Matematika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2
6Perbandingan Fungsi
Analisis asimtotik — seni mengganti besaran yang rumit dengan besaran sederhana ditambah galat yang terkendali — dimulai pada jilid Tahun ke-1 lewat uraian Taylor. Bab ini menjadikannya disiplin tersendiri: uraian sepanjang skala umum, perbandingan deret dengan integral beserta seluruh daya asimtotiknya, rumus Stirling (yang dibuktikan tuntas), dan telaah sistematis atas barisan yang terdefinisi secara implisit. Teknik itu adalah santapan sehari-hari analisis asimtotik, dan setiap bab berikutnya yang menaksir apa pun — deret, integral, peluang — makan dari meja ini.
6.1 Relasi perbandingan dan skala
Definisi 6.1
Di dekat sebuah titik a (a∈R atau ±∞), untuk fungsi (atau barisan, dengan n→∞): f=o(g), f=O(g), f∼g seperti pada jilid Tahun ke-1. Sebuah skala perbandingan di a adalah keluarga fungsi positif yang sebanding sepasang demi sepasang dan terurut total oleh o(⋅) — skala bakunya di +∞ adalah
xα(lnx)β(α,β∈R),
yang terurut secara leksikografis pada (α,β), dan diperhalus bila perlu oleh eksponensial eγx.
Definisi 6.2(Uraian asimtotik)
Fungsi f menerima uraian asimtotik
f=c1φ1+c2φ2+⋯+ckφk+o(φk)(φi+1=o(φi) pada skalanya)
apabila sisa berturut-turutnya memenuhi taksiran di atas. Koefisiennya lalu tunggal: c1=limf/φ1, dan secara induktif ci+1=lim(f−∑j≤icjφj)/φi+1.
Contoh 6.3
Uraian Taylor adalah uraian asimtotik sepanjang skala (x−a)k di a. Namun gagasannya jauh lebih luas: di +∞,
x−lnx1=x1⋅1−xlnx1=x1+x2lnx+o(x2lnx),
yaitu uraian sepanjang skala campuran — tak ada teorema Taylor yang berlaku, hanya uraian geometri dan kalkulus atas o.
Contoh 6.4(Skala bakunya sungguh terurut)
Klaim leksikografis pada Definisi 6.1 memerlukan satu baris bukti untuk tiap kasusnya. Bandingkan xα(lnx)β dan xα′(lnx)β′ di +∞. Jika α<α′: rasionya adalah xα−α′(lnx)β−β′→0, sebab pangkat negatif x meremukkan pangkat berapa pun dari lnx (ambil x=et: e(α−α′)ttβ−β′→0 lewat limit “eksponensial mengalahkan polinomial” pada jilid Tahun ke-1). Jika α=α′ dan β<β′: rasionya langsung (lnx)β−β′→0. Jadi pasangan (α,β), yang terurut secara leksikografis, mengurutkan skalanya oleh o(⋅) — dan penyulihan x=et adalah siasat serbaguna untuk perbandingan campuran pangkat dan logaritma.
Contoh 6.5(Mengurutkan satu kebun binatang)
Skala wajib terurut; berikut latihan bakunya. Di +∞, bandingkan n10, elnn⋅n, 2n dan nlnn dengan mengambil logaritmanya:
10lnn≪(lnn)2≪nlnn≪nln2,
dengan an≪bn berarti an=o(bn); adapun entri keduanya adalah ln(nlnn). Eksponensial memelihara jurang tegas itu (sebab jika lnun−lnvn→−∞ maka un/vn→0), sehingga
n10=o(nlnn),nlnn=o(enlnn),enlnn=o(2n).
Pelajarannya ada dua: selalulah membandingkan lewat logaritma (yakni selisih logaritma, bukan rasio logaritma), dan jangan pernah menyimpulkan un∼vn dari lnun∼lnvn — sebab pasangan n10 dan nlnn punya rasio ln yang menuju ∞, sedangkan 2n dan 4n punya rasio ln tepat 2 padahal keduanya sama sekali tidak setara.
6.2 Perbandingan deret dengan integral, secara asimtotik
Teorema 6.6
Misalkan fkontinu, positif, dan turun pada [1,+∞).
Jika ∫1∞f konvergen, maka sisanya memenuhi
∫n+1∞f≤k>n∑f(k)≤∫n∞f.
Jika ∫1∞f divergen, maka jumlah parsialnya memenuhi ∑k=1nf(k)=∫1nf+C+o(1) untuk suatu konstanta C: yakni selisih ∑k≤nf(k)−∫1nfkonvergen.
Bukti. Pengapitan f(k+1)≤∫kk+1f≤f(k) (dari keturunannya) tak lain alat Tahun ke-1; menjumlahkannya atas k≥n+1, atau atas k≥n, memberi (1). Untuk (2), tetapkan uk=f(k)−∫kk+1f: menurut pengapitan itu, 0≤uk≤f(k)−f(k+1), jadi jumlah parsial ∑uk terbatas oleh teleskop f(1)−f(n+1)≤f(1): sehingga deretnya konvergen. Lebih lanjut barisan (∫nn+1f)n tidak naik (sebab f turun) dan tak negatif, jadi ia konvergen. Dengan menulis
k=1∑nf(k)−∫1nf=k=1∑nuk+∫nn+1f,
ruas kanannya konvergen ketika n→∞: jadi selisihnya konvergen ke sebuah konstanta C, dan itulah pernyataan (2). ∎
Contoh 6.7(Uraian harmonik)
Untuk f(t)=t1: Hn=lnn+γ+o(1), yang memulihkan konstanta Euler (jilid Tahun ke-1) dengan bukti yang lebih bersih. Didorong satu orde lebih jauh (Latihan 6.3):
Hn=lnn+γ+2n1+o(n1).
