai kelipatan π\pi” — yaitu setengah bukti. Disiplin dua langkah yang sama menggerakkan Latihan 4.8 dan Latihan 4.12.

Contoh 4.16 (Sebuah persamaan arkus tangen)

Selesaikan arctanx+arctan2x=π4\arctan x + \arctan 2x = \dfrac\pi4. Lokalkan lebih dulu: ruas kirinya bertanda sama dengan xx (kedua sukunya begitu), jadi setiap penyelesaian memenuhi x>0x > 0, dan lalu jumlahnya terletak di (0,π)\intoo0\pi. Ambil tangennya (yang tak injektif pada selang mana pun yang panjangnya π\pi, tetapi digabung dengan pelokalan tadi ini sudah cukup): rumus penjumlahannya memberikan

tan(arctanx+arctan2x)=3x12x2=1    2x2+3x1=0    x=3±174.\tan\bigl(\arctan x + \arctan 2x\bigr) = \frac{3x}{1 - 2x^2} = 1 \iff 2x^2 + 3x - 1 = 0 \iff x = \frac{-3 \pm \sqrt{17}}4 .

Akar yang negatif dibuang oleh pelokalannya; untuk calon yang positif x0=17340.28x_0 = \frac{\sqrt{17} - 3}4 \approx 0.28, jumlahnya terletak di (0,π)\intoo0\pi dengan tangen 11, dan satu-satunya sudut semacam itu adalah π4\frac\pi4 (pada (π2,π)\intoo{\frac\pi2}\pi tangennya negatif): jadi x0x_0 satu-satunya penyelesaian. Perhatikan bentuk argumennya: mengambil tangen dapat melahirkan penyelesaian, tetapi tak pernah menghilangkannya, jadi selesaikan dulu persamaan polinomialnya lalu saring lewat pelokalan — disiplin periksa-maju yang sama seperti pada pengkuadratan sebuah persamaan.

4.3 Fungsi hiperbolik

Definisi 4.17 (cosh\cosh, sinh\sinh, tanh\tanh)

Untuk xRx \in \R:

coshx=ex+ex2,sinhx=exex2,tanhx=sinhxcoshx\cosh x = \frac{\eu^x + \eu^{-x}}{2}, \qquad \sinh x = \frac{\eu^x - \eu^{-x}}{2}, \qquad \tanh x = \frac{\sinh x}{\cosh x}

(kosinus, sinus, tangen hiperbolik). Di sini cosh\cosh genap, sedangkan sinh\sinh dan tanh\tanh ganjil.

Proposisi 4.18 (Sifat dasar)

Untuk setiap x,yRx, y \in \R:

  1. cosh2xsinh2x=1\cosh^2 x - \sinh^2 x = 1;
  2. cosh=sinh\cosh' = \sinh,   sinh=cosh\;\sinh' = \cosh,   tanh=1tanh2=1cosh2\;\tanh' = 1 - \tanh^2 = \dfrac{1}{\cosh^2};
  3. cosh(x+y)=coshxcoshy+sinhxsinhy\cosh(x+y) = \cosh x\cosh y + \sinh x \sinh y dan sinh(x+y)=sinhxcoshy+coshxsinhy\sinh(x+y) = \sinh x \cosh y + \cosh x \sinh y;
  4. sinh\sinh adalah bijeksi naik tegas dari R\R pada R\R; cosh\cosh yang dibatasi pada R+\R_+ adalah bijeksi naik tegas pada [1,+)\intco{1}{+\infty}; dan tanh\tanh adalah bijeksi naik tegas dari R\R pada (1,1)\intoo{-1}{1}.

Bukti. (1) (ex+ex2)2(exex2)2=(e2x+2+e2x)(e2x2+e2x)4=1\bigl(\frac{\eu^x + \eu^{-x}}{2}\bigr)^2 - \bigl(\frac{\eu^x - \eu^{-x}}{2}\bigr)^2 = \frac{(\eu^{2x} + 2 + \eu^{-2x}) - (\eu^{2x} - 2 + \eu^{-2x})}{4} = 1.

(2) Turunkan rumus pendefinisinya; untuk tanh\tanh, aturan hasil bagi memberikan cosh2sinh2cosh2\frac{\cosh^2 - \sinh^2}{\cosh^2}, yang sekaligus 1tanh21 - \tanh^2 dan 1cosh2\frac{1}{\cosh^2} menurut (1).

(3) Jabarkan ruas kanannya memakai definisinya. Secara rinci untuk rumus yang pertama:

coshxcoshy+sinhxsinhy=(ex+ex)(ey+ey)+(exex)(eyey)4;\cosh x\cosh y + \sinh x\sinh y = \frac{(\eu^x + \eu^{-x})(\eu^y + \eu^{-y}) + (\eu^x - \eu^{-x})(\eu^y - \eu^{-y})}{4} ;

dari kedelapan hasil kalinya, keempat yang “campuran” (exy\eu^{x-y}, eyx\eu^{y-x}) saling hapus berpasangan, sedangkan ex+y\eu^{x+y} dan e(x+y)\eu^{-(x+y)} masing-masing muncul dua kali: totalnya 2ex+y+2e(x+y)4=cosh(x+y)\frac{2\eu^{x+y} + 2\eu^{-(x+y)}}{4} = \cosh(x+y). Rumus sinusnya identik, hanya saja suku campurannya yang bertahan sedangkan yang lain hapus.

(4) sinh=cosh1>0\sinh' = \cosh \geq 1 > 0, jadi sinh\sinh naik tegas, dengan limit ±\pm\infty (karena suku dominannya ±ex2\pm\frac{\eu^{\abs x}}{2}); pernyataan bijeksinya lalu menyusul dari teorema nilai antara (yang dipakai pada taraf sekolah menengah; perlakuan sistematisnya pada Bab 13). Pada R+\R_+, cosh=sinh0\cosh' = \sinh \geq 0 dan hanya lenyap di 00: jadi naik tegas dari cosh0=1\cosh 0 = 1 ke ++\infty. Dan tanh>0\tanh' > 0 dengan limit ±1\pm 1 di ±\pm\infty: secara rinci,

tanhx=exexex+ex=1e2x1+e2xx+1,\tanh x = \frac{\eu^x - \eu^{-x}}{\eu^x + \eu^{-x}} = \frac{1 - \eu^{-2x}}{1 + \eu^{-2x}} \xrightarrow[x \to +\infty]{} 1 ,

setelah membagi pembilang dan penyebutnya dengan ex\eu^x, sedangkan keganjilannya memberikan limit 1-1 di -\infty; jadi fungsi tanh\tanh yang naik tegas itu memetakan R\R pada (1,1)\intoo{-1}1.

Kiri:  dan , yang secara asimtotik merekat pada x/2 (garis putus-putus). Kanan: , yang naik dari -1 ke 1.
Kiri: cosh\cosh dan sinh\sinh, yang secara asimtotik merekat pada ex2\frac{\eu^x}{2} (garis putus-putus). Kanan: tanh\tanh, yang naik dari 1-1 ke 11.

Catatan 4.19 (Mengapa “hiperbolik”?)

Titik (cosht,sinht)(\cosh t, \sinh t) menyusuri cabang x>0x > 0 pada hiperbola x2y2=1x^2 - y^2 = 1 (menurut Proposisi 4.18 (1)), persis seperti (cost,sint)(\cos t, \sin t) menyusuri lingkaran x2+y2=1x^2 + y^2 = 1. Setiap kesamaan lingkaran punya saudara hiperboliknya, dengan perubahan tanda yang diatur oleh sinh2sin2\sinh^2 \leftrightarrow -\sin^2.

