PENGANTAR KALKULUS PEUBAH BANYAK ERIDANI
1. Pengertian Vektor pada Bidang Datar Misalkan R menyatakan sistem bilangan real, yaitu himpunan bilangan real yang dilengkapi dengan empat operasi baku (tambah, kurang, kali, dan bagi), dan pengertian urutan. Pada dasarnya, R2 := {(x, y) : x, y ∈ R} dapat didefinisikan (selain sebagai himpunan semua titik pada bidang datar) sebagai kumpulan semua vektor dengan titik awal pusat koordinat O := (0, 0), dan titik akhir (x, y). −→ → Misalkan A := (x1 , y1 ) ∈ R2 , maka A dapat juga dituliskan dalam bentuk OA, atau − a − → −→ −→ → saja. Jika B := (x2 , y2 ), maka kita definisikan vektor lokasi AB dengan AB := b − − a. −→ Dengan demikian, AB = (x2 − x1 , y2 − y1 ). Jelas bahwa A dan B adalah titik awal, dan −→ titik akhir dari AB. → → a k2 menyatakan panjang vektor − a . Dengan menggunakan rumus (1) Misalkan k− → Phytagoras, buktikan bahwa k− a k = (x2 + y 2 )1/2 , dan 2
1
1
→ → k− a k2 = 0 ⇐⇒ − a = O. → → Jika didefinisikan, untuk setiap k ∈ R, k − a := (kx1 , ky1 ), hitunglah kk − a k2 . − Berikan interpretasi geometris untuk k → a . Berikan definisi tentang dua vektor yang sejajar. → − − → → → a , b ), dan − a · b := x1 x2 + y1 y2 (yang kita definisikan sebagai hasil (2) Jika α := ∠(− → − → kali titik antara − a dan b ), buktikan berturut-turut, bahwa − → − → − → → → → k− a − b k22 = k− a k22 + k b k22 − 2 k− a k2 k b k2 cos α, dan
→ − − → a · b cos α = − → → − . k b k2 k b k2
Departemen Matematika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Kampus C Mulyorejo, Surabaya 60115. Alamat e-mail:
[email protected]. 1
2
ERIDANI
− → → − → → − → − − → → Tunjukkan pula bahwa − a ·→ a = k→ a k22 , dan − a ·( b +− c)=− a · b +− a ·→ c. → − → (3) Jika α := ∠(− a , b ), buktikan bahwa → − − → → − − → → → → → α = 90◦ ⇐⇒ k− a + b k22 = k− a k22 + k b k22 ⇐⇒ k− a + b k2 = k− a − b k2 .
Catatan: Soal ini bercerita tentang Teorema Phytagoras yang disajikan dalam − → → bahasa vektor. Jika − a dan b memenuhi kondisi di atas, maka kita katakan − → − → → → bahwa − a tegak lurus terhadap b , yang kita notasikan dengan − a ⊥ b. − → → (4) Untuk sebarang − a dan b , buktikan bahwa − → − → → → |− a · b | ≤ k− a k2 k b k2 ,
− → − → → → dan k− a + b k2 ≤ k− a k2 + k b k2 .
Catatan: Ketaksamaan yang terakhir merupakan ketaksamaan segitiga yang disajikan dalam bahasa vektor. → − → − → − → (5) Misalkan − c = k b , untuk suatu k ∈ R. Jika k→ a k22 = k− c k22 + k→ a −− c k22 , carilah nilai k. Konstruksikan posisi vektor-vektor yang menggambarkan soal tersebut. − → → Catatan: Soal ini bercerita tentang proyeksi − a sepanjang b . Nilai k didefinisikan → − → sebagai komponen dari − a sepanjang b . 2. Pengertian Vektor pada Ruang Dimensi Tinggi Dari penjelasan sebelumnya, jelas bahwa R2 dapat dipandang sebagai sekumpulan himpunan yang memuat vektor-vektor dengan dilengkapi operasi-operasi jumlahan dan perkalian skalar. Lebih tepatnya, R2 merupakan salah satu contoh ruang vektor atas lapangan bilangan real R. Misalkan N menyatakan himpunan bilangan alam dan n ∈ N. Kita definisikan Rn sebagai
½ ¾ R := (x1 , x2 , . . . , xn ) : x1 , . . . , xn ∈ R . n
Semua unsur Rn akan sebut sebagai vektor. Jelas bahwa on := (0, 0, . . . , 0) merupakan salah satu unsur Rn . Dalam Rn kita definisikan operasi jumlahan dan perkalian skalar sebagai berikut.
KALKULUS PEUBAH BANYAK
3
Misalkan x := (xk )nk=1 , y := (yk )nk=1 ∈ Rn , dan α ∈ R. Kita definisikan x + y := (xk + yk )nk=1 , dan α · x := (αxk )nk=1 . Dengan menggunakan pengetahuan dalam Aljabar Linier Elementer, kita tahu bahwa (Rn , +, ·) memiliki struktur yang serupa dengan (R, +, ·). (1) Misalkan kxkn menyatakan norma vektor x, yang didefinisikan sebagai ¶1/2 µX n 2 kxkn = xk . k=1
Buktikan bahwa kxkn = 0 ⇐⇒ x = on . Jika k ∈ R, hitunglah kkxkn . (2) Misalkan diberikan x1 , y1 , x2 , y2 , . . . , xn , yn . Buktikan ¶1/2 ¶1/2 µX µX n n n X 2 2 yk . xk |xk yk | ≤ k=1
k=1
k=1
Catatan: Soal ini bercerita tentang Ketaksamaan Cauchy-Schwarz yang dapat dibuktikan menggunakan pengertian tentang persamaan kuadrat yang bersifat definit positif atau definit negatif. (3) Misalkan t ∈ R. Jika didefinisikan F (t) := kx − tyk2n , Carilah nilai minimum F. (4) Jika didefinisikan kali titik antara x dan y, sebagai x · y :=
n X
xk y k ,
k=1
tuliskan ketaksamaan Cauchy-Schwarz menggunakan notasi hasil kali titik. (5) Tentukan syarat perlu dan cukup agar berlaku kx − yk2n = kxk2n + kyk2n .
4
ERIDANI
3. Garis pada Bidang dan Ruang Pertama-tama, akan kita bicarakan terlebih dahulu tentang konsep garis lurus pada bidang datar. Misalkan A terletak pada garis lurus `, dan ` terletak pada suatu bidang → − datar. Jika vektor b sejajar dengan garis `, maka sebarang titik C pada ` dapat dis− → → ajikan dalam bentuk − a + t b , untuk suatu t ∈ R. Dengan kata lain, terdapat t ∈ R 0
0
0
− → − → −c = − → sedemikian hingga → a + t0 b . Di sini dikatakan bahwa b merupakan vektor arah garis `. Cukup jelas bahwa − → − ` := {→ a + t b : t ∈ R}, − → → dan X(t) := − a + t b = (x1 + t x2 , y1 + t y2 ) menyatakan posisi titik pada ` untuk setiap t ∈ R. Kadangkala X(t) juga disebut sebagai persamaan parametrik suatu garis lurus. (1) Tuliskan semua persamaan garis yang anda ketahui dalam Geometri Analitik dalam bentuk persamaan parametrik X(t). (2) Misalkan X1 (t), dan X2 (t) menyatakan dua buah garis di bidang. Tentukan syarat agar kedua garis tersebut, berturut-turut, berpotongan, sejajar, atau identik. (3) Tentukan syarat agar X1 (t) dan X2 (t) saling tegak lurus.Jika α := ∠(X1 , X2 ). Hitunglah tan α. (4) Dengan menggunakan fakta bahwa semua garis memiliki sifat yang sama, baik terletak pada bidang, maupun di ruang, tentukan persamaan parametrik garis di − → ruang, jika garis tersebut melalui titik A, dan memiliki vektor arah b . (5) Ulangi proses di atas untuk menggali sifat-sifat penting garis di ruang. (6) Garis X1 (t), dan X2 (t) dikatakan bersilangan, atau skew, jika X1 (t) dan X2 (t) tidak berpotongan maupun sejajar. Tentukan syarat agar sebarang dua garis bersilangan.
4. Konsep Bidang datar pada Ruang Sebarang bidang datar dikarakterisasi oleh suatu vektor yang tegak lurus dengan bidang tersebut dan satu titik tertentu yang dilalui bidang tersebut.
KALKULUS PEUBAH BANYAK
5
−−→ (1) Misalkan A terletak pada bidang datar P. Jika AD tegak lurus bidang P, dan X adalah sebarang titik pada P, tentukan persamaan bidang dalam notasi vektor. −−→ Catatan: Vektor AD disebut vektor normal atau normal dari bidang P. (2) Misalkan bidang P mempunyai persamaan parametrik Y (t). Tentukan Y (t), jika bidang tersebut memuat titik A dan garis X(t). (3) Tentukan persamaan bidang yang melalui tiga titik yang diketahui. (4) Misalkan X1 (t) dan X2 (t) garis-garis yang berpotongan atau sejajar. Tentukan persamaan bidang yang melalui kedua garis tersebut. (5) ermenyatakan suatu bidang datar yang posisi titik pada suatu garis di ruang. Tentukan persamaan untuk X(t), jika X(t) melalui titik A dan memiliki vektor − → arah b . (6) Jika garis `1 mempunyai gradien m, dan melalui satu titik tertentu, tuliskan persamaan garis tersebut dalam notasi vektor. (7) Jika X(t) menyatakan suatu persamaan garis, tentukan persamaan garis yang tegak lurus dengan X(t). (8) Misalkan X1 (t), dan X2 (t) berturut-turut menyatakan dua buah garis lurus, dan α := ∠(X1 , X2 ). Hitunglah tan α.
5. Kurva di Bidang Pada dasarnya, suatu grafik di bidang dapat dipandang sebagai suatu lintasan benda yang bergerak pada bidang datar. Misalkan diberikan fungsi-fungsi f : [a, b] −→ R, dan g : [a, b] −→ R. Suatu kurva K (di bidang) didefinisikan sebagai himpunan ½ K := N
¾ (x, y) : x = f (t), y = g(t), t ∈ [a, b] .
Seekor semut yang bergerak sepanjang lingkaran x2 + y 2 = 1, dari (1, 0) menuju
(−1, 0) dengan waktu tempuh 2 satuan waktu, dapat diwakili oleh kurva ½
¾ 1 1 (x, y) : x = cos πt, y = sin πt, t ∈ [0, 2] . 2 2
6
ERIDANI
Sedangkan kurva
½ ¾ (x, y) : x = − cos πt, y = sin πt, t ∈ [0, 1]
menyatakan pergerakan semut pada lintasan yang sama tetapi dengan arah berlawanan, N dan waktu tempuh yang lebih cepat. Misalkan suatu benda sedang bergerak sepanjang sumbu-x dari a ke b terhadap gaya peubah sebesar F (x) di titik x. Kerja yang dilakukan untuk menggerakkan benda dari a ke b diberikan oleh Z b F (t) dt. a N Tentukan besar kerja yang dilakukan seekor semut yang bergerak sepanjang lintasan kurva
½
atau
½
¾ 1 1 (x, y) : x = cos πt, y = sin πt, t ∈ [0, 2] . 2 2
¾ (x, y) : x = − cos πt, y = sin πt, t ∈ [0, 1] . N Apa yang terjadi jika semut tersebut semakin cepat bergerak? Departemen Matematika, Universitas Airlangga, Kampus C, Mulyorejo, Surabaya 60115, Indonesia E-mail address:
[email protected]