Angkanya membuat keuntungannya kasatmata di n=10: H10=2.928968… dan ln10=2.302585…, jadi taksiran mentah γ adalah H10−ln10=0.626383, yang meleset 0.049; setelah dikurangi koreksi 201 diperoleh 0.576383, yang meleset dari γ=0.577216 hanya 8.3⋅10−4 — dan angka itu sendiri adalah suku berikutnya 12⋅1001 pada uraiannya, sebagaimana dibuktikan soal akhir pekan (pertanyaan 8).
Contoh 6.8(Taksiran kasar ln(n!) tanpa Stirling)
Alat pengapitan itu saja sudah menempatkan ln(n!). Karena ln naik,
∫k−1klntdt≤lnk≤∫kk+1lntdt,
lalu menjumlahkannya atas k=2,…,n (dengan ∫1nln=nlnn−n+1) memberi
nlnn−n+1≤ln(n!)≤(n+1)ln(n+1)−n.
Kedua pagarnya berbentuk nlnn−n+O(lnn): karenanya ln(n!)=nlnn−n+O(lnn), dan khususnya ln(n!)∼nlnn. Yang ditambahkan Stirling adalah dua anak tangga berikutnya — yaitu 21lnn dan konstanta ln2π — yang berharga teleskop lebih halus pada Teorema 6.13. Mengetahui ketelitian yang dibeli tiap perkakas adalah separuh dari seni asimtotik.
Contoh 6.9(Pencoretan menuntut uraian)
Hitunglah limit n2+n−n. Kedua sukunya ∼n, dan “∼n−n” tak bermakna: sebab yang setara tak dapat dikurangkan. Uraikanlah sebagai gantinya:
jadi limitnya 21, dengan laju penghampiran 8n1 sebagai bonus. Mekanismenya pantas dinamai: selisih dua besaran besar yang setara hidup seluruhnya pada suku berikutnya, jadi kita wajib menguraikannya sampai orde pertama tempat kedua ruasnya berselisih — lalu membawa sisanya untuk mengesahkan bahwa tak ada lagi yang bertahan pada orde itu.
Untuk f(t)=tlnt1 pada [2,+∞) (yang kontinu, positif, turun): ∫2xf=lnlnx−lnln2→∞, jadi menurut Teorema 6.6 (2),
k=2∑nklnk1=lnlnn+C+o(1)
untuk suatu konstanta C. Ada dua pelajaran. Pertama, kedivergenannya nyata tetapi selambat gletser: jumlah parsialnya baru melampaui 4 sekitar n≈ee4−C, yang besarnya astronomis. Kedua, bentuklnlnn itu diserahkan oleh sebuah antiturunan, bukan ditebak: sebab untuk suku yang monoton, integral adalah alat penjumlah yang kanonik, dan konstanta C — seperti γ milik Euler — adalah ingatan atas suku-suku awalnya.
6.3 Rumus Stirling
Lema 6.11(Integral Wallis, ditinjau ulang)
Misalkan Wn=∫0π/2sinntdt. Maka nWnWn−1=2π untuk n≥1, barisan (Wn) turun, dan Wn∼2nπ.
Bukti. Pengintegralan parsial memberi nWn=(n−1)Wn−2 (n≥2), jadi nWnWn−1 tetap terhadap n, sama dengan 1⋅W1W0=2π. Keturunannya: sinn+1≤sinn pada [0,2π]. Pengapitannya, secara rinci: kemonotonan memberi Wn+1≤Wn≤Wn−1, lalu setelah dibagi Wn−1>0,
n+1n=Wn−1Wn+1≤Wn−1Wn≤1,
dengan kesamaan di kirinya berasal dari rekurensi pada indeks n+1. Kedua batasnya menuju 1: jadi Wn∼Wn−1, sehingga
nWn2∼nWnWn−1=2π⟹Wn∼2nπ.
∎
Contoh 6.12(Integral Wallis yang pertama)
Dari W0=2π, W1=1 dan rekurensi nWn=(n−1)Wn−2:
W2=4π,W3=32,W4=163π,W5=158,W6=325π.
Indeks genapnya mengusung π, indeks ganjilnya rasional — yakni dua hasil kali berselang-seling pada bentuk tertutupnya. Secara numerik W6≈0.4909 terhadap nilai asimtotiknya π/12≈0.5116: jadi pada n=6 yang setara itu sudah berselisih di bawah 5%, sedangkan kesamaan hasil kalinya eksak di setiap n: 6W6W5=6⋅325π⋅158=2π. Tabel kecil seperti ini adalah cara termurah untuk menangkap keseleo aljabar sebelum ia sempat menulari suatu hujah asimtotik.
Teorema 6.13(Stirling)
n!∼2πn(en)n.
Bukti.Langkah 1: n!∼Cn(n/e)n untuk suatu konstanta C>0. Tetapkan
lewat uraian Taylor ln(1+n1). Karenanya deret ∑(dn−dn+1) konvergen mutlak (dengan pembandingan terhadap ∑n−2), sehingga (dn) konvergen, katakanlah ke d; setelah dieksponensialkan, n!∼Cn(n/e)n dengan C=ed.
Langkah 2: C=2π lewat Wallis. Bentuk tertutup W2p=4p(p!)2(2p)!⋅2π (dari rekurensinya, yaitu perhitungan Tahun ke-1 yang dikerjakan ulang pada latar Lema 6.11) berpadu dengan Langkah 1:
peluang bahwa jalan acak yang setangkup kembali ke 0 pada saat 2n bernilai ∼πn1 — yakni pengumuman awal bagi Bab 22.
