Matematika Teknik Dasar-2 8 β Definisi Turunan Parsial dan Pengerjaannya Secara Geometri Sebrian Mirdeklis Beselly Putra Teknik Pengairan β Universitas Brawijaya
Turunan Parsial Volume V dari sebuah silinder dengan radius r dan tinggi h diberikan dari rumus: V = ο°r2h h
Jika dipertahankan nilai r konstan dan menaikkan tinggi h, volume V akan naik. Maka dalam keadaan ini dapat ditinjau turunan V terhadap h dengan nilai r dipertahankan. Maka; ππ πΏπ πππ‘π’πππ πβ π ππππ π‘ππ πΏπ₯
r
Turunan Parsial ππ πβ
ππ πππ‘π’πππ ππ₯ π ππππ π‘ππ
Perhatikan nilai βdeltaβ.
βͺ Diketahui arti dari ππ , ππ₯
πΏπ πΏπ₯
dan
ππ¦ . ππ₯
βͺ Diperhatikan ini disebut sebagai turunan parsial V terhadap h dan menyiratkan bahwa untuk keperluan sekarang, nilai r dianggap sebagai yang konstan V = ο°r2h
Turunan Parsial
Untuk mendiferensiasi sebagai konstanta πΏπ ο πΏβ
πΏπ , πΏβ
dianggap bahwa semua simbol kecuali V dan h
= ππ 2 . 1 = ππ 2
Kemudian jika mendiferensiasi sedangkan h adalah konstan. πΏπ ο πΏπ
πΏπ , πΏπ
maka r menyebabkan perubahan pada V
= π2πβ = 2ππβ
Hal ini karena V = ππ 2 β, dinyatakan sebagai fungsi dua variabel r dan h.
Turunan Parsial Contoh berikutnya: Dilihat luas permukaan selimut silinder A=2ο°rh A adalah fungsi r dan h, jadi dapat dicari
ππ΄ ππ
dan
ππ΄ πβ
h
A
ππ΄ ππ
βͺ Untuk mencari dapat diferensiasi pernyataan untuk A terhadap r, dengan simbol lain adalah konstan ππ΄ πβ
βͺ Untuk mencari dapat diferensiasi pernyataan untuk A terhadap h, dengan simbol lain adalah konstan
r
Turunan Parsial
Maka jika A = 2ο°rh, maka
ππ΄ ππ
= 2πβ dan
ππ΄ πβ
= 2ππ
Contoh lain: Sebuah fungsi
z=x2y3
a. Untuk mencari
dicari
ππ§ , ππ₯
adalah konstanta. b. Untuk mencari
ππ§ , ππ¦
adalah konstanta.
ππ§ ππ₯
dan
ππ§ ππ¦
diferensiasikanlah terhadap x, dengan menganggap y ππ§ ππ₯
= 2π₯π¦ 3
diferensiasikanlah terhadap y, dengan menganggap x ππ§ ππ¦
= π₯ 2 3π¦ 2 = 3π₯ 2 π¦ 2
Turunan Parsial Catatan: Pada turunan parsial dianggap setiap variabel adalah independen, kecuali variabel yang terhadapnya dilakukan diferensiasi, untuk sementara dianggap sebagai konstanta
Contoh - 1 u = x2 + xy + y2 ππ’ mencari , ππ₯
a. Untuk dianggap y sebagai konstanta Diferensiasi parsial x terhadap x2 = 2x Diferensiasi parsial x terhadap xy = y (y adalah faktor konstanta) Diferensiasi parsial x terhadap y2 = 0 (y2 adalah faktor konstanta) ππ’ = 2π₯ + π¦ ππ₯ ππ’ b. Untuk mencari , dianggap x sebagai konstanta ππ¦ Diferensiasi parsial y terhadap x2 = 0 (x2 adalah faktor konstanta) Diferensiasi parsial y terhadap xy = x (x adalah faktor konstanta) Diferensiasi parsial y terhadap y2 = 2y ππ’ = π₯ + 2π¦ ππ¦
Contoh - 2 z = x3 + y3 β 2x2y
ππ§ = 3π₯ 2 + 0 β 4π₯π¦ = 3π₯ 2 β 4π₯π¦ ππ₯ ππ§ = 0 + 3π¦ 2 β 2π₯ 2 = 3π¦ 2 β 2π₯ 2 ππ¦
Contoh - 3 z = (2x β y) (x + 3y) Dimana contoh di atas adalah bentuk hasil kali, maka aturan hasil kali biasa akan berlaku pada persamaan di atas ππ§ = 2π₯ β π¦ 1 + 0 + π₯ + 3π¦ 2 β 0 = 2π₯ β π¦ + 2π₯ + 6π¦ ππ₯ = 4π₯ + 5π¦ ππ§ = 2π₯ β π¦ 0 + 3 + π₯ + 3π¦ 0 β 1 = 6π₯ β 3π¦ β π₯ β 3π¦ ππ¦ = 5π₯ β 6π¦
Contoh - 4
Persamaan π§ =
2π₯βπ¦ π₯+π¦β²
carilah
ππ§ ππ₯
dan
ππ§ ππ¦
Maka dengan menggunakan aturan hasil bagi, dapat dihasilkan: ππ§ π₯ + π¦ 2 β 0 β 2π₯ β π¦ 1 + 0 3π¦ = = 2 ππ₯ π₯+π¦ π₯+π¦ 2 ππ§ π₯ + π¦ 0 β 1 β 2π₯ β π¦ 0 + 1 β3π¦ = = 2 ππ¦ π₯+π¦ π₯+π¦ 2
Contoh - 5
Persamaan z=sin(3x+2y) carilah
ππ§ ππ₯
dan
ππ§ ππ¦
Dalam contoh ini diselesaikan apa yang disebut βfungsi dari suatu fungsiβ. ππ§ π = cos 3π₯ + 2π¦ π₯ 3π₯ + 2π¦ = cos 3π₯ + 2π¦ π₯3 = 3cos(3π₯ + 2π¦) ππ₯ ππ₯ ππ§ π = cos 3π₯ + 2π¦ π₯ 3π₯ + 2π¦ = cos 3π₯ + 2π¦ π₯2 = 2cos(3π₯ + 2π¦) ππ¦ ππ¦
Turunan Parsial Diperhatikan persamaan z=3x2 + 4xy β 5y2 Kemudian bisa diselesaikan Pernyataan
ππ§ ππ₯
ππ§ ππ₯
= 6π₯ + 4π¦ dan
ππ§ ππ¦
= 4π₯ β 10π¦
= 6π₯ + 4π¦ adalah suatu fungsi x dan y.
Maka bisa dicari turunan parsialnya terhadap x atau y a. Dideferensiasi secara parsial terhadap x, diperoleh: π ππ§ ππ₯ ππ₯
π2 π§ π2 π₯
dan ditulis sebagai , dimana ini mirip dengan turunan kedua biasa, tetapi dengan π parsial
Turunan Parsial a. Dideferensiasi secara parsial terhadap x, diperoleh: π2 π§ π2 π₯
π ππ§ ππ₯ ππ₯
dan ditulis sebagai , dimana ini mirip dengan turunan kedua biasa, tetapi dengan π parsial π2 π§ ο 2 π π₯
π ππ₯ 2
= terhadap x
6π₯ + 4π¦ = 6; ini disebut turunan parsial kedua z
b. Dideferensiasi secara parsial terhadap y, diperoleh: π ππ§ ππ¦ ππ₯
dan ditulis sebagai
π2 π§ ππ¦.ππ₯
Turunan Parsial b. Dideferensiasi secara parsial terhadap y, diperoleh: π ππ§ ππ¦ ππ₯
dan ditulis sebagai
π2 π§ ππ¦.ππ₯
diperhatikan bahwa operasi yang ini dilakukan dengan memberikan simbol sebelah kiri dari kedua simbol pada penyebutnya. π2 π§ ππ¦.ππ₯
=
π ππ§ ππ¦ ππ₯
=
π ππ¦
6π₯ + 4π¦ = 4
Turunan Parsial Jadi bisa didapatkan z=3x2 + 4xy β 5y2 ππ§ ππ₯
= 6π₯ + 4π¦
π2 π§ π2 π₯
=6
π2 π§ ππ¦.ππ₯
=4
ππ§ ππ¦
= 4π₯ β 10π¦
Turunan Parsial
Dilakukan cara yang sama untuk pernyataan π2 π§ π2 π¦
ππ§ ππ¦
maka bisa didapatkan
= -10
π2 π§ ππ₯.ππ¦
=4
Dari hasil pernyataan bisa didapatkan bahwa π2 π§ ππ¦.ππ₯
berarti
π ππ§ ππ¦ ππ₯
sehingga
π2 π§ ππ₯.ππ¦
berarti
π ππ§ ππ₯ ππ¦
Turunan Parsial Dengan mengumpulkan hasil-hasil yang diperoleh sebelumnya bisa dikumpulkan pernyataan dari z=3x2 + 4xy β 5y2 ππ§ ππ₯
= 6π₯ + 4π¦
π2 π§ π2 π₯
=6
π2 π§ ππ¦.ππ₯
=4
ππ§ ππ¦ π2 π§ π2 π¦
= 4π₯ β 10π¦ = -10
π2 π§ ππ₯.ππ¦
=4
Turunan Parsial
Kita lihat dalam kasus ini bahwa
π2 π§ ππ¦.ππ₯
=
π2 π§ ππ₯.ππ¦
Dengan demikian terdapat dua turunan pertama dan empat turunan kedua, walaupun dua turunan memiliki nilai yang sama.
Turunan Parsial Coba selesaikan persamaan berikut: z = x cos y β y cos x βͺ Ketika mendiferensiasikan terhadap x, y adalah konstanta (sehingga cos y konstanta) βͺ Ketika mendiferensiasikan terhadap y, x adalah konstanta (sehingga cos x konstanta)
Turunan Parsial Maka persamaan z = x cos y β y cos x bisa diperoleh ππ§ ππ₯
= cos π¦ + π¦. sin π₯
π2 π§ π2 π₯
= π¦. cos π₯
π2 π§ ππ¦.ππ₯
= β sin π¦ + sin π₯
ππ§ ππ¦ π2 π§ π2 π¦
= βπ₯. sin π¦ β cos π₯ = βπ₯. cos π¦
π2 π§ ππ₯.ππ¦
= β sin π¦ + sin π₯
Kita lihat dalam kasus ini bahwa
π2 π§ ππ¦.ππ₯
=
π2 π§ ππ₯.ππ¦
Turunan Parsial
Sekarang jika V=ln(x2 + y2) buktikanlah bahwa
π2 π ππ₯ 2
π2 π + 2 ππ¦
=0
Berarti penyelesaian di atas adalah dengan mencari dua buah turunan parsial kedua dari fungsi tersebut dan menyubstitusikan keduanya ke sisi kiri pernyataannya. V=ln(x2 + y2) ππ 1 = 2 2π₯ 2 ππ₯ π₯ +π¦ ππ 2π₯ = 2 ππ₯ π₯ + π¦ 2
Turunan Parsial π2π π₯ 2 + π¦ 2 2 β 2π₯. 2π₯ = 2 ππ₯ π₯2 + π¦2 2 π 2 π 2π₯ 2 + 2π¦ 2 β 4π₯ 2 2π¦ 2 β 2π₯ 2 = = 2 2 2 2 2 ππ₯ π₯ +π¦ π₯ + π¦2 2 Kemudian bisa dicari
π2 π ππ¦ 2
dengan cara yang sama
Sehingga bisa didaptkan bahwa
π2 π ππ¦ 2
=
2π₯ 2 β2π¦ 2 π₯ 2 +π¦ 2 2
Turunan Parsial Dengan dicari lagi untuk V=ln(x2 + y2) diperoleh: ππ 1 2π¦ = 2 2π¦ = 2 2 ππ¦ π₯ +π¦ π₯ + π¦2 π2π π₯ 2 + π¦ 2 2 β 2π¦. 2π¦ = 2 ππ¦ π₯2 + π¦2 2 π 2 π 2π₯ 2 + 2π¦ 2 β 4π¦ 2 2π₯ 2 β 2π¦ 2 = = 2 2 2 2 2 ππ¦ π₯ +π¦ π₯ + π¦2 2
Turunan Parsial Kemudian disubstitusikan kedua hasil di atas ke identitas tersebut maka diperoleh: π 2 π π 2 π 2π¦ 2 β 2π₯ 2 2π₯ 2 β 2π¦ 2 + 2= 2 + 2 2 2 2 ππ₯ ππ¦ π₯ +π¦ π₯ + π¦2 2 π 2 π π 2 π 2π¦ 2 β 2π₯ 2 + 2π₯ 2 β 2π¦ 2 + 2= =0 2 2 2 2 ππ₯ ππ¦ π₯ +π¦
Contoh - 6
Jika V = f
(x2
+
y2)
tunjukkanlah bahwa
ππ π₯ ππ¦
β
ππ π¦ ππ₯
=0
Dari soal didapatkan bahwa V merupakan fungsi (x2 + y2) tetapi bentuk tepat dari fungsi ini tidak diketahui.
Maka dapat diperlakukan fungsi ini sebagai βfungsi dari fungsiβ dan menulis fβ (x2 + y2) untuk menyatakan fungsi ini terhadap variabel gabungan (x2 + y2) ππ ο ππ₯
=π
ππ ππ¦
2 +π¦ 2 β² π₯ π
=
β² π₯ 2 +π¦ 2
π₯
π . ππ¦
π ππ₯
π₯2
2
π₯ +π¦ +
π¦2
2
=
=π
β² π₯ 2 +π¦ 2
2 +π¦ 2 β² π₯ π
. 2π¦
. 2π₯
Contoh - 6 ππ οx ππ¦
β
ππ x ππ¦
β
ππ π¦ ππ₯
=
β
ππ π¦ ππ₯
=0
ππ x ππ¦
ππ π¦ ππ₯
=
2 +π¦ 2 β² π₯ π₯. π
2 +π¦ 2 β² π₯ 2π₯π¦. π
. 2π¦ β π¦. π β² π₯ 2 + π¦ 2 β 2π₯π¦. π β² π₯ 2 + π¦ 2
Contoh - 7
Jika V = f (ax + by), tunjukkanlah bahwa ππ ο ππ₯ ππ ππ₯
=
πβ²
ππ₯ + ππ¦
π . (ππ₯ ππ₯
ππ§ ππ¦
=
ππ§ ππ¦
= π β² ππ₯ + ππ¦ . π = π. πβ² (ππ₯ + ππ¦)
ππ₯ + ππ¦
π . (ππ₯ ππ¦
β
ππ π ππ¦
+ ππ¦)
= π β² ππ₯ + ππ¦ . π = π. πβ² (ππ₯ + ππ¦) πβ²
ππ π ππ₯
(a)
+ ππ¦)
(b)
=0
Contoh - 7 ππ οb ππ₯
β
ππ a ππ¦
= ππ. π β² ππ₯ + ππ¦ β ππ. π β² ππ₯ + ππ¦ = 0
Pertambahan Kecil βͺ Pada materi sebelumnya dibahas sebuah silinder dengan h konstan dan r konstan. βͺ Pada kasus berikut dilihat apa yang diperoleh jika r dan h berubah secara simultan. βͺ Jika r menjadi π + πΏπ, dan h menjadi β + πΏβ, misalkan V menjadi π + πΏπ. Maka volume yang baru diberikan sebagai: π + πΏπ = π π + πΏπ 2 β + πΏβ π + πΏπ = π π 2 + 2ππΏπ + πΏπ 2 β + πΏβ π + πΏπ = π π 2 + 2πβπΏπ + β πΏπ 2 + π 2 πΏβ + 2ππΏππΏβ + πΏπ 2 πΏβ
Pertambahan Kecil Kurangkan V=ο°r2h dari kedua sisinya, maka akan diperoleh: πΏπ = π 2πβπΏπ + β πΏπ 2 + π 2 πΏβ + 2ππΏππΏβ + πΏπ 2 πΏβ πΏπ β π 2πβπΏπ + π 2 πΏββ Karena πΏπ dan πΏβ adalah kecil dan semua sukusuku selebihnya akan jauh lebih kecil lagi. Oleh karena itu πΏπ β 2ππβπΏπ + ππ 2 πΏβ, dengan kata lain ππ ππ πΏπ β πΏπ + πΏβ ππ πβ
Pertambahan Kecil Sebuah silinder memiliki dimensi r = 5cm, h = 10cm. Carilah kira-kira kenaikan volumenya jika r bertambah sebesar 0,2cm dan h berkurang sebesar 0,1cm. Maka sekarang 2
π = ππ β jadi
ππ ππ
= 2ππβ
ππ πβ
= ππ 2
Dalam hal ini, apabila r = 5cm, h = 10cm jadi ππ ππ
= 2π5.10 = 100π
ππ πβ
= ππ 2 = π52 = 25π
Pertambahan Kecil πΏπ = 0,2 dan πΏβ = β0,1 οπΏπ β
ππ . πΏπ ππ
+
(minus karena h mengecil)
ππ . πΏβ πβ
πΏπ = 100π 0,2 + 25π(β0,1) πΏπ = 20π β 2,5π = 17,5π οπΏπ β54,98 cm3 Maka artinya adalah volume bertambah sebesar 54,98 cm3
Pertambahan Kecil Hasil ini tidak hanya berlaku pada volume silinder tetapi juga untuk semua fungsi dengan dua variabel independen. Contoh: Jika z adalah fungsi x dan y, z=f (x,y) dan jika x dan y naik sekecil ο€x dan ο€y, kenaikan ο€x juga akan relatif kecil. Jika diuraikan ο€z dalam pangkat ο€x dan ο€y, diperoleh: πΏπ§ = π΄πΏπ₯ + π΅πΏπ¦ + pangkat ο€x dan ο€y yang lebih tinggi Dimana A dan B merupakan fungsi x dan y
Pertambahan Kecil Jika y tetap konstan, sehingga y=0 maka: πΏπ§ = π΄πΏπ₯ + πΏπ₯ pangkat yang lebih tinggi ππ§ ο ππ₯
= π΄. Sehingga jika ο€x ο 0, persamaan ini menjadi π΄ =
ππ§ ππ₯
Serupa dengan itu, jika x tetap konstan, dengan membuat πΏπ¦ ο 0 akan diperoleh π΅ =
οΞ΄π§ =
ππ§ πΏπ₯ ππ₯
ππ§ ππ¦
ππ§ + πΏπ¦+ ππ¦
kuantitas yang sangat kecil berpangkat yang lebih
tinggi yang dapat diabaikan
Pertambahan Kecil ππ§ πΏπ₯ ππ₯
ππ§ + πΏπ¦+ ππ¦
οΞ΄π§ = kuantitas yang sangat kecil berpangkat yang lebih tinggi yang dapat diabaikan ππ§ ππ§ Ξ΄π§ = πΏπ₯ + πΏπ¦ ππ₯ ππ¦ Jadi jika, z=f(x,y) Ξ΄π§ =
ππ§ πΏπ₯ ππ₯
+
ππ§ πΏπ¦ ππ¦
Serupa pula untuk fungsi dengan tiga variabel z=f(x,y,w)
Ξ΄π§ =
ππ§ πΏπ₯ ππ₯
+
ππ§ πΏπ¦ ππ¦
+
ππ§ πΏπ€ ππ€
Contoh - 8 π , π
Jika πΌ = dan V = 250 volt dan R = 50 ohm, carilah perubahan I yang terjadi akibat kenaikan V sebesar 1 volt dan kenaikan R sebesar 0,5 ohm Jawaban:
οπΏπΌ =
I=f(V,R)
οπΏπΌ =
πΌ πΏπ π
β
ππΌ πΏπ ππ
π πΏπ
2 π
ππΌ πΏπ
ππ
+ ππΌ 1 ππΌ π = πππ =β 2 ππ π
ππ π
Contoh - 8 Jadi jika R = 50, V = 250, ο€V = 1, dan ο€R = 0,5 1 250 πΏπΌ = 1 β (0,5) 50 2500 1 1 πΏπΌ = β 50 20 πΏπΌ = 0,02 β 0,05 = β0,03 Artinya I turun sebesar 0,03 ampere