1.1.Perkembangan
"Sir Isaac Newton adalah salah seorang penemu dan kontributor kalkulus yang terkenal."
Sejarah perkembangan kalkulus bisa ditilik pada beberapa periode zaman, yaitu
zaman kuno,
zaman pertengahan, dan
zaman modern.
Pada periode zaman kuno, beberapa pemikiran tentang kalkulus integral
telah muncul, tetapi tidak dikembangkan dengan baik dan sistematis.
Perhitungan
volume dan luas yang merupakan fungsi utama dari kalkulus integral bisa ditelusuri kembali pada
Papirus Moskwa Mesir (c. 1800 SM). Pada papirus tersebut, orang Mesir telah mampu menghitung volume
piramida terpancung.
[1] Archimedes mengembangkan pemikiran ini lebih jauh dan menciptakan
heuristik yang menyerupai
kalkulus integral.
[2]
Pada zaman pertengahan, matematikawan
India,
Aryabhata, menggunakan konsep kecil tak terhingga pada tahun
499 dan mengekspresikan masalah astronomi dalam bentuk
persamaan diferensial dasar.
[3] Persamaan ini kemudian mengantar
Bhāskara II pada abad ke-12 untuk mengembangkan bentuk awal
turunan yang mewakili perubahan yang sangat kecil takterhingga dan menjelaskan bentuk awal dari "
Teorema Rolle".
[4] Sekitar tahun
1000, matematikawan
Irak Ibn al-Haytham (Alhazen) menjadi orang pertama yang menurunkan rumus perhitungan hasil jumlah pangkat empat, dan dengan menggunakan
induksi matematika,
dia mengembangkan suatu metode untuk menurunkan rumus umum dari hasil
pangkat integral yang sangat penting terhadap perkembangan kalkulus
integral.
[5] Pada abad ke-12, seorang
Persia Sharaf al-Din al-Tusi menemukan
turunan dari
fungsi kubik, sebuah hasil yang penting dalam kalkulus diferensial.
[6] Pada abad ke-14,
Madhava, bersama dengan matematikawan-astronom dari
mazhab astronomi dan matematika Kerala, menjelaskan kasus khusus dari
deret Taylor[7], yang dituliskan dalam teks
Yuktibhasa.
[8][9][10]
Pada zaman modern, penemuan independen terjadi pada awal abad ke-17 di Jepang oleh matematikawan seperti
Seki Kowa. Di Eropa, beberapa matematikawan seperti
John Wallis dan
Isaac Barrow memberikan terobosan dalam kalkulus.
James Gregory membuktikan sebuah kasus khusus dari
teorema dasar kalkulus pada tahun 1668.
Gottfried Wilhelm Leibniz
pada awalnya dituduh menjiplak dari hasil kerja Sir Isaac Newton yang
tidak dipublikasikan, namun sekarang dianggap sebagai kontributor
kalkulus yang hasil kerjanya dilakukan secara terpisah.
Leibniz dan
Newton
mendorong pemikiran-pemikiran ini bersama sebagai sebuah kesatuan dan
kedua orang ilmuwan tersebut dianggap sebagai penemu kalkulus secara
terpisah dalam waktu yang hampir bersamaan. Newton mengaplikasikan
kalkulus secara umum ke bidang
fisika sementara Leibniz mengembangkan notasi-notasi kalkulus yang banyak digunakan sekarang.
Ketika Newton dan Leibniz mempublikasikan hasil mereka untuk pertama
kali, timbul kontroversi di antara matematikawan tentang mana yang lebih
pantas untuk menerima penghargaan terhadap kerja mereka. Newton
menurunkan hasil kerjanya terlebih dahulu, tetapi Leibniz yang pertama
kali mempublikasikannya. Newton menuduh Leibniz mencuri pemikirannya
dari catatan-catatan yang tidak dipublikasikan, yang sering dipinjamkan
Newton kepada beberapa anggota dari
Royal Society.
Pemeriksaan secara terperinci menunjukkan bahwa keduanya bekerja
secara terpisah, dengan Leibniz memulai dari integral dan Newton dari
turunan. Sekarang, baik Newton dan Leibniz diberikan penghargaan dalam
mengembangkan kalkulus secara terpisah. Adalah Leibniz yang memberikan
nama kepada ilmu cabang matematika ini sebagai kalkulus, sedangkan
Newton menamakannya "The science of fluxions".
Sejak itu, banyak matematikawan yang memberikan kontribusi terhadap pengembangan lebih lanjut dari kalkulus.
Kalkulus menjadi topik yang sangat umum di SMA dan universitas zaman
modern. Matematikawan seluruh dunia terus memberikan kontribusi terhadap
perkembangan kalkulus.
[11]
1.2.Penaruh penting
Walau beberapa konsep kalkulus telah dikembangkan terlebih dahulu di
Mesir, Yunani, Tiongkok, India, Iraq, Persia, dan Jepang, penggunaaan
kalkulus modern dimulai di
Eropa pada abad ke-17 sewaktu
Isaac Newton dan
Gottfried Wilhelm Leibniz mengembangkan prinsip dasar kalkulus. Hasil kerja mereka kemudian memberikan pengaruh yang kuat terhadap perkembangan
fisika.
Aplikasi kalkulus diferensial meliputi perhitungan
kecepatan dan
percepatan,
kemiringan suatu kurva, dan optimalisasi. Aplikasi dari kalkulus integral meliputi perhitungan
luas,
volume,
panjang busur,
pusat massa,
kerja, dan
tekanan. Aplikasi lebih jauh meliputi
deret pangkat dan
deret Fourier.
Kalkulus juga digunakan untuk mendapatkan pemahaman yang lebih rinci
mengenai ruang, waktu, dan gerak. Selama berabad-abad, para
matematikawan dan filsuf berusaha memecahkan paradoks yang meliputi
pembagian bilangan dengan nol ataupun jumlah dari deret takterhingga.
Seorang filsuf Yunani kuno memberikan beberapa contoh terkenal seperti
paradoks Zeno.
Kalkulus memberikan solusi, terutama di bidang limit dan deret
takterhingga, yang kemudian berhasil memecahkan paradoks tersebut.
2.PRINSIP-PRINSIP DASAR
2.1. Limit Dan Kecil Tak Hingga
Kalkulus pada umumnya dikembangkan dengan memanipulasi sejumlah
kuantitas yang sangat kecil. Objek ini, yang dapat diperlakukan sebagai
angka, adalah sangat kecil. Sebuah bilangan
dx yang kecilnya tak
terhingga dapat lebih besar daripada 0, namun lebih kecil daripada
bilangan apapun pada deret 1, ½, ⅓, ... dan bilangan real positif
apapun. Setiap perkalian dengan kecil tak terhingga (infinitesimal)
tetaplah kecil tak terhingga, dengan kata lain kecil tak terhingga tidak
memenuhi
properti Archimedes. Dari sudut pandang ini, kalkulus adalah sekumpulan teknik untuk memanipulasi kecil tak terhingga.
Pada abad ke-19, konsep kecil tak terhingga ini ditinggalkan karena tidak cukup cermat, sebaliknya ia digantikan oleh konsep
limit.
Limit menjelaskan nilai suatu fungsi pada nilai input tertentu dengan
hasil dari nilai input terdekat. Dari sudut pandang ini, kalkulus adalah
sekumpulan teknik memanipulasi limit-limit tertentu. Secara cermat,
definisi limit suatu fungsi adalah:
Definisi limit: kita katakan bahwa limit f(x) ketika x mendekati titik p
adalah L apabila untuk setiap bilangan ε > 0 apapun, terdapat
bilangan δ > 0, sedemikian rupanya:
"Diberikan fungsi f(x) yang terdefinisikan pada interval di sekitar p, terkecuali mungkin pada p itu sendiri. Kita mengatakan bahwa limit f(x) ketika x mendekati p adalah L, dan menuliskan:
jika, untuk setiap bilangan ε > 0, terdapat bilangan δ > 0 yang
berkoresponden dengannya sedemikian rupanya untuk setiap x:
2.2.Turunan
Turunan dari suatu fungsi mewakili perubahan yang sangat kecil dari
fungsi tersebut terhadap variabelnya. Proses menemukan turunan dari
suatu fungsi disebut sebagai pendiferensialan ataupun diferensiasi.
Secara matematis, turunan fungsi ƒ(x) terhadap variabel x adalah ƒ′ yang nilainya pada titik x adalah:
- ,
dengan syarat limit tersebut eksis. Jika ƒ′ eksis pada titik x
tertentu, kita katakan bahwa ƒ terdiferensialkan (memiliki turunan) pada
x, dan jika ƒ′ eksis di setiap titik pada domain ƒ, kita sebut ƒ
terdiferensialkan.
Apabila
z =
x +
h,
h =
z -
x, dan
h mendekati 0
jika dan hanya jika z mendekati
x, maka definisi turunan di atas dapat pula kita tulis sebagai:
Grafik fungsi turunan.
Perhatikan bahwa ekspresi
pada definisi turunan di atas merupakan gradien dari garis sekan yang melewati titik (
x,ƒ(x)) dan (
x+
h,ƒ(x)) pada kurva ƒ(x). Apabila kita mengambil limit
h
mendekati 0, maka kita akan mendapatkan kemiringan dari garis singgung
yang menyinggung kurva ƒ(x) pada titik x. Hal ini berarti pula garis
singgung suatu kurva merupakan limit dari garis sekan, demikian pulanya
turunan dari suatu fungsi ƒ(x) merupakan gradien dari fungsi tersebut.
Sebagai contoh, untuk menemukan gradien dari fungsi
pada titik (3,9):
Garis singgung pada (x, f(x)). Turunan f'(x) sebuah kurva pada sebuah titik adalah kemiringan dari garis singgung yang menyinggung kurva pada titik tersebut.
2.2.1 Notasi pendiferensialan
Terdapat berbagai macam notasi matematika yang dapat digunakan digunakan untuk menyatakan turunan, meliputi
notasi Leibniz, notasi Lagrange,
notasi Newton, dan notasi Euler.
Notasi Leibniz diperkenalkan oleh
Gottfried Leibniz dan merupakan salah satu notasi yang paling awal digunakan. Ia sering digunakan terutama ketika hubungan antar
y
= ƒ(x) dipandang sebagai hubungan fungsional antara variabel bebas
dengan variabel terikat. Turunan dari fungsi tersebut terhadap x ditulis
sebagai:
- ataupun
Notasi Lagrange diperkenalkan oleh
Joseph Louis Lagrange dan merupakan notasi yang paling sering digunakan. Dalam notasi ini, turunan fungsi ƒ(
x) ditulis sebagai ƒ′(
x) ataupun hanya ƒ′.
Notasi Newton, juga disebut sebagai notasi titik, menempatkan titik di atas fungsi untuk menandakan turunan. Apabila
y =
ƒ(
t), maka
mewakili turunan
y terhadap
t.
Notasi ini hampir secara eksklusif digunakan untuk melambangkan turunan
terhadap waktu. Notasi ini sering terlihat dalam bidang
fisika dan bidang matematika yang berhubungan dengan fisika.
Notasi Euler menggunakan operator diferensial
D yang diterapkan pada fungsi
ƒ untuk memberikan turunan pertamanya
Df. Apabila
y =
ƒ(
x) adalah variabel terikat, maka sering kali
x dilekatkan pada
D untuk mengklarifikasikan keterbebasan variabel
x. Notasi Euler kemudian ditulis sebagai:
- atau .
|
Notasi Leibniz |
Notasi Lagrange |
Notasi Newton |
Notasi Euler |
Turunan ƒ(x) terhadap x |
|
ƒ′(x) |
dengan y = ƒ(x) |
|
Garis singgung sebagai limit dari garis sekan. Turunan dari kurva f(x)
di suatu titik adalah kemiringan dari garis singgung yang menyinggung
kurva pada titik tersebut. Kemiringan ini ditentukan dengan memakai
nilai limit dari kemiringan garis sekan.
2.3 Integral
Integral merupakan suatu objek matematika yang dapat diinterpretasikan
sebagai luas wilayah ataupun generalisasi suatu wilayah. Proses
menemukan integral suatu fungsi disebut sebagai pengintegralan ataupun
integrasi. Integral dibagi menjadi dua, yaitu: integral tentu dan
integral tak tentu. Notasi matematika yang digunakan untuk menyatakan
integral adalah
, seperti huruf S yang memanjang (S singkatan dari
"Sum" yang berarti penjumlahan).
Integral dapat dianggap sebagai perhitungan luas daerah di bawah kurva ƒ(x), antara dua titik a dan b.
2.3.1 Integral tentu
Diberikan suatu fungsi
ƒ bervariabel real
x dan interval antara [a, b] pada garis real,
integral tertentu:
secara informal didefinisikan sebagai luas wilayah pada bidang xy yang dibatasi oleh kurva grafik
ƒ, sumbu-x, dan garis vertikal
x =
a dan
x =
b.
Pada notasi integral di atas:
a adalah
batas bawah dan
b adalah
batas atas yang menentukan domain pengintegralan,
ƒ adalah integran yang akan dievaluasi terhadap
x pada interval [a,b], dan
dx adalah variabel pengintegralan.
Terdapat berbagai jenis pendefinisian formal integral tertentu, namun yang paling umumnya digunakan adalah definisi
integral Riemann. Integral Rieman didefinisikan sebagai limit dari
penjumlahan Riemann. Misalkanlah kita hendak mencari luas daerah yang dibatasi oleh fungsi
ƒ pada interval tertutup [
a,
b]. Dalam mencari luas daerah tersebut, interval [
a,
b] dapat kita bagi menjadi banyak subinterval yang lebarnya tidak perlu sama, dan kita memilih sejumlah
n-1 titik {
x1,
x2,
x3,...,
xn - 1} antara a dengan b sehingga memenuhi hubungan:
-
Himpunan
tersebut kita sebut sebagai
partisi [
a,
b], yang membagi [
a,
b] menjadi sejumlah
n subinterval
. Lebar subinterval pertama [
x0,
x1] kita nyatakan sebagai Δ
x1, demikian pula lebar subinterval ke-
i kita nyatakan sebagai Δ
xi =
xi -
xi - 1. Pada tiap-tiap subinterval inilah kita pilih suatu titik sembarang dan pada subinterval ke-
i tersebut kita memilih titik sembarang t
i. Maka pada tiap-tiap subinterval akan terdapat batangan persegi panjang yang lebarnya sebesar Δ
x dan tingginya berawal dari sumbu
x sampai menyentuh titik (
ti,
ƒ(
ti)) pada kurva. Apabila kita menghitung luas tiap-tiap batangan tersebut dengan mengalikan
ƒ(
ti)· Δ
xi dan menjumlahkan keseluruhan luas daerah batangan tersebut, kita akan dapatkan:
Penjumlahan
Sp disebut sebagai
penjumlahan Riemann untuk ƒ pada interval [a,b].
Perhatikan bahwa semakin kecil subinterval partisi yang kita ambil,
hasil penjumlahan Riemann ini akan semakin mendekati nilai luas daerah
yang kita inginkan. Apabila kita mengambil limit dari norma partisi
mendekati nol, maka kita akan mendapatkan luas daerah tersebut.
Seiring dengan semakin banyaknya subinterval dan semakin sempitnya lebar
subinterval yang diambil, luas keseluruhan batangan akan semakin
mendekati luas daerah di bawah kurva.
Secara cermat, definisi integral tertentu sebagai limit dari penjumlahan Riemann adalah:
Diberikan ƒ(x) sebagai fungsi yang terdefinisikan pada interval tertutup [a,b]. Kita katakan bahwa bilangan I adalah integral tertentu ƒ di sepanjang [a,b] dan bahwa I adalah limit dari penjumlahan Riemann
apabila kondisi berikut dipenuhi: Untuk setiap bilangan ε > 0 apapun
terdapat sebuah bilangan δ > 0 yang berkorespondensi dengannya
sedemikian rupanya untuk setiap partisi di sepanjang [a,b] dengan dan pilihan ti apapun pada [xk - 1, ti], kita dapatkan
-
Secara matematis dapat kita tuliskan:
Apabila tiap-tiap partisi mempunyai sejumlah
n subinterval yang sama, maka lebar Δ
x = (
b-
a)/n, sehingga persamaan di atas dapat pula kita tulis sebagai:
Limit ini selalu diambil ketika norma partisi mendekati nol dan jumlah subinterval yang ada mendekati tak terhingga banyaknya.
- Contoh
Sebagai contohnya, apabila kita hendak menghitung integral tertentu
, yakni mencari luas daerah
A dibawah kurva
y=
x pada interval [0,
b],
b>0, maka perhitungan integral tertentu
sebagai limit dari penjumlahan Riemannnya adalah
Pemilihan partisi ataupun titik
ti secara
sembarang akan menghasilkan nilai yang sama sepanjang norma partisi
tersebut mendekati nol. Apabila kita memilih partisi
P membagi-bagi interval [0,
b] menjadi n subinterval yang berlebar sama Δ
x = (
b - 0)/
n =
b/
n dan titik
t'i yang dipilih adalah titik akhir kiri setiap subinterval, partisi yang kita dapatkan adalah:
- dan , sehingga:
Seiring dengan
n mendekati tak terhingga dan norma partisi
mendekati 0, maka didapatkan:
Dalam prakteknya, penerapan definisi integral tertentu dalam mencari
nilai integral tertentu tersebut jarang sekali digunakan karena tidak
praktis.
Teorema dasar kalkulus (
lihat bagian bawah) memberikan cara yang lebih praktis dalam mencari nilai integral tertentu.
2.3.2 Integral tak tentu
Manakala integral tertentu adalah sebuah bilangan yang besarnya
ditentukan dengan mengambil limit penjumlahan Riemann, yang
diasosiasikan dengan partisi interval tertutup yang norma partisinya
mendekati nol,
teorema dasar kalkulus (
lihat bagian bawah)
menyatakan bahwa integral tertentu sebuah fungsi kontinu dapat dihitung
dengan mudah apabila kita dapat mencari antiturunan/antiderivatif
fungsi tersebut.
Apabila
Keseluruhan himpunan antiturunan/antiderivatif sebuah fungsi ƒ adalah integral tak tentu ataupun primitif dari ƒ terhadap x dan dituliskan secara matematis sebagai:
Ekspresi
F(x) + C adalah
antiderivatif umum ƒ dan
C adalah konstanta sembarang.
Misalkan terdapat sebuah fungsi
, maka integral tak tentu ataupun antiturunan dari fungsi tersebut adalah:
Perhatikan bahwa integral tertentu berbeda dengan integral tak tentu. Integral tertentu dalam bentuk
adalah sebuah bilangan, manakala integral tak tentu :
adalah sebuah fungsi yang memiliki tambahan konstanta sembarang
C.
2.4 Teorema dasar
Teorema dasar kalkulus menyatakan bahwa turunan dan integral adalah
dua operasi yang saling berlawanan. Lebih tepatnya, teorema ini
menghubungkan nilai dari anti derivatif dengan integral tertentu. Karena
lebih mudah menghitung sebuah anti derivatif daripada menerapkan
definisi integral tertentu, teorema dasar kalkulus memberikan cara yang
praktis dalam menghitung integral tertentu.
Teorema dasar kalkulus menyatakan:
Jika sebuah fungsi f adalah kontinu pada interval [a,b] dan jika F adalah fungsi yang mana turunannya adalah f pada interval (a,b), maka
Lebih lanjut, untuk setiap x di interval (a,b),
Sebagai contohnya apabila kita hendak menghitung nilai integral
, daripada menggunakan definisi integral tertentu sebagai limit dari penjumlahan Riemann (
lihat bagian atas), kita dapat menggunakan teorema dasar kalkulus dalam menghitung nilai integral tersebut. Anti derivatif dari fungsi
adalah
. Oleh sebab itu, sesuai dengan teorema dasar kalkulus, nilai dari integral tertentu
adalah:
Apabila kita hendak mencari luas daerah A dibawah kurva y=x pada interval [0,b], b>0, maka kita akan dapatkan:
Perhatikan bahwa hasil yang kita dapatkan dengan menggunakan teorema
dasar kalkulus ini adalah sama dengan hasil yang kita dapatkan dengan
menerapkan definisi integral tertentu (
lihat bagian atas). Oleh karena lebih praktis, teorema dasar kalkulus sering digunakan untuk mencari nilai integral tertentu.
Catatan: mohon maaf jika ada kesalahan tulisan , atau bagian yang keliru