Catatan 6.15(Pandangan ke depan di dalam jilid ini)
Setiap bab kuantitatif berikutnya berbicara dalam bahasa bab ini. Bab 7 menggolongkan deret dengan membandingkan sukunya terhadap skala n−α(lnn)−β — dan soal akhir pekannya memetakan perbatasan itu seluruhnya. Bab 9 melakukan hal yang sama untuk integral tak wajar, dengan skala yang persis sama pada peubah kontinunya. Bab 11 menghitung jari-jari kekonvergenan dari limsup∣an∣1/n, yakni latihan mencari yang setara bagi akar ke-n, dan Stirling menjadi kunci bakunya (nn!∼en, Latihan 6.4). Sedangkan bab peluangnya menguangkan Stirling secara langsung: taksiran lokal pada Bab 22 bagi koefisien binomial tak lain Contoh 6.14 dan Contoh 6.21 kata demi kata. Asimtotik bukanlah sebuah bab di sini; ia logat jilid ini.
Metode 6.16(Daftar periksa bootstrap)
Sebelum memercayai uraian hasil bootstrap, periksalah empat butir. (1) Keberadaan lebih dulu: akar atau barisannya wajib terkunci (lewat kemonotonan atau nilai antara) sebelum uraian apa pun — sebab lambang tanpa acuan terurai dengan indah dan tak bermakna apa-apa. (2) Satu orde tiap lintasan: tiap penyulihan hanya boleh dipercaya sampai orde taksiran yang dimasukkan; menarik dua suku baru dari satu lintasan adalah sumber klasik koefisien yang salah. (3) Sisanya ikut menumpang: bawalah o(⋅) melewati setiap langkah aljabarnya lalu biarkan penyerapan (suku kecil ditelan sisa yang lebih besar) terjadi di akhir, secara tersurat. (4) Audit numerik: nilailah pada satu nilai n yang jujur; sebab galat koefisien sering sekali selamat dari penurunan ulang secara aljabar, dan hampir tak pernah selamat dari aritmetika.
Catatan 6.17(Jebakan yang sering muncul)
(i) Yang setara menjumlah dengan buruk: dari un∼n+lnn dan vn∼−n kita tidak boleh menyimpulkan un+vn∼lnn; sebab pencoretan menuntut uraian dengan sisa yang tersurat, tak pernah sekadar yang setara. (ii) Jangan pernah mengeksponensialkan sebuah kesetaraan: n+1∼n tetapi en+1∼en; arah yang aman adalah mengambil logaritma dari yang setara dan menuju +∞ (soal akhir pekan bab ini, pertanyaan 24). (iii) Uraian asimtotik melekat pada sebuah skala: menulis f=x1+o(x21) mengklaim lebih banyak daripada f=x1+o(x1), dan mencampur keduanya membatalkan aljabar sesudahnya. (iv) Dalam bootstrap, sulihkanlah uraian seluruhnya beserta sisanya — sebab membuang sebuah o(⋅) di tengah lintasan menghasilkan koefisien yang masuk akal tetapi salah. (v) Perbandingan deret dengan integral memerlukan kemonotonan: untuk suku yang berayun ia gagal sama sekali (bandingkan ∑ksink, Bab 7).
Contoh 6.18(Stirling dalam angka)
Pada n=10: rumusnya memberi 20π(10/e)10≈3598696 terhadap 10!=3628800: jadi galat nisbinya 8.3⋅10−3, sungguh menakjubkan bagi pernyataan “asimtotik” di n=10. Galatnya punya struktur — yakni perhalusan eksak n!=2πn(n/e)n(1+12n1+O(n−2)) — yang koreksi pertamanya 1201≈8.3⋅10−3 menjelaskan jurang teramati itu hampir persis. Adapun mesin Euler–Maclaurin pada soal akhir pekan justru sumber sistematis bagi suku koreksi semacam itu.
Catatan 6.19(Di mana bab ini dipakai)
Perbandingan asimtotik adalah tata bahasa segala yang kuantitatif di hilir: uji kekonvergenan dan panorama Bertrand pada Bab 7, kriteria keterintegralan pada Bab 9, perhitungan jari-jari kekonvergenan pada Bab 11, dan teorema limit pada Bab 22 (tempat Stirling menjalankan taksiran de Moivre–Laplace). Jilid Tahun ke-3 mengindustrikan satu gagasan yang kita buktikan dengan tangan di sini — sarikan suku utamanya, batasi sisanya — menjadi metode Laplace dan kekonvergenan terdominasi.
Contoh 6.20(Sebuah integral dibandingkan dengan dirinya: ∫2xlntdt)
Kotak perkakas perbandingan ini juga berjalan pada integral. Misalkan F(x)=∫2xlntdt (integrannya kontinu pada [2,∞)). Integralkan secara parsial:
Karenanya F(x)∼lnxx. Pembaca yang menjumpai teorema bilangan prima pada soal akhir pekan bab ini akan mengenali F: ia integral logaritmik, penaksir π(x) yang lebih baik, dan perhitungan tadi menunjukkan ia sepadan dengan lnxx pada orde pertamanya.
Contoh 6.21(Stirling pada binomial yang berat sebelah)
Rutin tiga faktorial yang sama seperti pada Contoh 6.14 memberi, untuk (n3n)=n!(2n)!(3n)!:
Laju eksponensialnya 427=2233 tak lain e3nH(1/3) dalam notasi entropi pada teori informasi: jadi binomial yang berat sebelah tumbuh tegas lebih lambat daripada 4n milik yang di pusat, per dua langkah — di sini (27/4)1/3≈1.89<2 per langkah. Setiap asimtotik binomial dalam kombinatorika dan peluang (Bab 22) tak lain perhitungan yang satu ini dengan bobot yang berbeda.
6.4 Barisan yang terdefinisi secara implisit
Metode 6.22
Untuk mencari asimtotik penyelesaian xn pada persamaan F(x,n)=0:
Setempatkan: buktikan keberadaan dan ketunggalan xn pada interval yang tertentu (lewat kemonotonan atau teorema nilai antara), lalu carilah perilaku kasarnya (limit, orde pertumbuhannya).