Contoh 4.20 (Rumus penjumlahan untuk tanh\tanh)

Dengan membagi kedua rumus penjumlahan pada Proposisi 4.18 (3) dengan coshxcoshy\cosh x\cosh y:

tanh(x+y)=sinhxcoshy+coshxsinhycoshxcoshy+sinhxsinhy=tanhx+tanhy1+tanhxtanhy,\tanh(x + y) = \frac{\sinh x\cosh y + \cosh x\sinh y} {\cosh x\cosh y + \sinh x\sinh y} = \frac{\tanh x + \tanh y}{1 + \tanh x\,\tanh y} ,

yakni saudara hiperbolik dari rumus penjumlahan tangen — dengan ++ yang di trigonometri berupa -. Sebuah dividen: karena tanh<1\abs{\tanh} < 1, ruas kanannya adalah kaidah “penjumlahan kecepatan” yang tak pernah keluar dari (1,1)\intoo{-1}1: jika u,v(1,1)u, v \in \intoo{-1}1 maka u+v1+uv(1,1)\frac{u + v}{1 + uv} \in \intoo{-1}1 juga (tulis u=tanhau = \tanh a, v=tanhbv = \tanh b, yang mungkin karena kebijektifannya, lalu baca rumusnya terbalik). Memeriksa hal itu secara aljabar, tanpa fungsi hiperbolik, adalah latihan yang agak menyakitkan; memparameterkannya dengan tanh\tanh membuatnya satu baris — strategi yang sama seperti yang diberikan fungsi lingkaran bagi lingkaran satuan.

Proposisi 4.21 (Fungsi invers hiperbolik)

Invers yang dijamin oleh Proposisi 4.18 (4) mempunyai bentuk tertutup:

arsinhx=ln(x+x2+1) (xR),arcoshx=ln(x+x21) (x1),\operatorname{arsinh} x = \ln\bigl(x + \sqrt{x^2 + 1}\bigr) \ (x \in \R), \qquad \operatorname{arcosh} x = \ln\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr) \ (x \geq 1),
artanhx=12ln1+x1x (x<1),\operatorname{artanh} x = \frac 12 \ln\frac{1 + x}{1 - x} \ (\abs x < 1),

dengan turunan berturut-turut 1x2+1\frac{1}{\sqrt{x^2+1}}, 1x21\frac{1}{\sqrt{x^2-1}} (x>1x > 1) dan 11x2\frac{1}{1 - x^2}.

Bukti. Untuk arsinh\operatorname{arsinh}: selesaikan x=sinhy=eyey2x = \sinh y = \frac{\eu^y - \eu^{-y}}{2}. Dengan menulis u=ey>0u = \eu^y > 0: u22xu1=0u^2 - 2xu - 1 = 0, jadi u=x+x2+1u = x + \sqrt{x^2 + 1} (karena akar xx2+1x - \sqrt{x^2+1} negatif), dan y=ln(x+x2+1)y = \ln(x + \sqrt{x^2+1}). Dua yang lain adalah perhitungan yang identik (u22xu+1=0u^2 - 2xu + 1 = 0 untuk arcosh\operatorname{arcosh}, dengan mempertahankan akar yang 1\geq 1; dan penataan ulang dua baris untuk artanh\operatorname{artanh}). Turunannya: turunkan ungkapan logaritmanya, misalnya

(ln(x+x2+1))=1+xx2+1x+x2+1=1x2+1.\bigl(\ln(x + \sqrt{x^2+1})\bigr)' = \frac{1 + \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}}{x + \sqrt{x^2+1}} = \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} . \qedhere

Contoh 4.22 (Bentuk tertutup dalam praktik)

Penyelesaian cosht=2\cosh t = 2 dengan t0t \geq 0 adalah, menurut bentuk tertutupnya, t=arcosh2=ln(2+3)1.317t = \operatorname{arcosh} 2 = \ln(2 + \sqrt3) \approx 1.317; penyelesaian yang lain adalah t-t, karena kegenapannya — dan memang ln(23)=ln12+3=ln(2+3)\ln(2 - \sqrt3) = \ln\frac1{2 + \sqrt3} = -\ln(2 + \sqrt3): kedua akar u=etu = \eu^t persamaan kuadrat u24u+1=0u^2 - 4u + 1 = 0 saling berkebalikan, sebagaimana dituntut hasil kalinya 11 (menurut Vieta). Perhitungan kecil ini memperlihatkan pola umumnya: persamaan hiperbolik berubah menjadi persamaan kuadrat dalam et\eu^t, dan simetri ttt \mapsto -t muncul sebagai simetri u1/uu \mapsto 1/u persamaan kuadrat itu — layak diingat ketika menyelesaikan Latihan 4.7.

Metode 4.23 (Memilih bentuk antiturunan yang tepat)

Ketiga pola turunan yang perlu dihafalkan untuk pengintegralan (Bab 15):

 ⁣dx1+x2=arctanx+C, ⁣dx1x2=arcsinx+C, ⁣dxx2+1=arsinhx+C,\int \frac{\dd x}{1 + x^2} = \arctan x + C, \qquad \int \frac{\dd x}{\sqrt{1 - x^2}} = \arcsin x + C, \qquad \int \frac{\dd x}{\sqrt{x^2 + 1}} = \operatorname{arsinh} x + C,

dan untuk kuadrat yang umum, susutkan ke bentuk itu dengan melengkapkan kuadratnya lalu menskalakannya.

Catatan 4.24 (Di mana bab ini dipakai)

Bab ini adalah kosakata kerja bagi seluruh analisis yang akan datang. Skala pertumbuhan pada Proposisi 4.6 memutuskan pertanyaan kekonvergenan di sepanjang Bab 11 dan 17; rumus turunan pada Proposisi 4.10 dan Proposisi 4.21 adalah antiturunan yang paling sering diperlukan pada Bab 15, lewat Metode 4.23; fungsi hiperbolik memparameterkan penyelesaian persamaan y=yy'' = y pada Bab 5 persis seperti fungsi lingkaran memparameterkan penyelesaian y=yy'' = -y. Pencirian exp\exp lewat f=ff' = f, f(0)=1f(0) = 1 (Proposisi 4.1) adalah benih berdimensi satu bagi teori persamaan diferensial linear, dan kurva rantai y=coshxy = \cosh x kembali di antara kurva bidang pada Bab 24.

Catatan 4.25 (Selingan: program fungsi invers)

Bab ini menjalankan satu program sebanyak empat kali: batasi sebuah fungsi sampai ia menjadi bijeksi yang monoton tegas, namai inversnya, lalu angkut setiap rumus melewatinya. Apa yang dipakai pada masing-masing langkah — bahwa fungsi kontinu yang monoton tegas pada sebuah selang merupakan bijeksi pada sebuah selang, dan bahwa inversnya kontinu, lalu dapat diturunkan di luar titik kritisnya — dipinjam atas kredit sekolah menengah. Utang itu dilunasi di dalam jilid ini: Bab 13 membuktikan pernyataan bijeksinya (teorema invers monoton, yang bersandar pada teorema nilai antara), dan Bab 14 membuktikan aturan turunan (f1)=1/(ff1)(f^{-1})' = 1/(f' \circ f^{-1}) yang diam-diam menghasilkan setiap rumus pada Proposisi 4.10 dan Proposisi 4.21. Membaca bab-bab itu dengan arcsin\arcsin dan arsinh\operatorname{arsinh} di kepala — sebagai contoh terkerjakan yang untuknyalah teorinya dibangun — adalah cara yang dimaksudkan untuk mengatasi kemelingkaran yang tampak itu.

4.4 Latihan

Latihan 4.1

Hitung tanpa kalkulator: arcsin32\arcsin\frac{\sqrt 3}{2};   arccos(12)\;\arccos\bigl(-\frac 12\bigr);   arctan(1)\;\arctan(-1);   arcsin(sin5π6)\;\arcsin\bigl(\sin\frac{5\pi}{6}\bigr);   arccos(cos7π4)\;\arccos\bigl(\cos\frac{7\pi}{4}\bigr).

Solusi

Solusi Latihan 4.1.

arcsin32=π3\arcsin\frac{\sqrt 3}{2} = \frac\pi3;   arccos(12)=2π3\;\arccos\bigl(-\frac12\bigr) = \frac{2\pi}{3};   arctan(1)=π4\;\arctan(-1) = -\frac\pi4.

arcsin(sin5π6)\arcsin\bigl(\sin\frac{5\pi}{6}\bigr): di sini sin5π6=12\sin\frac{5\pi}{6} = \frac12, dan sudut di [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2} yang sinusnya 12\frac12 adalah π6\frac\pi6 (bukan 5π6\frac{5\pi}{6}).

arccos(cos7π4)\arccos\bigl(\cos\frac{7\pi}{4}\bigr): di sini cos7π4=22\cos\frac{7\pi}{4} = \frac{\sqrt 2}{2}, dan sudut di [0,π]\intcc{0}{\pi} yang kosinusnya demikian adalah π4\frac\pi4.

