Mathematics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Matematika Universitas — Tahun 2

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 aa (aRa \in \R atau ±\pm\infty), untuk fungsi (atau barisan, dengan nn \to \infty): f=o(g)f = o(g), f=O(g)f = O(g), fgf \sim g seperti pada jilid Tahun ke-1. Sebuah skala perbandingan di aa adalah keluarga fungsi positif yang sebanding sepasang demi sepasang dan terurut total oleh o()o(\cdot) — skala bakunya di ++\infty adalah

xα(lnx)β(α,βR),x^{\alpha} (\ln x)^{\beta} \qquad (\alpha, \beta \in \R),

yang terurut secara leksikografis pada (α,β)(\alpha, \beta), dan diperhalus bila perlu oleh eksponensial eγx\eu^{\gamma x}.

Definisi 6.2 (Uraian asimtotik)

Fungsi ff menerima uraian asimtotik

f=c1φ1+c2φ2++ckφk+o(φk)(φi+1=o(φi) pada skalanya)f = c_1 \varphi_1 + c_2\varphi_2 + \dots + c_k \varphi_k + o(\varphi_k) \qquad (\varphi_{i+1} = o(\varphi_i) \text{ pada skalanya})

apabila sisa berturut-turutnya memenuhi taksiran di atas. Koefisiennya lalu tunggal: c1=limf/φ1c_1 = \lim f/\varphi_1, dan secara induktif ci+1=lim(fjicjφj)/φi+1c_{i+1} = \lim\,(f - \sum_{j \leq i} c_j\varphi_j)/\varphi_{i+1}.

Contoh 6.3

Uraian Taylor adalah uraian asimtotik sepanjang skala (xa)k(x - a)^k di aa. Namun gagasannya jauh lebih luas: di ++\infty,

1xlnx=1x11lnxx=1x+lnxx2+o(lnxx2),\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x \cdot \frac{1}{1 - \frac{\ln x}{x}} = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + o\Bigl(\frac{\ln x}{x^2}\Bigr),

yaitu uraian sepanjang skala campuran — tak ada teorema Taylor yang berlaku, hanya uraian geometri dan kalkulus atas oo.

Contoh 6.4 (Skala bakunya sungguh terurut)

Klaim leksikografis pada Definisi 6.1 memerlukan satu baris bukti untuk tiap kasusnya. Bandingkan xα(lnx)βx^{\alpha}(\ln x)^{\beta} dan xα(lnx)βx^{\alpha'}(\ln x)^{\beta'} di ++\infty. Jika α<α\alpha < \alpha': rasionya adalah xαα(lnx)ββ0x^{\alpha - \alpha'}(\ln x)^{\beta - \beta'} \to 0, sebab pangkat negatif xx meremukkan pangkat berapa pun dari lnx\ln x (ambil x=etx = \eu^t: e(αα)ttββ0\eu^{(\alpha - \alpha')t}\,t^{\beta - \beta'} \to 0 lewat limit “eksponensial mengalahkan polinomial” pada jilid Tahun ke-1). Jika α=α\alpha = \alpha' dan β<β\beta < \beta': rasionya langsung (lnx)ββ0(\ln x)^{\beta - \beta'} \to 0. Jadi pasangan (α,β)(\alpha, \beta), yang terurut secara leksikografis, mengurutkan skalanya oleh o()o(\cdot) — dan penyulihan x=etx = \eu^t adalah siasat serbaguna untuk perbandingan campuran pangkat dan logaritma.

Contoh 6.5 (Mengurutkan satu kebun binatang)

Skala wajib terurut; berikut latihan bakunya. Di ++\infty, bandingkan n10n^{10}, elnnn\eu^{\sqrt{\ln n}\,\cdot\,\sqrt n}, 2n2^n dan nlnnn^{\ln n} dengan mengambil logaritmanya:

10lnn    (lnn)2    nlnn    nln2,10\ln n \;\ll\; (\ln n)^2 \;\ll\; \sqrt{n\ln n} \;\ll\; n\ln 2 ,

dengan anbna_n \ll b_n berarti an=o(bn)a_n = o(b_n); adapun entri keduanya adalah ln(nlnn)\ln(n^{\ln n}). Eksponensial memelihara jurang tegas itu (sebab jika lnunlnvn\ln u_n - \ln v_n \to -\infty maka un/vn0u_n/v_n \to 0), sehingga

n10=o(nlnn),nlnn=o(enlnn),enlnn=o(2n).n^{10} = o\bigl(n^{\ln n}\bigr), \qquad n^{\ln n} = o\bigl(\eu^{\sqrt{n\ln n}}\bigr), \qquad \eu^{\sqrt{n\ln n}} = o(2^n) .

Pelajarannya ada dua: selalulah membandingkan lewat logaritma (yakni selisih logaritma, bukan rasio logaritma), dan jangan pernah menyimpulkan unvnu_n \sim v_n dari lnunlnvn\ln u_n \sim \ln v_n — sebab pasangan n10n^{10} dan nlnnn^{\ln n} punya rasio ln\ln yang menuju \infty, sedangkan 2n2^n dan 4n4^n punya rasio ln\ln tepat 22 padahal keduanya sama sekali tidak setara.

6.2 Perbandingan deret dengan integral, secara asimtotik

Teorema 6.6

Misalkan ff kontinu, positif, dan turun pada [1,+)\intco{1}{+\infty}.

  1. Jika 1f\int_1^{\infty} f konvergen, maka sisanya memenuhi

    n+1f    k>nf(k)    nf.\int_{n+1}^{\infty} f \;\leq\; \sum_{k > n} f(k) \;\leq\; \int_{n}^{\infty} f .
  2. Jika 1f\int_1^\infty f divergen, maka jumlah parsialnya memenuhi k=1nf(k)=1nf+C+o(1)\sum_{k=1}^{n} f(k) = \int_1^n f + C + o(1) untuk suatu konstanta CC: yakni selisih knf(k)1nf\sum_{k \leq n} f(k) - \int_1^n f konvergen.

Bukti. Pengapitan f(k+1)kk+1ff(k)f(k+1) \leq \int_k^{k+1} f \leq f(k) (dari keturunannya) tak lain alat Tahun ke-1; menjumlahkannya atas kn+1k \geq n+1, atau atas knk \geq n, memberi (1). Untuk (2), tetapkan uk=f(k)kk+1fu_k = f(k) - \int_k^{k+1} f: menurut pengapitan itu, 0ukf(k)f(k+1)0 \leq u_k \leq f(k) - f(k+1), jadi jumlah parsial uk\sum u_k terbatas oleh teleskop f(1)f(n+1)f(1)f(1) - f(n+1) \leq f(1): sehingga deretnya konvergen. Lebih lanjut barisan (nn+1f)n\bigl(\int_n^{n+1} f\bigr)_n tidak naik (sebab ff turun) dan tak negatif, jadi ia konvergen. Dengan menulis

k=1nf(k)1nf=k=1nuk+nn+1f,\sum_{k=1}^{n} f(k) - \int_1^n f = \sum_{k=1}^{n} u_k + \int_n^{n+1} f ,

ruas kanannya konvergen ketika nn \to \infty: jadi selisihnya konvergen ke sebuah konstanta CC, dan itulah pernyataan (2).

Contoh 6.7 (Uraian harmonik)

Untuk f(t)=1tf(t) = \frac1t: Hn=lnn+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + 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+12n+o(1n).H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o\Bigl(\frac1n\Bigr).

Angkanya membuat keuntungannya kasatmata di n=10n = 10: H10=2.928968H_{10} = 2.928968\dots dan ln10=2.302585\ln 10 = 2.302585\dots, jadi taksiran mentah γ\gamma adalah H10ln10=0.626383H_{10} - \ln 10 = 0.626383, yang meleset 0.0490.049; setelah dikurangi koreksi 120\frac1{20} diperoleh 0.5763830.576383, yang meleset dari γ=0.577216\gamma = 0.577216 hanya 8.31048.3\cdot10^{-4} — dan angka itu sendiri adalah suku berikutnya 112100\frac{1}{12\cdot100} pada uraiannya, sebagaimana dibuktikan soal akhir pekan (pertanyaan 8).

Contoh 6.8 (Taksiran kasar ln(n!)\ln(n!) tanpa Stirling)

Alat pengapitan itu saja sudah menempatkan ln(n!)\ln(n!). Karena ln\ln naik,

k1klnt ⁣dt    lnk    kk+1lnt ⁣dt,\int_{k-1}^{k}\ln t\,\dd t \;\leq\; \ln k \;\leq\; \int_{k}^{k+1}\ln t\,\dd t ,

lalu menjumlahkannya atas k=2,,nk = 2, \dots, n (dengan 1nln=nlnnn+1\int_1^n\ln = n\ln n - n + 1) memberi

nlnnn+1    ln(n!)    (n+1)ln(n+1)n.n\ln n - n + 1 \;\leq\; \ln(n!) \;\leq\; (n+1)\ln(n+1) - n .

Kedua pagarnya berbentuk nlnnn+O(lnn)n\ln n - n + O(\ln n): karenanya ln(n!)=nlnnn+O(lnn)\ln(n!) = n\ln n - n + O(\ln n), dan khususnya ln(n!)nlnn\ln(n!) \sim n\ln n. Yang ditambahkan Stirling adalah dua anak tangga berikutnya — yaitu 12lnn\frac12\ln n dan konstanta ln2π\ln\sqrt{2\pi} — 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+nn\sqrt{n^2 + n} - n. Kedua sukunya n\sim n, dan “nn\sim n - n” tak bermakna: sebab yang setara tak dapat dikurangkan. Uraikanlah sebagai gantinya:

n2+nn=n(1+1n1)=n(12n18n2+O(1n3))=1218n+O(1n2):\sqrt{n^2 + n} - n = n\Bigl(\sqrt{1 + \tfrac1n} - 1\Bigr) = n\Bigl(\frac{1}{2n} - \frac{1}{8n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr)\Bigr) = \frac12 - \frac{1}{8n} + O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr) :

jadi limitnya 12\frac12, dengan laju penghampiran 18n\frac1{8n} 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.