Bootstrap: sulihkan bentuk kasarnya xn=(suku utama)(1+εn) ke dalam persamaannya lalu selesaikan untuk orde berikutnya pada εn; ulangi, dengan tiap lintasan memperhalus satu orde.
Contoh 6.23
Untuk n≥1, persamaan tanx=x punya tepat satu penyelesaian xn di (nπ−2π,nπ+2π) (sebab fungsi tanx−x naik dari −∞ ke +∞ di sana, dengan turunannya tan2x≥0). Kasarnya:xn=nπ+2π−yn dengan yn∈(0,π); karena xn→∞ dan tanxn=xn→+∞, maka xn mendekati asimtotnya dari kiri: jadi yn→0. Bootstrap:tanxn=cotyn=tanyn1∼yn1, dan persamaan cotyn=xn∼nπ memberi yn∼nπ1. Karenanya
xn=nπ+2π−nπ1+o(n1),
dan prosesnya berlanjut sampai orde berapa pun (Latihan 6.6).
Contoh 6.24(Metodenya dijalankan kedua kali)
Selesaikan x+lnx=n secara asimtotik. Setempatkan:x↦x+lnx naik dari −∞ ke +∞ pada (0,+∞): jadi ada akar tunggal xn, dan xn→∞. Kasarnya:lnxn=o(xn) memberi xn∼n. Bootstrap: dari xn=n−lnxn dan lnxn=lnn+o(1) (logaritma dari yang setara, sebab kedua ruasnya →∞):
xn=n−lnn+o(1);
lalu satu lintasan lagi, dengan lnxn=ln(n−lnn+o(1))=lnn−nlnn+o(nlnn):
xn=n−lnn+nlnn+o(nlnn).
(Periksa di n=100: akarnya x≈95.4415; rumus tiga sukunya memberi 100−4.6052+0.0461=95.4409, sedangkan rumus dua sukunya 95.3948 — jadi tiap lintasan meraih orde yang diramalkan.) Loop yang sama, lanskap ketiga: metode pada Metode 6.22 tidak peduli seperti apa rupa persamaannya, asalkan tiap lintasan memisahkan peubah takdiketahui yang dominan.
6.5 Latihan
Latihan 6.1★
Uraikan di +∞, dua suku melampaui suku utamanya:
x2+x+1,ln(x2+x)−2lnx,x−lnxx+sinx.
Solusi
Solusi Latihan 6.1.
x2+x+1=x1+x1+x21=x+21+83⋅x1+o(x1) (lewat uraian binomial: 21u−81u2 dengan u=x1+x21 memberi 2x1+2x21−8x21=2x1+8x23, lalu dikalikan x).
Urutkan sumbangannya pada skala di +∞: xlnx≫x1≥xsinx≫x2(lnx)2. Jadi dua suku sesudah suku utama 1 adalah xlnx, lalu suku berayun terbatas xsinx:
x−lnxx+sinx=1+xlnx+xsinx+O(x2(lnx)2).
Latihan 6.2★
Berikan sifatnya (konvergen atau divergen) dan, bila divergen, asimtotik utamanya bagi ∑k≤nkα untuk α>−1, α=−1, dan α<−1, lewat Teorema 6.6.
Solusi
Solusi Latihan 6.2.
Ambil f(t)=tα (t≥1).
α>−1: divergen, dan menurut Teorema 6.6 (2), ∑k≤nkα=α+1nα+1+C+o(1) bila α<0 (yakni saat f turun); sedangkan untuk α≥0 (saat f naik) pengapitan yang sama dengan ketaksamaan terbalik memberi ∑k≤nkα∼α+1nα+1.
Untuk n≥2, buktikan bahwa xn+x=1 punya penyelesaian tunggal xn∈(0,1), bahwa xn→1, lalu tegakkan
xn=1−nlnn+o(nlnn).
(Dari xnn=1−xn: ambil logaritmanya lalu bootstrap dengan xn=1−εn.)
Solusi
Solusi Latihan 6.5.
Fungsi g(x)=xn+x−1 naik tegas pada [0,1] dari −1 ke 1: jadi akarnya tunggal, yakni xn. Karena xnn=1−xn∈(0,1): seandainya xn≤c<1 sepanjang suatu barisan bagian, maka xnn≤cn→0, sehingga 1−xn→0: kontradiksi dengan xn≤c. Karenanya xn→1.
Tulis xn=1−εn dengan εn→0+. Persamaannya berbunyi (1−εn)n=εn, yakni
nln(1−εn)=lnεn⟹−nεn(1+o(1))=lnεn.
Jadi nεn=−lnεn(1+o(1))→+∞, dan setelah logaritmanya diambil lagi: lnn+lnεn=ln(−lnεn)+o(1). Karena ln(−lnεn)=o(ln(1/εn)), hal ini memberi lnεn∼−lnn, sehingga εn=n−lnεn(1+o(1))∼nlnn:
Jadi 1≤n!1∑k!≤1+n2: sehingga limitnya 1. Diperhalus: n!(n−1)!=n1 dan batas kasar ∑k≤n−2k!≤(n−1)! dapat dipertajam dengan cara yang sama: ∑k≤n−2k!=(n−2)!(1+O(n1))=O(n2n!). Karenanya
k=0∑nk!=n!(1+n1+O(n21)).
Latihan 6.8★★★
Misalkan u0>0 dan un+1=un+un1. Buktikan bahwa un→∞, lalu bahwa un∼2n(telaahlah un2: pertambahannya 2+un−2; lalu jumlahkan), lalu perhalus:
un=2n(1+8nlnn+o(nlnn)).
(Dari un2=2n+∑k<nuk−2+u02 dan uk2∼2k: jumlahnya ∼21lnn menurut Teorema 6.6.)
Solusi
Solusi Latihan 6.8.
Barisan (un) naik; seandainya ia terbatas, ia akan konvergen ke ℓ dengan ℓ=ℓ+ℓ1: mustahil. Jadi un→∞.
Kuadratnya: un+12=un2+2+un−2, sehingga
un2=u02+2n+k=0∑n−1uk21.
Jumlahnya bernilai o(n) (karena sukunya menuju 0, lewat Cesàro), jadi un2∼2n dan un∼2n.
Perhalusannya: uk21∼2k1, jadi lewat perbandingan (Teorema 6.6, atau lewat yang setara bagi jumlah parsial deret positif) berlaku ∑k<nuk−2∼21lnn. Karenanya
(Jumlah Riemann dengan sebuah pelintir) Tentukan perilaku asimtotik
Sn=k=1∑nn+klnn1.
(Keluarkan faktor n: Sn=n1∑k(1+nklnn)−1; kenalilah jumlah bergaya Riemann dengan parameter t=lnn yang berubah lambat, hitunglah ∫011+tudu=tln(1+t), lalu simpulkan Sn∼lnnlnlnn.)
Solusi
Solusi Latihan 6.9.
Keluarkan faktor n lalu tetapkan t=lnn:
Sn=n1k=1∑n1+tnk1.
Untuk t yang tetap, jumlahnya adalah jumlah Riemann bagi u↦1+tu1 pada [0,1]; fungsinya monoton pada u, jadi jumlah Riemann itu terapit oleh integralnya yang digeser satu petak:
∫011+tudu−n1≤Sn≤∫011+tudu+n1
(yakni perbandingan jumlah Riemann sebuah fungsi monoton dengan integralnya, yang sahih untuk tiap n dengan t=lnn-nya sendiri). Kini ∫011+tudu=tln(1+t), dan n1=o(tlnt): karenanya
Sn=lnnln(1+lnn)+O(n1)∼lnnlnlnn.
Latihan 6.10★
Buktikan kesamaan (lnn)lnn=nlnlnn, lalu urutkan yang berikut ini menurut o(⋅) yang menaik di tak hingga, beserta buktinya: n2, (lnn)lnn, 2n, n!, nn.
Solusi
Solusi Latihan 6.10.
Kesamaannya: (lnn)lnn=elnnlnlnn=(elnn)lnlnn=nlnlnn. Pengurutannya: bandingkan logaritmanya. ln(n2)=2lnn; ln((lnn)lnn)=lnnlnlnn; ln(2n)=nln2; ln(n!)=nlnn−n+O(lnn) (lewat Stirling, atau lewat pengapitan yang lebih kasar lnn!∼nlnn); ln(nn)=nlnn. Karena 2lnn=o(lnnlnlnn), lnnlnlnn=o(n), nln2=o(nlnn−n), dan nlnn−n∼nlnn padahal n!/nn→0 (sebab selisih logaritmanya −n+O(lnn)→−∞), diperoleh
n2=o((lnn)lnn),(lnn)lnn=o(2n),2n=o(n!),n!=o(nn).
(Untuk tiap langkahnya: selisih logaritmanya menuju +∞, jadi rasionya menuju 0.)
Latihan 6.11★★
(Ekor ∑1/k2, dua suku) Dengan memakai teleskop eksak ∑k>nk(k+1)1=n+11 dan penguraian k21=k(k+1)1+k2(k+1)1, buktikan
k>n∑k21=n1−2n21+O(n31).
Solusi
Solusi Latihan 6.11.
Uraikan k21=k(k+1)1+k2(k+1)1 lalu jumlahkan untuk k>n:
k>n∑k21=n+11+k>n∑k2(k+1)1,
dengan jumlah pertamanya berteleskop secara eksak (sebab k(k+1)1=k1−k+11). Untuk yang kedua: k2(k+1)1=k31+O(k41) (sebab k2(k+1)1−k31=k3(k+1)−1), dan menurut perbandingan integral ∑k>nk31=2n21+O(n31) serta ∑k>nk41=O(n31). Karenanya
Menjumlahkan vk+1−vk=1+O(1) lebih dulu memberi vn=n+O(n), jadi akhirnya vn≥cn; lalu menjumlahkannya ulang dengan 2vk1=O(k1) memberi vn=n+O(lnn). Satu lintasan lagi: 2vk1=2k1(1+O(klnk)), sehingga
vn=n+k<n∑2k1+O(1)=n+2lnn+O(1).
Akhirnya un=lnvn=lnn+ln(1+2nlnn+O(n1))=lnn+2nlnn+O(n1).
6.6 Soal: Bootstrap, dari Euler–Maclaurin ke Bilangan Prima
Besaran yang implisit atau terhimpun jarang menyerahkan asimtotiknya sekaligus; kita menyarikannya lintasan demi lintasan, dan tiap lintasan mengumpankan taksiran sebelumnya kembali ke relasi pendefinisinya. Soal akhir pekan ini melatih loop itu pada persamaan yang segar, membuktikan rumus Euler–Maclaurin orde pertama (yaitu peningkatan trapesium atas perbandingan deret dengan integral, lengkap dengan batang galat yang cermat), membalik xlnx=n, lalu mencairkan cek termasyhur metodenya: dari teorema bilangan prima yang diterima tanpa bukti, diperoleh hukum asimtotik pn∼nlnn bagi bilangan prima ke-n.
Soal 6.1
Soal akhir pekan — koreksi Euler–Maclaurin dan asimtotik bilangan prima ke-n
Bagian I — Loop bootstrap pada sebuah persamaan yang segar.
Buktikan klaim ketunggalan pada Definisi 6.2: jika f=∑i≤kciφi+o(φk)=∑i≤kci′φi+o(φk) sepanjang skala yang sama, maka ci=ci′ untuk setiap i. Lalu doronglah contoh campuran di dalam pelajaran satu anak tangga lebih jauh:
x−lnx1=x1+x2lnx+x3(lnx)2+o(x3(lnx)2)(x→+∞),
lalu jelaskan mengapa tak ada suku x2c yang muncul.
Tunjukkan bahwa untuk setiap n≥1 persamaan ex+x=n punya tepat satu penyelesaian real xn, dan bahwa xn→+∞ dengan xn∼lnn.
Bootstraplah dua kali:
xn=lnn−nlnn−2n2(lnn)2+o(n2(lnn)2).
Periksalah secara numerik di n=1000: bandingkan x1000≈6.90083 dengan nilai satu, dua dan tiga suku pada pertanyaan 3, sampai lima angka desimal.
Bagian II — Euler–Maclaurin, orde satu.
Buktikan kesamaan kernel trapesium: untuk g berkelas C2 pada [0,1],
∫01g(t)dt=2g(0)+g(1)−21∫01t(1−t)g′′(t)dt
(integralkan 21t(1−t)g′′ secara parsial dua kali).
Misalkan f berkelas C2 pada [1,+∞) dengan ∫1∞∣f′′∣<∞. Tunjukkan bahwa
En=k=1∑nf(k)−∫1nf−2f(1)+f(n)
konvergen ke sebuah konstanta E, dengan batas ekornya ∣E−En∣≤81∫n∞∣f′′∣: itulah rumus Euler–Maclaurin sampai orde pertama.
Terapkan hal itu pada f(t)=t1: buktikan
Hn=lnn+γ+2n1+εn,∣εn∣≤8n21,
yang memperkuat Latihan 6.3 (kenali konstantanya dengan γ lewat pembandingan terhadap Contoh 6.7).
Sarikan koefisien berikutnya: tunjukkan εn=−12n21+o(n21)(pertambahan En adalah 21∫01t(1−t)f′′(n+t)dt=121f′′(n)+o(f′′(n)); lalu jumlahkan ekornya dengan Teorema 6.6).
Terapkan pertanyaan 6 pada f=ln: turunkan ulang dalam tiga baris kekonvergenan dn=lnn!−(n+21)lnn+n (yakni Langkah 1 pada Teorema 6.13), lengkap dengan bonus laju galatnya dn=d+O(n1).
Terapkan pertanyaan 6 pada f(t)=t1: tunjukkan
k=1∑nk1=2n+c+2n1+O(n3/21)
untuk suatu konstanta c, lalu nilailah semua sukunya di n=104 (konstantanya c≈−1.4604).
Bagian III — Pembalikan: persamaan xlnx=n.
Tunjukkan bahwa xlnx=n punya tepat satu penyelesaian xn∈[1,+∞) untuk n≥1, bahwa xn→∞, dan bahwa lnxn∼lnn.
Turunkan pembalikan satu sukunya xn∼lnnn, lalu bootstraplah sekali lagi:
Ujilah di n=106: akar sejatinya x≈87848; bandingkan dengan nilai satu suku (≈72382) dan dua suku (≈86140), lalu jelaskan lambannya keuntungan itu (sebab parameter uraiannya lnnlnlnn, yang hanya ≈0.19 di n=106).
Kini kita terima tanpa bukti teorema bilangan prima: banyaknya bilangan prima π(x) yang ≤x memenuhi π(x)∼lnxx ketika x→∞ (yang dibuktikan secara jujur pada jilid Tahun ke-3). Dengan menulis pn untuk bilangan prima ke-n, berilah alasan bahwa π(pn)=n, lalu jalankan pembalikan pada pertanyaan 11–12 untuk membuktikan
pn∼nlnn.
Panennya: (a) tunjukkan ∑k≤npk∼2n2lnn(bandingkan ∑klnk dengan ∫tlntdt); (b) hitunglah kira-kira berapa peluang sebuah bilangan bulat acak seragam berangka 100 merupakan bilangan prima (ln10100≈230.26: kira-kira satu di antara 230).
Bagian IV — Metodenya diekspor: xtanx=1.
Tunjukkan bahwa untuk tiap n≥1 persamaan tanx=x1 punya tepat satu penyelesaian xn di (nπ,nπ+2π), dan bahwa zn=xn−nπ→0+.
Satu suku: zn∼nπ1.
Tunjukkan bahwa uraian zntidak punya suku n2c: yakni zn=nπ1+O(n31).
Tiga suku: dengan memakai arctanu=u−3u3+O(u5) dan xn1=nπ1−(nπ)2zn+O(n−3⋅zn2), buktikan
xn=nπ+nπ1−3π3n34+o(n31).
Periksalah di n=3: akar sejatinya x3≈9.5293344; bandingkan nilai satu suku dengan nilai tiga sukunya, lalu bandingkan dalam satu kalimat dengan tanx=x di dalam pelajaran (Contoh 6.23): di mana tiap barisannya duduk pada jendelanya, dan mengapa.
Bagian V — Bootstrap dinamis, aturan mainnya, dan rangkuman.
Misalkan u0∈(0,π) dan un+1=sinun. Tunjukkan un→0 secara menurun, lalu hitunglah limit un+121−un21(uraikan sin−2 lewat sinu=u−6u3+o(u3)).
Turunkan, lewat rata-rata Cesàro (jilid Tahun ke-1), hasil klasik
un∼n3.
(Numerik yang tersahkan) Dengan memakai batas cermat pada pertanyaan 7, tunjukkan bahwa menilai lnn+γ+2n1 di n=106 menghasilkan H106 dengan galat paling banyak 1.25⋅10−13 — yakni jumlah sejuta suku yang terhitung sampai tiga belas angka oleh tiga suku saja.
(Aturan mainnya) Buktikan atau sangkallah, beserta buktinya atau contoh penyangkalnya: (a) jika un∼vn→+∞ maka lnun∼lnvn; (b) jika un∼vn maka eun∼evn; (c) jika f∼g di +∞ (dengan f,g dapat diturunkan) maka f′∼g′.
(Rangkuman) Satu kalimat untuk masing-masing: loop bootstrap pada Metode 6.22 sebagaimana dipakai pada Bagian I, III, dan IV; apa yang ditambahkan koreksi trapesium kepada Teorema 6.6; mengapa pembalikan xlnx persis menjadi jembatan dari π(x) ke pn; dan aturan mana pada pertanyaan 24 yang melindungi langkah yang mana. Sebutkan kedua puncaknya: rumus Euler–Maclaurin (orde pertama), dan hukum asimtotik bilangan prima ke-n.
Solusi
Solusi Soal 6.1.
1. Setelah kedua uraiannya dikurangkan: ∑i(ci−ci′)φi=o(φk). Jika ada koefisien yang berbeda, misalkan i0 yang pertama: membaginya dengan φi0 lalu memakai φj=o(φi0) untuk j>i0 memberi ci0−ci0′=o(1): jadi nol, kontradiksi. Untuk uraiannya: dengan u=xlnx→0,
Tak ada suku x2c yang muncul karena uraiannya berupa deret geometri dalam u=xlnx: tiap sukunya mengusung pangkat lnx sebanyak pangkat x1 melampaui yang pertama; jadi anak tangga x21 (yakni koefisien (lnx)0) memang tak ada, dengan koefisien 0.
2. Fungsi f(x)=ex+x bersifat kontinu, naik tegas, dengan limit −∞ dan +∞: jadi ia bijeksi R→R, sehingga xn=f−1(n) ada dan tunggal, dan xn→+∞ (sebab f−1 naik ke +∞). Dari exn=n−xn: xn=ln(n−xn)≤lnn, jadi xn/n→0 dan xn=lnn+ln(1−xn/n)=lnn+o(1)∼lnn.
3. Tulis un=xn/n. Lintasan kedua: un=nlnn+o(1), sehingga
dengan suku n2lnn terserap ke dalam o(n2(lnn)2).
4. Di n=1000: ln1000≈6.90776 (galatnya 7⋅10−3); dua suku memberi 6.90085 (galatnya 2⋅10−5); tiga suku memberi 6.90082 (galatnya di bawah 10−5), terhadap x1000≈6.90083. Jadi tiap lintasan membeli kira-kira faktor nlnn yang diramalkan.
5. Dua kali pengintegralan parsial, berawal dari kanan: dengan dtd[21t(1−t)]=21−t dan t(1−t) yang nol di kedua ujungnya,
Karena 0≤t(1−t)≤41: berlaku ∣En+1−En∣≤81∫nn+1∣f′′∣, yang jumlahnya atas n konvergen menurut hipotesisnya: jadi (En) konvergen (sebab pertambahannya terjumlahkan secara mutlak) ke suatu E, dengan
∣E−En∣≤k≥n∑∣Ek+1−Ek∣≤81∫n∞∣f′′∣.
7. Untuk f(t)=t1: f′′(t)=t32 dan ∫1∞∣f′′∣=1<∞. Menurut pertanyaan 6:
Hn=lnn+21+n1+E+(En−E)=lnn+(E+21)+2n1+εn,
dengan ∣εn∣=∣En−E∣≤81∫n∞t32dt=8n21. Membandingkannya dengan Hn=lnn+γ+o(1) (Contoh 6.7) mengenali E+21=γ.
jadi dn=1+E+O(n1): yakni kekonvergenan (dn) — Langkah 1 pada Teorema 6.13 — ditambah lajunya O(1/n). (Nilai limit menurut Stirling memberi E=ln2π−1.)
10. Untuk f(t)=t−1/2: f′′(t)=43t−5/2, yang terintegralkan secara mutlak. Pertanyaan 6 memberi
dengan c=E−23. Di n=104: 2n=200, c≈−1.46035, 2n1=0.005: jadi ramalannya 198.54465, dan memang ∑k≤104k−1/2=198.544645… — tiga suku, tujuh angka.
11. Pemetaan t↦tlntkontinu dan naik tegas pada [1,∞) (sebab turunannya lnt+1≥1), dari 0 ke +∞: jadi ada xn yang tunggal, dan xn→∞ (sebab jika tidak, xnlnxn akan tetap terbatas). Setelah logaritmanya diambil pada xnlnxn=n: lnxn+lnlnxn=lnn; dan karena lnlnxn=o(lnxn), membaginya dengan lnxn memberi lnxnlnn→1: jadi lnxn∼lnn.
12. Dari xn=lnxnn dan lnxn∼lnn: xn∼lnnn. Lintasan berikutnya: lnlnxn=ln(lnn(1+o(1)))=lnlnn+o(1), jadi lnxn=lnn−lnlnn+o(1) dan
13. Di n=106: lnnn≈72382 (meleset 18%), dua suku memberi ≈86140 (meleset 1.9%), terhadap nilai sejatinya x≈87848. Keuntungan tiap lintasannya hanya sebesar faktor lnnlnlnn≈13.82.63≈0.19: jadi skala logaritmik konvergen dengan kelambanan yang menjengkelkan — kenyataan hidup di mana pun bilangan prima terlibat.