Latihan 4.2

Berikan daerah definisi f(x)=arcsin(2x1)f(x) = \arcsin(2x - 1) lalu hitung ff' di tempat ia terdefinisi. Pertanyaan yang sama untuk g(x)=arctanxg(x) = \arctan\sqrt{x}.

Solusi

Solusi Latihan 4.2.

f(x)=arcsin(2x1)f(x) = \arcsin(2x - 1) menuntut 12x11-1 \leq 2x - 1 \leq 1, yakni x[0,1]x \in \intcc{0}{1}. Pada (0,1)\intoo{0}{1}, aturan rantai dan Proposisi 4.10 memberikan

f(x)=21(2x1)2=24x4x2=1x(1x).f'(x) = \frac{2}{\sqrt{1 - (2x-1)^2}} = \frac{2}{\sqrt{4x - 4x^2}} = \frac{1}{\sqrt{x(1 - x)}} .

g(x)=arctanxg(x) = \arctan\sqrt x terdefinisi untuk x0x \geq 0, dan untuk x>0x > 0:

g(x)=11+x12x=12x(1+x).g'(x) = \frac{1}{1 + x} \cdot \frac{1}{2\sqrt x} = \frac{1}{2\sqrt x\,(1 + x)} .

Latihan 4.3

Buktikan bahwa untuk setiap xRx \in \R: coshx+sinhx=ex\cosh x + \sinh x = \eu^x dan (coshx+sinhx)n=coshnx+sinhnx(\cosh x + \sinh x)^n = \cosh nx + \sinh nx untuk setiap nZn \in \Z (yakni rumus de Moivre yang hiperbolik).

Solusi

Solusi Latihan 4.3.

coshx+sinhx=ex+ex2+exex2=ex\cosh x + \sinh x = \frac{\eu^x + \eu^{-x}}{2} + \frac{\eu^x - \eu^{-x}}{2} = \eu^x. Jadi untuk nZn \in \Z:

(coshx+sinhx)n=(ex)n=enx=coshnx+sinhnx.(\cosh x + \sinh x)^n = (\eu^x)^n = \eu^{nx} = \cosh nx + \sinh nx .

Latihan 4.4

Sederhanakan cos(2arcsinx)\cos(2\arcsin x) dan sin(2arctanx)\sin(2\arctan x) menjadi ungkapan aljabar dalam xx.

Solusi

Solusi Latihan 4.4.

Dengan y=arcsinxy = \arcsin x: cos2y=12sin2y=12x2\cos 2y = 1 - 2\sin^2 y = 1 - 2x^2, jadi cos(2arcsinx)=12x2\cos(2\arcsin x) = 1 - 2x^2.

Dengan y=arctanxy = \arctan x: sin2y=2sinycosy=2tanycos2y=2tany1+tan2y\sin 2y = 2 \sin y \cos y = 2 \tan y \cos^2 y = \frac{2\tan y}{1 + \tan^2 y}, jadi sin(2arctanx)=2x1+x2\sin(2\arctan x) = \dfrac{2x}{1 + x^2}.

Latihan 4.5

Urutkan, untuk xx yang besar, fungsi x100x^{100},   ex\;\eu^{\sqrt x},   (lnx)1000\;(\ln x)^{1000},   ex/100\;\eu^{x/100},   xlnx\;x^{\ln x}, dari yang pertumbuhannya paling lambat ke paling cepat, dengan alasan yang berdasar pada Proposisi 4.6.

Solusi

Solusi Latihan 4.5.

Dari yang paling lambat ke yang paling cepat:

(lnx)1000    x100    xlnx    ex    ex/100.(\ln x)^{1000} \;\ll\; x^{100} \;\ll\; x^{\ln x} \;\ll\; \eu^{\sqrt x} \;\ll\; \eu^{x/100} .

Alasannya: (lnx)1000/x1000(\ln x)^{1000}/x^{100} \to 0 menurut Proposisi 4.6 (logaritma kalah oleh pangkat). Lalu x100=e100lnxx^{100} = \eu^{100\ln x} dan xlnx=e(lnx)2x^{\ln x} = \eu^{(\ln x)^2}: karena (lnx)2100lnx+(\ln x)^2 - 100\ln x \to +\infty, yang kedua menang. Lalu xlnx=e(lnx)2exx^{\ln x} = \eu^{(\ln x)^2} \ll \eu^{\sqrt x} karena (lnx)2/x0(\ln x)^2/\sqrt x \to 0 (logaritma kalah oleh pangkat x1/4x^{1/4}, yang dikuadratkan). Akhirnya xx/100\sqrt x - x/100 \to -\infty, jadi exex/100\eu^{\sqrt x} \ll \eu^{x/100}.

Latihan 4.6 ★★

Pelajari fungsi f(x)=arctan2x1x2f(x) = \arctan\dfrac{2x}{1 - x^2} pada daerah asalnya: hitung ff', bandingkan dengan (2arctanx)(2\arctan x)', lalu nyatakan f(x)f(x) dengan arctanx\arctan x pada masing-masing dari ketiga selang daerah asalnya.

Solusi

Solusi Latihan 4.6.

Daerah asalnya: x±1x \neq \pm 1, yakni tiga selang. Pada masing-masingnya,

f(x)=(2x1x2)1+4x2(1x2)2=2(1x2)+4x2(1x2)2(1x2)2+4x2(1x2)2=2(1+x2)(1+x2)2=21+x2=(2arctanx).f'(x) = \frac{\bigl(\frac{2x}{1-x^2}\bigr)'}{1 + \frac{4x^2}{(1-x^2)^2}} = \frac{\frac{2(1-x^2) + 4x^2}{(1-x^2)^2}} {\frac{(1-x^2)^2 + 4x^2}{(1-x^2)^2}} = \frac{2(1 + x^2)}{(1 + x^2)^2} = \frac{2}{1 + x^2} = (2\arctan x)' .

Jadi f(x)2arctanxf(x) - 2\arctan x konstan pada setiap selang. Nilainya: di x=0x = 0 berlaku f(0)=0f(0) = 0, jadi konstantanya 00 pada (1,1)\intoo{-1}{1}. Ketika x+x \to +\infty, 2x1x20\frac{2x}{1-x^2} \to 0^- sehingga f0f \to 0, sedangkan 2arctanxπ2\arctan x \to \pi: jadi konstantanya π-\pi pada (1,+)\intoo{1}{+\infty}. Menurut keganjilannya, konstanta itu +π+\pi pada (,1)\intoo{-\infty}{-1}. Ringkasnya: f=2arctanxf = 2\arctan x pada (1,1)\intoo{-1}{1}, f=2arctanxπf = 2\arctan x - \pi untuk x>1x > 1, dan f=2arctanx+πf = 2\arctan x + \pi untuk x<1x < -1. (Inilah rumus sudut ganda bagi tangen, yang dibaca lewat arctan\arctan.)

Latihan 4.7 ★★

Selesaikan di R\R:   coshx=2\;\cosh x = 2; lalu 5coshx4sinhx=35\cosh x - 4 \sinh x = 3 (nyatakan penyelesaiannya dengan logaritma). Petunjuk untuk yang kedua: tuliskan semuanya dengan u=exu = \eu^x.

Solusi

Solusi Latihan 4.7.

coshx=2\cosh x = 2: dengan u=ex>0u = \eu^x > 0, u+u1=4u + u^{-1} = 4, jadi u24u+1=0u^2 - 4u + 1 = 0, u=2±3u = 2 \pm \sqrt 3: sehingga x=ln(2+3)x = \ln(2 + \sqrt 3) atau x=ln(23)=ln(2+3)x = \ln(2 - \sqrt 3) = -\ln(2 + \sqrt 3) (kedua penyelesaiannya berlawanan, karena cosh\cosh genap; keduanya sah). Setara dengan itu, x=±arcosh2x = \pm \operatorname{arcosh} 2.

5coshx4sinhx=35\cosh x - 4\sinh x = 3: dengan mensubstitusikan definisi eksponensialnya, 5(u+u1)4(uu1)2=3\frac{5(u + u^{-1}) - 4(u - u^{-1})}{2} = 3, yakni u+9u1=6u + 9u^{-1} = 6, yakni u26u+9=(u3)2=0u^2 - 6u + 9 = (u - 3)^2 = 0: jadi u=3u = 3, dengan satu penyelesaian x=ln3x = \ln 3.

