BAB III TURUNAN
3.1. Turunan
Pemikiran dasar turunan yaitu pada kemiringan garis singgung dan kecepatan sesaat.
Kecepatan merupakan satu dari sekian banyak laju perubahan yang sangat penting dan kecepatan juga merupakan laju perubahan jarak terhadap waktu. Laju perubahan lain yang sangat penting yaitu kepadatan (atau densitas) suatu kawat (laju perubahan massa terhadap jarak), pendapatan marjinal (laju perubahan pendapatan terhadap beberapa jenis produk) dan arus listrik (laju perubahan muatan listrik terhadap waktu). Harus bisa membedakan antara laju perubahan rata-rata pada suatu interval dan laju perubahan sesaat pada suatu titik. Istilah laju perubahan tanpa keterangan apapun bermakna laju perubahan sesaat
Garis singgung merupakan gagasan Euclides merupakan garis yang menyentuh suatu kurva hanya pada satu titik, benar untuk lingkaran (gambar 1) tetapi sama sekali tidak memuaskan untuk kebanyakan kurva lain (gambar 2). Gagasan bahwa garis singgung pada suatu kurva di ππ sebgai garis yang paling baik mengaproksimasi kurva dekat ππ adalah lebih baik, tetapi masih tetap agak samar untuk kecermatan matematis. Konsep limit menyediakan suatu cara untuk memperoleh deskripsi yang terbaik. Misalkan ππ merupakan sebuah titik pada suatu kurva dan misalkan ππ merupakan sebuah titik terdekat yang dapat dipindah-pindahkan pada kurva tersebut. Pandang garis yang melalui ππ ππππππ ππ disebut garis sekan (tali busur). Garis singgung (garis tangen) di ππ adalah posisi pembatas (jika ada) dari garis sekan itu bila ππ bergerak ke arah ππ di sepanjang kurva (gambar 3). Misalkan kurva tersebut adalah grafik dari persamaan π¦π¦=ππ(π₯π₯) maka ππ mempunyai koordinat (ππ,ππ(ππ)), titik ππ di dekatnya mempunyai koordinat (ππ+β,ππ(ππ+β)), dan tali busur yang melalui ππ ππππππ ππ mempunyai kemiringan πππ π π π π π yang diberikan oleh (gambar 4):
D a s a r - d a s a r K a l k u l u s | 39 Turunan (derivative) merupakan kata yang netral dalam istilah matematis. Turunan sebagai kata kunci dalam kalkulus dan tambahan kata pada fungsi dan limit.
Definisi:
Turunan fungsi ππ adalah fungsi lain ππβ² (dibaca "ππ ππππππππππ") yang nilainya pada sebarang bilangan ππ adalah:
ππβ²(ππ) = limββ0ππ(ππ+β)β ππ(ππ) β atau
ππβ²(π₯π₯) = limββ0ππ(π₯π₯+β)β ππ(π₯π₯) β asalkan limit ini ada dan bukan β πππππππ’π’ β β
Jika limit ini memang ada maka dikatakan bahwa ππ terdiferensiasi di ππ. Pencarian turunan disebut diferensiasi dan bagian yang berhubungan dengan turunan disebut kalkulus diferensiasi.
Contoh:
(1) Misalkan ππ(π₯π₯) = 13π₯π₯ β6, Tentukan ππβ²(4) (2) Jika ππ(π₯π₯) =π₯π₯3+ 7π₯π₯ Tentukan ππβ²(π₯π₯) (3) Jika ππ(π₯π₯) =1π₯π₯ Tentukan ππβ²(π₯π₯)
(4) Jika ππ(π₯π₯) =βπ₯π₯,π₯π₯> 0, Tentukan ππβ²(π₯π₯) Penyelesaian:
(1) ππ(π₯π₯) = 13π₯π₯ β6
ππβ²(π₯π₯) = limββ0ππ(π₯π₯+β)β ππ(π₯π₯) β ππβ²(4) = lim
ββ0
ππ(4 +β)β ππ(4)
β = lim
ββ0
[13(4 +β)β6]β[13(4)β6]
β
= lim
ββ0
13 β
β = limββ013 = 13
40 | D a s a r - d a s a r K a l k u l u s (2) ππ(π₯π₯) =π₯π₯3+ 7π₯π₯
ππβ²(π₯π₯) = lim
ββ0
ππ(π₯π₯+β)β ππ(π₯π₯) β
ππβ²(π₯π₯) = limββ0[(π₯π₯+β)3+ 7(π₯π₯+β)]β[π₯π₯3+ 7π₯π₯]
β
= limββ03π₯π₯2β+ 3π₯π₯β2+β3+7β β
= limββ0β(3π₯π₯2+ 3π₯π₯β+β2+ 7) β
= limββ0 (3π₯π₯2+ 3π₯π₯β+β2+ 7)
= 3π₯π₯2+ 7 (3) ππ(π₯π₯) =1π₯π₯
ππβ²(π₯π₯) = lim
ββ0
ππ(π₯π₯+β)β ππ(π₯π₯) β ππβ²(π₯π₯) = limββ0
π₯π₯+1β β1 β π₯π₯
= limββ0[1 β β
π₯π₯ β(π₯π₯+β) π₯π₯(π₯π₯+β) ]
= limββ0[1 β β
ββ π₯π₯(π₯π₯+β)]
= limββ0 β1 π₯π₯(π₯π₯+β)
=β 1 π₯π₯2 (4) ππ(π₯π₯) =βπ₯π₯,π₯π₯> 0
ππβ²(π₯π₯) = limββ0ππ(π₯π₯+β)β ππ(π₯π₯) β ππβ²(π₯π₯) = lim
ββ0
βπ₯π₯+β β βπ₯π₯ β
Pencarian turunan selalu melibatkan pengambilan limit suatu hasil bagi dengan pembilang dan penyebut keduanya menuju nol. Tugas kita yaitu menyederhanakan hasil bagi agar kita dapat mencoret faktor β dari pembilang dan penyebut, sehingga membolehkan untuk menghitung limit.
D a s a r - d a s a r K a l k u l u s | 41 Pada contoh diatas dapat dilaksanakan dengan merasionalkan pembilang.
ππβ²(π₯π₯) = limββ0βπ₯π₯+β β βπ₯π₯
β ββπ₯π₯+β+βπ₯π₯
βπ₯π₯+β+βπ₯π₯
= limββ0 π₯π₯+β β π₯π₯
β(βπ₯π₯+β+βπ₯π₯)= limββ0 β β(βπ₯π₯+β+βπ₯π₯)
= limββ0 1
βπ₯π₯+β+βπ₯π₯= 1
βπ₯π₯+βπ₯π₯= 1 2βπ₯π₯ Jadi turunan dari ππ diberikan oleh (ππβ²(π₯π₯) =2βπ₯π₯1 dan daerah asalnya (0,β)
Turunan (derivative) meliputi:
1. Bentuk-bentuk Setara Turunan
Turunan dengan berbagai bentuk dengan menggunakan lambang huruf tertentu, misalnya:
ππβ²(ππ) = limββ0ππ(ππ+β)β ππ(ππ) β ππβ²(π₯π₯) = limββ0ππ(π₯π₯+β)β ππ(π₯π₯)
β ππβ²(ππ) = lim
ππβ0
ππ(ππ+ππ)β ππ(ππ) ππ ππβ²(π₯π₯) = limπ π β0ππ(π₯π₯+π π )β ππ(π₯π₯)
π π ππβ²(ππ) = limπ π β0ππ(ππ+π π )β ππ(ππ)
π π
Perubahan bagaimana π₯π₯ menggantikan ππ+β, sehingga π₯π₯ β ππ menggantikan β, diperoleh:
ππβ²(π₯π₯) = limββ0ππ(π₯π₯)β ππ(ππ) π₯π₯ β ππ
Perhatikan bahwa dalam semua kasus, bilangan dimana ππβ² dihitung tidak berubah selama operasi limit.
42 | D a s a r - d a s a r K a l k u l u s Contoh:
(1) Gunakan ππβ²(π₯π₯) = limπ₯π₯βππππ(π₯π₯)βππ(ππ)
π₯π₯βππ untuk mencari ππβ²(ππ) jika ππ(π₯π₯) =(π₯π₯+3)2
(2) Masing-masing berikut merupakan suatu turunan tetapi tetap dari fungsi apa dan di titik mana?
a. ββ0lim(4+β)β2β16 b. π₯π₯β3limπ₯π₯β32π₯π₯β23 Penyelesaian:
(1) ππ(π₯π₯) =(π₯π₯+3)2 , diperoleh:
ππβ²(ππ) = limπ₯π₯βππππ(π₯π₯)β ππ(ππ) π₯π₯ β ππ ππβ²(ππ) = lim
π₯π₯βππ
π₯π₯+ 32 β 2 ππ+ 3 π₯π₯ β ππ
= limπ₯π₯βππ[2(ππ+ 3)β2(π₯π₯+ 3) (π₯π₯+ 3)(ππ+ 3) β 1
π₯π₯ β ππ]
= lim
ββ0[ β2(π₯π₯ β ππ) (π₯π₯+ 3)(ππ+ 3)β 1
π₯π₯ β ππ]
= limββ0 β2
(π₯π₯+ 3)(ππ+ 3) =
β2 (ππ+ 3)2
Penyelesaian dengan memanipulasi hasil bagi hingga dapat mencoret suatu faktor π₯π₯ β ππ dari pembilang dan penyebut, kemudian menghitung limitnya.
(2) Fungsi turunan:
a. Turunan dari ππ(π₯π₯) =π₯π₯2 di π₯π₯= 4 b. Turunan dari ππ(π₯π₯) =2π₯π₯ di π₯π₯= 3
2. Keterdiferensiasian Mengimplikasikan Kontinuitas
Jika sebuah kurva memiliki garis singgung di sebuah titik maka kurva itu dapat melompat atau sangat berayun di titik tersebut.
Definisi:
Jika ππβ²(π₯π₯) ada maka ππ kontinu di ππ
D a s a r - d a s a r K a l k u l u s | 43 Bukti:
Perhatikan bahwa lim
π₯π₯βππππ(π₯π₯) =ππ(ππ) dengan menuliskan:
ππ(π₯π₯) =ππ(ππ) +ππ(π₯π₯)β ππ(ππ)
π₯π₯ β ππ β(π₯π₯ β ππ), π₯π₯ β ππ karenanya
limββ0ππ(π₯π₯) = lim
ββ0 ππ [(ππ) +ππ(π₯π₯)β ππ(ππ)
π₯π₯ β ππ β(π₯π₯ β ππ)]
ββ0lim ππ(π₯π₯) = lim
ββ0 ππ(ππ) + lim
ββ0
ππ(π₯π₯)β ππ(ππ) π₯π₯ β ππ βlim
ββ0 (π₯π₯ β ππ)
=ππ(ππ) +ππβ²(ππ)β0
=ππ(ππ) Kebalikan dari teorema ini tidak benar.
Jika ππ kontinu di ππ maka tidak berarti bahwa ππ mempunyai turunan di ππ. Hal ini dapat ditunjukan dengan memperhatikan ππ(π₯π₯) = |π₯π₯| di titik-titik asal. Fungsi ini pasti kontinu di nol, tetapi tidak mempunyai turunan di sana, dengan memperhatika hal berikut:
ππ(0 +β)β ππ(0)
β =|0 +β|
β =|β|
β Jadi
ββ0lim+
ππ(0 +β)β ππ(0)
β = lim
ββ0+
|0 +β|
β = lim
ββ0+
|β|
β = lim
ββ0+
β β= 1
sedangkan
ββ0limβ
ππ(0 +β)β ππ(0)
β = limββ0β|0 +β|
β = limββ0β|β|
β = limββ0βββ
β =β1
karena limit kanan dan limit kiri berlainan maka:
limββ0
ππ(0 +β)β ππ(0) β
tidak ada
ππβ²(0) π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘ π‘π‘π‘π‘π‘π‘
44 | D a s a r - d a s a r K a l k u l u s
Argumentasi serupa menunjukkan bahwa di sebarang titik dimana grafik suatu fungsi kontinu mempunyai pojok yang tajam mak fungsi tersebut tidak terdeferensiasikan.
Grafik berikut menujukkan sejimlah cara untuk suatu fungsi agar tidak terdeferensiasikan di suatu titik.
Ditegas lagi bahwa dalam grafik di atas tampak bahwa turunan tidak ada di titik ππ, titik tempat garis singgung tegak, ini disebabkan oleh:
limββ0
ππ(ππ+β)β ππ(ππ)
β =β
Hal ini berhubungan dengan realita bahwa kemiringan suatu garis tegak tidak terdefinisi.
3. Pertambahan
Apabila nilai suatu variabel berubah dari π₯π₯1 ke π₯π₯2 maka π₯π₯1β π₯π₯2, perubahan dalam π₯π₯ disebut pertambahan (increment) π₯π₯ dan biasanya dinyatakan oleh βπ₯π₯ (delta π₯π₯).
Perhatikan βπ₯π₯ tidak berarti β ππππππππ π₯π₯.
Jika π₯π₯1= 4,1 dan π₯π₯2= 5,7 maka: βπ₯π₯=π₯π₯2β π₯π₯1= 5,7β4,1 = 1,6 Jika π₯π₯1=ππ dan π₯π₯2=ππ+β maka: βπ₯π₯=π₯π₯2β π₯π₯1= (ππ+β)β ππ=β
Misalkan π¦π¦=ππ(π₯π₯) menentukan suatu fungsi. Jika π₯π₯ berubah dari π₯π₯1 ke π₯π₯2 maka π¦π¦ berubah dari π¦π¦1=ππ(π₯π₯1) ke π¦π¦2=ππ(π₯π₯2). Jadi berkorespondensi terhadap pertambahan
βπ₯π₯=π₯π₯2β π₯π₯1 dalam π₯π₯, terdapat suatu pertambahan dalam π¦π¦ yang diberikan oleh:
βπ₯π₯=π¦π¦2β π¦π¦1=ππ(π₯π₯2)β ππ(π₯π₯1)
D a s a r - d a s a r K a l k u l u s | 45 Contoh:
Misalkan π¦π¦=ππ(π₯π₯) = 2β π₯π₯2. Tentukan βπ¦π¦ saat π₯π₯ berubah dari 0,4 ππππ 1,3 yang tampak pada grafik berikut:
Penyelesaian:
βπ¦π¦=ππ(1,3)β ππ(0,4) = [2β(1,3)2]β[2β(0,4)2] = 1,53
4. Lambang Leibniz untuk Turunan
Misalkan sekarang variabel bebas berubah dari π₯π₯ ππππ π₯π₯+βπ₯π₯ maka perubahan berkorespondensi dalam variabel tak bebas π¦π¦ berupa:
βπ¦π¦=ππ(π₯π₯+βπ₯π₯)β ππ(π₯π₯) dan hasil bagi:
βπ¦π¦
βπ₯π₯=ππ(π₯π₯+βπ₯π₯)β ππ(π₯π₯)
βπ₯π₯
46 | D a s a r - d a s a r K a l k u l u s
Menggambarkan kemiringan suatu garis sekan yang melalui (π₯π₯,ππ(π₯π₯)) seperti tampak pada gambar berikut:
Ketika βπ₯π₯ β0 maka kemiriang garis sekan ini mendekati kemiringan garis singgung dan untuk kemiringan garis singgung digunakan lambing ππππππππ sehingga diperoleh:
ππππ
πππ₯π₯= limβππβ0βππ
βπ₯π₯= limβππβ0ππ(π₯π₯+βπ₯π₯)β ππ(π₯π₯)
βπ₯π₯ =ππβ²(π₯π₯)
ππππ
ππππ merupakan hasil bagi dari dua bilangan yang sanagt kecil (infinitesimal), artinya tidak jelas dan tidak dapat digunakannya. Namun ππππππππ merupakan lambang baku untuk turunan yang sering digunakan hingga saat ini.
6. Garis Turunan
Turunan ππ(π₯π₯) memberikan kemiringan garis singgung terhadap garis ππ=ππ(π₯π₯) pada nilai π₯π₯, sehingga ketika garis singgung miring naik ke kanan maka turunan positif dan ketika gari singgung miring turun ke kiri maka turunan negative, sehingga bisa memperoleh gambaran kasar dari turunan hanya dengan diketuhui grafik fungsi.
Contoh:
Diketahui garis ππ=ππ(π₯π₯) yang tampak pada gambar berikut.
Gambarkan grafik turunan ππβ²(π₯π₯).
D a s a r - d a s a r K a l k u l u s | 47 Penyelesaian:
β’ Untuk π₯π₯< 0 maka garis singgung terhadap garis π¦π¦=ππ(π₯π₯) mempunyai kemiringan positif. Perhitungan kasar dari plot menyarankan bahwa ketika π₯π₯=β2 maka kemiringannya sekitar 3. Ketika bergerak dari kiri ke kanan di sepanjang kurva dalam gambar tampak bahwa kemiringan masih tetap positif (untuk sementara) tetapi garis singgung semakin mendatar.
β’ Ketika π₯π₯= 0 maka garis singgung mendatar sehingga ππβ²(0) = 0
β’ Untuk π₯π₯ diantara 0 ππππππ 2 (0 <π₯π₯< 2) maka garis singgung mempunyai kemiringan negative di sepnajang interval.
β’ Ketika π₯π₯= 2 maka ada sebuah titik dengan garis singgung mendatar sehingga turunan sama dengan nol ketika π₯π₯= 2
β’ Untuk π₯π₯> 2 maka garis singgung mempunyai kemiringan positif lagi dan grafik turunan tampak pada bagian terakhir.
Soal Latihan:
1. Gunakan definisi: ππβ²(ππ) = limββ0ππ(ππ+β)βππ(ππ)
β untuk mencari turunan:
a. ππβ²(1) ππππππππ ππ(π₯π₯) =π₯π₯2 b. ππβ²(3)ππππππππ ππ(π‘π‘) =π‘π‘2β1
48 | D a s a r - d a s a r K a l k u l u s 2. Gunakan ππβ²(π₯π₯) = limββ0ππ(π₯π₯+β)βππ(π₯π₯)
β untuk mencari turunan:
a. π π (π₯π₯) = 2π₯π₯+ 1 b. ππ(π₯π₯) = 3π₯π₯2+ 4 c. ππ(π₯π₯) =π₯π₯3+ 2π₯π₯2+ 1 d. β(π₯π₯) =2π₯π₯
e. πΉπΉ(π₯π₯) =π₯π₯26+1 f. π»π»(π₯π₯) =2π₯π₯β1π₯π₯β4 g. ππ(π₯π₯) =β3π₯π₯ h. β(π₯π₯) =βπ₯π₯β23
3. Limit yang diberikan adalah suatu turunan tetapi dari fungsi apa dan di titik mana?
a. limββ02(5+β)β3β2(5)3 b. limπ₯π₯β2π₯π₯π₯π₯β22β4 c. limπ‘π‘βπ₯π₯π‘π‘2π‘π‘βπ₯π₯βπ₯π₯2 d. limπ₯π₯βπ‘π‘π₯π₯β12π₯π₯β2π‘π‘
e. limββ0cos(π₯π₯+β)βcos π₯π₯ β
4. Tentukan βπ¦π¦ untuk nilai-nilai π₯π₯1 ππππππ π₯π₯2 yang diketahui:
a. π¦π¦= 3π₯π₯+ 2,π’π’πππ’π’π’π’π’π’ π₯π₯1= 1 ππππππ π₯π₯2= 1,5 b. π¦π¦=1π₯π₯,π’π’πππ’π’π’π’π’π’ π₯π₯1= 1,0 ππππππ π₯π₯2= 1,5 c. π¦π¦=π₯π₯+13 ,π’π’πππ’π’π’π’π’π’ π₯π₯1= 2,34 ππππππ π₯π₯2= 2,31 d. π¦π¦= cos 2π₯π₯,π’π’πππ’π’π’π’π’π’ π₯π₯1= 0,571 ππππππ π₯π₯2= 0,573 5. Carilah dan sederhanakan βπ¦π¦βπ₯π₯=ππ(π₯π₯+βπ₯π₯)βππ(π₯π₯)
βπ₯π₯ , kemudian tentukan πππ¦π¦πππ₯π₯ dengan mengambil jawaban ketika βπ₯π₯ β0
a. π¦π¦=π₯π₯2 b. π¦π¦=π₯π₯+11 c. π¦π¦=π₯π₯β1π₯π₯+1
D a s a r - d a s a r K a l k u l u s | 49