14. Ada tepat n bilangan prima ≤pn (yakni p1,…,pn): jadi π(pn)=n. Teorema bilangan prima (yang diterima tanpa bukti; jilid Tahun ke-3) memberi n=π(pn)∼lnpnpn, yakni pn∼nlnpn: dan inilah persamaan xlnx≈n yang dibaca terbalik. Setelah logaritmanya diambil: lnpn=lnn+lnlnpn+o(1), dan lnlnpn=o(lnpn) memaksa lnpn∼lnn seperti pada pertanyaan 11. Setelah disulihkan kembali:
pn∼nlnpn=nlnnlnnlnpn∼nlnn.
15. (a) Tetapkan ε>0; untuk k yang besar, (1−ε)klnk≤pk≤(1+ε)klnk. Lewat perbandingan dengan tlnt yang naik (dengan pengapitan bergaya Teorema 6.6), ∑k≤nklnk=∫1ntlntdt+O(nlnn)=2n2lnn−4n2+O(nlnn)∼2n2lnn. Karenanya ∑k≤npk=2n2lnn(1+O(ε)+o(1)) untuk setiap ε: jadi ∑k≤npk∼2n2lnn. (b) Menurut teorema bilangan prima, di antara bilangan bulat sampai 10100 ada proporsi ∼ln101001=230.26…1 yang prima: jadi bilangan bulat acak seragam berangka 100 bersifat prima dengan peluang kira-kira 2301.
16. Pada (nπ,nπ+2π), fungsi g(x)=tanx−x1kontinu dan naik tegas (sebab g′=1+tan2x+x21>0), dengan g→−nπ1<0 di ujung kirinya dan g→+∞ di ujung kanannya: jadi ada tepat satu akar xn. Karena tanzn=tanxn=xn1→0 dengan zn∈(0,2π): maka zn→0+.
17. Kita punya tanzn∼zn dan xn1∼nπ1: jadi zn∼nπ1.
18. Di sini zn=arctanxn1 dan arctanu=u+O(u3). Dengan zn=O(n1):
jadi zn=nπ1+O(n31): yakni anak tangga n2c berkoefisien 0, sebab koreksi pertama pada xn1 itu sendiri berukuran n2zn=O(n−3).
19. Masukkan zn=nπ1+O(n−3) ke dalam ungkapan sebelumnya:
xn1=nπ1−n3π31+O(n51),
lalu zn=arctanxn1=xn1−31(xn1)3+O(n51)=nπ1−n3π31−3n3π31+O(n51):
xn=nπ+nπ1−3π3n34+O(n51).
20. Di n=3: satu suku memberi 9.53088, tiga suku memberi 9.52929, sedangkan akar sejatinya 9.52933: jadi galatnya 1.5⋅10−3 dan 5⋅10−5. Bandingkan: untuk tanx=x akarnya wajib membuat tan menjadi besar sekali, jadi ia memeluk ujung kanannπ+2π pada jendelanya, berjarak ∼nπ1 sebelum asimtotnya; sedangkan untuk xtanx=1 akarnya wajib membuat tan menjadi sangat kecil, jadi ia duduk tepat sesudah ujung kirinπ, berjarak ∼nπ1 sesudah nolnya. Metode yang sama, geografi yang bercermin.
21. Kita punya sinu<u pada (0,π) dan sin memetakan (0,π) ke dalam (0,1]⊆(0,π): jadi setelah satu langkah u1∈(0,1], lalu (un) turun dan terbatas di bawah oleh 0, sehingga ia konvergen ke titik tetap sin, yakni ke 0. Uraiannya: sinu=u(1−6u2+o(u2)), sehingga
jadi un2∼n3 dan, karena semua sukunya positif, un∼3/n.
23. Menurut pertanyaan 7, Hn−lnn−γ−2n1≤8n21. Di n=106 batas ini bernilai 8⋅10121=1.25⋅10−13: jadi tiga suku yang terhitung itu menyerahkan jumlah harmonik sejuta suku sampai tiga belas angka, lengkap dengan sertifikat galat yang sepenuhnya cermat — dan itulah seluruh inti rumus asimtotik yang bersisa tersurat.
24. (a) Benar: lnun−lnvn=lnvnun→0 sedangkan lnvn→+∞, jadi rasio logaritmanya menuju 1. (b) Salah: un=n+1∼vn=n, tetapi eun/evn=e=1. Kesetaraan memaklumi galat aditif o(1) pada eksponennya, bukan O(1). (c) Salah: f(x)=x+sin(x2)∼g(x)=x di +∞, tetapi f′(x)=1+2xcos(x2) berayun tanpa batas sedangkan g′=1: jadi turunan dua fungsi yang setara sama sekali tak harus sebanding.
25. Loop pada Metode 6.22 berjalan serupa tiga kali: setempatkan akarnya, sarikan suku kasarnya, lalu umpankan kembali untuk orde berikutnya — pada ex+x=n (Bagian I), pada xlnx=n (Bagian III), dan pada xtanx=1 (Bagian IV). Koreksi trapesiumnya meningkatkan perbandingan deret dengan integral dari “selisihnya konvergen” menjadi suku 2f(1)+f(n) yang tersurat dengan sisa O(∫n∞∣f′′∣) yang tersahkan — yakni konstanta dan batang galat, bukan sekadar kekonvergenan. Jembatan ke bilangan prima murni pembalikan: teorema bilangan prima mengatakan π(x)lnx≈x, jadi pn, yang ditetapkan oleh π(pn)=n, menyelesaikan sebuah persamaan xlnx=n — sehingga ia mewarisi asimtotiknya. Aturan (a) pada pertanyaan 24 mengesahkan setiap peralihan dari un∼vn ke lnun∼lnvn (pertanyaan 11 dan 14); sedangkan kesalahan (b) itulah sebabnya kita tak pernah mengeksponensialkan kesetaraan. Puncaknya: rumus Euler–Maclaurin sampai orde pertama (pertanyaan 6), dan hukum asimtotik pn∼nlnn bagi bilangan prima ke-n (pertanyaan 14).