Materi Limit, Kekontinuan dan Turunan (Bagian 1) Dosen Dr. Sa`adatul Fitri, S.Si., M.Sc.
Asisten - Henry Immanuel Sihombing - Safrizal Ardana Ardiyansa
1. Limit
Pengantar : Fungsi π(π₯) =(π₯β1)π₯3β1, terdefinisi untuk setiap π₯ β β, kecuali saat π₯ = 1. Bila kita harus menggambar grafiknya, apa yang akan terjadi di sekitar π₯ = 1?
Perhatikan tabel berikut :
π₯ π(π₯)
1,1 3,31 1,01 3,0301 1,001 3,003001
"1" ? 0,999 2,997001
0,99 2,9701 0,9 2,71
Kita melihat bahwa nilai π(π₯) saat π₯ ππππ’ππ’ 1 adalah mendekati 3.
Bagaimana kita yakin akan hal ini?
Catatan. Nilai π₯ di dekat π tidak mencakup π₯ = π. Fungsi f tdk harus terdefinisi di π₯ = π
Teori 1 : Limit kanan dan limit kiri Limit kanan : lim
π₯βπ+π(π₯) = πΏ, berarti :
jika π₯ > π dan dekat ke π, maka π(π₯) dekat ke πΏ.
Limit kiri : lim
π₯βπβπ(π₯) = πΏ, berarti :
jika π₯ < π dan dekat ke π, maka π(π₯) dekat ke πΏ.
Teori 2 : Keberadaan limit
Limit fungsi π di π ada jika dan hanya jika limit kanan dan limit kiri π di π ada dan nilainya sama
Limit π di π tidak ada bila salah satu di antara beberapa kemungkinan berikut terjadi 1. Limit kanan dan limit kiri π di π ada, tetapi nilainya tidak sama
2. Limit kanan atau limit kiri π di π tidak ada karena a. Nilai π di dekat π menuju tak terhingga b. Nilai π di dekat π berosilasi
Definisi 1 : lim
π₯βππ(π₯) = πΏ jika dan hanya jika
βUntuk setiap β > 0 terdapat πΏ > 0 sehingga:
Jika 0 < |π₯ β π| < πΏ, maka |π(π₯) β πΏ| < π.β
Ilustrasi :
Teorema 1 : Teorema Utama Limit 1. lim
π₯βππ = π β¦ (1)
2. lim
π₯βππ₯ = π β¦ (2)
3. lim
π₯βπππ(π₯) = π. lim
π₯βππ(π₯) = πΏ β¦ (3)
4. lim
π₯βπ[π(π₯) Β± π(π₯) = lim
π₯βππ(π₯) Β± lim
π₯βππ(π₯) β¦ (4)
5. lim
π₯βππ(π₯). π(π₯) = lim
π₯βππ(π₯). lim
π₯βππ(π₯) β¦ (5)
6. lim
π₯βππ(π₯)/π(π₯) = lim
π₯βππ(π₯)/ lim
π₯βππ(π₯) β¦ (6)
7. lim
π₯βπ[π(π₯)]π= [lim
π₯βππ(π₯)] π β¦ (7)
8. lim
π₯βππβπ(π₯) = βlimπ π₯βππ(π₯) β¦ (8)
Catatan. Teorema berlaku juga untuk limit sepihak (limit kanan dan limit kiri).
Teorema 2 : Teorema Substansi
Jika π adalah suatu fungsi polinom atau fungsi rasional, maka :
π₯βπlimπ(π₯) = π(π) asalkan π(π) terdefinisi.
Teorema 3 : Teorema Apit
Misalkan π, π πππ β fungsi yang memenuhi π(π₯) β€ π(π₯) β€ β(π₯) untuk π₯ disekitar π.
Jika lim
π₯βππ(π₯) = lim
π₯βπβ(π₯) = πΏ, Maka lim
π₯βππ(π₯) = πΏ
Catatan. Teorema Apit berlaku pula untuk limit sepihak.
Contoh 1 : Kita tahu bahwa untuk setiap π berlaku β1 β€ sin π β€ 1
Teori 3 : Limit Fungsi Trigonometri
Limπ₯βπsin π₯ = sin π Lim
π₯βπcos π₯ = cos π β¦ (9)
Limπ₯βπtan π₯ = tan π Lim
π₯βπcot π₯ = cot π β¦ (10)
Limπ₯βπsec π₯ = sec π Lim
π₯βπcsc π₯ = csc π β¦ (11)
Limit Fungsi Trigonometri Khusus Limπ‘β0
sin π‘
π‘ = 1 Lim
π‘β0 1βcos π‘
π‘ = 1 β¦ (12)
(Dapat dibuktikan dengan teorema nilai apit) Teori 4 : Limit tak hingga dan limit di tak hingga
Limit di tak hingga
Misalkan π terdefinisi pada [π, β). Kita tuliskan :
π₯ββLimπ(π₯) = πΏ
Apabila : untuk setiap Ξ΅ > 0 terdapat π > π sehingga: jika π₯ > π, maka | π(π₯) β πΏ| < Ξ΅.
Secara intuitif, βlimit π di tak hinggaβ sama dgn πΏ jika untuk π₯ cukup besar, nilai π(π₯) dekat ke πΏ.
Limit di minus tak hingga
Misalkan π terdefinisi pada (ββ, π]. Kita tuliskan :
π₯βββLim π(π₯) = πΏ
Apabila : untuk setiap Ξ΅ > 0 terdapat π > π sehingga: jika π₯ > π, maka | π(π₯) β πΏ| < Ξ΅.
Secara intuitif, βlimit π di minus tak hinggaβ sama dengan πΏ jika untuk βπ₯ cukup besar, nilai π(π₯) dekat ke πΏ.
Selain Teorema Substitusi , teorema-teorema limit dan Teorema Apit berlaku pula untuk limit di tak hingga
Contoh 2 : lim
π₯ββ
π₯β1 π₯+1= lim
π₯ββ
1β1
π₯
1+1
π₯
=π₯ββlim(1β
1 π₯)
π₯ββlim(1+1
π₯)=1
1= 1 β¦ (13)
Teori 4 (Ljt) : Limit di tak hingga
Tinjau fungsi π(π₯) =1π₯, π₯ β 0.
Apa yang terjadi di dekat π₯ = 0? Berapa nilai limit π di 0 bila ada?
Misalkan π terdefinisi di sekitar π₯ = π. Kita tuliskan
π₯βπlim+π(π₯) = +β
Apabila : untuk setiap π > 0 terdapat Ξ΄ > 0 sehingga : jika 0 < π₯ β π < Ξ΄ , maka π(π₯) > π
Misalkan π terdefinisi di sekitar π₯ = π. Kita tuliskan
π₯βπlimβπ(π₯) = +β
Apabila : untuk setiap π > 0 terdapat Ξ΄ > 0 sehingga : jika 0 < π β π₯ < Ξ΄ , maka π(π₯) > π
2. Kekontinuan
Definisi 3 : Misalkan π terdefinisi di sekitar π, termasuk di π. Fungsi π dikatakan kontinu di π apabila
Limπ₯βππ(π₯) = π(π)
yakni: untuk setiap Ξ΅ > 0 terdapat Ξ΄ > 0 sehingga: jika |π₯ β π| < Ξ΄, maka
| π(π₯) β π(π)|< Ξ΅.
Teori 5 : Keluarga Fungsi Kontinu
1. Fungsi polinom kontinu di setiap titik pada β. Demikian pula fungsi rasional kontinu di setiap titik pada daerah asalnya . Ingat Teorema Substitusi 2. Fungsi Nilai Mutlak π(π₯) = |π₯| kontinu pada β.
3. Fungsi akar π(π₯) = βπ₯ kontinu pada (0, β), fungsi ini kontinu di kanan π = 0.
4. Fungsi π(π₯) = sin π₯ πππ π(π₯) = cos π₯ kontinu pada β.
Teorema 4 : Jika π dan π kontinu di π dan π suatu konstantam maka : ππ, π + π, π β π, ππ,ππ, ππ, πππ βππ kontinu di π.
Jika Lim
π₯βππ(π₯) = πΏ dan π kontinu di πΏ, maka :
Limπ₯βππ(π(π₯)) = π(πΏ) β¦ (14)
Jika π kontinu di π, dan π kontinu di π(π), maka π β π kontinu di π.
Contoh 3 : π(π₯) = π₯ π ππ π₯ kontinu di setiap titik karena merupakan hasilkali dua buah fungsi yang kontinu di setiap titik pada R
πΉ(π₯) = |π₯2β 1| kontinu di setiap titik (pada β) karena β(π₯) = π₯2β 1 kontinu di setiap titik, g(x) = |x| juga kontinu di setiap titik, dan
πΉ(π₯) = π(β(π₯)) = (π β β)(π₯) β¦ (15)
Teori 6 : Fungsi kontinu pada suatu selang tutup
Fungsi π dikatakan kontinu pada [π, π] apabila π kontinu pada (π, π), kontinu kanan di π, dan kontinu kiri di π
Contoh 4 : fungsi π(π₯) = π₯3β π₯2+ 1 kontinu pada [β1,2].
1Teori 6 (Ljt) Grafik fungsi π yang kontinu pada selang tutup [π, π] tidak terputus dari titik (π, π (π)) ke (π, π(π)).
Teorema 5 : Teorema Nilai Antara
Jika π kontinu pada [π, π], π(π) < 0 πππ π(π) > 0 (atau sebaliknya , π(π) > 0 dan π(π) < 0 )), maka terdapat π Ρ (π, π) sehingga π(π) = 0
Contoh 5 : fungsi π(π₯) = π₯3β π₯2+ 1 kontinu pada [β1,2],
π(β1) = β1 dan π(2) = 5. Menurut Teorema Nilai Antara, terdapat ππ(β1,2)
sehingga : π(π) = π3β π2+ 1 = 0 β¦ (16)
(Dengan kata lain, π mempunyai akar pada [-1,2])
Teori 7 : Aturan Dasar Turunan
1. Jika π(π₯) = π (Konstanta), maka πβ²(π₯) = 0 β¦ (17) 2. Jika π(π₯) = π₯ (fungsi indentitas) πβ²(π₯) = 1 β¦ (18) 3. Jika π(π₯) = π₯π (fungsi pangkat, π bilangan bulat positif),
maka πβ²(π₯) = ππ₯πβ1. β¦ (19)
Teori 8 : Hubungan antara Turunan dan Kekontinuan
Jika π mempunyai turunan di π, maka π kontinu di π. πΌππππ‘ π β π β π β π Sehingga tidak berlaku : Kekontinuan di π tidak menjamin adanya turunan di π 3. Turunan
Definisi 3 : Fungsi π¦ = π(π₯) dikatakan mempunyai turunan di π jika limit berikut ada :
πβπlim
π(π)βπ(π) πβπ
Turunan π di π didefinisikan sama dengan limit ini , dan dilambangkan dengan πβ²(π).
Dengan substitusi π = π + β, kita peroleh πβ²(π)= lim
ββ0
π(π+β)βπ(π)
β , asalkan limit ini ada. β¦ (20)
Contoh 6 : Misalkan π(π₯) = π₯2 dan π = 1 akan kita hitung
ββ0lim
π(1+β)βπ(1)
β = lim
ββ0
(1+β)2β1
β = lim
ββ02 + β = 2. β¦ (21)
Jadi, π mempunyai turunan di 1 dan π β(1) = 2. Secara umum, dapat diperiksa bahwa π mempunyai turunan di π Ρ π sembarang dan π β(π) = 2π.
Teori 9 : Aturan Turunan
1. Aturan Kelipatan Konstanta : (ππ)β²(π₯) = π. πβ²(π₯). β¦ (22) 2. Aturan Jumlah : (π + π)β²(π₯) = πβ²(π₯) + πβ²(π₯). β¦ (23) 3. Aturan Hasil Kali : (π. π)β²(π₯) = πβ²(π₯)π(π₯) + π(π₯)πβ²(π₯) β¦ (24) 4. Aturan hasil bagi : (ππ)β²(π₯) =πβ²(π₯)π(π₯)βπ(π₯)πβ²(π₯)
[π(π₯)]2 β¦ (25)
Contoh 7 : Contoh Penggunaan Aturan Turunan
Teori 10 : Turunan Fungsi Trigonometri
1. Jika π(π₯) = sin π₯ maka πβ²(π₯) = cos π₯ β¦ (26)
2. Jika π(π₯) = cos π₯ maka πβ²(π₯) = βsin π₯ β¦ (27)
3. Jika π(π₯) = tan π₯ maka πβ²(π₯) = sec2π₯ β¦ (28)
4. Jika π(π₯) = cot π₯ maka πβ²(π₯) = βcsc2π₯ β¦ (29) 5. Jika π(π₯) = sec π₯ maka πβ²(π₯) = sec π₯ tan π₯ β¦ (30) 6. Jika π(π₯) = csc π₯ maka πβ²(π₯) = βcsc π₯ cot π₯ β¦ (31) Teori 11 : Aturan Rantai
Bagaimana cara kita menghitung turunan dari π(π₯) = (1 + 0,5π₯)12? Bagaimana pula dengan π(π₯) = cos 3π₯ ?
Perhatikan bahwa kedua fungsi tersebut dapat dipandang sebagai hasil komposisi dua fungsi yang kita ketahui turunannya.
Jika π mempunyai turunan di π₯ dan f mempunyai turunan di π’ = π (π₯), maka π β¦ π mempunyai turunan di π₯ dengan
(π β π)β²(π₯) = πβ²(π(π₯)). πβ(π₯). β¦ (32)
Contoh 8 : Diketahui π(π₯) = (1 + 0,5π₯)12, Tentukan πβ²(π₯).
Bahasan : Misalkan π’ = 1 + 0,5π₯ = π(π₯) dan π(π’) = π’12.
Maka β(π₯) = (π β π)(π₯). Disini, πβ²(π₯) = 0,5 dan πβ²(π’) = 12π’11. β¦ (33)
Menurut aruran rantai, (π β π)β²(π₯) = πβ²(π(π₯)). πβ(π₯) β¦ (34)
= 12[π(π₯)]11. 0,5 β¦ (35)
= 6(1 + 0,5π₯)11 β¦ (36)
Teori 12 : π¦β² = πβ²(π₯) sering pula dituliskan sebagai ππ¦ππ₯, notasi ini disebut nitasi lebniz.
Dengan demikian, aturan rantai dalam notasi lebniz berbunyi :
ππ¦ ππ₯=ππ¦
ππ’.ππ’
ππ₯ β¦ (37)
Contoh 9 : Misalkan π¦ = (π₯3+ π₯)10= π’10 dengan π’ = π₯3+ π₯. Maka :
ππ¦ ππ₯=ππ¦
ππ’.ππ’
ππ₯= 10π’9. (3π₯2+ 1) = 10(π₯3+ π₯)9. (3π₯2+ 1) β¦ (38) Teori 13 : Turunan Tingkat Tinggi
Diberikan sebuah fungsi π¦ = π(π₯), kita turunkan πβ² yang juga merupakan fungsi.
Dari πβ² dapat kita turunkan πβ²β²= (πβ²)β², yang disebut turunan kedua dari π, dan dari πβ²β²kita memperoleh turunan ketiga dari π yakni πβ²β²β²= (πβ²β²)β², dst.
Turunan keβπ dari π¦ = π(π₯) dilambangkan dengan π(π) atau πππ₯ππ¦π. Contoh 10 : Jika π¦ = sin 2π₯, maka ππ¦ππ₯= 2 cos 2π₯,π2π¦
ππ₯2= β4 sin 2π₯ , β¦ (39)
π3π¦
ππ₯3= β8 cos 2π₯, ππ π‘. β¦ (40)
Teori 14 : Bila turunan pertama mempunyai interpretasi fisis kecepatan sesaat , maka turunan kedua secara fisis dapat diinterpretasikan sebagai percepatan sesaat ) yang
mengukur laju perubahan kecepatan terhadap waktu lihat buku teks Purcell &
Varberg.
Untuk memahami lebih jauh tentang interpretasi dari turunan, khususnya turunan pertama, kedua, dan ketiga, baca buku teks Purcell & Varberg tentang model matematika.
Teori 15 : Turunan fungsi Implisit.
Misalkan kita mempunyai persamaan 7π¦3+ π¦ = π₯3. β¦ (41) dan ingin menentukan persamaan garis singgung pada grafik persamaan tersebut di (2,1). Masalahnya adalah bagaimana menghitung ππ¦ππ₯ , padahal kita tidak mempunyai rumus eksplisit untuk π¦ dalam π₯.
Secara implisit, kita dapat menurunkan kedua ruas terhadap π₯ dengan
menggunakan Aturan Rantai dengan mengingat bahwa π¦ adalah fungsi dari π₯ : 7π¦3+ π¦ = π₯3 (Turunkan kedua ruas terhadap π₯)
21π¦2 ππ¦
ππ₯+ππ¦
ππ₯= 3π₯2 β¦ (42)
Dengan demikian kita peroleh :
ππ¦
ππ₯= 3π₯2
21π¦2+1. β¦ (34)
Di titik (2,1) kita hitung,
ππ¦ ππ₯= 12
21+1= 6
11 β¦ (35)
Jadi, persamaan garis singgungnya adalah:
π¦ β 1 = 6
11(π₯ β 2) β¦ (36)
Atau
6π₯ β 11π¦ β 1 = 0 β¦ (37)
Contoh 11: Suatu zat cair dituangkan kedalam suatu corong berbentuk kerucut terbalik dengan laju 12 liter/πππππ‘, jika tinggi corong tersebut adalah 36 ππ, dan jari-jari
permukaan atasnya adalah 18 ππ tentukan laju kenaikan tinggi air saat tingginya 9 ππ!
Sketsa 2d:
Volume βπ3π2β dalam hal ini, ini π = 18ππ = β/2 β¦ (38) Maka, Volume : 12π β3βππ£
ππ‘=ππ£
πβ.πβ
ππ‘ =π
4β2 πβ
ππ‘ β¦ (39)
Diketahui bahwa ππ£ππ‘ = 12ππ3/πππππ‘ β¦ (40)
Artinya, saat β = 9ππ, kita mempunyai persamaan β¦ (41) 12 =π
4. 81πβ/ππ‘ β¦ (42)
maka, laju penambahan ketinggian zat cair adalah 16
27ππ/πππππ‘ β¦ (43)
Latihan: 1. Buktikan bahwa Lim
π₯ββ
π₯
π₯2+1= 0 2. Lim
π‘β0csc (π
14) β 4 cos2π
7 = β―
3. Tentukan π dan π agar fungsi π kontinu di setiap titik!
π(π₯) = β1, π₯ < β1
= ππ₯3+ π, β1 β€ π₯ β€ 1
= 2, π₯ > 1
4. Buktikan bahwa π(π₯) = π₯5β π₯ β 1 mempunyai akar positif! (gunakan TNA).
5. Nyatakan β(π₯) = sin34π₯ sebagai perkalian beberapa fungsi, kemudian tentukan ββ²(π₯)
6. Sebuah pesawat, terbang dari kota Sibolga ke arah utara, yakni menuju kota Medan dengan laju 800 km/jam, melintas di atas Alun-alun kota Tarutung pada pukul 12.00 . Sebuah pesawat lain terbang dari arah barat yakni dari Tangsi Sipil ke arah timur, menuju bukit Siatas Barita, dengan laju 750 km/jam, melintasi Alun-alun kota Tarutung pada pukul 12.15 . Jika kedua pesawat tersebut terbang pada
ketinggian yang sama, seberapa cepat jarak di antara keduanya bertambah pada pukul 13.15?
Challenge: 1. Diberikan lim
π₯β0+
tan2( 1
β1βπ₯2β1)
(1βcos(β2π₯))π= π¦, tentukan nilai dari π22π¦β 6π β 3ππ¦!
(Jawaban: 2021) 2. Lim
π‘β1 1βπ‘2
sin(2ππ‘)= β― (petunjuk: untuk π β 0, sin π β π ; Jawaban: β1
π ) 3. Lim
π‘ββ
π 2cosπ
4cosπ
8cos π
16β¦ cos π
2π‘+1= β― (Jawaban: 1)
4. Diberikan π¦ = βπ₯ + βπ₯ + βπ₯ + β― , misalkan ππ¦ππ₯= π temukan π4π
ππ¦4! (Jawaban: (2π¦β5)384 5) Soal challenge adalah soal yang dianggap memiliki tingkat kesulitan yang lebih tinggi dari soal latihan, bagi peserta kelas yang telah menemukan jawaban soal challenge bisa langsung post hasil scan pekerjaan ke google classroom dengan durasi seminggu setelah soal challenge diberikan, jika tidak ada yang mengupload dengan tepat akan dibahas di pertemuan selanjutnya. Tidak perlu malu jika jawaban kurang tepat, karena ini semua adalah bagian dari proses belajar.
A shy person canβt learn An impatient person canβt teach