Latihan 4.8 ★★

Buktikan kesamaan arctan12+arctan13=π4\arctan\frac{1}{2} + \arctan\frac{1}{3} = \frac{\pi}{4}, lalu rumus Machin

4arctan15arctan1239=π4.4\arctan\frac 15 - \arctan\frac{1}{239} = \frac{\pi}{4}.

Petunjuk: hitung tangen kedua ruasnya memakai rumus penjumlahan, lalu kendalikan di selang mana masing-masing ruas terletak.

Solusi

Solusi Latihan 4.8.

Misalkan α=arctan12+arctan13\alpha = \arctan\frac12 + \arctan\frac13. Rumus penjumlahan:

tanα=12+1311213=5/65/6=1.\tan\alpha = \frac{\frac12 + \frac13}{1 - \frac12\cdot\frac13} = \frac{5/6}{5/6} = 1 .

Kedua arkus tangen itu terletak di (0,π4)\intoo{0}{\frac\pi4} (karena argumennya di (0,1)\intoo{0}{1}), jadi α(0,π2)\alpha \in \intoo{0}{\frac\pi2}; dan satu-satunya sudut di sana yang bertangen 11 adalah π4\frac\pi4.

Untuk Machin: misalkan β=arctan15\beta = \arctan\frac15. Sudut ganda dua kali:

tan2β=2/511/25=512,tan4β=25/12125/144=120119.\tan 2\beta = \frac{2/5}{1 - 1/25} = \frac{5}{12}, \qquad \tan 4\beta = \frac{2 \cdot 5/12}{1 - 25/144} = \frac{120}{119}.

Lalu

tan(4βπ4)=12011911+120119=1/119239/119=1239.\tan\Bigl(4\beta - \frac\pi4\Bigr) = \frac{\frac{120}{119} - 1}{1 + \frac{120}{119}} = \frac{1/119}{239/119} = \frac{1}{239}.

Letaknya: β<arctan1=π4\beta < \arctan 1 = \frac\pi4 dan sesungguhnya tan4β=120119\tan 4\beta = \frac{120}{119} dekat dengan 11 dengan 4β(0,π2)4\beta \in \intoo{0}{\frac\pi2} (karena β<π8\beta < \frac\pi8, sebab tanπ8=21>15\tan\frac\pi8 = \sqrt 2 - 1 > \frac15); jadi 4βπ4(π4,π4)4\beta - \frac\pi4 \in \intoo{-\frac\pi4}{\frac\pi4}, yang di sana arctan\arctan membalikkan tan\tan: 4βπ4=arctan12394\beta - \frac\pi4 = \arctan\frac{1}{239}, dan itulah rumus Machin.

Latihan 4.9 ★★

Buktikan bahwa untuk setiap x0x \geq 0:   xx36sinxx\;x - \dfrac{x^3}{6} \leq \sin x \leq x (pelajari turunan berturutan dari selisihnya), lalu simpulkan bahwa limx0+xsinxx3=16\lim_{x \to 0^+} \frac{x - \sin x}{x^3} = \frac 16 masuk akal — limitnya sendiri ditegakkan pada Bab 16.

Solusi

Solusi Latihan 4.9.

Misalkan f(x)=xsinxf(x) = x - \sin x: f(0)=0f(0) = 0 dan f(x)=1cosx0f'(x) = 1 - \cos x \geq 0, jadi f0f \geq 0 pada R+\R_+: sehingga sinxx\sin x \leq x.

Misalkan g(x)=sinxx+x36g(x) = \sin x - x + \frac{x^3}{6}: g(0)=0g(0) = 0, g(x)=cosx1+x22g'(x) = \cos x - 1 + \frac{x^2}{2}, g(0)=0g'(0) = 0, g(x)=sinx+x=f(x)0g''(x) = -\sin x + x = f(x) \geq 0 pada R+\R_+. Jadi gg' naik dengan g(0)=0g'(0) = 0, sehingga g0g' \geq 0, sehingga gg naik dengan g(0)=0g(0) = 0: jadi g0g \geq 0, yakni xx36sinxx - \frac{x^3}{6} \leq \sin x pada R+\R_+.

Akibatnya 0xsinxx3160 \leq \frac{x - \sin x}{x^3} \leq \frac 16 untuk x>0x > 0: rasionya terperangkap pada skala 16\frac16, dan Bab 16 menunjukkan limitnya tepat 16\frac 16.

Latihan 4.10 ★★★

Untuk x[1,1]x \in \intcc{-1}{1}, tulis h(x)=arcsin(2x1x2)2arcsinxh(x) = \arcsin\bigl(2x\sqrt{1 - x^2}\,\bigr) - 2\arcsin x. Orang mungkin mengharapkan h=0h = 0 dari kesamaan sin2y=2sinycosy\sin 2y = 2\sin y\cos y — tetapi hh tidak identik nol. Hitung hh' pada selang terbuka yang di situ ia ada, hitung nilai hh pada titik yang dipilih baik, lalu berikan uraian lengkap hh sebagai fungsi konstan sepotong-sepotong pada [1,1]\intcc{-1}{1}.

Solusi

Solusi Latihan 4.10.

Tulis y=arcsinxy = \arcsin x, sehingga 2x1x2=2sinycosy=sin2y2x\sqrt{1 - x^2} = 2\sin y\cos y = \sin 2y dan h(x)=arcsin(sin2y)2yh(x) = \arcsin(\sin 2y) - 2y.

Untuk x22\abs x \leq \frac{\sqrt 2}{2}: 2y[π2,π2]2y \in \intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2}, jadi arcsin(sin2y)=2y\arcsin(\sin 2y) = 2y dan h=0h = 0.

Untuk x(22,1]x \in \intoc{\frac{\sqrt 2}{2}}{1}: 2y(π2,π]2y \in \intoc{\frac\pi2}{\pi}, dan sudut di [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2} yang sinusnya sin2y\sin 2y adalah π2y\pi - 2y: jadi h(x)=π4arcsinxh(x) = \pi - 4\arcsin x. (Periksa lewat turunannya: di sana h(x)=2(12x2)12x21x221x2=41x2h'(x) = \frac{2(1 - 2x^2)}{\abs{1 - 2x^2}\sqrt{1 - x^2}} - \frac{2}{\sqrt{1-x^2}} = \frac{-4}{\sqrt{1 - x^2}}, yaitu turunan 4arcsinx-4\arcsin x; dan di x=1x = 1, h(1)=arcsin02π2=π=π4π2h(1) = \arcsin 0 - 2\cdot\frac\pi2 = -\pi = \pi - 4\cdot\frac\pi2.)

Untuk x[1,22)x \in \intco{-1}{-\frac{\sqrt 2}{2}}, menurut keganjilan hh: h(x)=π4arcsinxh(x) = -\pi - 4\arcsin x.

Latihan 4.11 ★★★

(Fungsi Gudermann) Misalkan g(x)=arctan(sinhx)g(x) = \arctan(\sinh x) untuk xRx \in \R. Buktikan bahwa gg adalah bijeksi ganjil yang naik tegas dari R\R pada (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}, bahwa g(x)=1coshxg'(x) = \frac{1}{\cosh x}, dan bahwa tang(x)=sinhx\tan g(x) = \sinh x,   sing(x)=tanhx\;\sin g(x) = \tanh x,   cosg(x)=1coshx\;\cos g(x) = \frac{1}{\cosh x}: jadi fungsi gg merangkai trigonometri lingkaran dan hiperbolik tanpa bilangan kompleks.

Solusi

Solusi Latihan 4.11.

g=arctansinhg = \arctan \circ \sinh adalah komposisi fungsi ganjil yang naik tegas, jadi ia ganjil dan naik tegas; ketika x+x \to +\infty, sinhx+\sinh x \to +\infty sehingga g(x)π2g(x) \to \frac\pi2, dan gg adalah bijeksi pada (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2} (dari kekontinuannya beserta teorema nilai antara). Aturan rantai bersama Proposisi 4.18 (1):

g(x)=coshx1+sinh2x=coshxcosh2x=1coshx.g'(x) = \frac{\cosh x}{1 + \sinh^2 x} = \frac{\cosh x}{\cosh^2 x} = \frac{1}{\cosh x} .