Contoh 6.10 (Sebuah perbandingan divergen, dikerjakan)

Untuk f(t)=1tlntf(t) = \frac{1}{t\ln t} pada [2,+)\intco{2}{+\infty} (yang kontinu, positif, turun): 2xf=lnlnxlnln2\int_2^x f = \ln\ln x - \ln\ln 2 \to \infty, jadi menurut Teorema 6.6 (2),

k=2n1klnk=lnlnn+C+o(1)\sum_{k=2}^{n}\frac{1}{k\ln k} = \ln\ln n + C + o(1)

untuk suatu konstanta CC. Ada dua pelajaran. Pertama, kedivergenannya nyata tetapi selambat gletser: jumlah parsialnya baru melampaui 44 sekitar nee4Cn \approx \eu^{\eu^{4 - C}}, yang besarnya astronomis. Kedua, bentuk lnlnn\ln\ln n itu diserahkan oleh sebuah antiturunan, bukan ditebak: sebab untuk suku yang monoton, integral adalah alat penjumlah yang kanonik, dan konstanta CC — seperti γ\gamma milik Euler — adalah ingatan atas suku-suku awalnya.

6.3 Rumus Stirling

Lema 6.11 (Integral Wallis, ditinjau ulang)

Misalkan Wn=0π/2sinnt ⁣dtW_n = \int_0^{\pi/2} \sin^n t\,\dd t. Maka nWnWn1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi2 untuk n1n \geq 1, barisan (Wn)(W_n) turun, dan Wnπ2nW_n \sim \sqrt{\dfrac{\pi}{2n}}.

Bukti. Pengintegralan parsial memberi nWn=(n1)Wn2nW_n = (n-1)W_{n-2} (n2n \geq 2), jadi nWnWn1nW_nW_{n-1} tetap terhadap nn, sama dengan 1W1W0=π21 \cdot W_1 W_0 = \frac\pi2. Keturunannya: sinn+1sinn\sin^{n+1} \leq \sin^n pada [0,π2]\intcc{0}{\frac\pi2}. Pengapitannya, secara rinci: kemonotonan memberi Wn+1WnWn1W_{n+1} \leq W_n \leq W_{n-1}, lalu setelah dibagi Wn1>0W_{n-1} > 0,

nn+1=Wn+1Wn1WnWn11,\frac{n}{n+1} = \frac{W_{n+1}}{W_{n-1}} \leq \frac{W_n}{W_{n-1}} \leq 1 ,

dengan kesamaan di kirinya berasal dari rekurensi pada indeks n+1n + 1. Kedua batasnya menuju 11: jadi WnWn1W_n \sim W_{n-1}, sehingga

nWn2nWnWn1=π2Wnπ2n.nW_n^2 \sim nW_nW_{n-1} = \frac\pi2 \qquad\Longrightarrow\qquad W_n \sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}} .

Contoh 6.12 (Integral Wallis yang pertama)

Dari W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1 dan rekurensi nWn=(n1)Wn2nW_n = (n-1)W_{n-2}:

W2=π4,W3=23,W4=3π16,W5=815,W6=5π32.W_2 = \frac\pi4, \qquad W_3 = \frac23, \qquad W_4 = \frac{3\pi}{16}, \qquad W_5 = \frac{8}{15}, \qquad W_6 = \frac{5\pi}{32}.

Indeks genapnya mengusung π\pi, indeks ganjilnya rasional — yakni dua hasil kali berselang-seling pada bentuk tertutupnya. Secara numerik W60.4909W_6 \approx 0.4909 terhadap nilai asimtotiknya π/120.5116\sqrt{\pi/12} \approx 0.5116: jadi pada n=6n = 6 yang setara itu sudah berselisih di bawah 5%5\%, sedangkan kesamaan hasil kalinya eksak di setiap nn: 6W6W5=65π32815=π26\,W_6W_5 = 6\cdot\frac{5\pi}{32}\cdot\frac8{15} = \frac\pi2. Tabel kecil seperti ini adalah cara termurah untuk menangkap keseleo aljabar sebelum ia sempat menulari suatu hujah asimtotik.

Teorema 6.13 (Stirling)

n!    2πn(ne) ⁣n.n! \;\sim\; \sqrt{2\pi n}\, \Bigl(\frac{n}{\eu}\Bigr)^{\!n} .

Bukti. Langkah 1: n!Cn(n/e)nn! \sim C \sqrt n\, (n/\eu)^n untuk suatu konstanta C>0C > 0. Tetapkan

dn=ln(n!)(n+12)lnn+n.d_n = \ln(n!) - \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n + n .

Maka

dndn+1=(n+12)lnn+1n1=(n+12)(1n12n2+13n3+o(n3))1=112n2+o(1n2),d_n - d_{n+1} = \Bigl(n + \frac12\Bigr) \ln\frac{n+1}{n} - 1 = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2} + \frac{1}{3n^3} + o\bigl(n^{-3}\bigr)\Bigr) - 1 = \frac{1}{12n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr),

lewat uraian Taylor ln(1+1n)\ln(1 + \frac1n). Karenanya deret (dndn+1)\sum (d_n - d_{n+1}) konvergen mutlak (dengan pembandingan terhadap n2\sum n^{-2}), sehingga (dn)(d_n) konvergen, katakanlah ke dd; setelah dieksponensialkan, n!Cn(n/e)nn! \sim C\sqrt n\,(n/\eu)^n dengan C=edC = \eu^{d}.

Langkah 2: C=2πC = \sqrt{2\pi} lewat Wallis. Bentuk tertutup W2p=(2p)!4p(p!)2π2W_{2p} = \frac{(2p)!}{4^p (p!)^2}\cdot\frac\pi2 (dari rekurensinya, yaitu perhitungan Tahun ke-1 yang dikerjakan ulang pada latar Lema 6.11) berpadu dengan Langkah 1:

W2pC2p(2p/e)2p4p(Cp(p/e)p)2π2=2pCpπ2=πC12p.W_{2p} \sim \frac{C\sqrt{2p}\,(2p/\eu)^{2p}} {4^p\,\bigl(C\sqrt p\,(p/\eu)^p\bigr)^2}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\sqrt{2p}}{C\,p}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{C}\cdot\frac{1}{\sqrt{2p}} .

Dibandingkan dengan W2pπ4pW_{2p} \sim \sqrt{\frac{\pi}{4p}} (Lema 6.11): syarat πC2p=π4p(1+o(1))\frac{\pi}{C\sqrt{2p}} = \sqrt{\frac{\pi}{4p}}\,(1 + o(1)) memaksa C=π4p2pπ=2πC = \pi \sqrt{\frac{4p}{2p\,\pi}} = \sqrt{2\pi}.

Contoh 6.14 (Koefisien binomial pusat)

(2nn)=(2n)!(n!)24πn(2n/e)2n2πn(n/e)2n=4nπn:\binom{2n}{n} = \frac{(2n)!}{(n!)^2} \sim \frac{\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}}{2\pi n\,(n/\eu)^{2n}} = \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} :

peluang bahwa jalan acak yang setangkup kembali ke 00 pada saat 2n2n bernilai 1πn\sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}} — 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 nα(lnn)βn^{-\alpha}(\ln n)^{-\beta} — 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 lim supan1/n\limsup\abs{a_n}^{1/n}, yakni latihan mencari yang setara bagi akar ke-nn, dan Stirling menjadi kunci bakunya (n!nne\sqrt[n]{n!} \sim \frac n\eu, 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()o(\cdot) 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 nn 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 unn+lnnu_n \sim n + \ln n dan vnnv_n \sim -n kita tidak boleh menyimpulkan un+vnlnnu_n + v_n \sim \ln n; sebab pencoretan menuntut uraian dengan sisa yang tersurat, tak pernah sekadar yang setara. (ii) Jangan pernah mengeksponensialkan sebuah kesetaraan: n+1nn + 1 \sim n tetapi en+1≁en\eu^{n+1} \not\sim \eu^n; arah yang aman adalah mengambil logaritma dari yang setara dan menuju ++\infty (soal akhir pekan bab ini, pertanyaan 24). (iii) Uraian asimtotik melekat pada sebuah skala: menulis f=1x+o(1x2)f = \frac1x + o\bigl(\frac1{x^2}\bigr) mengklaim lebih banyak daripada f=1x+o(1x)f = \frac1x + o\bigl(\frac1x\bigr), dan mencampur keduanya membatalkan aljabar sesudahnya. (iv) Dalam bootstrap, sulihkanlah uraian seluruhnya beserta sisanya — sebab membuang sebuah o()o(\cdot) 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 sinkk\sum\frac{\sin k}k, Bab 7).

Contoh 6.18 (Stirling dalam angka)

Pada n=10n = 10: rumusnya memberi 20π(10/e)103598696\sqrt{20\pi}\,(10/\eu)^{10} \approx 3\,598\,696 terhadap 10!=362880010! = 3\,628\,800: jadi galat nisbinya 8.31038.3\cdot10^{-3}, sungguh menakjubkan bagi pernyataan “asimtotik” di n=10n = 10. Galatnya punya struktur — yakni perhalusan eksak n!=2πn(n/e)n(1+112n+O(n2))n! = \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n\bigl(1 + \frac1{12n} + O(n^{-2})\bigr) — yang koreksi pertamanya 11208.3103\frac1{120} \approx 8.3\cdot10^{-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: 2x ⁣dtlnt\int_2^x \frac{\dd t}{\ln t})

Kotak perkakas perbandingan ini juga berjalan pada integral. Misalkan F(x)=2x ⁣dtlntF(x) = \int_2^x\frac{\dd t}{\ln t} (integrannya kontinu pada [2,)\intco2\infty). Integralkan secara parsial:

F(x)=[tlnt]2x+2x ⁣dt(lnt)2=xlnx+O(2x ⁣dt(lnt)2)+O(1),F(x) = \Bigl[\frac{t}{\ln t}\Bigr]_2^x + \int_2^x\frac{\dd t}{(\ln t)^2} = \frac{x}{\ln x} + O\Bigl(\int_2^x\frac{\dd t}{(\ln t)^2}\Bigr) + O(1),

dan integral sisanya bernilai o(xlnx)o\bigl(\frac{x}{\ln x}\bigr): pecahlah di x\sqrt x, lalu batasi dengan

2x ⁣dt(lnt)2xdanxx ⁣dt(lnt)2x(lnx)2=4x(lnx)2.\int_2^{\sqrt x}\frac{\dd t}{(\ln t)^2} \leq \sqrt x \qquad\text{dan}\qquad \int_{\sqrt x}^{x}\frac{\dd t}{(\ln t)^2} \leq \frac{x}{(\ln\sqrt x)^2} = \frac{4x}{(\ln x)^2} .

Karenanya F(x)xlnxF(x) \sim \frac{x}{\ln x}. Pembaca yang menjumpai teorema bilangan prima pada soal akhir pekan bab ini akan mengenali FF: ia integral logaritmik, penaksir π(x)\pi(x) yang lebih baik, dan perhitungan tadi menunjukkan ia sepadan dengan xlnx\frac{x}{\ln x} pada orde pertamanya.

