Logika MatematikaB b 6 I d k i M t tikBab 6: Induksi Matematika

Andrian RakhmatsyahTeknik Informatika IT Telkom

1

P d h lPendahuluanHampir semua rumus dan hukum yang berlaku tidak terciptaHampir semua rumus dan hukum yang berlaku tidak tercipta dengan begitu saja sehingga diragukan kebenarannya. Biasanya rumus-rumus dapat dibuktikan berdasarkan definisi-definisi maupun rumus atau hukum lain yang sudah pernah dibuktikan y g pkebenarannya. Ada banyak cara untuk membuktikan suatu teorema dan kadang suatu teorema dapat dibuktikan dengan beberapa cara berbeda. p g pSecara umum, terdapat 2 jenis metode pembuktian yaitu MetodePembuktian Langsung dan Metode Pembuktian Tidak Langsung.Biasanya saat akan membuktikan teorema terdapat banyakBiasanya saat akan membuktikan teorema terdapat banyakkesulitan, bagi yang tidak terbiasa melakukan pembuktian makakesulitan biasanya muncul pada langkah pertama yaitu pada waktumenentukan darimana pembuktian harus dimulai.

2

p

P b ktiPembuktianLANGKAH-LANGKAH UNTUK MELAKUKAN PEMBUKTIANLANGKAH LANGKAH UNTUK MELAKUKAN PEMBUKTIAN

1. Tulislah teorema yang akan dibuktikan.2 Tuliskan hipotesa awal (mana yang pertama kali diketahui) dan2. Tuliskan hipotesa awal (mana yang pertama kali diketahui) dan

apa yang akan dibuktikan. Biasanya yang terjadi adalah kita menggunakan hal-hal yang justru seharusnya dibuktikan.

3 Tandailah permulaan pembuktian dengan kata BUKTI sebagai3. Tandailah permulaan pembuktian dengan kata BUKTI, sebagai pemisah antara teorema dan pembuktian yang dilakukan. Sehingga akan membantu untuk tidak menggunakan hal-hal yang seharusnya dibuktikan.y g y

4. Buktikan secara lengkap dan menyeluruh5. Pembuktian dengan dilengkapi keterangan-keterangan akan

memudahkan kita untuk membaca/menggunakan nya kembali.

3

/ gg y

I d k i M t tik P t j kInduksi Matematika-PetunjukGUIDANCE1 Menuliskan variabel dan tipe yang akan digunakan1. Menuliskan variabel dan tipe yang akan digunakan.

Contoh :“Misalkan x dan y adalah bilangan bulat positif” atau“ Misalkan x adalah bilangan real > 0Penulisan ini mirip dengan deklarasi variabel yang digunakan di source code.

2. Apabila ditengah pembuktian akan menyatakan suatu sifat tertentu maka tuliskan sifat tersebut dengan jelas. Contoh :Misalkan ingin dinyatakan bahwa y adalah bilangan genap. Hal ini berarti y sama dengan dua kali suatu bilangan bulat, maka dapat dituliskan :“Karena y adalah bilangan bulat maka y = 2*x dimana x adalahKarena y adalah bilangan bulat maka y 2 x dimana x adalahbilangan bulat”

3. Apabila menggunakan sifat-sifat tertentu (komutatif, distributif, dlsb) tuliskanlah sifat-sifat tersebut.

4. Tandailah akhir suatu pembuktian, agar diketahui dengan jelas bahwa apa

4

4. Tandailah akhir suatu pembuktian, agar diketahui dengan jelas bahwa apa yang akan dibuktikan jelas terbukti. Contoh TERBUKTI

I d k i M t tik P t j kInduksi Matematika-PetunjukKESALAHAN YANG BIASA TERJADI DALAM PEMBUKTIANS G S J U1. Mengambil kesimpulan berdasarkan suatu atau beberapa contoh

kasus saja.Kadang-kadang suatu teorema terlalu abstrak sehingga sulit ditangkap logikanya Untuk itu kadangkala dilakukan pemberian satuditangkap logikanya. Untuk itu kadangkala dilakukan pemberian satu atau beberapa contoh kasus untuk membantu memahami teorema tersebut. Tetapi adalah suatu kesalahan apabila menganggap bahwa statemen tersebut benar dan berlaku umum berdasarkan satu atau beberapa kasus saja Karena ada banyak statemen yang benarbeberapa kasus saja. Karena ada banyak statemen yang benardengan hanya mengambil satu atau beberapa kasus tetapi salahuntuk kasus-kasus yang lain.

Contoh :Misalkan akan dibuktikan bahwa jumlah 2 buah bilangan genap

menghasilkan bilangan genap juga. Suatu pembuktian yang salahadalah

5

adalah“ Ambil x = 4 dan y = 2, maka m + n = 4 + 2 = 6. Jadi jumlah

bilangan genap adalah bilangan genap.”

I d k i M t tik P t j kInduksi Matematika-PetunjukDalam hal ini pembuktian hanya dengan nilai x = 4 dan y = 2Dalam hal ini pembuktian hanya dengan nilai x 4 dan y 2

belum cukup untuk membuktikan bahwa dua bilangan genap bila dijumlahkan akan menghasilkan bilangan genap. Untuk itu dilakukan :

“Ambil sembarang x dan y dimana x dan y adalah bilangan genap dan x + y akan menghasilkan bilangan genap juga”

Jadi intinya adalah kita tidak menyebutkan nilai angkanya, karena y y g yterdapat tak berhingga banyak bilangan genap.

6

I d k i M t tik P t j kInduksi Matematika-Petunjuk2. Menggunakan simbol yang sama untuk merepresentasikan dua e ggu a a s bo ya g sa a u tu e ep ese tas a dua

hal yang berbeda.

Contoh :“Mi l d d l h bil jil M k t d fi i i“Misal x dan y adalah bilangan ganjil. Maka menurut definisi

bilangan ganjil m = 2k + 1 dan n = 2k + 1 untuk semuabilangan bulat k”

Hal yang menjadi salah adalah simbol k digunakan ganda untukkeperluan ekspresi yang berbeda (walaupun didapatkankesimpulan akhir benar). Jika k menyatakan hal yang sama berarti m = 2k + 1 = n padahal tidak dinyatakan bahwa m = nm = 2k + 1 = n, padahal tidak dinyatakan bahwa m = n. sehingga sebaiknya dituliskan :

“Misal x dan y adalah bilangan ganjil. Maka menurut definisi bil jil 2k 1 d 2k 1 t k

7

bilangan ganjil m = 2k1 + 1 dan n = 2k2 + 1 untuk semua bilangan bulat k1 dan k2”

I d k i M t tik P t j kInduksi Matematika-Petunjuk3. Melompat langsung kepada kesimpulanp g g p p

Pembuktian harus dilakukan tahap demi tahap secara urut tanpa melompat-lompat. Pengurangan langkah akan mengakibatkan bukti menjadi tidak kuat.

Contoh :“Misalkan x dan y bilangan genap. Berdasarkan definisi bilangan

genap maka x = 2m dan y = 2n untuk suatu bilangan bulat m dann. Maka x + y = 2m + 2n. Sedemikian sehingga x + y adalahy gg ybilangan genap”

Dalam pembuktian diatas, ada satu yang terlewati yaitu berdasarkanpernyataanpernyataan

x + y = 2m + 2n maka disimpulkan x + y adalah bilangan genap.Hal ini tidak jelas, seharusnya dituliskan bahwa :

x + y = 2m + 2n 2 (m+n) distributif

8

= 2 (m+n) distributif

Sehingga menurut definisi bilangan genap maka x + y adalah bilangan genap.

I d k i M t tik P t j kInduksi Matematika-Petunjuk4 Menggunakan apa yang akan dibuktikan4. Menggunakan apa yang akan dibuktikan.

Contoh :“Misal x dan y adalah bilangan genap. Jika x + y adalah

bilangan genap maka x + y = 2m untuk sembarangbilangan b lat m”bilangan bulat m”

Kesalahan terletak pada penggunaan asumsi bahwa x + yKesalahan terletak pada penggunaan asumsi bahwa x + yadalah bilangan genap, padahal itulah yang akandibuktikan.

9

METODA PEMBUKTIAN LANGSUNGDalam metoda ini, hal-hal yang diketahui tentang suatu teorema diturunkan Da a etoda , a a ya g d eta u te ta g suatu teo e a d tu u a

secara langsung dengan teknik-teknik tertentu sampai tercapai kesimpulan yang diinginkan.

hContoh :1. Metoda Pengecekan Satu per Satu

Buktikan bahwa untuk semua bilangan genap x antara 4 sampai 20, x dapat dinyatakan sebagai penjumlahan 2 bilangan primadapat dinyatakan sebagai penjumlahan 2 bilangan prima.BuktiDengan melakukan pengecekan satu per Satu, maka didapatkan :4 = 2+2 6 = 3+3 8 = 3+5 10 = 5+5 12 = 5+74 = 2+2 6 = 3+3 8 = 3+5 10 = 5+5 12 = 5+714=3+11 16=5+11 18=7+11 20=7+13Terlihat bahwa semua bilangan genap n (4 ≤ x ≤ 20) dapat dinyatakan sebagai penjumlahan 2 bilangan prima.

10

g p j g p

METODA PEMBUKTIAN LANGSUNG2. Metode Pengecekan secara umumg

Buktikan bahwa jumlah 2 bilangan genap adalah genap.BuktiAmbil sembarang x dan y, dimana x dan y adalah bilangan genapAkan dibuktikan bahwa x+y adalah bilangan bulat (juga)Karena x dan y adalah bilangan-bilangan bulat, maka x = 2m dan y = 2n untuk bilangan-bilangan bulat m dan n, sehingga :x + y = 2m + 2ny

= 2 (m+n) distributifMisal k = m + nKarena m dan n adalah bilangan-bilangan bulat juga maka k adalah bilangan bulat,

hi ( + ) 2k t k bil b l t k B d k d fi i i bilsehingga (x + y) = 2k untuk semua bilangan bulat k. Berdasarkan definisi bilangan genap berarti bahwa (x + y) merupakan bilangan bulat karena merupakan hasil kali 2 bilangan bulat. Terbukti bahwa jumlah 2 bilangan bulat genap adalah bilangan genap (juga).

11

METODA PEMBUKTIAN LANGSUNG

3 Pembuktian dengan kasus kasus3. Pembuktian dengan kasus-kasusUntuk sembarang bilangan riil x, buktikan bahwa jika |x|> 4, maka x2 >16BuktiMisal x adalah bilangan riil yang memenuhi |x| > 4| | b b|x| > 4 berarti bahwa x > 4 atau x < -4Jika x > 4 maka x2 > 42 = 16Jika x < 4 berarti x > 4 sehingga ( x)2 > 42 atau x2 > 16Jika x < -4 berarti -x > 4, sehingga (-x)2 > 42 atau x2 > 16Jadi, baik x > 4 maupun x < -4, x2 > 16Terbukti bahwa jika |x| > 4, maka x2 > 16

12

Terbukti bahwa jika |x| 4, maka x 16

METODA PEMBUKTIAN TAK LANGSUNGDalam metode ini, hal-hal atau fakta-fakta yang diketahui tidak digunakan Da a etode , a a atau a ta a ta ya g d eta u t da d gu a a

secara langsung untuk menuju pada kesimpulan. Biasanya bukti dimulaidari hal-hal lain.

1 Pembuktian Dengan Kontradiksi1. Pembuktian Dengan KontradiksiDilakukan dengan cara mengasumsikan bahwa negasi kalimat yang akan dibuktikan bernilai benar. Jadi, jika kebenaran p ingin dibuktikan, langkah yang dilakukan adalah dengan mengasumsikan bahwa (not p) adalah b k di b h j kk b h i b kbenar, kemudian berusaha menunjukkan bahwa asumsi tersebut akan menyebabkan terjadinya kontradiksi. Dengan demikian, disimpulkanbahwa asumsi (not p) bernilai salah atau p bernilai benar.

2. Pembuktian Dengan KontraposisiSuatu pernyataan akan selalu ekivalen (mempunyai nilai kebenaran yang sama) dengan kontraposisinya. Dengan demikian, untuk membuktikan k b d l di k d b k ik

13

kebenaran suatu pernyataan dapat pula dinyatakan dengan membuktikan kebenaran kontraposisinya.

MEMILIH METODA PEMBUKTIANMEMILIH METODA PEMBUKTIAN Untuk memilih metoda mana yang paling tepat dalam pembuktian suatuUntuk memilih metoda mana yang paling tepat dalam pembuktian suatu pernyataan sangatlah sulit karena masing-masing metode memiliki ciri, kemampuan, keindahan, dan kekhususan tersendiri.

Ada kalanya suatu pernyataan dapat dibuktikan dengan suatu metode tertentu saja, atau ada kalanya juga suatu pernyataan dapat dibuktikan dengan beberapa metode yang berbeda dengan sama baiknya.

Untuk membuktikan suatu pernyataan diperlukan suatu “feeling”. “feeling” yang tajam tersebut dapat dicapai dengan melatih dan g g j p p gmembiasakan diri dalam membuktikan pernyataan-pernyataan. Semakin sering dilakukan, maka semakin kuat “feeling” yang dapat dimiliki.

14

INDUKSI MATEMATIKAINDUKSI MATEMATIKAInduksi Matematika merupakan suatu teknik yang dikembangkan untukInduksi Matematika merupakan suatu teknik yang dikembangkan untukmembuktikan pernyataan. Pernyataan yang dimaksudkan dibatasi hanyapada pernyataan yang menyangkut bilangan bulat.

Induksi Matematika digunakan untuk mengecek hasil proses yang terjadisecara berulang sesuai dengan pola tertentu.

Induksi Matematika digunakan untuk membuktikan pernyataan yang khusus menyangkut bilangan bulat positif. Dengan menggunakan Induksi Matematika akan mengurangi pembuktian bahwa semua bilangan g g p gbulat positif termasuk ke dalam suatu himpunan kebenaran dengan jumlah langkah terbatas.

15

INDUKSI MATEMATIKAINDUKSI MATEMATIKAContoh :Contoh :Misalkan p(n) adalah pernyataan yang menyatakan :

“jumlah bilangan bulat positif dari 1 sampai n adalah n(n+1)/2”

Misal untuk n = 6, p(6) adalah jumlah bilangan bulat positif dari 1 sampai 6 adalah 6(6+1)/2. Terlihat bahwa 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 = 21 = 6(7)/2.

Tetapi pembuktian hanya dengan mengambil contoh p(6) saja tidak berlaku sebagai bukti bahwa p(n) benar untuk seluruh n.

Walaupun pengambilan contoh n = 6 menghasilkan nilai dibawah himpunan kebenaran p(n), tetapi n = 6 bukan satu-satunya bilangan bulat positif karena bilangan bulat positif tidak berhingga banyaknya

16

karena bilangan bulat positif tidak berhingga banyaknya.

PRINSIP INDUKSI MATEMATIKAPRINSIP INDUKSI MATEMATIKAMisalkan p(n) adalah pernyataan bilangan bulat positif dan akan membuktikanMisalkan p(n) adalah pernyataan bilangan bulat positif dan akan membuktikan

bahwa p(n) adalah benar untuk semua bilangan bulat positif n. Untukmembuktikan pernyataan ini, hanya perlu menunjukkan bahwa :

1. p(1) adalah benarp( )2. Untuk semua bilangan bulat positif n ≥ 1, jika p(n) benar maka p(n+1)

adalah juga benar.

Langkah 1 dinamakan basis induksibasis induksi sedangkan Langkah 2 dinamakan langkah induksilangkah induksi. Selain itu asumsi yang digunakan

pada langkah 2 yang menyatakan bahwa pernyataan adalah benar untuk pada a g a ya g e yata a ba wa pe yataa ada a be a u tup(n) disebut hipotesis induksi.

17

INDUKSI MATEMATIKA C t hINDUKSI MATEMATIKA-ContohContoh 1:Tunjukkan bahwa n ≥ 1, 1 + 2 + 3 + … + n = n(n+1)/2 melalui induksi matematikaTunjukkan bahwa n ≥ 1, 1 + 2 + 3 + … + n n(n+1)/2 melalui induksi matematika

Jawab :Langkah 1 :Untuk n = 1, maka 1 = 1(1+1)/2 adalah benar.1 = 1 (1+1)/2

= 1 (2)/2= 2/2= 1

L k h 2 Mi lk k ≥ 1Langkah 2 : Misalkan untuk n ≥ 1 1 + 2 + 3 + … + n = n (n + 1) /2 adalah benar (hipotesis induksi) maka1 + 2 + 3 + … + n + (n +1) = (n +1) ((n + 1) + 1)/ 2 adalah benar juga.1 + 2 + 3 + … + n + (n +1) = (1 + 2 + 3 + … + n) + (n +1)

= ( n(n+1)/2) ) + (n+1)= ( n(n+1)/2) ) + (n+1)= ( (n2 + n)/2 ) + (2n+2)/2= (n2 + 3n + 2)/2= (n+1)(n+2)/2= (n+1) ((n+1) + 1) / 2

18

( ) (( ) ) /

Karena langkah 1 dan langkah 2 keduanya telah dibuktikan benar, maka untuk semua bilangan bulat positif n, TERBUKTI bahwa 1 + 2 + 3 + … + n = n (n + 1) /2

INDUKSI MATEMATIKA C t hINDUKSI MATEMATIKA-ContohContoh 2:Buktikan bahwa jumlah n buah bilangan ganjil positif pertama adalah n2

JawabLangkah 1.Langkah 1.Untuk n = 1 jumlah satu buah bilangan ganjil positif pertama adalah 12 = 1.

Langkah 2.Misalkan untuk n ≥ 1Misalkan untuk n ≥ 11 + 3 + 5 + … + (2n – 1) = n2 adalah benar, maka 1 + 3 + 5 + … + (2n – 1) + (2(n+1) – 1) = (n+1)2

1 + 3 + 5 + … + (2n – 1) + (2n+1) = (n+1)2 adalah benar juga.1 3 5 (2 1) (2 1) (1 3 5 (2 1)) (2 1)1+3+5+…+(2n – 1)+(2n+1) = (1+3+5+…+(2n – 1)) + (2n+1)

= n2 + (2n+1)= n2 + 2n + 1= (n + 1)2

19

INDUKSI MATEMATIKA C t hINDUKSI MATEMATIKA-ContohContoh 3:Untuk n ≥ 1, Tunjukkan bahwa n3 + 2n adalah kelipatan 3

JawabLangkah 1.U k 1 did 13 + 2 (1) 3 d l h b k li 3Untuk n = 1, didapat 13 + 2 (1) = 3 adalah benar kelipatan 3

Langkah 2.Misalkan untuk n ≥ 1, maka n3 + 2n adalah benar kelipatan 3Dengan menunjukkan bahwa :Dengan menunjukkan bahwa :(n+1)3 + 2(n+1) adalah juga benar kelipatan 3, maka(n+1)3 + 2(n+1) = (n3 + 3n2 + 3n + 1) + (2n + 2)

= (n3 + 2n) + 3n2 + 3n + 3= (n3 + 2n) + 3(n2 + n + 1)( ) ( )

Adalah benar kelipatan 3. Terlihat bahwa : (n3 + 2n) adalah kelipatan 3 dari langkah 1 Sedangkan bahwa : 3(n2 + n + 1) jelas merupakan kelipatan 3 juga, sehingga n3 + 2n adalah kelipatan 3

terbukti benar.

20

INDUKSI MATEMATIKA C t hINDUKSI MATEMATIKA-ContohContoh 4:Buktikan bahwa 22n - 1 habis dibagi 3 untuk semua bilangan bulat n ≥ 1

JawabLangkah 1.Langkah 1.Untuk n = 1, didapat 22 (1) -1 = 3 habis dibagi oleh 3.

Langkah 2.Misalkan n ≥ 1 maka 22n 1 adalah benar habis dibagi oleh 3Misalkan n ≥ 1, maka 22n -1 adalah benar habis dibagi oleh 3.Dengan menunjukkan bahwa :22(n+1) - 1 = 22n + 2 - 1

= 22n . 22 - 1 = 4 . 22n – 1(22 3 22 ) 1= (22n + 3. 22n) – 1

= (22n – 1) + 3. 22n

Adalah benar kelipatan 3.

21

Terlihat bahwa : (22n – 1) adalah benar kelipatan 3 dari langkah 1 sedangkan 3. 22n jelas merupakan kelipatan 3.

INDUKSI MATEMATIKA C t hINDUKSI MATEMATIKA-ContohContoh 5:B ktik b h 1(2) + 2(3) + + ( +1) t k)2)(1( ++ nnnBuktikan bahwa 1(2) + 2(3) +…+ n(n+1) = untuk semua n.

JawabLangkah 1.

3)2)(1( ++ nnn

a g a .Untuk n = 1, didapat adalah benar.

Langkah 2.

23)21)(11(1 =++

Misalkan n ≥ 1, maka adalah benar.Dengan menunjukkan bahwa :1(2) + 2(3) + … + n(n+1) +(n+1)(n+2) = 1(2) + 2(3) + + n(n+1) +(n+1)(n+2) =

3)21)(11)(1( +++++ nnn

)3)(2)(1(1(2) + 2(3) + … + n(n+1) +(n+1)(n+2) =

= (n3 + 3n2 + 3n2 + 9n + 2n + 6)/3= ((n3 + 3n2 + 2n) + (3n2 + 9n + 6))/3

3)3)(2)(1( +++ nnn

22

= ((n3 + 3n2 + 2n)/3) + 3(n2 + 3n + 2)/3= ((n3 + 3n2 + 2n)/3) + (n2 + 3n + 2)= n(n+1)(n+2)/3 + (n+1)(n+2) Adalah benar.

S l L tihSoal Latihan

1 t k N 11111

++++n1. , untuk semua N ≥ 11)1(

...)4(3)3(2)2(1 +

=+

++++nnn

)12)(12(2222 +− nnn2. , untuk semua N ≥ 13

)12)(12()12(...531 2222 +=−++++

nnnn

an+1 1

3. , untuk semua N ≥ 0 dan N ≠ 1aaaaa n

−−

=++++11...1 2

4. habis dibagi 3 untuk bilangan bulat N ≥ 224 4nn −

5 habis dibagi 5 untuk bilangan asli 23nn 27 −