Menurut konstruksinya, tang(x)=sinhx\tan g(x) = \sinh x. Lalu, karena g(x)(π2,π2)g(x) \in \intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2} berkosinus positif,

cosg(x)=11+tan2g(x)=11+sinh2x=1coshx,sing(x)=tang(x)cosg(x)=sinhxcoshx=tanhx.\begin{align*} \cos g(x) &= \frac{1}{\sqrt{1 + \tan^2 g(x)}} = \frac{1}{\sqrt{1 + \sinh^2 x}} = \frac{1}{\cosh x},\\ \sin g(x) &= \tan g(x) \cos g(x) = \frac{\sinh x}{\cosh x} = \tanh x . \end{align*}

Latihan 4.12 ★★

Buktikan bahwa

arctan1+arctan2+arctan3=π.\arctan 1 + \arctan 2 + \arctan 3 = \pi .

Petunjuk: hitung arctan2+arctan3\arctan 2 + \arctan 3 lebih dulu, dengan melokalkan jumlahnya seperti pada Contoh 4.15; awas, penyebut rumus penjumlahannya bernilai negatif di sini.

Solusi

Solusi Latihan 4.12.

Tulis u=arctan2u = \arctan 2 dan v=arctan3v = \arctan 3; keduanya terletak di (π4,π2)\intoo{\frac\pi4}{\frac\pi2} (karena argumennya melebihi 11), jadi u+v(π2,π)u + v \in \intoo{\frac\pi2}{\pi}. Rumus penjumlahan memberikan

tan(u+v)=2+316=1,\tan(u + v) = \frac{2 + 3}{1 - 6} = -1 ,

dan satu-satunya sudut di (π2,π)\intoo{\frac\pi2}{\pi} yang bertangen 1-1 adalah 3π4\frac{3\pi}4: jadi arctan2+arctan3=3π4\arctan 2 + \arctan 3 = \frac{3\pi}4. (Menerapkan arctan\arctan secara membabi buta pada tangennya akan memberikan π4-\frac\pi4, meleset sejauh π\pi — pelokalanlah yang menyelamatkan perhitungan itu, dan penyebut 161 - 6 yang negatif justru menjadi isyarat bahwa jumlahnya sudah meninggalkan (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}.) Dengan menambahkan arctan1=π4\arctan 1 = \frac\pi4:

arctan1+arctan2+arctan3=π4+3π4=π.\arctan 1 + \arctan 2 + \arctan 3 = \frac\pi4 + \frac{3\pi}4 = \pi .

4.5 Soal: Persamaan xy=yxx^y = y^x

Soal 4.1

Pasangan bilangan positif mana yang memenuhi xy=yxx^y = y^x? Semua orang tahu satu contoh yang tampak kebetulan, 24=42=162^4 = 4^2 = 16; soal ini menunjukkan bahwa tak ada yang kebetulan di situ. Seluruh persamaannya dikendalikan oleh variasi satu fungsi tunggal

f(t)=lntt(t>0),f(t) = \frac{\ln t}{t} \qquad (t > 0),

yang penelaahannya menghasilkan: himpunan penyelesaian lengkapnya (sebuah diagonal ditambah satu cabang melengkung yang melewati (e,e)(\eu, \eu)), sebuah parameterisasi rasional cabang itu, kenyataan bahwa (2,4)(2, 4) adalah satu-satunya titik bulatnya dan penggolongan semua titik rasionalnya — ditambah, sebagai dividen, perbandingan eπ\eu^\pi dengan πe\pi^\eu dan kekonvergenan monoton (1+1n)n\bigl(1 + \frac1n\bigr)^n ke e\eu.

Bagian I — Fungsi f(t)=lnt/tf(t) = \ln t / t.

  1. Berikan alasan bahwa ff dapat diturunkan pada (0,+)\intoo0{+\infty}, hitung ff', lalu susun tabel variasinya: ff naik tegas pada (0,e]\intoc0\eu, turun tegas pada [e,+)\intco\eu{+\infty}, dengan maksimum f(e)=1ef(\eu) = \frac1\eu.
  2. Tentukan limit ff di 0+0^+ dan di ++\infty (Proposisi 4.6), tanda ff (negatif pada (0,1)\intoo01, nol di 11, positif setelah itu), lalu sketsakan grafiknya.
  3. Periksa lewat perhitungan langsung bahwa f(2)=f(4)f(2) = f(4). (Simpanlah kesamaan ini di kepala: seluruh soal ini tumbuh darinya.)
  4. Misalkan cRc \in \R. Bahaslah, menurut nilai cc, banyaknya penyelesaian f(t)=cf(t) = c: tepat satu untuk c0c \leq 0; tepat dua (satu di (1,e)\intoo1\eu, satu di (e,+)\intoo\eu{+\infty}) untuk 0<c<1e0 < c < \frac1\eu; tepat satu untuk c=1ec = \frac1\eu; dan tak ada untuk c>1ec > \frac1\eu.
  5. Simpulkan bahwa ex>xe\eu^x > x^\eu untuk setiap x>0x > 0 dengan xex \neq \eu, lalu khususnya tentukan mana yang lebih besar di antara eπ\eu^\pi dan πe\pi^\eu.

Bagian II — Persamaan itu dan kurvanya. Pada bagian ini x,y>0x, y > 0.

  1. Tunjukkan bahwa xy=yx    f(x)=f(y)x^y = y^x \iff f(x) = f(y).
  2. Simpulkan struktur himpunan penyelesaiannya: semua pasangan diagonal (x,x)(x, x); dan pasangan yang tak sepele (xyx \neq y), yang memenuhi: kedua koordinatnya >1> 1, dan satu di antaranya terletak di (1,e)\intoo1\eu sedangkan yang lain terletak di (e,+)\intoo\eu{+\infty}.
  3. Parameterkan pasangan yang tak sepele itu: dengan menulis y=txy = tx dengan t>0t > 0, t1t \neq 1, tunjukkan bahwa xy=yxx^y = y^x memaksa

    x(t)=t1t1,y(t)=tx(t)=ttt1,x(t) = t^{\frac1{t-1}}, \qquad y(t) = t\,x(t) = t^{\frac{t}{t-1}},

    dan bahwa sebaliknya setiap pasangan semacam itu merupakan penyelesaian.

  4. Periksa bahwa t=2t = 2 memberikan (2,4)(2, 4), lalu buktikan simetri x(1/t)=y(t)x(1/t) = y(t), y(1/t)=x(t)y(1/t) = x(t): membalikkan parameternya menukarkan kedua koordinatnya.
  5. Tentukan limit x(t)x(t) dan y(t)y(t) ketika t1t \to 1 (keduanya menuju e\eu), ketika t+t \to +\infty (x1x \to 1, y+y \to +\infty) dan ketika t0+t \to 0^+ (x+x \to +\infty, y1y \to 1). Gambarkan cabang yang dihasilkannya: sebuah kurva yang asimtotik ke garis x=1x = 1 dan y=1y = 1, yang memotong diagonalnya di (e,e)(\eu, \eu).
  6. Tunjukkan bahwa tx(t)t \mapsto x(t) turun tegas pada (1,+)\intoo1{+\infty}. (Pelajari h(t)=11tlnth(t) = 1 - \frac1t - \ln t, yang tandanya mengendalikan turunan lnx(t)=lntt1\ln x(t) = \frac{\ln t}{t - 1}.)
  7. Simpulkan bahwa penyelesaian yang tak sepele mendefinisikan bijeksi turun tegas φ ⁣:(1,e)(e,+)\varphi \colon \intoo1\eu \to \intoo\eu{+\infty} dengan xφ(x)=φ(x)xx^{\varphi(x)} = \varphi(x)^x, dan bahwa φ\varphi merupakan involusi pada cabang itu: φ(φ(x))=x\varphi(\varphi(x)) = x di mana pun kedua ruasnya terdefinisi.

Bagian III — Titik bulat dan titik rasional.

  1. Buktikan bahwa (2,4)(2, 4) dan (4,2)(4, 2) adalah satu-satunya penyelesaian bulat yang tak sepele bagi xy=yxx^y = y^x.
  2. Untuk nNn \in \N^*, terapkan parameterisasinya dengan t=1+1nt = 1 + \frac1n lalu tunjukkan bahwa

    xn=(1+1n)n,yn=(1+1n)n+1x_n = \Bigl(1 + \frac1n\Bigr)^{n}, \qquad y_n = \Bigl(1 + \frac1n\Bigr)^{n+1}

    merupakan penyelesaian rasional yang tak sepele untuk setiap nn, dengan (x1,y1)=(2,4)(x_1, y_1) = (2, 4).

