Fungsi dan Grafik Diferensial dan Integral

ii

Sudaryatno Sudirham

Darpublic

Studi Mandiri

Fungsi dan Grafik

BAB 17

Koordinat Polar

Sampai dengan bahasan sebelumnya kita membicarakan fungsi dengan kurva-kurva yang digambarkan dalam koordinat sudut-siku, x-y. Di bab ini kita akan melihat sistem koordinat polar.

17.1. Relasi Koordinat Polar dan Koordinat Sudut-siku

Pada pernyataan posisi satu titik P[xP,yP] pada sistem koordinat

sudut-siku terdapat hubungan θ = sin

P r

y ; x_P= cosr θ (17.1) dengan r adalah jarak antara titik P dengan titik-asal [0,0] dan θ adalah sudut yang dibentuk oleh arah r dengan sumbu-x, seperti terlihat pada Gb. 17.1.

Gb.17.1. Posisi titik P pada sistem koordinat polar.

Dalam koordinat polar, r dan θ inilah yang digunakan untuk menyatakan posisi titik P. Posisi titik P seperti pada Gb. 17.1. dituliskan sebagai P[r,θ].

17.2. Persamaan Kurva Dalam Koordinat Polar

Di Bab-5 kita telah melihat persamaan lingkaran berjari-jari c berpusat di O[a,b] dalam koordinat sudut-siku, yaitu

P[r,θ] θ [0,0] x y r xP yP

17-2 Sudaryatno Sudirham, Fungsi dan Grafik – Diferensial dan Integral Kita dapat menyatakan lingkaran ini dalam koordinat polar dengan mengganti x dan y menurut relasi (17.1), yaitu

2 2 2 ) sin ( ) cos (r θ−a + r θ−b =c (17.2.a) yang dapat dituliskan sebagai

(

)

(

2( cos sin )

)

0 0 ) sin cos ( 2 0 ) sin 2 sin ( ) cos 2 cos ( 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = − + + θ + θ − = − + + θ + θ − = − + θ − θ + + θ − θ c b a b a r r c b a b a r r c b rb r a ra r (17.2.b) dengan bentuk kurva seperti Gb.17.2.a

Jika lingkaran ini berjari-jari c = a dan berpusat di O[a,0] maka persamaan (17.2.b) menjadi 0 ) cos 2 (r− a θ = r (17.2.c) Pada faktor pertama, jika kita mengambil r====0, kita menemui titik pusat. Faktor ke-dua adalah

0 cos

2 θ=

− a

r (17.2.d) merupakan persamaan lingkaran dengan bentuk kurva seperti pada Gb.17.2.b.

(a) (b)

Gb.17.2. Lingkaran

Berikut ini tiga contoh bentuk kurva dalam koordinat bola.

[0,0] a x y P[r,θ] θ r b [0,0] a x y P[r,θ] θ r

Contoh:

r

=

2

(

1

−

cos

θ

)

. Bentuk kurva fungsi ini terlihat pada Gb.17.3 yang disebut kardioid (cardioid) karena bentuk yang seperti hati.

Gb.17.3 Kurva kardioid, r=2(1−cosθ)

Perhatikan bahwa pada θ = 0, r = 0; pada θ = π/2 , r = 2; pada θ = π, r = 4; pada θ = 1,5π, r = 2.

Contoh:

r

2

=

16

cos

θ

. Bentuk kurva fungsi ini terlihat pada Gb.17.4

Gb.17.4 Kurva r2=16cosθ

Perhatikan bahwa pada θ = 0, r = 4; pada θ = π/2 , r = 0; pada θ = π, r = 4; pada θ = 1,5π, r = 0.