Contoh 6.21 (Stirling pada binomial yang berat sebelah)

Rutin tiga faktorial yang sama seperti pada Contoh 6.14 memberi, untuk (3nn)=(3n)!n!(2n)!\binom{3n}{n} = \frac{(3n)!}{n!\,(2n)!}:

(3nn)6πn(3n/e)3n2πn(n/e)n4πn(2n/e)2n=34πn(274) ⁣n.\binom{3n}{n} \sim \frac{\sqrt{6\pi n}\,(3n/\eu)^{3n}} {\sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^{n}\cdot\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}} = \sqrt{\frac{3}{4\pi n}}\, \Bigl(\frac{27}{4}\Bigr)^{\!n} .

Laju eksponensialnya 274=3322\frac{27}4 = \frac{3^3}{2^2} tak lain e3nH(1/3)\eu^{3n\,H(1/3)} dalam notasi entropi pada teori informasi: jadi binomial yang berat sebelah tumbuh tegas lebih lambat daripada 4n4^n milik yang di pusat, per dua langkah — di sini (27/4)1/31.89<2(27/4)^{1/3} \approx 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 xnx_n pada persamaan F(x,n)=0F(x, n) = 0:

  1. Setempatkan: buktikan keberadaan dan ketunggalan xnx_n pada interval yang tertentu (lewat kemonotonan atau teorema nilai antara), lalu carilah perilaku kasarnya (limit, orde pertumbuhannya).
  2. Bootstrap: sulihkan bentuk kasarnya xn=(suku utama)(1+εn)x_n = (\text{suku utama})(1 + \varepsilon_n) ke dalam persamaannya lalu selesaikan untuk orde berikutnya pada εn\varepsilon_n; ulangi, dengan tiap lintasan memperhalus satu orde.

Contoh 6.23

Untuk n1n \geq 1, persamaan tanx=x\tan x = x punya tepat satu penyelesaian xnx_n di (nππ2,nπ+π2)\intoo{n\pi - \frac\pi2}{n\pi + \frac\pi2} (sebab fungsi tanxx\tan x - x naik dari -\infty ke ++\infty di sana, dengan turunannya tan2x0\tan^2 x \geq 0). Kasarnya: xn=nπ+π2ynx_n = n\pi + \frac\pi2 - y_n dengan yn(0,π)y_n \in \intoo{0}{\pi}; karena xnx_n \to \infty dan tanxn=xn+\tan x_n = x_n \to +\infty, maka xnx_n mendekati asimtotnya dari kiri: jadi yn0y_n \to 0. Bootstrap: tanxn=cotyn=1tanyn1yn\tan x_n = \cot y_n = \frac{1}{\tan y_n} \sim \frac{1}{y_n}, dan persamaan cotyn=xnnπ\cot y_n = x_n \sim n\pi memberi yn1nπy_n \sim \frac{1}{n\pi}. Karenanya

xn=nπ+π21nπ+o(1n),x_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + o\Bigl(\frac1n\Bigr),

dan prosesnya berlanjut sampai orde berapa pun (Latihan 6.6).

Contoh 6.24 (Metodenya dijalankan kedua kali)

Selesaikan x+lnx=nx + \ln x = n secara asimtotik. Setempatkan: xx+lnxx \mapsto x + \ln x naik dari -\infty ke ++\infty pada (0,+)\intoo{0}{+\infty}: jadi ada akar tunggal xnx_n, dan xnx_n \to \infty. Kasarnya: lnxn=o(xn)\ln x_n = o(x_n) memberi xnnx_n \sim n. Bootstrap: dari xn=nlnxnx_n = n - \ln x_n dan lnxn=lnn+o(1)\ln x_n = \ln n + o(1) (logaritma dari yang setara, sebab kedua ruasnya \to \infty):

xn=nlnn+o(1);x_n = n - \ln n + o(1) ;

lalu satu lintasan lagi, dengan lnxn=ln(nlnn+o(1))=lnnlnnn+o(lnnn)\ln x_n = \ln\bigl(n - \ln n + o(1)\bigr) = \ln n - \frac{\ln n}{n} + o\bigl(\frac{\ln n}n\bigr):

xn=nlnn+lnnn+o(lnnn).x_n = n - \ln n + \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr).

(Periksa di n=100n = 100: akarnya x95.4415x \approx 95.4415; rumus tiga sukunya memberi 1004.6052+0.0461=95.4409100 - 4.6052 + 0.0461 = 95.4409, sedangkan rumus dua sukunya 95.394895.3948 — 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 ++\infty, dua suku melampaui suku utamanya:

x2+x+1,ln(x2+x)2lnx,x+sinxxlnx.\sqrt{x^2 + x + 1} , \qquad \ln(x^2 + x) - 2\ln x, \qquad \frac{x + \sin x}{x - \ln x} .
Solusi

Solusi Latihan 6.1.

x2+x+1=x1+1x+1x2=x+12+381x+o(1x)\sqrt{x^2 + x + 1} = x\sqrt{1 + \tfrac1x + \tfrac{1}{x^2}} = x + \frac12 + \frac38\cdot\frac1x + o\bigl(\frac1x\bigr) (lewat uraian binomial: 12u18u2\frac12 u - \frac18 u^2 dengan u=1x+1x2u = \frac1x + \frac{1}{x^2} memberi 12x+12x218x2=12x+38x2\frac{1}{2x} + \frac{1}{2x^2} - \frac{1}{8x^2} = \frac{1}{2x} + \frac{3}{8x^2}, lalu dikalikan xx).

ln(x2+x)2lnx=ln(1+1x)=1x12x2+o(1x2)\ln(x^2 + x) - 2\ln x = \ln\bigl(1 + \tfrac1x\bigr) = \frac1x - \frac{1}{2x^2} + o\bigl(\frac{1}{x^2}\bigr).

Untuk fungsi ketiganya: uraikan tiap faktornya,

x+sinxxlnx=(1+sinxx)(1+lnxx+(lnx)2x2+O((lnx)3x3)).\frac{x + \sin x}{x - \ln x} = \Bigl(1 + \frac{\sin x}{x}\Bigr) \Bigl(1 + \frac{\ln x}{x} + \frac{(\ln x)^2}{x^2} + O\Bigl(\frac{(\ln x)^3}{x^3}\Bigr)\Bigr).

Urutkan sumbangannya pada skala di ++\infty: lnxx1xsinxx(lnx)2x2\frac{\ln x}{x} \gg \frac{1}{x} \geq \bigl|\frac{\sin x}{x}\bigr| \gg \frac{(\ln x)^2}{x^2}. Jadi dua suku sesudah suku utama 11 adalah lnxx\frac{\ln x}{x}, lalu suku berayun terbatas sinxx\frac{\sin x}{x}:

x+sinxxlnx=1+lnxx+sinxx+O((lnx)2x2).\frac{x + \sin x}{x - \ln x} = 1 + \frac{\ln x}{x} + \frac{\sin x}{x} + O\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^2}\Bigr).

Latihan 6.2

Berikan sifatnya (konvergen atau divergen) dan, bila divergen, asimtotik utamanya bagi knkα\sum_{k \leq n} k^\alpha untuk α>1\alpha > -1, α=1\alpha = -1, dan α<1\alpha < -1, lewat Teorema 6.6.

Solusi

Solusi Latihan 6.2.

Ambil f(t)=tαf(t) = t^\alpha (t1t \geq 1).

α>1\alpha > -1: divergen, dan menurut Teorema 6.6 (2), knkα=nα+1α+1+C+o(1)\sum_{k\leq n} k^\alpha = \frac{n^{\alpha+1}}{\alpha+1} + C + o(1) bila α<0\alpha < 0 (yakni saat ff turun); sedangkan untuk α0\alpha \geq 0 (saat ff naik) pengapitan yang sama dengan ketaksamaan terbalik memberi knkαnα+1α+1\sum_{k \leq n} k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha + 1}}{\alpha + 1}.

α=1\alpha = -1: Hn=lnn+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) (Contoh 6.7).

α<1\alpha < -1: konvergen, dengan sisa k>nkαnα+1(α+1)\sum_{k > n} k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha+1}}{-(\alpha+1)} menurut pengapitan (1) (sebab kedua batas integralnya setara dengan nilai itu).

Latihan 6.3 ★★

Buktikan Hn=lnn+γ+12n+o(1n)H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o\bigl(\frac1n\bigr). (Telaahlah vn=Hnlnnγv_n = H_n - \ln n - \gamma: tunjukkan vnvn+1=12n2+O(n3)v_n - v_{n+1} = \frac{1}{2n^2} + O(n^{-3}) lalu jumlahkan ekornya, dengan membandingkan terhadap kn12k212n\sum_{k \geq n} \frac{1}{2k^2} \sim \frac{1}{2n}Teorema 6.6 (1).)

Solusi

Solusi Latihan 6.3.

Misalkan vn=Hnlnnγ0v_n = H_n - \ln n - \gamma \to 0. Maka

vnvn+1=lnn+1n1n+1=(1n12n2)(1n1n2)+O(1n3)=12n2+O(1n3),v_n - v_{n+1} = \ln\frac{n+1}{n} - \frac{1}{n+1} = \Bigl(\frac1n - \frac{1}{2n^2}\Bigr) - \Bigl(\frac1n - \frac{1}{n^2}\Bigr) + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr) = \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr),

dengan memakai 1n+1=1n1n2+O(n3)\frac{1}{n+1} = \frac1n - \frac{1}{n^2} + O(n^{-3}). Karena vn0v_n \to 0, teleskopkan ekornya:

vn=kn(vkvk+1)=kn(12k2+O(k3))=12n+O(1n2),v_n = \sum_{k \geq n} (v_k - v_{k+1}) = \sum_{k\geq n} \Bigl(\frac{1}{2k^2} + O(k^{-3})\Bigr) = \frac{1}{2n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr),

menurut Teorema 6.6 (1) yang diterapkan pada t2t^{-2} (sisanya 1n\sim \frac1n, lalu diparuhkan) dan pada t3t^{-3}. Karenanya Hn=lnn+γ+12n+o(1n)H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o(\frac1n).

Latihan 6.4 ★★

Dengan Stirling, carilah yang setara bagi: (3n)!(n!)3\dfrac{(3n)!}{(n!)^3};   n!nn\;\dfrac{n!}{n^n}; dan   n!n\;\sqrt[n]{n!} (sebagai ne(1+o(1))\frac n\eu(1 + o(1)), yang dicermatkan sampai dua suku).

Solusi

Solusi Latihan 6.4.

Stirling tiga kali:

(3n)!(n!)36πn(3n/e)3n(2πn)3/2(n/e)3n=6  27n2πn12πn2πn  =327n2πn.\frac{(3n)!}{(n!)^3} \sim \frac{\sqrt{6\pi n}\,(3n/\eu)^{3n}} {(2\pi n)^{3/2}\,(n/\eu)^{3n}} = \frac{\sqrt{6}\; 27^{\,n}}{2\pi n} \cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi n}}\cdot\sqrt{2\pi n}\; = \frac{\sqrt3\,27^n}{2\pi n} .

(Dengan cermat: 6πn(2πn)3/2=6(2πn)2πnπn=32πn\frac{\sqrt{6\pi n}}{(2\pi n)^{3/2}} = \frac{\sqrt6}{(2\pi n)\sqrt{2\pi n}}\sqrt{\pi n} = \frac{\sqrt3}{2\pi n}.)

n!nn2πnen\dfrac{n!}{n^n} \sim \sqrt{2\pi n}\,\eu^{-n}.

Dan n!n=exp(lnn!n)\sqrt[n]{n!} = \exp\bigl(\frac{\ln n!}{n}\bigr) dengan lnn!=nlnnn+12ln(2πn)+o(1)\ln n! = n\ln n - n + \frac12\ln(2\pi n) + o(1):

n!n=exp(lnn1+ln(2πn)2n+o(lnnn))=ne(1+ln(2πn)2n+o(lnnn)).\sqrt[n]{n!} = \exp\Bigl(\ln n - 1 + \frac{\ln(2\pi n)}{2n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr) = \frac{n}{\eu}\Bigl(1 + \frac{\ln(2\pi n)}{2n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

Latihan 6.5 ★★

Untuk n2n \geq 2, buktikan bahwa xn+x=1x^n + x = 1 punya penyelesaian tunggal xn(0,1)x_n \in \intoo{0}{1}, bahwa xn1x_n \to 1, lalu tegakkan

xn=1lnnn+o(lnnn).x_n = 1 - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr).

(Dari xnn=1xnx_n^n = 1 - x_n: ambil logaritmanya lalu bootstrap dengan xn=1εnx_n = 1 - \varepsilon_n.)

Solusi

Solusi Latihan 6.5.

Fungsi g(x)=xn+x1g(x) = x^n + x - 1 naik tegas pada [0,1]\intcc{0}{1} dari 1-1 ke 11: jadi akarnya tunggal, yakni xnx_n. Karena xnn=1xn(0,1)x_n^n = 1 - x_n \in \intoo{0}{1}: seandainya xnc<1x_n \leq c < 1 sepanjang suatu barisan bagian, maka xnncn0x_n^n \leq c^n \to 0, sehingga 1xn01 - x_n \to 0: kontradiksi dengan xncx_n \leq c. Karenanya xn1x_n \to 1.

Tulis xn=1εnx_n = 1 - \varepsilon_n dengan εn0+\varepsilon_n \to 0^+. Persamaannya berbunyi (1εn)n=εn(1 - \varepsilon_n)^n = \varepsilon_n, yakni

nln(1εn)=lnεnnεn(1+o(1))=lnεn.n\ln(1 - \varepsilon_n) = \ln \varepsilon_n \quad\Longrightarrow\quad -n\varepsilon_n\bigl(1 + o(1)\bigr) = \ln\varepsilon_n .

Jadi nεn=lnεn(1+o(1))+n\varepsilon_n = -\ln\varepsilon_n\,(1 + o(1)) \to +\infty, dan setelah logaritmanya diambil lagi: lnn+lnεn=ln(lnεn)+o(1)\ln n + \ln\varepsilon_n = \ln(-\ln\varepsilon_n) + o(1). Karena ln(lnεn)=o(ln(1/εn))\ln(-\ln \varepsilon_n) = o(\ln(1/\varepsilon_n)), hal ini memberi lnεnlnn\ln\varepsilon_n \sim -\ln n, sehingga εn=lnεnn(1+o(1))lnnn\varepsilon_n = \frac{-\ln\varepsilon_n}{n}(1 + o(1)) \sim \frac{\ln n}{n}:

xn=1lnnn+o(lnnn).x_n = 1 - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr) .

Latihan 6.6 ★★

Doronglah Contoh 6.23 satu orde lebih jauh:

xn=nπ+π21nπ+12n2π+o(1n2).x_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + \frac{1}{2n^2\pi} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

(Tulis cotyn=xn\cot y_n = x_n secara eksak, uraikan coty=1yy3+o(y)\cot y = \frac1y - \frac y3 + o(y) dan xn=nπ(1+12n)x_n = n\pi(1 + \frac{1}{2n} - \dots), lalu samakan.)

Solusi

Solusi Latihan 6.6.

Relasi eksaknya: cotyn=xn=nπ+π2yn\cot y_n = x_n = n\pi + \frac\pi2 - y_n, dengan yn1nπy_n \sim \frac{1}{n\pi} (Contoh 6.23). Uraikan coty=1yy3+O(y3)\cot y = \frac1y - \frac y3 + O(y^3):

1ynyn3+O(yn3)=nπ+π2yn1yn=nπ+π2+O(1n),\frac{1}{y_n} - \frac{y_n}{3} + O(y_n^3) = n\pi + \frac\pi2 - y_n \quad\Longrightarrow\quad \frac{1}{y_n} = n\pi + \frac\pi2 + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

(sebab suku yn-y_n dan yn3-\frac{y_n}{3} bernilai O(1n)O(\frac1n)). Balikkan:

yn=1nπ11+12n+O(n2)=1nπ(112n+O(1n2))=1nπ12n2π+O(1n3).y_n = \frac{1}{n\pi}\cdot\frac{1}{1 + \frac{1}{2n} + O(n^{-2})} = \frac{1}{n\pi}\Bigl(1 - \frac{1}{2n} + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr) = \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{2n^2\pi} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).

Karenanya

xn=nπ+π2yn=nπ+π21nπ+12n2π+o(1n2).x_n = n\pi + \frac{\pi}{2} - y_n = n\pi + \frac\pi2 - \frac{1}{n\pi} + \frac{1}{2n^2\pi} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

Latihan 6.7 ★★

Tentukan limn1n!k=0nk!\lim_{n\to\infty} \dfrac{1}{n!}\sum_{k=0}^{n} k! (batasi jumlah semua sukunya kecuali dua yang terakhir), lalu turunkan uraian asimtotik knk!=n!(1+1n+O(n2))\sum_{k \leq n} k! = n!\bigl(1 + \frac1n + O(n^{-2})\bigr).

Solusi

Solusi Latihan 6.7.

Pisahkan dua suku terbesarnya:

k=0nk!=n!+(n1)!+kn2k!,kn2k!(n1)(n2)!=(n1)!.\sum_{k=0}^{n} k! = n! + (n-1)! + \sum_{k \leq n-2} k! , \qquad \sum_{k\leq n-2} k! \leq (n-1)\,(n-2)! = (n-1)! .

Jadi 11n!k!1+2n1 \leq \frac{1}{n!}\sum k! \leq 1 + \frac{2}{n}: sehingga limitnya 11. Diperhalus: (n1)!n!=1n\frac{(n-1)!}{n!} = \frac1n dan batas kasar kn2k!(n1)!\sum_{k \leq n-2}k! \leq (n-1)! dapat dipertajam dengan cara yang sama: kn2k!=(n2)!(1+O(1n))=O(n!n2)\sum_{k\leq n-2} k! = (n-2)!\,(1 + O(\frac1n)) = O\bigl(\frac{n!}{n^2}\bigr). Karenanya

k=0nk!=n!(1+1n+O(1n2)).\sum_{k=0}^{n} k! = n!\Bigl(1 + \frac1n + O\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr)\Bigr).

Latihan 6.8 ★★★

Misalkan u0>0u_0 > 0 dan un+1=un+1unu_{n+1} = u_n + \dfrac{1}{u_n}. Buktikan bahwa unu_n \to \infty, lalu bahwa un2nu_n \sim \sqrt{2n} (telaahlah un2u_n^2: pertambahannya 2+un22 + u_n^{-2}; lalu jumlahkan), lalu perhalus:

un=2n(1+lnn8n+o(lnnn)).u_n = \sqrt{2n}\Bigl(1 + \frac{\ln n}{8n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

(Dari un2=2n+k<nuk2+u02u_n^2 = 2n + \sum_{k<n} u_k^{-2} + u_0^2 dan uk22ku_k^2 \sim 2k: jumlahnya 12lnn\sim \frac12\ln n menurut Teorema 6.6.)

Solusi

Solusi Latihan 6.8.

Barisan (un)(u_n) naik; seandainya ia terbatas, ia akan konvergen ke \ell dengan =+1\ell = \ell + \frac1\ell: mustahil. Jadi unu_n \to \infty.

Kuadratnya: un+12=un2+2+un2u_{n+1}^2 = u_n^2 + 2 + u_n^{-2}, sehingga

un2=u02+2n+k=0n11uk2.u_n^2 = u_0^2 + 2n + \sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{u_k^2} .

Jumlahnya bernilai o(n)o(n) (karena sukunya menuju 00, lewat Cesàro), jadi un22nu_n^2 \sim 2n dan un2nu_n \sim \sqrt{2n}.

Perhalusannya: 1uk212k\frac{1}{u_k^2} \sim \frac{1}{2k}, jadi lewat perbandingan (Teorema 6.6, atau lewat yang setara bagi jumlah parsial deret positif) berlaku k<nuk212lnn\sum_{k<n} u_k^{-2} \sim \frac12 \ln n. Karenanya

un2=2n+lnn2(1+o(1))+O(1)un=2n1+lnn4n+o(lnnn)=2n(1+lnn8n+o(lnnn)).u_n^2 = 2n + \frac{\ln n}{2}\,(1 + o(1)) + O(1) \quad\Longrightarrow\quad u_n = \sqrt{2n}\sqrt{1 + \frac{\ln n}{4n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)} = \sqrt{2n}\Bigl(1 + \frac{\ln n}{8n} + o\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr).

Latihan 6.9 ★★★

(Jumlah Riemann dengan sebuah pelintir) Tentukan perilaku asimtotik

Sn=k=1n1n+klnn.S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n + k\ln n} .

(Keluarkan faktor nn: Sn=1nk(1+klnnn)1S_n = \frac1n\sum_k \bigl(1 + \frac{k\ln n}{n}\bigr)^{-1}; kenalilah jumlah bergaya Riemann dengan parameter t=lnnt = \ln n yang berubah lambat, hitunglah 01 ⁣du1+tu=ln(1+t)t\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} = \frac{\ln(1+t)}{t}, lalu simpulkan SnlnlnnlnnS_n \sim \frac{\ln\ln n}{\ln n}.)

Solusi

Solusi Latihan 6.9.

Keluarkan faktor nn lalu tetapkan t=lnnt = \ln n:

Sn=1nk=1n11+tkn.S_n = \frac1n \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{1 + t\,\frac kn} .

Untuk tt yang tetap, jumlahnya adalah jumlah Riemann bagi u11+tuu \mapsto \frac{1}{1 + tu} pada [0,1]\intcc{0}{1}; fungsinya monoton pada uu, jadi jumlah Riemann itu terapit oleh integralnya yang digeser satu petak:

01 ⁣du1+tu1nSn01 ⁣du1+tu+1n\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} - \frac1n \leq S_n \leq \int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} + \frac1n

(yakni perbandingan jumlah Riemann sebuah fungsi monoton dengan integralnya, yang sahih untuk tiap nn dengan t=lnnt = \ln n-nya sendiri). Kini 01 ⁣du1+tu=ln(1+t)t\int_0^1 \frac{\dd u}{1 + tu} = \frac{\ln(1 + t)}{t}, dan 1n=o(lntt)\frac1n = o\bigl(\frac{\ln t}{t}\bigr): karenanya

Sn=ln(1+lnn)lnn+O(1n)    lnlnnlnn.S_n = \frac{\ln(1 + \ln n)}{\ln n} + O\Bigl(\frac 1n\Bigr) \;\sim\; \frac{\ln\ln n}{\ln n} .

Latihan 6.10

Buktikan kesamaan (lnn)lnn=nlnlnn(\ln n)^{\ln n} = n^{\ln\ln n}, lalu urutkan yang berikut ini menurut o()o(\cdot) yang menaik di tak hingga, beserta buktinya: n2n^2, (lnn)lnn(\ln n)^{\ln n}, 2n2^n, n!n!, nnn^n.

Solusi

Solusi Latihan 6.10.

Kesamaannya: (lnn)lnn=elnnlnlnn=(elnn)lnlnn=nlnlnn(\ln n)^{\ln n} = \eu^{\ln n\,\ln\ln n} = \bigl(\eu^{\ln n}\bigr)^{\ln\ln n} = n^{\ln\ln n}. Pengurutannya: bandingkan logaritmanya. ln(n2)=2lnn\ln(n^2) = 2\ln n; ln((lnn)lnn)=lnnlnlnn\ln\bigl((\ln n)^{\ln n}\bigr) = \ln n\ln\ln n; ln(2n)=nln2\ln(2^n) = n\ln2; ln(n!)=nlnnn+O(lnn)\ln(n!) = n\ln n - n + O(\ln n) (lewat Stirling, atau lewat pengapitan yang lebih kasar lnn!nlnn\ln n! \sim n\ln n); ln(nn)=nlnn\ln(n^n) = n\ln n. Karena 2lnn=o(lnnlnlnn)2\ln n = o(\ln n\ln\ln n), lnnlnlnn=o(n)\ln n\ln\ln n = o(n), nln2=o(nlnnn)n\ln 2 = o(n\ln n - n), dan nlnnnnlnnn \ln n - n \sim n\ln n padahal n!/nn0n! / n^n \to 0 (sebab selisih logaritmanya n+O(lnn)-n + O(\ln n) \to -\infty), diperoleh

n2=o((lnn)lnn),(lnn)lnn=o(2n),2n=o(n!),n!=o(nn).n^2 = o\bigl((\ln n)^{\ln n}\bigr),\quad (\ln n)^{\ln n} = o(2^n),\quad 2^n = o(n!),\quad n! = o(n^n).

(Untuk tiap langkahnya: selisih logaritmanya menuju ++\infty, jadi rasionya menuju 00.)

Latihan 6.11 ★★

(Ekor 1/k2\sum 1/k^2, dua suku) Dengan memakai teleskop eksak k>n1k(k+1)=1n+1\sum_{k > n} \frac{1}{k(k+1)} = \frac{1}{n+1} dan penguraian 1k2=1k(k+1)+1k2(k+1)\frac1{k^2} = \frac{1}{k(k+1)} + \frac{1}{k^2(k+1)}, buktikan

k>n1k2=1n12n2+O(1n3).\sum_{k > n} \frac{1}{k^2} = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).
Solusi

Solusi Latihan 6.11.

Uraikan 1k2=1k(k+1)+1k2(k+1)\frac1{k^2} = \frac1{k(k+1)} + \frac1{k^2(k+1)} lalu jumlahkan untuk k>nk > n:

k>n1k2=1n+1+k>n1k2(k+1),\sum_{k>n}\frac1{k^2} = \frac1{n+1} + \sum_{k>n}\frac{1}{k^2(k+1)} ,

dengan jumlah pertamanya berteleskop secara eksak (sebab 1k(k+1)=1k1k+1\frac1{k(k+1)} = \frac1k - \frac1{k+1}). Untuk yang kedua: 1k2(k+1)=1k3+O(1k4)\frac{1}{k^2(k+1)} = \frac1{k^3} + O\bigl(\frac1{k^4}\bigr) (sebab 1k2(k+1)1k3=1k3(k+1)\frac{1}{k^2(k+1)} - \frac1{k^3} = \frac{-1}{k^3(k+1)}), dan menurut perbandingan integral k>n1k3=12n2+O(1n3)\sum_{k>n}\frac1{k^3} = \frac1{2n^2} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr) serta k>n1k4=O(1n3)\sum_{k>n}\frac1{k^4} = O\bigl(\frac1{n^3}\bigr). Karenanya

k>n1k2=1n+1+12n2+O(1n3)=1n1n2+12n2+O(1n3)=1n12n2+O(1n3),\sum_{k>n}\frac1{k^2} = \frac1{n+1} + \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) = \frac1n - \frac1{n^2} + \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr) = \frac1n - \frac{1}{2n^2} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr),

dengan memakai 1n+1=1n1n2+O(1n3)\frac1{n+1} = \frac1n - \frac1{n^2} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr).

Latihan 6.12 ★★★

Misalkan u0=12u_0 = \frac12 dan un+1=un+eunu_{n+1} = u_n + \eu^{-u_n}. Buktikan bahwa unu_n \to \infty, lalu — dengan menetapkan vn=eunv_n = \eu^{u_n} dan menunjukkan vn+1=vn+1+12vn+O(vn2)v_{n+1} = v_n + 1 + \frac{1}{2v_n} + O\bigl(v_n^{-2}\bigr) — tegakkan

un=lnn+lnn2n+O(1n).u_n = \ln n + \frac{\ln n}{2n} + O\Bigl(\frac1n\Bigr).
Solusi

Solusi Latihan 6.12.

Barisan (un)(u_n) naik; seandainya ia terbatas, ia akan konvergen ke \ell yang hingga dengan =+e\ell = \ell + \eu^{-\ell}: mustahil. Jadi unu_n \to \infty. Misalkan vn=eunv_n = \eu^{u_n} \to \infty: maka

vn+1=eun+eun=vne1/vn=vn(1+1vn+12vn2+O(vn3))=vn+1+12vn+O(vn2).v_{n+1} = \eu^{u_n + \eu^{-u_n}} = v_n\,\eu^{1/v_n} = v_n\Bigl(1 + \frac1{v_n} + \frac1{2v_n^2} + O\bigl(v_n^{-3}\bigr)\Bigr) = v_n + 1 + \frac{1}{2v_n} + O\bigl(v_n^{-2}\bigr).

Menjumlahkan vk+1vk=1+O(1)v_{k+1} - v_k = 1 + O(1) lebih dulu memberi vn=n+O(n)v_n = n + O(n), jadi akhirnya vncnv_n \geq cn; lalu menjumlahkannya ulang dengan 12vk=O(1k)\frac1{2v_k} = O(\frac1k) memberi vn=n+O(lnn)v_n = n + O(\ln n). Satu lintasan lagi: 12vk=12k(1+O(lnkk))\frac{1}{2v_k} = \frac{1}{2k}\bigl(1 + O\bigl(\tfrac{\ln k}k\bigr)\bigr), sehingga

vn=n+k<n12k+O(1)=n+lnn2+O(1).v_n = n + \sum_{k<n}\frac1{2k} + O(1) = n + \frac{\ln n}2 + O(1).

Akhirnya un=lnvn=lnn+ln(1+lnn2n+O(1n))=lnn+lnn2n+O(1n)u_n = \ln v_n = \ln n + \ln\Bigl(1 + \frac{\ln n}{2n} + O\bigl(\tfrac1n\bigr)\Bigr) = \ln n + \frac{\ln n}{2n} + O\bigl(\tfrac1n\bigr).

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=nx\ln x = n, lalu mencairkan cek termasyhur metodenya: dari teorema bilangan prima yang diterima tanpa bukti, diperoleh hukum asimtotik pnnlnnp_n \sim n\ln n bagi bilangan prima ke-nn.

Soal 6.1

Soal akhir pekan — koreksi Euler–Maclaurin dan asimtotik bilangan prima ke-nn

Bagian I — Loop bootstrap pada sebuah persamaan yang segar.

  1. Buktikan klaim ketunggalan pada Definisi 6.2: jika f=ikciφi+o(φk)=ikciφi+o(φk)f = \sum_{i\leq k} c_i\varphi_i + o(\varphi_k) = \sum_{i \leq k} c_i'\varphi_i + o(\varphi_k) sepanjang skala yang sama, maka ci=cic_i = c_i' untuk setiap ii. Lalu doronglah contoh campuran di dalam pelajaran satu anak tangga lebih jauh:

    1xlnx=1x+lnxx2+(lnx)2x3+o((lnx)2x3)(x+),\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + \frac{(\ln x)^2}{x^3} + o\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^3}\Bigr) \qquad (x \to +\infty),

    lalu jelaskan mengapa tak ada suku cx2\frac{c}{x^2} yang muncul.

  2. Tunjukkan bahwa untuk setiap n1n \geq 1 persamaan ex+x=n\eu^x + x = n punya tepat satu penyelesaian real xnx_n, dan bahwa xn+x_n \to +\infty dengan xnlnnx_n \sim \ln n.
  3. Bootstraplah dua kali:

    xn=lnnlnnn(lnn)22n2+o((lnn)2n2).x_n = \ln n - \frac{\ln n}{n} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr).
  4. Periksalah secara numerik di n=1000n = 1000: bandingkan x10006.90083x_{1000} \approx 6.90083 dengan nilai satu, dua dan tiga suku pada pertanyaan 3, sampai lima angka desimal.

Bagian II — Euler–Maclaurin, orde satu.