  3. Sebaliknya, misalkan (x,y)(x, y) penyelesaian rasional yang tak sepele dengan y>xy > x, lalu tulis t=y/x=1+rst = y/x = 1 + \frac rs dalam bentuk paling sederhana (r,sNr, s \in \N^*). Dengan memakai x=ts/rx = t^{s/r} dan menerima ketunggalan pemfaktoran prima (yang dikenal dari sekolah; dibuktikan pada Bab 6), tunjukkan bahwa xx yang rasional memaksa ss maupun s+rs + r menjadi pangkat ke-rr sebuah bilangan bulat.
  4. Tunjukkan dengan teorema binomial bahwa arbr=ra^r - b^r = r tak mempunyai penyelesaian bulat a>b1a > b \geq 1 ketika r2r \geq 2, lalu simpulkan: penyelesaian rasional xy=yxx^y = y^x persis pasangan (xn,yn)(x_n, y_n) pada pertanyaan 14 (beserta tukarannya).
  5. Periksa kasus n=2n = 2 secara numerik: hitung f(9/4)f(9/4) dan f(27/8)f(27/8) sampai empat angka desimal lalu periksa bahwa keduanya cocok.

Bagian IV — Dividennya.

  1. Pakai pertanyaan 7 dan 11 untuk membuktikan, tanpa perhitungan tambahan, bahwa barisan xn=(1+1n)nx_n = \bigl(1 + \frac1n\bigr)^n naik tegas dengan xn<ex_n < \eu, bahwa yn=(1+1n)n+1y_n = \bigl(1 + \frac1n\bigr)^{n+1} turun tegas dengan yn>ey_n > \eu, dan bahwa keduanya konvergen ke e\eu. (Parameternya tn=1+1nt_n = 1 + \frac1n turun ke 11.)
  2. Tegakkan kaidah perbandingan umum untuk 1<a<b1 < a < b: jika ea\eu \leq a maka ab>baa^b > b^a; jika beb \leq \eu maka ab<baa^b < b^a; lalu tunjukkan lewat dua contoh (2,3)(2, 3) dan (2,5)(2, 5) bahwa pada kasus campuran a<e<ba < \eu < b kedua hasil itu sungguh-sungguh terjadi.
  3. Andaikan involusi φ\varphi pada pertanyaan 12 dapat diturunkan di e\eu (memang begitu). Turunkan kesamaan φ(φ(x))=x\varphi(\varphi(x)) = x di x=ex = \eu lalu simpulkan φ(e)=1\varphi'(\eu) = -1: jadi cabang itu memotong diagonalnya secara tegak lurus.
  4. Carilah satu-satunya pasangan penyelesaian dengan y=3xy = 3x, dalam bentuk tertutup, lalu periksa secara numerik sampai empat angka desimal lewat ff.
  5. Di antara bilangan 2\sqrt2, 33\sqrt[3]3, 44\sqrt[4]4, 55\sqrt[5]5, tentukan yang terbesar lalu kenali dua di antaranya yang sama. (Bandingkan n1/n=ef(n)n^{1/n} = \eu^{f(n)}.)

Bagian V — Sintesis.

  1. Gambarkan himpunan penyelesaian lengkap xy=yxx^y = y^x pada seperempat bidang x,y>0x, y > 0 — diagonal ditambah cabangnya, titik potongnya (e,e)(\eu, \eu), asimtotnya, titik bulat (2,4)(2, 4), titik rasional yang menumpuk di (e,e)(\eu, \eu) — dalam bentuk yang dapat Anda sketsakan dari ingatan.
  2. Di mana persisnya soal ini memakai: (i) perbandingan pertumbuhan pada Proposisi 4.6; (ii) teorema nilai antara (lewat pernyataan bijeksinya); (iii) ketunggalan pemfaktoran prima yang diterima tanpa bukti? Satu kalimat untuk masing-masing.
  3. Moralnya, dalam satu paragraf pendek: satu tabel variasi menyelesaikan sebuah persamaan dengan dua variabel, menggolongkan titik rasionalnya, dan membuktikan kekonvergenan monoton (1+1n)n\bigl(1 + \frac1n\bigr)^n — berilah komentar atas penghematan ini, lalu sebutkan tempat masing-masing benangnya diindustrialisasi di bagian akhir jilid ini (Bab 11 untuk barisannya, Bab 14 untuk tabel variasinya, Bab 16 untuk ketelitian yang tak dimiliki tabel itu).
Solusi

Solusi Soal 4.1.

1. Di sini ff adalah hasil bagi fungsi yang dapat diturunkan dengan penyebut yang tak lenyap pada (0,+)\intoo0{+\infty}, dan

f(t)=1ttlntt2=1lntt2,f'(t) = \frac{\frac1t \cdot t - \ln t}{t^2} = \frac{1 - \ln t}{t^2} ,

yang positif untuk t<et < \eu, nol di t=et = \eu, dan negatif untuk t>et > \eu: jadi ff naik tegas pada (0,e]\intoc0\eu, turun tegas pada [e,+)\intco\eu{+\infty}, dengan maksimum f(e)=1ef(\eu) = \frac1\eu.

2. Ketika t0+t \to 0^+: lnt\ln t \to -\infty dan 1t+\frac1t \to +\infty, jadi f(t)f(t) \to -\infty. Ketika t+t \to +\infty: f(t)0f(t) \to 0 menurut perbandingan pertumbuhan pada Proposisi 4.6 (dengan β=α=1\beta = \alpha = 1). Tandanya: sama dengan tanda lnt\ln t, jadi f<0f < 0 pada (0,1)\intoo01, f(1)=0f(1) = 0, dan f>0f > 0 pada (1,+)\intoo1{+\infty}. Grafiknya memanjat dari -\infty, memotong nol di 11, memuncak di (e,1e)(\eu, \frac1\eu), lalu meluruh ke 0+0^+.

3. f(4)=ln44=2ln24=ln22=f(2)f(4) = \frac{\ln 4}4 = \frac{2\ln 2}4 = \frac{\ln 2}2 = f(2).

4. Menurut tabel variasinya dan teorema nilai antara (yang dipakai pada taraf sekolah menengah; diformalkan pada Bab 13). Untuk c<0c < 0: penyelesaian hanya ada di tempat f<0f < 0, yakni di (0,1)\intoo01 yang di sana ff merupakan bijeksi naik tegas pada (,0)\intoo{-\infty}0: jadi tepat satu. Untuk c=0c = 0: hanya t=1t = 1. Untuk 0<c<1e0 < c < \frac1\eu: pada (1,e)\intoo1\eu, ff naik dari 00 ke 1e\frac1\eu, jadi satu penyelesaian; pada (e,+)\intoo\eu{+\infty}, ff turun dari 1e\frac1\eu ke 00, jadi satu lagi; totalnya dua. Untuk c=1ec = \frac1\eu: hanya titik maksimumnya t=et = \eu. Untuk c>1ec > \frac1\eu: tak ada.

5. Untuk xex \neq \eu, kemaksimalan tegasnya memberikan f(x)<f(e)f(x) < f(\eu), yakni lnxx<1e\frac{\ln x}x < \frac1\eu, yakni elnx<x\eu\ln x < x, yakni ln(xe)<ln(ex)\ln(x^\eu) < \ln(\eu^x): jadi xe<exx^\eu < \eu^x. Dengan x=πx = \pi: eπ>πe\eu^\pi > \pi^\eu (secara numerik 23.14>22.4623.14 > 22.46).

6. Untuk x,y>0x, y > 0, kedua ruasnya positif, sehingga

xy=yx    ylnx=xlny    lnxx=lnyy    f(x)=f(y),x^y = y^x \iff y\ln x = x\ln y \iff \frac{\ln x}x = \frac{\ln y}y \iff f(x) = f(y) ,

setelah dibagi xy>0xy > 0.

7. Misalkan f(x)=f(y)=cf(x) = f(y) = c dengan xyx \neq y. Jika c0c \leq 0 atau c=1ec = \frac1\eu, pertanyaan 4 mengatakan persamaan f=cf = c hanya punya satu penyelesaian: mustahil. Jadi 0<c<1e0 < c < \frac1\eu, dan sekali lagi menurut pertanyaan 4 kedua penyelesaiannya adalah satu titik di (1,e)\intoo1\eu dan satu titik di (e,+)\intoo\eu{+\infty}: jadi kedua koordinatnya melebihi 11 dan keduanya mengapit e\eu.