Contoh: rθ=2. Untuk θ > 0 bentuk kurva fungsi ini terlihat pada

Gb.17.5 -3 -2 -1 0 1 2 3 -5 -3 -1 1 y x r θ P[r,θ] θ y x -3 -2 -1 0 1 2 3 -5 -3 -1 1 3 5 r P[r,θ]

17-4 Sudaryatno Sudirham, Fungsi dan Grafik – Diferensial dan Integral Gb.17.5 Kurva rθ====2

Pada persamaan kurva ini jika θ = 0 maka 0 = 2; suatu hal yang tidak benar. Ini berarti bahwa tidak ada titik pada kurva yang bersesuaian dengan θ = 0. Akan tetapi jika θ mendekati nol maka r mendekati ∞; garis y = 2 merupakan asimptot dari kurva ini. Perhatikanlah bahwa perpotongan kurva dengan sumbu-x tidak berarti θ = 0 dan terjadi pada θ = π, 2π, 3π, 4π, dst.

17.3. Persamaan Garis Lurus

Salah satu cara untuk menyatakan persamaan kurva dalam koordinat polar adalah menggunakan relasi (17.1) jika persamaan dalam koordinat sudut-siku diketahui. Hal ini telah kita lakukan misalnya pada persamaan lingkaran (17.2.a) menjadi (17.2.b) atau (17.2.c). Berikut ini kita akan menurunkan persamaan kurva dalam koordinat polar langsung dari bentuk / persyaratan kurva.

Gb.17.6 memperlihatkan kurva dua garis lurus l1 sejajar sumbu-x dan l2

sejajar sumbu-y.

Gb.17.6 Garis lurus melalui titik-asal [0,0].

Garis l1 berjarak a dari titik-asal; setiap titik P yang berada pada garis ini

harus memenuhi r θ O y x l2 b r θ O y x l1 a P[r,θ] P[r,θ] -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 -1 0 1 2 x 3 y θ = π θ = 3π θ = 4π θ = 2π r θ P[r,θ] y = 2

a

rcosθ= (17.3) Inilah persamaan garis l1.

Garis l2 berjarak b dari titik-asal; setiap titik P yang berada pada garis ini

harus memenuhi

b

rsinθ= (17.4) Inilah persamaan garis l2.

Kita lihat sekarang garis l3 yang berjarak a dari titik asal dengan

kemiringan positif seperti terlihat pada Gb.17.7. Karena garis memiliki kemiringan tertentu maka sudut antara garis tegak-lurus ke l3, yaitu β

juga tertentu. Kita manfaatkan β untuk mencari persamaan garis l3. Jika

titik P harus terletak pada l3 maka

a

rcos(β−θ)= (17.5) Inilah persamaan garis l3.

Gb.17.7. Garis lurus l3 berjarak a dari [0,0], memiliki kemiringan positif.

Jika kita bandingkan persamaan ini dengan persamaan (17.3) terlihat bahwa persamaan (17.5) ini adalah bentuk umum dari (17.3), yang akan kita peroleh jika kita melakukan perputaran sumbu. Jika perputaran kita lakukan sedemikian rupa sehingga memperoleh kemiringan garis positif, maka akan kita peroleh persamaan garis seperti (17.5). Apabila perputaran sumbu kita lakukan sehingga garis yang kita hadapi, l4,

memiliki kemiringan negatif, seperti pada Gb.17.8., maka persamaan garis adalah a rcos(θ−β)= (17.6) α r β l3 a A O y x θ P[r,θ]

17-6 Sudaryatno Sudirham, Fungsi dan Grafik – Diferensial dan Integral Gb.17.8. Garis lurus l4 berjarak a dari [0,0], kemiringan negatif.

17.4. Parabola, Elips, Hiperbola

Ketiga bangun geometris ini telah kita lihat pada Bab-5 dalam koordinat sudut-siku. Kita akan melihatnya sekarang dalam koordinat polar.

Eksentrisitas. Pengertian sehari-hari dari istilah eksentrik adalah menyimpang dari yang umum. Dalam matematika, eksentrisitas adalah rasio antara jarak suatu titik P terhadap titik tertentu dengan jarak antara titik P terhadap garis tertentu. Titik tertentu itu disebut titik fokus dan garis tertentu itu disebut direktriks; kedua istilah ini telah kita kenal pada waktu pembahasan mengenai parabola di Bab-5. Sesungguhnya, dengan pengertian eksentrisitas ini kita dapat membahas sekaligus parabola, elips, dan hiperbola.

Perhatikan Gb.17.8. Jika es adalah eksentrisitas, maka

PD PF =

s

e (17.7)

Gb.17.8. Titik fokus dan garis direktriks. Jika kita mengambil titik fokus F sebagai titik asal, maka

r = PF F D θ r k x A B y direktriks P[r,θ] r β l4 a O y x θ P[r,θ]

dan dengan (17.7) menjadi r =e_sPD; sedangkan θ + = + = =AB AF FB cos PD k r

sehingga r=e_s(k+rcosθ)=e_sk+e_srcosθ Dari sini kita dapatkan

θ − = cos 1 _s s e k e r (17.8)

Nilai es menentukan persamaan bangun geometris yang kita akan

peroleh.

Parabola. Jika e_s=1, yang berarti PF = PD, maka

θ − = cos 1 k r (17.9)

Inilah persamaan parabola.

Perhatikan bahwa jika θ mendekati nol, maka r mendekati tak hingga. Jika θ = π/2 maka r = k. Jika

θ

=

π

titik P akan mencapai puncak kurva dan r = k/2, yang berarti bahwa puncak parabola berada di tegah-tengah antara garis direktriks dan titik fokus. Hal ini telah kita lihat di Bab-5.

Elips. Jika es < 1, misalnya es=0,5, PF = PD/2, maka

θ − = cos 2 k r (17.10)

Inilah persamaan elips.

Perhatikan bahwa karena −1≤cosθ≤+1 maka penyebut pada persamaan (17.10) tidak akan pernah nol. Oleh karena itu r selalu mempunyai nilai untuk semua nilai θ. Jika θ = 0 maka r = k, titik P mencapai jarak terjauh dari F. dan jika θ = π/2 maka r = k/2 . Jika θ = π maka r = k/3, titik P mencapai jarak terdekat dengan F.

Hiperbola. Jika e_s>1, misal e_s=2, berarti PF=2×PD, maka 2k

17-8 Sudaryatno Sudirham, Fungsi dan Grafik – Diferensial dan Integral Jika θ mendekati π/3 maka r menuju tak hingga. Jika θ=π/2 maka r = 2k. Jika θ=π, titik P ada di puncak kurva, dan r = k/3 = PF.

17.4. Lemniskat dan Oval Cassini

Di laut Aegea di hadapan selat Dardanella, terdapat sebuah pulau yang penting dalam mitologi Yunani yaitu pulau Lemnos atau Limnos. Pulau vulkanik ini berbentuk tak beraturan dengan dua teluk yang menjorok dalam ke daratan di pantai utara dan pantai selatan.

Giovanni Domenico Cassini dikenal juga dengan nama Jean Dominique Cassini (1625 – 1712) adalah astronom Italia. Cassini menemukan empat di antara sembilan atau sepuluh satelit planet Saturnus. Ia pula yang menemukan celah cincin Saturnus, antara cincin terluar dengan cincin ke-dua yang paling terang; celah itu kemudian disebut Cassini’s division. Bangun-geometris yang disebut lemniskat dan oval Cassini merupakan situasi khusus dari kurva yang merupakan tempat kedudukan titik-titik yang hasil kali jaraknya terhadap dua titik tertentu bernilai konstan. Misalkan dua titik tertentu tersebut adalah F1[a,π] dan F2[a,0]. Lihat

Gb.17.9.

Gb.17.9. Menurunkan persamaan kurva dengan persyaratan PF1×PF2 = konstan

Dari Gb.17.9. kita dapatkan

( ) (

) (

)

θ + + = θ + + θ = cos 2 cos sin PF 2 2 2 2 2 1 ar a r r a r

( ) (

) (

)

θ − + = θ − + θ = cos 2 cos sin PF 2 2 2 2 2 2 ar a r r a r

Misalkan hasil kali PF₁×PF₂=b2, maka kita peroleh relasi F1[a,π] F2[a,0] P[r,θ] r θ _{θ = 0} θ = π θ = π/2

(

) (

)

) cos 2 1 ( 2 ) cos 2 ( 2 cos 2 cos 2 2 2 2 4 4 2 2 2 4 4 2 2 2 2 4 θ − + + = θ − + + = θ − + × θ + + = r a a r ar r a a r ar a r ar a r b (17.12)

Kita manfaatkan identitas trigonometri

1 cos 2 sin cos 2 cos θ= 2θ− 2θ= 2θ−

untuk menuliskan (17.12) sebagai

θ − + = 4 4 2 2 2cos2 4 _{r a a r} b (17.13) Jika b kita buat ber-relasi dengan a yaitu b = ka maka persamaan (17.13) ini dapat kita tuliskan

) 1 ( 2 cos 2 0=r4− a2r2 θ+a4 −k4

Untuk r > 0, persamaan ini menjadi

r2=a2cos2θ±a2 cos22θ−(1−k4) (17.14)

Lemniskat. Bentuk kurva yang disebut lemniskat ini diperoleh pada kondisi khusus (17.14) yaitu k = 1, yang berarti b = a atau

2 2 1 PF

PF × =a . Pada kondisi ini persamaan (17.14) menjadi ) 2 cos 2 ( 0=r2 r2− a2 θ

Faktor pertama r = 0 akan memberikan sebuah titik. Faktor yang ke-dua memberikan persamaan θ =2 2cos2 2 a r

Dengan mengambil a = 1, kurva dari persamaan ini terlihat pada Gb.17.10.

17-10 Sudaryatno Sudirham, Fungsi dan Grafik – Diferensial dan Integral Gb.17.10. Kurva persamaan (17.14), k = 1 = a.

Bentuk lemniskat masih akan diperoleh pada k > 1, misalnya k = 1,1. Pada keadaan ini, dengan tetap mengambil a = 1, bentuk kurva yang akan diperoleh terlihat seperti pada Gb.17.11.

Gb.17.11. Kurva persamaan (17.14), k = 1,1 & a = 1.

Oval Cassini. Kondisi khusus yang ke-tiga adalah k < 1, misalkan k = 0,8. Dengan tetap mengambil a = 1, bentuk kurva yang diperoleh adalah seperti pada Gb.17.12, yang disebut “oval Cassini”. Kurva ini terbelah menjadi dua bagian, mengingatkan kita pada Cassini’s division di planet Saturnus. θ = 0 θ = π θ = π/2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 -2 -1 0 1 2 θ = 0 θ = π θ = π/2 -0,6 -0,2 0 0,2 0,6 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

Gb.17.12. Kurva persamaan (17.14), k = 0,8 & a = 1.

17.5. Luas Bidang Dalam Koordinat Polar

Kita akan menghitung luas bidang yang dibatasi oleh suatu kurva dan dua garis masing-masing mempunyai sudut kemiringan α dan β. Lihat Gb.17.12

Gb.17.12. Mencari luas bidang antara kurva dan dua garis. Antara α dan β kita bagi dalam n segmen.

n α − β = θ ∆

Luas setiap segmen bisa didekati dengan luas sektor lingkaran. Antara θ dan (θ + ∆θ) ada suatu nilai θk sedemikian rupa sehingga luas sektor

lingkaran adalah 2 / ) ( 2∆θ = _k k r A -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 -2 -1 0 1 2 θ = 0 θ = π θ = π/2 θ = α θ = β θ ∆θ x y

17-12 Sudaryatno Sudirham, Fungsi dan Grafik – Diferensial dan Integral

(

)

∑

∆θ =

∑

θ ∆θ = αβ (rk2 )/2 f( k)2 /2 A

Jika n menuju ∞, ∆θ menuju nol, kita dapat menuliskan luas bidang menjadi

[

]

[

]

∫

∑

∑

β α → θ ∆ → θ ∆ αβ θ θ = θ ∆ θ = θ ∆ = d f f r A _k 2 2 0 2 0 ) ( 2 1 2 / ) ( lim 2 / ) ( lim atau

∫

β α αβ = r dθ A 2 2 (17.15)