  1. Buktikan kesamaan kernel trapesium: untuk gg berkelas C2C^2 pada [0,1]\intcc{0}{1},

    01g(t) ⁣dt=g(0)+g(1)21201t(1t)g(t) ⁣dt\int_0^1 g(t)\,\dd t = \frac{g(0) + g(1)}{2} - \frac12\int_0^1 t(1 - t)\,g''(t)\,\dd t

    (integralkan 12t(1t)g\frac12 t(1-t)g'' secara parsial dua kali).

  2. Misalkan ff berkelas C2C^2 pada [1,+)\intco{1}{+\infty} dengan 1f<\int_1^\infty \abs{f''} < \infty. Tunjukkan bahwa

    En=k=1nf(k)1nff(1)+f(n)2E_n = \sum_{k=1}^{n} f(k) - \int_1^n f - \frac{f(1) + f(n)}{2}

    konvergen ke sebuah konstanta EE, dengan batas ekornya EEn18nf\abs{E - E_n} \leq \frac18\int_n^\infty\abs{f''}: itulah rumus Euler–Maclaurin sampai orde pertama.

  3. Terapkan hal itu pada f(t)=1tf(t) = \frac1t: buktikan

    Hn=lnn+γ+12n+εn,εn18n2,H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + \varepsilon_n, \qquad \abs{\varepsilon_n} \leq \frac{1}{8n^2},

    yang memperkuat Latihan 6.3 (kenali konstantanya dengan γ\gamma lewat pembandingan terhadap Contoh 6.7).

  4. Sarikan koefisien berikutnya: tunjukkan εn=112n2+o(1n2)\varepsilon_n = -\frac{1}{12n^2} + o\bigl(\frac1{n^2}\bigr) (pertambahan EnE_n adalah 1201t(1t)f(n+t) ⁣dt=112f(n)+o(f(n))\frac12\int_0^1t(1-t)f''(n+t)\dd t = \frac1{12}f''(n) + o(f''(n)); lalu jumlahkan ekornya dengan Teorema 6.6).
  5. Terapkan pertanyaan 6 pada f=lnf = \ln: turunkan ulang dalam tiga baris kekonvergenan dn=lnn!(n+12)lnn+nd_n = \ln n! - (n + \frac12)\ln n + n (yakni Langkah 1 pada Teorema 6.13), lengkap dengan bonus laju galatnya dn=d+O(1n)d_n = d + O\bigl(\frac1n\bigr).
  6. Terapkan pertanyaan 6 pada f(t)=1tf(t) = \frac{1}{\sqrt t}: tunjukkan

    k=1n1k=2n+c+12n+O(1n3/2)\sum_{k=1}^{n}\frac1{\sqrt k} = 2\sqrt n + c + \frac{1}{2\sqrt n} + O\Bigl(\frac{1}{n^{3/2}}\Bigr)

    untuk suatu konstanta cc, lalu nilailah semua sukunya di n=104n = 10^4 (konstantanya c1.4604c \approx -1.4604).

Bagian III — Pembalikan: persamaan xlnx=nx\ln x = n.

  1. Tunjukkan bahwa xlnx=nx\ln x = n punya tepat satu penyelesaian xn[1,+)x_n \in \intco{1}{+\infty} untuk n1n \geq 1, bahwa xnx_n \to \infty, dan bahwa lnxnlnn\ln x_n \sim \ln n.
  2. Turunkan pembalikan satu sukunya xnnlnnx_n \sim \dfrac{n}{\ln n}, lalu bootstraplah sekali lagi:

    lnxn=lnnlnlnn+o(1),xn=nlnn(1+lnlnnlnn+o(lnlnnlnn)).\ln x_n = \ln n - \ln\ln n + o(1), \qquad x_n = \frac{n}{\ln n}\Bigl(1 + \frac{\ln\ln n}{\ln n} + o\Bigl(\frac{\ln\ln n}{\ln n}\Bigr)\Bigr).
  3. Ujilah di n=106n = 10^6: akar sejatinya x87848x \approx 87\,848; bandingkan dengan nilai satu suku (72382\approx 72\,382) dan dua suku (86140\approx 86\,140), lalu jelaskan lambannya keuntungan itu (sebab parameter uraiannya lnlnnlnn\frac{\ln\ln n}{\ln n}, yang hanya 0.19\approx 0.19 di n=106n = 10^6).
  4. Kini kita terima tanpa bukti teorema bilangan prima: banyaknya bilangan prima π(x)\pi(x) yang x\leq x memenuhi π(x)xlnx\pi(x) \sim \frac{x}{\ln x} ketika xx \to \infty (yang dibuktikan secara jujur pada jilid Tahun ke-3). Dengan menulis pnp_n untuk bilangan prima ke-nn, berilah alasan bahwa π(pn)=n\pi(p_n) = n, lalu jalankan pembalikan pada pertanyaan 11–12 untuk membuktikan

    pnnlnn.p_n \sim n \ln n .
  5. Panennya: (a) tunjukkan knpkn2lnn2\sum_{k \leq n} p_k \sim \frac{n^2\ln n}{2} (bandingkan klnk\sum k\ln k dengan tlnt ⁣dt\int t\ln t\,\dd t); (b) hitunglah kira-kira berapa peluang sebuah bilangan bulat acak seragam berangka 100100 merupakan bilangan prima (ln10100230.26\ln 10^{100} \approx 230.26: kira-kira satu di antara 230230).

Bagian IV — Metodenya diekspor: xtanx=1x\tan x = 1.

  1. Tunjukkan bahwa untuk tiap n1n \geq 1 persamaan tanx=1x\tan x = \frac1x punya tepat satu penyelesaian xnx_n di (nπ,nπ+π2)\intoo{n\pi}{\,n\pi + \frac\pi2}, dan bahwa zn=xnnπ0+z_n = x_n - n\pi \to 0^+.
  2. Satu suku: zn1nπz_n \sim \dfrac{1}{n\pi}.
  3. Tunjukkan bahwa uraian znz_n tidak punya suku cn2\frac{c}{n^2}: yakni zn=1nπ+O(1n3)z_n = \frac1{n\pi} + O\bigl(\frac{1}{n^3}\bigr).
  4. Tiga suku: dengan memakai arctanu=uu33+O(u5)\arctan u = u - \frac{u^3}3 + O(u^5) dan 1xn=1nπzn(nπ)2+O(n3zn2)\frac1{x_n} = \frac{1}{n\pi} - \frac{z_n}{(n\pi)^2} + O(n^{-3}\cdot z_n^2), buktikan

    xn=nπ+1nπ43π3n3+o(1n3).x_n = n\pi + \frac{1}{n\pi} - \frac{4}{3\pi^3 n^3} + o\Bigl(\frac{1}{n^3}\Bigr).
  5. Periksalah di n=3n = 3: akar sejatinya x39.5293344x_3 \approx 9.5293344; bandingkan nilai satu suku dengan nilai tiga sukunya, lalu bandingkan dalam satu kalimat dengan tanx=x\tan x = x di dalam pelajaran (Contoh 6.23): di mana tiap barisannya duduk pada jendelanya, dan mengapa.

Bagian V — Bootstrap dinamis, aturan mainnya, dan rangkuman.

  1. Misalkan u0(0,π)u_0 \in \intoo{0}{\pi} dan un+1=sinunu_{n+1} = \sin u_n. Tunjukkan un0u_n \to 0 secara menurun, lalu hitunglah limit 1un+121un2\dfrac{1}{u_{n+1}^2} - \dfrac{1}{u_n^2} (uraikan sin2\sin^{-2} lewat sinu=uu36+o(u3)\sin u = u - \frac{u^3}6 + o(u^3)).
  2. Turunkan, lewat rata-rata Cesàro (jilid Tahun ke-1), hasil klasik

    un3n.u_n \sim \sqrt{\frac{3}{n}} .
  3. (Numerik yang tersahkan) Dengan memakai batas cermat pada pertanyaan 7, tunjukkan bahwa menilai lnn+γ+12n\ln n + \gamma + \frac1{2n} di n=106n = 10^6 menghasilkan H106H_{10^6} dengan galat paling banyak 1.2510131.25\cdot10^{-13} — yakni jumlah sejuta suku yang terhitung sampai tiga belas angka oleh tiga suku saja.
  4. (Aturan mainnya) Buktikan atau sangkallah, beserta buktinya atau contoh penyangkalnya: (a) jika unvn+u_n \sim v_n \to +\infty maka lnunlnvn\ln u_n \sim \ln v_n; (b) jika unvnu_n \sim v_n maka eunevn\eu^{u_n} \sim \eu^{v_n}; (c) jika fgf \sim g di ++\infty (dengan f,gf, g dapat diturunkan) maka fgf' \sim g'.
  5. (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 xlnxx\ln x persis menjadi jembatan dari π(x)\pi(x) ke pnp_n; 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-nn.
Solusi

Solusi Soal 6.1.

1. Setelah kedua uraiannya dikurangkan: i(cici)φi=o(φk)\sum_i (c_i - c_i')\varphi_i = o(\varphi_k). Jika ada koefisien yang berbeda, misalkan i0i_0 yang pertama: membaginya dengan φi0\varphi_{i_0} lalu memakai φj=o(φi0)\varphi_j = o(\varphi_{i_0}) untuk j>i0j > i_0 memberi ci0ci0=o(1)c_{i_0} - c_{i_0}' = o(1): jadi nol, kontradiksi. Untuk uraiannya: dengan u=lnxx0u = \frac{\ln x}x \to 0,

1xlnx=1x11u=1x(1+u+u2+O(u3))=1x+lnxx2+(lnx)2x3+o((lnx)2x3).\frac{1}{x - \ln x} = \frac1x\cdot\frac{1}{1 - u} = \frac1x\bigl(1 + u + u^2 + O(u^3)\bigr) = \frac1x + \frac{\ln x}{x^2} + \frac{(\ln x)^2}{x^3} + o\Bigl(\frac{(\ln x)^2}{x^3}\Bigr).

Tak ada suku cx2\frac c{x^2} yang muncul karena uraiannya berupa deret geometri dalam u=lnxxu = \frac{\ln x}{x}: tiap sukunya mengusung pangkat lnx\ln x sebanyak pangkat 1x\frac1x melampaui yang pertama; jadi anak tangga 1x2\frac1{x^2} (yakni koefisien (lnx)0(\ln x)^0) memang tak ada, dengan koefisien 00.