8. Dengan mensubstitusikan y=txy = tx pada ylnx=xlnyy\ln x = x\ln y:

txlnx=x(lnt+lnx)    (t1)lnx=lnt    lnx=lntt1,tx\ln x = x(\ln t + \ln x) \iff (t - 1)\ln x = \ln t \iff \ln x = \frac{\ln t}{t - 1} ,

jadi x=t1/(t1)x = t^{1/(t-1)} dan y=tx=t1+1t1=tt/(t1)y = tx = t^{1 + \frac1{t-1}} = t^{t/(t-1)}. Sebaliknya, untuk nilai itu, lny=tlntt1=tlnx\ln y = \frac{t\ln t}{t-1} = t\ln x dan y=txy = tx, sehingga lnyy=tlnxtx=lnxx\frac{\ln y}y = \frac{t\ln x}{tx} = \frac{\ln x}x: jadi sebuah penyelesaian. Setiap penyelesaian tak sepele punya rasio t=y/x(0,+){1}t = y/x \in \intoo0{+\infty} \setminus \{1\}, jadi parameterisasinya lengkap.

9. Untuk t=2t = 2: x=21/1=2x = 2^{1/1} = 2, y=22/1=4y = 2^{2/1} = 4. Lalu

x(1/t)=(1/t)11t1=(t1)t1t=ttt1=y(t),x(1/t) = (1/t)^{\frac1{\frac1t - 1}} = (t^{-1})^{\frac{t}{1 - t}} = t^{\frac{t}{t - 1}} = y(t) ,

lalu y(1/t)=1tx(1/t)=y(t)t=x(t)y(1/t) = \frac1t\,x(1/t) = \frac{y(t)}t = x(t): jadi pergantian parameter t1/tt \mapsto 1/t menukarkan koordinatnya, sebagaimana dituntut simetri persamaannya.

10. Ketika t1t \to 1: lntt11\frac{\ln t}{t-1} \to 1 (karena ia hasil bagi selisih ln\ln di 11), jadi xe1=ex \to \eu^1 = \eu dan y=txey = tx \to \eu. Ketika t+t \to +\infty: lnx=lntt10\ln x = \frac{\ln t}{t-1} \to 0 jadi x1x \to 1, sedangkan lny=tlntt1+\ln y = \frac{t\ln t}{t-1} \to +\infty jadi y+y \to +\infty. Ketika t0+t \to 0^+: lnx=lntt11=+\ln x = \frac{\ln t}{t-1} \to \frac{-\infty}{-1} = +\infty jadi x+x \to +\infty, sedangkan lny=tlntt101=0\ln y = \frac{t\ln t}{t-1} \to \frac{0}{-1} = 0 jadi y1y \to 1 (dengan memakai tlnt0t\ln t \to 0, Contoh 4.7). Jadi cabang itu berjalan dari asimtot y=1y = 1 (jauh di kanan), naik melewati (e,e)(\eu, \eu) pada diagonalnya, lalu pergi menyusuri asimtot x=1x = 1 (jauh di atas) — dan simetris terhadap diagonalnya menurut pertanyaan 9.

11. lnx(t)=g(t)=lntt1\ln x(t) = g(t) = \frac{\ln t}{t-1}, dan

g(t)=t1tlnt(t1)2=h(t)(t1)2,h(t)=11tlnt.g'(t) = \frac{\frac{t-1}t - \ln t}{(t-1)^2} = \frac{h(t)}{(t-1)^2}, \qquad h(t) = 1 - \frac1t - \ln t .

h(1)=0h(1) = 0 dan h(t)=1t21t=1tt2<0h'(t) = \frac1{t^2} - \frac1t = \frac{1 - t}{t^2} < 0 untuk t>1t > 1: jadi h<0h < 0 pada (1,+)\intoo1{+\infty}, sehingga g<0g' < 0 dan x=egx = \eu^g turun tegas di sana (dari e\eu ke 11, menurut pertanyaan 10).

12. Menurut pertanyaan 11, tx(t)t \mapsto x(t) adalah bijeksi turun tegas dari (1,+)\intoo1{+\infty} pada (1,e)\intoo1\eu; tulis t(x)t(x) untuk inversnya (yang juga turun tegas) lalu tulis φ(x)=y(t(x))\varphi(x) = y(t(x)). Perhatikan h<0h < 0 juga pada (0,1)\intoo01 (di sana h>0h' > 0 dan h(1)=0h(1) = 0), jadi x()x(\cdot) turun pada (0,1)\intoo01 juga; sehingga y(t)=x(1/t)y(t) = x(1/t) (pertanyaan 9) bersifat naik dalam tt pada (1,+)\intoo1{+\infty}, dari e\eu ke ++\infty. Dengan mengomposisikannya: φ=yt()\varphi = y \circ t(\cdot) turun tegas dari (1,e)\intoo1\eu pada (e,+)\intoo\eu{+\infty}, dan xφ(x)=φ(x)xx^{\varphi(x)} = \varphi(x)^x menurut pertanyaan 8. Akhirnya, untuk sebuah nilai bersama c=f(x)(0,1e)c = f(x) \in \intoo0{\frac1\eu}, pasangan {x,φ(x)}\{x, \varphi(x)\} adalah satu-satunya himpunan penyelesaian f=cf = c yang beranggota dua (pertanyaan 4); dengan memperluas φ\varphi ke (e,+)\intoo\eu{+\infty} sebagai pemetaan inversnya, φ(φ(x))\varphi(\varphi(x)) kembali ke unsur yang lain, yakni unsur asalnya: jadi φφ=id\varphi \circ \varphi = \mathrm{id}.

13. Jika (x,y)(x, y) penyelesaian bulat yang tak sepele dengan x<yx < y, pertanyaan 7 menempatkan x(1,e)x \in \intoo1\eu: dan satu-satunya bilangan bulat di sana adalah x=2x = 2. Maka f(y)=f(2)=ln22f(y) = f(2) = \frac{\ln2}2 dengan y>ey > \eu; menurut pertanyaan 4 persamaan f=ln22f = \frac{\ln2}2 mempunyai tepat satu penyelesaian di luar e\eu, dan pertanyaan 3 menunjukkannya: y=4y = 4. Jadi (2,4)(2, 4), beserta tukarannya, adalah satu-satunya.

14. t=1+1n=n+1nt = 1 + \frac1n = \frac{n+1}n memberikan 1t1=n\frac1{t - 1} = n dan tt1=n+1\frac t{t-1} = n + 1, jadi

xn=(n+1n)n,yn=(n+1n)n+1,x_n = \Bigl(\frac{n+1}n\Bigr)^{n}, \qquad y_n = \Bigl(\frac{n+1}n\Bigr)^{n+1},

yang jelas rasional, berbeda (karena yn=txnxny_n = t\,x_n \neq x_n), dan n=1n = 1 memberikan x1=2x_1 = 2, y1=4y_1 = 4.

15. Di sini t=y/xt = y/x rasional dan >1> 1; tulis t1=rst - 1 = \frac rs dalam bentuk paling sederhana, jadi t=s+rst = \frac{s + r}s dengan gcd(s+r,s)=gcd(r,s)=1\gcd(s + r, s) = \gcd(r, s) = 1. Pertanyaan 8 memberikan x=ts/rx = t^{s/r}, sehingga

xr=ts=(s+r)sss,x^r = t^s = \frac{(s+r)^s}{s^s} ,

yaitu pecahan dalam bentuk paling sederhana (tak ada prima yang membagi s+rs + r maupun ss). Dengan menulis x=pqx = \frac pq dalam bentuk paling sederhana, xr=prqrx^r = \frac{p^r} {q^r} juga dalam bentuk paling sederhana, dan menurut ketunggalan penyajian tersederhana itu: pr=(s+r)sp^r = (s+r)^s dan qr=ssq^r = s^s. Bandingkan eksponen sebarang prima \ell pada qr=ssq^r = s^s: rv(q)=sv(s)r \cdot v_\ell(q) = s \cdot v_\ell(s), jadi rr membagi sv(s)s\,v_\ell(s); karena gcd(r,s)=1\gcd(r, s) = 1, maka rr membagi v(s)v_\ell(s) untuk setiap prima \ell (menurut ketunggalan pemfaktoran, yang diterima tanpa bukti; dibuktikan pada Bab 6), sehingga s=brs = b^r untuk suatu bilangan bulat bb. Argumen yang sama pada pr=(s+r)sp^r = (s+r)^s memberikan s+r=ars + r = a^r.

16. Andaikan arbr=ra^r - b^r = r dengan bilangan bulat a>b1a > b \geq 1 dan r2r \geq 2. Maka ab+1a \geq b + 1, jadi menurut teorema binomial

arbr(b+1)rbr=k=0r1(rk)bk(r0)+(rr1)br11+r>r,a^r - b^r \geq (b+1)^r - b^r = \sum_{k=0}^{r-1}\binom rk b^k \geq \binom r0 + \binom r{r-1} b^{r-1} \geq 1 + r > r ,

yang merupakan kontradiksi. Dari pertanyaan 15, arbr=(s+r)s=ra^r - b^r = (s + r) - s = r memaksa r=1r = 1: jadi t=1+1st = 1 + \frac1s, dan penyelesaiannya adalah (xs,ys)(x_s, y_s) pada pertanyaan 14. Bersama pasangan yang tertukar, penggolongannya pun lengkap.

17. f(94)=ln2.252.25=0.810932.25=0.3604f\bigl(\tfrac94\bigr) = \frac{\ln 2.25}{2.25} = \frac{0.81093}{2.25} = 0.3604 dan f(278)=ln3.3753.375=1.216403.375=0.3604f\bigl(\tfrac{27}8\bigr) = \frac{\ln 3.375}{3.375} = \frac{1.21640}{3.375} = 0.3604 (sampai empat angka desimal): sama, sebagaimana dijanjikan konstruksinya — jadi (94)27/8=(278)9/4\bigl(\tfrac94\bigr)^{27/8} = \bigl(\tfrac{27}8\bigr)^{9/4}.

18. Parameternya tn=1+1nt_n = 1 + \frac1n turun tegas ke 11. Karena x()x(\cdot) turun tegas pada (1,+)\intoo1{+\infty} (pertanyaan 11), maka xn=x(tn)x_n = x(t_n) naik tegas; dan karena y()y(\cdot) naik tegas di sana (pertanyaan 12), maka yn=y(tn)y_n = y(t_n) turun tegas. Menurut pertanyaan 7, xn(1,e)x_n \in \intoo1\eu dan yn(e,+)y_n \in \intoo\eu{+\infty}: jadi xn<e<ynx_n < \eu < y_n untuk setiap nn. Akhirnya tn1t_n \to 1 dan pertanyaan 10 memberikan xnex_n \to \eu dan yney_n \to \eu. Jadi kekonvergenan monoton yang klasik dari (1+1n)n\bigl(1 + \frac1n\bigr)^n jatuh begitu saja dari geometri cabang itu, tanpa ketaksamaan baru.

19. Jika ea<b\eu \leq a < b: karena ff turun tegas pada [e,+)\intco\eu{+\infty} maka f(a)>f(b)f(a) > f(b), yakni blna>alnbb\ln a > a\ln b, yakni ab>baa^b > b^a. Jika 1<a<be1 < a < b \leq \eu: karena ff naik tegas maka f(a)<f(b)f(a) < f(b), sehingga ab<baa^b < b^a. Kasus campurannya: 2<e<32 < \eu < 3 dan 23=8<9=322^3 = 8 < 9 = 3^2; tetapi 2<e<52 < \eu < 5 dan 25=32>25=522^5 = 32 > 25 = 5^2: jadi kedua hasilnya terjadi, dan yang memutuskan adalah di sisi mana cabang itu titik (a,b)(a, b) jatuh.

20. Cabang itu bertemu diagonalnya di e\eu dan φ\varphi diperluas secara kontinu di sana dengan φ(e)=e\varphi(\eu) = \eu. Menurunkan φ(φ(x))=x\varphi(\varphi(x)) = x di x=ex = \eu dengan aturan rantai: φ(φ(e))φ(e)=φ(e)2=1\varphi'(\varphi(\eu))\,\varphi'(\eu) = \varphi'(\eu)^2 = 1, jadi φ(e)=±1\varphi'(\eu) = \pm1; dan karena φ\varphi turun, maka φ(e)=1\varphi'(\eu) = -1. Jadi cabang itu memotong diagonalnya dengan kemiringan 1-1: yakni tegak lurus.

21. y=3xy = 3x adalah kasus t=3t = 3: x=31/2=3x = 3^{1/2} = \sqrt3 dan y=33/2=33y = 3^{3/2} = 3\sqrt3. Periksa: f(3)=0.549311.73205=0.3171f(\sqrt3) = \frac{0.54931}{1.73205} = 0.3171 dan f(33)=ln5.196155.19615=1.647925.19615=0.3171f(3\sqrt3) = \frac{\ln 5.19615}{5.19615} = \frac{1.64792}{5.19615} = 0.3171: sama sampai empat angka desimal, jadi (3)33=(33)3(\sqrt3)^{3\sqrt3} = (3\sqrt3)^{\sqrt3}.

22. n1/n=ef(n)n^{1/n} = \eu^{f(n)}, dan exp\exp naik, jadi urutannya sama dengan urutan f(n)f(n): f(3)=ln330.3662f(3) = \frac{\ln3}3 \approx 0.3662 mengungguli f(2)=f(4)=ln220.3466f(2) = f(4) = \frac{\ln2}2 \approx 0.3466 (pertanyaan 3) dan f(5)0.3219f(5) \approx 0.3219. Jadi yang terbesar adalah 33\sqrt[3]3, dan pasangan yang sama adalah 2=44\sqrt2 = \sqrt[4]4 — yakni pasangan bulat (2,4)(2, 4) dalam samaran yang lain lagi.

23. Himpunan penyelesaiannya adalah gabungan diagonal {(x,x):x>0}\{(x, x) : x > 0\} dan satu cabang tunggal, yang simetris terhadap diagonalnya, turun tegas dari asimtot x=1x = 1 (ketika y+y \to +\infty) ke asimtot y=1y = 1 (ketika x+x \to +\infty), dan memotong diagonalnya tepat sekali, di (e,e)(\eu, \eu), dengan kemiringan 1-1 di sana. Pada cabang itu duduk titik bulat (2,4)(2, 4) dan (4,2)(4, 2) — satu-satunya — beserta titik rasional (xn,yn)(x_n, y_n), yang berbaris secara monoton di sepanjang cabang menuju (e,e)(\eu, \eu) tanpa pernah mencapainya (karena e\eu irasional; titik rasional cabang itu menumpuk pada sebuah sudut yang irasional).

24. (i) Perbandingan pertumbuhan memberikan limit ff di ++\infty (pertanyaan 2) dan tlnt0t\ln t \to 0 (pertanyaan 10), yang membentuk tabel variasinya sekaligus asimtotnya. (ii) Teorema nilai antara, lewat pernyataan bijeksinya, mengubah tabel variasi itu menjadi cacahan penyelesaian yang eksak (pertanyaan 4) dan menjadi keberadaan pemetaan invers t(x)t(x) (pertanyaan 12). (iii) Ketunggalan pemfaktoran menggerakkan kedua penyamaan bentuk tersederhana pada pertanyaan 15, yang menjadi jantung aritmetika bagi penggolongan titik rasionalnya.

25. Satu perhitungan turunan — yaitu tanda 1lnt1 - \ln t — melahirkan segalanya: cacahan penyelesaian untuk setiap aras cc, bentuk dan asimtot cabangnya, ketaksamaan ekstremal exxe\eu^x \geq x^\eu, penggolongan penyelesaian bulat dan rasional, serta kekonvergenan monoton (1+1n)n\bigl(1 + \frac1n\bigr)^n. Inilah penghematan berpikir dengan tabel variasi: telaah berdimensi satu menyelesaikan persamaan dengan dua variabel karena persamaannya melewati satu fungsi tunggal. Nanti Bab 11 akan mengulang kekonvergenan (xn)(x_n) dengan teori umum barisan monoton; Bab 14 melandasi tabel variasi secara ketat di atas teorema nilai rata-rata; dan Bab 16 memasok apa yang tak dapat diberikan tabel itu — yaitu laju kekonvergenan xnex_n \to \eu (yang berorde 1/n1/n).

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium