Fungsi Analitik
3.3. DIFERENSIAL 31 Jika (∆x, ∆y) mendekati (0, 0) melalui garis ∆y = 0 maka
f
(z ) = ez lim ∆x→
0 e∆x−
1 ∆x = e z lim ∆x→
0 e∆x 1 = e z.1 = ez Jika (∆x, ∆y) mendekati (0, 0) melalui garis ∆y = k∆y makaf
(z ) = ez lim ∆x→
0 e∆x+ik∆x−
1 ∆x + ik∆x = ez lim ∆x→
0 e(1+ik)∆x−
1 (1 + ik)∆x = ez lim ∆x→
0 (1 + ik)e(1+ik)∆x 1 + ik = e z.1 = ezsehingga diduga bahwa fungsi turunan dari f (z ) = ez adalah f
(z ) = ez. Dengan menggunakan teorema yang akan dibahas berikut ini, yang dikenal sebagai teorema Cauchy - Riemann, dapat diperlihatkan bahwa fungsi turunan dari f (z ) = ez adalah f
(z ) = ez.5. Jika f (z ) = z maka secara umum,
∀
z∈
C diperoleh f
(z ) = lim ∆z→
0 f (z + ∆z )−
f (z ) ∆z = lim ∆z→
0 z + ∆z−
z ∆z = lim ∆z→
0 z + ∆z−
z ∆z = lim ∆z→
0 ∆z ∆z = lim (∆x,∆y)→
(0,0) ∆x−
i∆y ∆x + i∆yJika (∆x, ∆y) mendekati (0, 0) melalui garis ∆y = 0 maka
f
(z ) = lim∆x
→
0∆x ∆x = 1.
Jika (∆x, ∆y) mendekati (0, 0) melalui garis ∆x = 0 maka
f
(z ) = lim∆y
→
0−
i∆xi∆y =
−
1.Karena dengan dua pendekatan yang berbeda diperoleh nilai limit yang ber-beda maka f
(z ) tidak ada, sehingga fungsi f (z ) = z tidak terdiferensialkan6. Jika f (z ) =
|
z|
2 maka secara umum,∀
z∈
C diperoleh f
(z ) = lim ∆z→
0 f (z + ∆z )−
f (z ) ∆z = lim ∆z→
0|
z + ∆z|
2− |
z|
2 ∆z = lim ∆z→
0 (z + ∆z )(z + ∆z )−
zz ∆z = lim ∆z→
0 (z + ∆z )(z + ∆z )−
zz ∆z = lim ∆z→
0 zz + z ∆z + ∆zz + ∆z ∆z−
zz ∆z = lim ∆z→
0 z ∆z + ∆zz + ∆z ∆z ∆zJika (∆x, ∆y) mendekati (0, 0) melalui garis ∆y = 0 maka ∆z = ∆z , se-hingga
f
(z ) = lim∆z
→
0z ∆z + ∆zz + (∆z )2
∆z = lim∆z
→
0z + z + ∆z = z + z = 2x. Jika (∆x, ∆y) mendekati (0, 0) melalui garis ∆x = 0 maka ∆z =−
∆z , sehinggaf
(z ) = lim∆z
→
0−
z ∆z + ∆zz−
(∆z )2∆z = lim∆z
→
0−
z + z−
∆z =−
z + z =−
2iy. Jika z
= 0 maka dua pendekatan tersebut menghasilkan nilai limit yang berbeda sehingga f
(z ) tidak ada∀
z = 0. Sekarang akan diselidiki f
(z ) ada untuk z = 0. f
(0) = lim ∆z→
0 f (0 + ∆z )−
f (0) ∆z = lim∆z→
0|
∆z|
2 ∆z = lim∆z→
0 ∆z ∆z ∆z = lim∆z→
0∆z = 0. Karena f
(z ) tidak ada∀
z = 0 dan f
(0) = 0 maka dapat disimpulkan bahwa fungsi f (z ) =|
z|
2 hanya terdiferensialkan di z = 0.Untuk memeriksa apakah suatu fungsi terdiferensialkan tentu tidak praktis ji-ka selalu hanya menggunaji-kan definisi saja. Oleh ji-karena itu telah dibuktiji-kan beberapa sifat atau teorema yang dapat membantu kita untuk memeriksa kete-rdiferensialan suatu fungsi kompleks dengan lebih mudah, seperti yang disajikan
3.3
3.3. . DIFDIFEREERENSINSIALAL 3333
berikut ini. berikut ini.
Sifat-sifat fungsi terdiferensial Sifat-sifat fungsi terdiferensial Jika
Jika f f ((z z ) dan) dan gg((z z ) terdiferensial pada suatu himpunan) terdiferensial pada suatu himpunan AA
⊆⊆
CC dandan kk∈ ∈
CC adalah adalah konstanta, maka demikian pula halnya dengan (konstanta, maka demikian pula halnya dengan (f f ++gg)()(z z )),, ((kf kf )()(z z )),, ((ffgg)()(z z )),,
f f gg
((z z ),), dan (dan (f f
◦ ◦
gg)()(z z ), yang dapat ditentukan dengan cara berikut.), yang dapat ditentukan dengan cara berikut. 1. 1. ((f f ++ g g))
((z z ) ) == f f
((z z ) +) + g g
((z z )) 2. 2. ((kf kf ))
((z z ) ) == k kf f
((z z )) 3. 3. ((ff gg))
((z z ) ) == f f
((z z ))gg((z z ) +) + f f ((z z ))gg
((z z )) 4. 4. f f gg
((z z ) ) == f f ((zz))gg((((zzgg))((−−
zz))))f f ((22zz))gg((zz)) 5. 5. ((f f◦ ◦
gg))
((z z ) ) == f f
((gg((z z ))))gg
((z z ))Dengan memanfaatkan sifat-sifat tersebut dapat ditentukan turunan Dengan memanfaatkan sifat-sifat tersebut dapat ditentukan turunan fungsi-fungsi lain seperti fungsi-fungsi polinom, fungsi-fungsi rasional, fungsi-fungsi trigonometri, dan fungsi-fungsi fungsi lain seperti fungsi polinom, fungsi rasional, fungsi trigonometri, dan fungsi hiperbolik.
hiperbolik. Contoh: Contoh: 1.
1. AkAkan an diperlihatdiperlihatkkan an bahwbahwa a jikjikaa f f ((z z ) ) == z z nn makamaka f f
((z z ) ) == nz nz nn−−
11,,∀∀
nn∈∈
ZZ.. (a)(a) AkAkan dibuktikan dengan menggunakan induksi matematika bahan dibuktikan dengan menggunakan induksi matematika bahwa jikwa jikaa f
f ((z z ) ) == z z nn makamaka f f
((z z ) ) == nz nz nn−−
11,,∀∀
nn∈ ∈
NN, sebagai berikut., sebagai berikut.••
Sifat jelas berlaku untuk Sifat jelas berlaku untuk nn = 1 sebab telah diperlihatkan dengan = 1 sebab telah diperlihatkan dengan menggunakan definisi bahwamenggunakan definisi bahwa f f
((z z ) = 1 jika) = 1 jika f f ((z z ) ) == z z••
Andaikan sifat berlaku untuk Andaikan sifat berlaku untuk nn == kk, yaitu, yaitu f f
((z z ) ) == kz kz kk−−
11 jika jika f••
harus dibuktikan bahwa sifat berlaku untuk harus dibuktikan bahwa sifat berlaku untuk nn = = k k + + 1. 1. MengMenggu- gu-nakan sifat turunan perkalian dua fungsi makanakan sifat turunan perkalian dua fungsi maka f f ((z z ) ) == z z ((kk+1)+1) == z zz z kk
sehingga sehingga
f
f
((z z ) ) == z z kk ++ zk zkz z kk−−
11 == z z kk ++ kz kz kk = = ((kk + 1) + 1)z z kk Jadi telah terbukti bahwa jikaJadi telah terbukti bahwa jika f f ((z z ) ) == z z nn maka f maka f
((z z ) ) == nz nz nn−−
11,,∀∀
nn∈∈
NN.. (b)(b) BerikuBerikut t ini dibuktikini dibuktikan an bahwbahwa a jikjikaa f f ((z z ) ) == z z nn makamaka f f
((z z ) ) == nz nz nn−−
11,,∀∀
nn bilangan bulat negatif pula.bilangan bulat negatif pula. Misalkan
Misalkan n n bilangan bulat negatif. bilangan bulat negatif. MisalkMisalkanan m m = =
− −
nn. Oleh karena itu. Oleh karena itu mm
∈ ∈
NN dandan f f ((z z ) ) == z z nn == z z−−
mm = = zz11mm == gg((11zz)), dengan, dengan gg((z z ) ) == z z mm. Karena. Karena mm
∈ ∈
NN maka gg maka
((z z ) ) == mz mz mm−−
11 ==− −
nz nz−−
nn−−
11. . Dengan mengguDengan menggunaknakan sifatan sifat turunan hasil bagi dua fungsi diperolehturunan hasil bagi dua fungsi diperoleh f f
((z z ) ) == 00.g.g((z z ))−−
11.g.g
((z z )) ((gg((z z ))))22 ==− −
gg
((z z )) ((gg((z z ))))22 = =−−
mz mz mm−−
11((z z )) z z 22mm ==−−
mz mz−−
mm−−
11 == nz nz nn−−
11 Dengan demikian telah dibuktikan bahwa jikaDengan demikian telah dibuktikan bahwa jika f f ((z z ) ) == z z nn makamaka f f
((z z ) ) == nznz nn
−−
11,,∀∀
nn∈ ∈
ZZ.. 2. Jika2. Jika f f ((z z ) = sin() = sin(z z ) ) == eeiziz
−−
ee−−iziz2 2ii maka maka f f
((z z ) ) == ieieiziz++ieie−−iziz 2 2ii == eeiziz++ee−−iziz 2 2 = = cos(cos(z z )).. 3. Jika3. Jika f f ((z z ) = ) = sinsinh(h(z z ) ) == eezz
−−
22ee−− maka maka f zz f
((z z ) ) == eezz++22ee−−zz = = cosh(cosh(z z )).. Teorema Cauchy-Riemann 1:Teorema Cauchy-Riemann 1: Misalkan fungsi kompleks Misalkan fungsi kompleks f f ((z z )) dinyatakan se- dinyatakan se-bagai
bagai f f ((z z ) ) == uu((x,x, yy) ) ++ iv iv((x,x, yy)). . JJiikka a uu((x,x, yy)),, vv((x,x, yy)),, uuxx,, uuyy,, vvxx,, dan dan vvyy kontinu kontinu pada persekitaran
pada persekitaran N N ((z z 00)) dari suatu titik dari suatu titik z z 00 dan pada dan pada z z 00 berlaku berlaku u
uxx = = v vyy dandan uuyy ==
−−
vvxx,, makamaka f f
((z z 00)) ada dan ada dan ff
((z z 00) ) == u uxx((z z 00) +) + iv ivxx((z z 00) ) == v vyy((z z 00))−−
iuiuyy((z z 00)),, dengandengan uuxx == ∂u∂u∂x∂x,, uuyy == ∂u∂u∂y∂y,, vvxx == ∂x∂x∂v∂v,, dandan vvyy == ∂v∂v∂y∂y berturut-turut adalah turunan berturut-turut adalah turunan parsial dari
3.3
3.3. . DIFDIFEREERENSINSIALAL 3535
T
Teoreeorema ma CaucCauchy-hy-RiemaRiemann nn 2:2: JikJika a funfungsi gsi komkomplepleks ks f f ((z z ) ) == uu((x,x, yy) ) ++ iv
iv((x,x, yy)) memiliki turunan di memiliki turunan di z z 00 maka . maka . f
f
((z z 00) ) == u uxx((z z 00) +) + iv ivxx((z z 00) ) == v vyy((z z 00))−−
iuiuyy((z z 00)),, sehingga padasehingga pada z z 00 berlaku berlaku
u
uxx == v vyy dandan uuyy ==
−−
vvxx.. Contoh:Contoh: 1.
1. PandaPandang ng fungsifungsi f f ((z z ) ) == z z 22 = = ((xx++iyiy))22 == x x22
−
−
yy22+2+2xyixyi = = u u((x,x, yy)+)+vv((x,x, yy))ii. . DiDi sinisini uu((x,x, yy) ) == x x22
−
−
yy22 dandan vv((x,x, yy) ) = = 22xyxy, sehingga, sehingga uuxx = 22x,= x, uuyy ==− −
22y,y, vvxx == 22y,y, dandan vvyy = = 22xx. . JelJelas bahas bahwawa u u,, v,uv,uxx,, uuyy,, vvxx,, dandan vvyy adalah fungsi-fungsi adalah fungsi-fungsi yang konyang kontinu. tinu. PerhatPerhatikikan bahwaan bahwa uuxx == vvyy dandan uuyy ==
− −
vvxx,,∀∀
((x,x, yy). ). BerBerda- da-sarkan teorema Cauchy-Riemann 1 makasarkan teorema Cauchy-Riemann 1 maka f f
((z z ) ada untuk setiap) ada untuk setiap z z∈ ∈
CC d danan ff
((z z ) ) == u uxx((z z )) ++ ivivxx((z z ) ) = = 22xx ++ 22yiyi = = 2(2(xx ++ yiyi) ) = = 22z z . Hasil ini sesuai dengan. Hasil ini sesuai dengan hasil yang diperoleh dengan menggunakan definisi turunan fungsi kompleks. hasil yang diperoleh dengan menggunakan definisi turunan fungsi kompleks. 2.2. PandaPandang fungsng fungsii f f ((z z ) ) == e ezz == e exx++iyiy == e exxcoscos yy + + ie iexxsinsin yy == u u((x,x, yy) +) + v v((x,x, yy))ii.. Di sini
Di sini uu((x,x, yy) ) == e exxcos yy dancos dan v v((x,x, yy) ) == e exxsinsin yy, sehingga, sehingga u uxx == e exxcoscos y,y, uuyy ==
−
−
eexxsinsin y,y, vvxx == eexxsinsin y,y, dandan vvyy = ee= xxcoscos yy. . JelJelas bahas bahwawa u u,, v,uv,uxx,, uuyy,, vvxx,, dandan vvyy adalah fungsi-fungsi yang kontinu. Perhatikan bahwa adalah fungsi-fungsi yang kontinu. Perhatikan bahwa uuxx == v vyy dandan uuyy ==−
−
vvxx,,∀∀
((x,x, yy). ). BerdasarBerdasarkkan an teorema Cauchteorema Cauchy-Riey-Riemann 1 mann 1 makmakaa f f
((z z ) ada un-) ada un-tuk setiaptuk setiap z z
∈ ∈
CC dandan f f
((z z ) ) == u uxx((z z )) ++ ivivxx((z z ) ) == e exxcoscos yy ++ ieiexxsinsin yy = = e ezz. Hasil. Hasil ini membenarkan dugaan pada contoh sebelumnya bahwa turunan dari ini membenarkan dugaan pada contoh sebelumnya bahwa turunan dari eezzadalah adalah eezz.. 3.
3. PandaPandang fungsng fungsii f f ((z z ) ) ==
| |
z z||
22 == x x22+ yy+ 22 == u u((x,x, yy)) ++ vv((x,x, yy))ii. Di sini. Di sini u u((x,x, yy) ) == xx22 ++ y y22 dandan vv((x,x, yy) = 0, sehingga) = 0, sehingga uuxx = 22x,= x, uuyy = = 22y,y, vvxx = = 00,, dandan vvyy == 0.
0. JeJelalas bahs bahwawa u,v,u u,v,uxx,, uuyy,, vvxx,, dandan vvyy adalah fungsi-fungsi yang kontinu. adalah fungsi-fungsi yang kontinu. Perhatikan bahwa persamaan
Perhatikan bahwa persamaan uuxx == v vyy dandan uuyy ==
− −
vvxx hanya berlaku untuk hanya berlaku untuk ((x,x, yy) = (0) = (0,, 0). 0). BerdasarBerdasarkkan teorema Cauchyan teorema Cauchy-Riema-Riemann 1 nn 1 dan 2 dan 2 makmakaa f f
((z z ))hanya ada untuk
hanya ada untuk z z = 0 dan = 0 dan f f
(0) =(0) = u uxx(0)+(0)+ivivxx(0(0) = 0+) = 0+ 00ii = 0. Hasil inipun = 0. Hasil inipun sesuai dengan hasil yang telah kita peroleh pada contoh sebelumnya.sesuai dengan hasil yang telah kita peroleh pada contoh sebelumnya. 4. Pandang fungsi
4. Pandang fungsi f f ((z z ) ) == z z == x x
−−
yiyi = = u u((x,x, yy) +) + v v((x,x, yy))ii. Di sini. Di sini uu((x,x, yy) ) == x x dandan vv((x,x, yy) ) ==
−−
yy, sehingga, sehingga uuxx = = 11,, uuyy = = 00,, vvxx = = 00,, dandan vvyy ==−−
11. . JJee--las bahwalas bahwa u,v,u u,v,uxx,, uuyy,, vvxx,, dandan vvyy adal adalah fungsi-funah fungsi-fungsi yang kongsi yang kontinutinu. . Per- Per-hatikan bahwa persamaan
hatikan bahwa persamaan uuxx
== vvyy,,∀∀
x +x + i iyy∈∈
CC. . BerBerdasadasarkrkan teoan teoremarema Cauchy-Riemann 2 makaCauchy-Riemann 2 maka f f
((z z ) tidak ada untuk setiap) tidak ada untuk setiap z z∈ ∈
CC. Jadi. Jadi f f tidak tidak terdiferensialkan.terdiferensialkan. 5. Pandang fungsi
5. Pandang fungsi f f ((z z ) ) == y y
−−
xixi = = u u((x,x, yy) +) + v v((x,x, yy))ii. Di sini. Di sini uu((x,x, yy) ) == y y dandan vv((x,x, yy) ) ==− −
xx, sehingga, sehingga uuxx = = 00,, uuyy = = 11,, vvxx ==− −
11,, dandan vvyy = 0. = 0. JelJelas bahas bahwawa u,v,uu,v,uxx,, uuyy,, vvxx,, dandan vvyy kontinu dan kontinu dan uuxx == vvyy dandan uuyy ==
− −
vvxx,,∀∀
((x,x, yy). ). BeBerda rda--sarkan teorema Cauchy-Riemann 1 makasarkan teorema Cauchy-Riemann 1 maka f f
((z z ) ada dan) ada dan f f
((z z ) ) == uuxx((z z ) ) ++ ivivxx((z z ) ) ==
−−
ii..Perhatikan bahwa teorema Cauchy-Riemann 2 bukan sepenuhnya merupakan Perhatikan bahwa teorema Cauchy-Riemann 2 bukan sepenuhnya merupakan ke-balikan teorema Cauchy-Riemann 1 sebab teorema Cauchy-Riemann 2 tidak balikan teorema Cauchy-Riemann 1 sebab teorema Cauchy-Riemann 2 tidak men- jamin
jamin kekonkekontinuantinuan u u,, v,uv,uxx,, uuyy,, vvxx,, dandan vvyy. . TTeorema Caucheorema Cauchy-Riey-Riemann 1 bmann 1 bergunaerguna untuk menentukan himpunan bilangan kompleks
untuk menentukan himpunan bilangan kompleks z z di mana di mana f f ((z z ) ) terdiferterdiferensialensialk- k-an, sedangkan teorema Cauchy-Riemann 2 berguna untuk menentukan himpunan an, sedangkan teorema Cauchy-Riemann 2 berguna untuk menentukan himpunan bilangan kompleks
bilangan kompleks z z di mana di mana f f ((z z ) TIDAK terdiferensialkan.) TIDAK terdiferensialkan.
Jadi, sejauh ini kita dapat memeriksa eksistensi dan menentukan turunan suatu Jadi, sejauh ini kita dapat memeriksa eksistensi dan menentukan turunan suatu fungsi kompleks
fungsi kompleks f f ((z z ) dengan menggunakan:) dengan menggunakan:
••
definisi fungsi turunan fungsi kompleks, yaitu definisi fungsi turunan fungsi kompleks, yaitu f f
((z z ) ) = = lliimm ∆ ∆zz→→
00 f f ((z z + ∆ + ∆z z ))−−
f f ((z z )) ∆ ∆z z ,,••
operasi fungsi terdiferensialkan, seperti penjumlahan, perkalian, pembagi- operasi fungsi terdiferensialkan, seperti penjumlahan, perkalian, pembagi-an, dan komposisi dua fungsi3.3. DIFERENSIAL 37
•
persamaan Cauchy-Riemann, yaituux = vy dan uy =
−
vx, danf
(z ) = ux(z ) + ivx(z ).Di antara ketiga cara tersebut, cara terakhir merupakan cara termudah jika f (z ) dinyatakan sebagai fungsi dengan variabel bebas (x, y) dalam koordinat Cartesius. Namun, bila f (z ) dinyatakan dalam koordinat polar maka kita akan mengalami kesulitan dalam menggunakan cara ke tiga. Sebagai contoh, ketiga cara tersebut tidak dapat digunakan untuk menentukan turunan fungsi logaritma yang dide-finisikan sebagai log z = lnr + it = ln
|
z|
+ i arg(z ), untuk z = reit. Namun, jika kita dapat menyatakan persamaan Cauchy-Riemann dalam koordinat polar, kita dapat menentukan turunan fungsi logaritma. Berikut ini dibahas bagaimana menyatakan persamaan Cauchy-Riemann dalam koordinat polar dan rumus f
(z ) dalam koordinat polar.Jika z = x + iy = reit dan f (z ) = u(x, y) + iv(x, y) = u(r, t) = iv(r, t) dengan x = r cos t, y = r sin t , maka dengan menggunakan aturan rantai, diperoleh
ur = uxxr + uyyr = ux cos t + uy sin t, ut = uxxt + uyyt =
−
uxr sin t + ruy cos t,vr = vxxr + vyyr = vx cos t + vy sin t, (3.1) vt = vxxt + vyyt =
−
vxr sin t + rvy cos t.Berdasarkan persamaan Cauchy-Riemann maka persamaan (3.1) yang ke empat menjadi
vt = uyr sin t + rux cos t = rux cos t + ruy sin t. Jika persamaan pertama dikalikan dengan r maka diperoleh
rur = rux cos t + ruy sin t = vt. Jadi diperoleh
rur = vt atau ur = 1
Berdasarkan persamaan Cauchy-Riemann maka dari persamaan (3.1) yang ke tiga diperoleh
rvr =
−
ruy cos t + rux sin t =−
(−
uxr sin t + ruy cos t) =−
ut. Jadi diperolehrvr =
−
ut atau vr =−
1rut,∀
r
= 0.Dengan demikian, persamaan Cauchy-Riemann dalam koordinat polar adalah
ur = 1
rvt dan vr =
−
1rut,∀
r
= 0.Selanjutnya, untuk menentukan f
(z ) maka ux, uy, vx, dan vy perlu dinyatakan dalam ur, ut, vr, dan vt. Perhatikan bahwa dari ke empat persamaan di atas diperoleh dua sistem persamaan linear berturut-turut dalam ux, uy dan vx, vy, yaitu(cos t)ux + (sin t)uy = ur (
−
r sin t)ux + (r cos t)uy = ut, dan(cos t)vx + (sin t)vy = vr (
−
r sin t)vx + (r cos t)vy = vt.Dengan melakukan eliminasi atau menggunakan aturan Cramer untuk menyele-saikan kedua sistem persamaan linear tersebut maka diperoleh
ux = ur cos t
−
urt sin t, uy = ur sin t + ut r cos t, vx = vr cos t−
vrt sin t, dan vy = vr sin t + vt r cos t.3.4. FUNGSI ANALITIK 39