2. Fungsi f(x)=ex+xf(x) = \eu^x + x bersifat kontinu, naik tegas, dengan limit -\infty dan ++\infty: jadi ia bijeksi RR\R \to \R, sehingga xn=f1(n)x_n = f^{-1}(n) ada dan tunggal, dan xn+x_n \to +\infty (sebab f1f^{-1} naik ke ++\infty). Dari exn=nxn\eu^{x_n} = n - x_n: xn=ln(nxn)lnnx_n = \ln(n - x_n) \leq \ln n, jadi xn/n0x_n/n \to 0 dan xn=lnn+ln(1xn/n)=lnn+o(1)lnnx_n = \ln n + \ln(1 - x_n/n) = \ln n + o(1) \sim \ln n.

3. Tulis un=xn/nu_n = x_n/n. Lintasan kedua: un=lnn+o(1)nu_n = \frac{\ln n + o(1)}{n}, sehingga

xn=lnn+ln(1un)=lnnun+O(un2)=lnnlnnn+o(lnnn).x_n = \ln n + \ln(1 - u_n) = \ln n - u_n + O(u_n^2) = \ln n - \frac{\ln n}{n} + o\Bigl(\frac{\ln n}n\Bigr).

Lintasan ketiga: kini un=lnnnlnnn2+o(lnnn2)u_n = \frac{\ln n}{n} - \frac{\ln n}{n^2} + o\bigl(\frac{\ln n}{n^2}\bigr), dan ln(1un)=unun22+O(un3)\ln(1 - u_n) = -u_n - \frac{u_n^2}2 + O(u_n^3):

xn=lnnlnnn+lnnn2(lnn)22n2+o((lnn)2n2)=lnnlnnn(lnn)22n2+o((lnn)2n2),x_n = \ln n - \frac{\ln n}n + \frac{\ln n}{n^2} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr) = \ln n - \frac{\ln n}{n} - \frac{(\ln n)^2}{2n^2} + o\Bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\Bigr),

dengan suku lnnn2\frac{\ln n}{n^2} terserap ke dalam o((lnn)2n2)o\bigl(\frac{(\ln n)^2}{n^2}\bigr).

4. Di n=1000n = 1000: ln10006.90776\ln 1000 \approx 6.90776 (galatnya 71037\cdot10^{-3}); dua suku memberi 6.900856.90085 (galatnya 21052\cdot10^{-5}); tiga suku memberi 6.900826.90082 (galatnya di bawah 10510^{-5}), terhadap x10006.90083x_{1000} \approx 6.90083. Jadi tiap lintasan membeli kira-kira faktor lnnn\frac{\ln n}{n} yang diramalkan.

5. Dua kali pengintegralan parsial, berawal dari kanan: dengan  ⁣d ⁣dt[12t(1t)]=12t\frac{\dd}{\dd t}\bigl[\tfrac12t(1-t)\bigr] = \tfrac12 - t dan t(1t)t(1-t) yang nol di kedua ujungnya,

1201t(1t)g(t) ⁣dt=01(12t)g(t) ⁣dt=[(12t)g]0101g=g(0)+g(1)201g.\frac12\int_0^1 t(1-t)g''(t)\dd t = -\int_0^1\Bigl(\frac12 - t\Bigr)g'(t)\dd t = -\Bigl[\Bigl(\frac12 - t\Bigr)g\Bigr]_0^1 - \int_0^1 g = \frac{g(0) + g(1)}2 - \int_0^1 g .

Setelah ditata ulang, inilah kesamaan yang dinyatakan tadi.

6. Hitunglah pertambahannya, lalu terapkan pertanyaan 5 pada g(t)=f(n+t)g(t) = f(n + t):

En+1En=f(n+1)nn+1 ⁣ff(n+1)f(n)2=f(n)+f(n+1)2nn+1 ⁣f=1201t(1t)f(n+t) ⁣dt.\begin{align*} E_{n+1} - E_n &= f(n{+}1) - \int_n^{n+1}\!f - \frac{f(n{+}1) - f(n)}2 \\ &= \frac{f(n) + f(n{+}1)}2 - \int_n^{n+1}\!f = \frac12\int_0^1 t(1-t)f''(n+t)\dd t . \end{align*}

Karena 0t(1t)140 \leq t(1-t) \leq \frac14: berlaku En+1En18nn+1f\abs{E_{n+1} - E_n} \leq \frac18\int_n^{n+1}\abs{f''}, yang jumlahnya atas nn konvergen menurut hipotesisnya: jadi (En)(E_n) konvergen (sebab pertambahannya terjumlahkan secara mutlak) ke suatu EE, dengan

EEnknEk+1Ek18nf.\abs{E - E_n} \leq \sum_{k\geq n}\abs{E_{k+1} - E_k} \leq \frac18\int_n^\infty\abs{f''} .

7. Untuk f(t)=1tf(t) = \frac1t: f(t)=2t3f''(t) = \frac2{t^3} dan 1f=1<\int_1^\infty\abs{f''} = 1 < \infty. Menurut pertanyaan 6:

Hn=lnn+1+1n2+E+(EnE)=lnn+(E+12)+12n+εn,H_n = \ln n + \frac{1 + \frac1n}{2} + E + (E_n - E) = \ln n + \Bigl(E + \frac12\Bigr) + \frac1{2n} + \varepsilon_n,

dengan εn=EnE18n2 ⁣dtt3=18n2\abs{\varepsilon_n} = \abs{E_n - E} \leq \frac18\int_n^\infty\frac{2\dd t}{t^3} = \frac1{8n^2}. Membandingkannya dengan Hn=lnn+γ+o(1)H_n = \ln n + \gamma + o(1) (Contoh 6.7) mengenali E+12=γE + \frac12 = \gamma.

8. Dari rumus pertambahan pada pertanyaan 6,

εn=EnE=kn1201t(1t)2 ⁣dt(k+t)3=kn(1k301t(1t) ⁣dt+O(1k4)),\varepsilon_n = E_n - E = -\sum_{k\geq n}\frac12\int_0^1 t(1-t)\,\frac{2\,\dd t}{(k+t)^3} = -\sum_{k \geq n}\Bigl(\frac1{k^3}\int_0^1t(1-t)\dd t + O\Bigl(\frac1{k^4}\Bigr)\Bigr),

dengan memakai 1(k+t)3=1k3+O(1k4)\frac{1}{(k+t)^3} = \frac1{k^3} + O\bigl(\frac1{k^4}\bigr) secara seragam untuk t[0,1]t \in \intcc01. Dengan 01t(1t)=16\int_0^1 t(1-t) = \frac16 dan kn1k312n2\sum_{k\geq n}\frac1{k^3} \sim \frac{1}{2n^2} (Teorema 6.6):

εn=1612n2+o(1n2)=112n2+o(1n2).\varepsilon_n = -\frac16\cdot\frac{1}{2n^2} + o\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr) = -\frac{1}{12n^2} + o\Bigl(\frac{1}{n^2}\Bigr).

9. Untuk f=lnf = \ln: f(t)=1t2f''(t) = -\frac1{t^2}, yang terintegralkan secara mutlak. Pertanyaan 6 memberi

lnn!=1nlnt ⁣dt+lnn2+E+O(18n ⁣dtt2)=(n+12)lnnn+1+E+O(1n),\ln n! = \int_1^n\ln t\,\dd t + \frac{\ln n}2 + E + O\Bigl( \frac1{8}\int_n^\infty\frac{\dd t}{t^2}\Bigr) = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n - n + 1 + E + O\Bigl(\frac1n\Bigr),

jadi dn=1+E+O(1n)d_n = 1 + E + O\bigl(\frac1n\bigr): yakni kekonvergenan (dn)(d_n) — Langkah 1 pada Teorema 6.13 — ditambah lajunya O(1/n)O(1/n). (Nilai limit menurut Stirling memberi E=ln2π1E = \ln\sqrt{2\pi} - 1.)

10. Untuk f(t)=t1/2f(t) = t^{-1/2}: f(t)=34t5/2f''(t) = \frac34 t^{-5/2}, yang terintegralkan secara mutlak. Pertanyaan 6 memberi

k=1n1k=2n2+1+1n2+E+O(n3/2)=2n+c+12n+O(n3/2),\sum_{k=1}^n \frac1{\sqrt k} = 2\sqrt n - 2 + \frac{1 + \frac1{\sqrt n}}2 + E + O\bigl(n^{-3/2}\bigr) = 2\sqrt n + c + \frac{1}{2\sqrt n} + O\bigl(n^{-3/2}\bigr),

dengan c=E32c = E - \frac32. Di n=104n = 10^4: 2n=2002\sqrt n = 200, c1.46035c \approx -1.46035, 12n=0.005\frac1{2\sqrt n} = 0.005: jadi ramalannya 198.54465198.54465, dan memang k104k1/2=198.544645\sum_{k\leq10^4}k^{-1/2} = 198.544645\dots — tiga suku, tujuh angka.

11. Pemetaan ttlntt \mapsto t\ln t kontinu dan naik tegas pada [1,)\intco1\infty (sebab turunannya lnt+11\ln t + 1 \geq 1), dari 00 ke ++\infty: jadi ada xnx_n yang tunggal, dan xnx_n \to \infty (sebab jika tidak, xnlnxnx_n\ln x_n akan tetap terbatas). Setelah logaritmanya diambil pada xnlnxn=nx_n\ln x_n = n: lnxn+lnlnxn=lnn\ln x_n + \ln\ln x_n = \ln n; dan karena lnlnxn=o(lnxn)\ln\ln x_n = o(\ln x_n), membaginya dengan lnxn\ln x_n memberi lnnlnxn1\frac{\ln n}{\ln x_n} \to 1: jadi lnxnlnn\ln x_n \sim \ln n.

12. Dari xn=nlnxnx_n = \frac{n}{\ln x_n} dan lnxnlnn\ln x_n \sim \ln n: xnnlnnx_n \sim \frac{n}{\ln n}. Lintasan berikutnya: lnlnxn=ln(lnn(1+o(1)))=lnlnn+o(1)\ln\ln x_n = \ln\bigl(\ln n\,(1 + o(1))\bigr) = \ln\ln n + o(1), jadi lnxn=lnnlnlnn+o(1)\ln x_n = \ln n - \ln\ln n + o(1) dan

xn=nlnnlnlnn+o(1)=nlnn11lnlnn+o(1)lnn=nlnn(1+lnlnnlnn+o(lnlnnlnn)).x_n = \frac{n}{\ln n - \ln\ln n + o(1)} = \frac{n}{\ln n}\cdot\frac{1}{1 - \frac{\ln\ln n + o(1)}{\ln n}} = \frac{n}{\ln n}\Bigl(1 + \frac{\ln\ln n}{\ln n} + o\Bigl(\frac{\ln\ln n}{\ln n}\Bigr)\Bigr).

13. Di n=106n = 10^6: nlnn72382\frac{n}{\ln n} \approx 72\,382 (meleset 18%18\%), dua suku memberi 86140\approx 86\,140 (meleset 1.9%1.9\%), terhadap nilai sejatinya x87848x \approx 87\,848. Keuntungan tiap lintasannya hanya sebesar faktor lnlnnlnn2.6313.80.19\frac{\ln\ln n}{\ln n} \approx \frac{2.63}{13.8} \approx 0.19: jadi skala logaritmik konvergen dengan kelambanan yang menjengkelkan — kenyataan hidup di mana pun bilangan prima terlibat.

14. Ada tepat nn bilangan prima pn\leq p_n (yakni p1,,pnp_1, \dots, p_n): jadi π(pn)=n\pi(p_n) = n. Teorema bilangan prima (yang diterima tanpa bukti; jilid Tahun ke-3) memberi n=π(pn)pnlnpnn = \pi(p_n) \sim \frac{p_n}{\ln p_n}, yakni pnnlnpnp_n \sim n\ln p_n: dan inilah persamaan xlnxnx\ln x \approx n yang dibaca terbalik. Setelah logaritmanya diambil: lnpn=lnn+lnlnpn+o(1)\ln p_n = \ln n + \ln\ln p_n + o(1), dan lnlnpn=o(lnpn)\ln\ln p_n = o(\ln p_n) memaksa lnpnlnn\ln p_n \sim \ln n seperti pada pertanyaan 11. Setelah disulihkan kembali:

pnnlnpn=nlnnlnpnlnnnlnn.p_n \sim n\ln p_n = n\,\ln n\,\frac{\ln p_n}{\ln n} \sim n\ln n .

15. (a) Tetapkan ε>0\varepsilon > 0; untuk kk yang besar, (1ε)klnkpk(1+ε)klnk(1 - \varepsilon)k\ln k \leq p_k \leq (1 + \varepsilon)k\ln k. Lewat perbandingan dengan tlntt\ln t yang naik (dengan pengapitan bergaya Teorema 6.6), knklnk=1ntlnt ⁣dt+O(nlnn)=n2lnn2n24+O(nlnn)n2lnn2\sum_{k\leq n}k\ln k = \int_1^n t\ln t\,\dd t + O(n\ln n) = \frac{n^2\ln n}2 - \frac{n^2}4 + O(n\ln n) \sim \frac{n^2\ln n}2. Karenanya knpk=n2lnn2(1+O(ε)+o(1))\sum_{k\leq n}p_k = \frac{n^2\ln n}{2}(1 + O(\varepsilon) + o(1)) untuk setiap ε\varepsilon: jadi knpkn2lnn2\sum_{k\leq n}p_k \sim \frac{n^2\ln n}2. (b) Menurut teorema bilangan prima, di antara bilangan bulat sampai 1010010^{100} ada proporsi 1ln10100=1230.26\sim \frac{1}{\ln 10^{100}} = \frac1{230.26\dots} yang prima: jadi bilangan bulat acak seragam berangka 100100 bersifat prima dengan peluang kira-kira 1230\frac1{230}.

16. Pada (nπ,nπ+π2)\intoo{n\pi}{n\pi + \frac\pi2}, fungsi g(x)=tanx1xg(x) = \tan x - \frac1x kontinu dan naik tegas (sebab g=1+tan2x+1x2>0g' = 1 + \tan^2x + \frac1{x^2} > 0), dengan g1nπ<0g \to -\frac1{n\pi} < 0 di ujung kirinya dan g+g \to +\infty di ujung kanannya: jadi ada tepat satu akar xnx_n. Karena tanzn=tanxn=1xn0\tan z_n = \tan x_n = \frac1{x_n} \to 0 dengan zn(0,π2)z_n \in \intoo{0}{\frac\pi2}: maka zn0+z_n \to 0^+.

17. Kita punya tanznzn\tan z_n \sim z_n dan 1xn1nπ\frac1{x_n} \sim \frac1{n\pi}: jadi zn1nπz_n \sim \frac1{n\pi}.

18. Di sini zn=arctan1xnz_n = \arctan\frac1{x_n} dan arctanu=u+O(u3)\arctan u = u + O(u^3). Dengan zn=O(1n)z_n = O(\frac1n):

1xn=1nπ11+znnπ=1nπznn2π2+O(1n4)=1nπ+O(1n3),\frac1{x_n} = \frac{1}{n\pi}\cdot\frac1{1 + \frac{z_n}{n\pi}} = \frac1{n\pi} - \frac{z_n}{n^2\pi^2} + O\Bigl(\frac1{n^4}\Bigr) = \frac1{n\pi} + O\Bigl(\frac1{n^3}\Bigr),

jadi zn=1nπ+O(1n3)z_n = \frac1{n\pi} + O\bigl(\frac1{n^3}\bigr): yakni anak tangga cn2\frac{c}{n^2} berkoefisien 00, sebab koreksi pertama pada 1xn\frac1{x_n} itu sendiri berukuran znn2=O(n3)\frac{z_n}{n^2} = O(n^{-3}).

19. Masukkan zn=1nπ+O(n3)z_n = \frac1{n\pi} + O(n^{-3}) ke dalam ungkapan sebelumnya:

1xn=1nπ1n3π3+O(1n5),\frac{1}{x_n} = \frac{1}{n\pi} - \frac{1}{n^3\pi^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr),

lalu zn=arctan1xn=1xn13(1xn)3+O(1n5)=1nπ1n3π313n3π3+O(1n5)z_n = \arctan\frac1{x_n} = \frac1{x_n} - \frac{1}{3}\Bigl(\frac1{x_n}\Bigr)^3 + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr) = \frac1{n\pi} - \frac{1}{n^3\pi^3} - \frac{1}{3n^3\pi^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr):

xn=nπ+1nπ43π3n3+O(1n5).x_n = n\pi + \frac{1}{n\pi} - \frac{4}{3\pi^3n^3} + O\Bigl(\frac1{n^5}\Bigr).

20. Di n=3n = 3: satu suku memberi 9.530889.53088, tiga suku memberi 9.529299.52929, sedangkan akar sejatinya 9.529339.52933: jadi galatnya 1.51031.5\cdot10^{-3} dan 51055\cdot10^{-5}. Bandingkan: untuk tanx=x\tan x = x akarnya wajib membuat tan\tan menjadi besar sekali, jadi ia memeluk ujung kanan nπ+π2n\pi + \frac\pi2 pada jendelanya, berjarak 1nπ\sim\frac1{n\pi} sebelum asimtotnya; sedangkan untuk xtanx=1x\tan x = 1 akarnya wajib membuat tan\tan menjadi sangat kecil, jadi ia duduk tepat sesudah ujung kiri nπn\pi, berjarak 1nπ\sim\frac1{n\pi} sesudah nolnya. Metode yang sama, geografi yang bercermin.

21. Kita punya sinu<u\sin u < u pada (0,π)\intoo0\pi dan sin\sin memetakan (0,π)\intoo0\pi ke dalam (0,1](0,π)\intoc01 \subseteq \intoo0\pi: jadi setelah satu langkah u1(0,1]u_1 \in \intoc{0}{1}, lalu (un)(u_n) turun dan terbatas di bawah oleh 00, sehingga ia konvergen ke titik tetap sin\sin, yakni ke 00. Uraiannya: sinu=u(1u26+o(u2))\sin u = u(1 - \frac{u^2}6 + o(u^2)), sehingga

1un+121un2=1un2((1un26+o(un2))21)=1un2(un23+o(un2))13.\frac{1}{u_{n+1}^2} - \frac1{u_n^2} = \frac{1}{u_n^2}\Bigl(\bigl(1 - \tfrac{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 .

22. Menurut Cesàro (jilid Tahun ke-1), rata-rata pertambahannya konvergen ke limit yang sama:

1n1un2=1n(1u02+k=0n1(1uk+121uk2))13,\frac{1}{n}\cdot\frac{1}{u_n^2} = \frac1n\Bigl(\frac1{u_0^2} + \sum_{k=0}^{n-1} \Bigl(\frac1{u_{k+1}^2} - \frac1{u_k^2}\Bigr)\Bigr) \longrightarrow \frac13 ,

jadi un23nu_n^2 \sim \frac3n dan, karena semua sukunya positif, un3/nu_n \sim \sqrt{3/n}.

23. Menurut pertanyaan 7, Hnlnnγ12n18n2\abs{H_n - \ln n - \gamma - \frac1{2n}} \leq \frac1{8n^2}. Di n=106n = 10^6 batas ini bernilai 181012=1.251013\frac{1}{8\cdot10^{12}} = 1.25\cdot10^{-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: lnunlnvn=lnunvn0\ln u_n - \ln v_n = \ln\frac{u_n}{v_n} \to 0 sedangkan lnvn+\ln v_n \to +\infty, jadi rasio logaritmanya menuju 11. (b) Salah: un=n+1vn=nu_n = n + 1 \sim v_n = n, tetapi eun/evn=e1\eu^{u_n}/\eu^{v_n} = \eu \neq 1. Kesetaraan memaklumi galat aditif o(1)o(1) pada eksponennya, bukan O(1)O(1). (c) Salah: f(x)=x+sin(x2)g(x)=xf(x) = x + \sin(x^2) \sim g(x) = x di ++\infty, tetapi f(x)=1+2xcos(x2)f'(x) = 1 + 2x\cos(x^2) berayun tanpa batas sedangkan g=1g' = 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\eu^x + x = n (Bagian I), pada xlnx=nx\ln x = n (Bagian III), dan pada xtanx=1x\tan x = 1 (Bagian IV). Koreksi trapesiumnya meningkatkan perbandingan deret dengan integral dari “selisihnya konvergen” menjadi suku f(1)+f(n)2\frac{f(1) + f(n)}2 yang tersurat dengan sisa O(nf)O(\int_n^\infty \abs{f''}) yang tersahkan — yakni konstanta dan batang galat, bukan sekadar kekonvergenan. Jembatan ke bilangan prima murni pembalikan: teorema bilangan prima mengatakan π(x)lnxx\pi(x)\ln x \approx x, jadi pnp_n, yang ditetapkan oleh π(pn)=n\pi(p_n) = n, menyelesaikan sebuah persamaan xlnx=nx\ln x = n — sehingga ia mewarisi asimtotiknya. Aturan (a) pada pertanyaan 24 mengesahkan setiap peralihan dari unvnu_n \sim v_n ke lnunlnvn\ln u_n \sim \ln v_n (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 pnnlnnp_n \sim n\ln n bagi bilangan prima ke-nn (pertanyaan 14).

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium