BAB I DERET - bangun.web.ugm.ac.idbangun.web.ugm.ac.id/MATEMATIKA FISIKA.pdf · Integral garis : ³...
Transcript of BAB I DERET - bangun.web.ugm.ac.idbangun.web.ugm.ac.id/MATEMATIKA FISIKA.pdf · Integral garis : ³...
DAFTAR ISI
BAB I DERET
BAB II BILANGAN KOMPLEK
BAB III ANALISIS VEKTOR
BAB IV ANALISIS KOMPLEK
BAB V TRANSFORMASI LAPLACE
BAB VI PERSAMAAN DIFERENSIAL
BAB VII DERET FOURIER
BAB VIII FUNGSI GAMMA, BETA, DAN INTEGRAL ELLIPTIK
BAB IX TRANSFORMASI KOORDINAT
BAB X PERSAMAAN DIFERENSIAL LEGENDRE, BESSEL, HERMITE
DAN LAGUERE.
BAB I
DERET
Uji banding (comparison test)
1. Jika suku demi suku dari deret nn au , dimana na adalah deret konvergen
maka deret nu juga konvergen.
na = deret geometri
2. Jika suku demi suku deret nn bv , dimana nb membentuk deret divergen,
maka deret nv juga divergen.
nb =deret harmonic
Uji Integral
Diandaikan deret positif
~
1n
na yang suku-sukunya memenuhi sifat
nn aa 1 . Jika dapat ditentukan fungsi positif )(nf yang turun untuk 1n dan
nanf )( maka deret yang diberikan akan konvergen jika integral ~
1
).(I dnnf
berhingga(finite). Sebaliknya integral ~
1
).(I dnnf tak hingga (infinite) maka deret
divergen.
Uji Rasio
Rasio suku ke- n
n
nn
a
a 1
Informasi konvergensi
nn
~
lim
Jika
a. 1 , maka deret itu konvergen
b. 1 , maka deret itu divergen
c. 1 , boleh jadi konvergen/divergen(harus di uji dengan metode lain)
Uji Pembanding Khusus
Deret yang di uji
~
1n
naS
Deret pembanding
a. Konvergen
~
1n
nbB
b. Divergen
~
1n
ndD
Aturan
1. Jika
~
1n
nb adalah deret positif dan konvergen 0na . Jika n
n
b
abernilai
berhingga maka
~
1n
naS adalah deret konvergen.
2. Jika
~
1n
nd adalah deret positif divergen 0na , jika ~0 n
n
d
a, maka
~
1n
naS adalah deret divergen.
Uji Konvergensi Deret Bolak-balik
1. Jika semua suku dianggap positif tetapi S konvergen maka disebut deret
konvergen mutlak (konvergen absolut)
2. Semua suku diambil absolutnya sehingga S adalah deret divergen maka
S boleh jadi divergen atau konvergen, perlu diuji lagi dengan metode lain
Teorema untuk menguji konvergensi deret bolak-balik
Teorema “ Sebuah deret bolak-balik disebut konvergen bila nilai mutlak deret itu
berkurang secara tunak menuju nol, dan bila nn aa 1 serta 0~
lim
na
n
Aturan yang berkaitan dengan konvergensi sebuah deret
1. Konvergensi/divergensi sebuah deret tidak berubah oleh pengalian
dengan tetapan, namun dapat berubah oleh penjumlahan
2. Jika
~
1
~
1
dan n n
nn ba keduanya diketahui konvergen maka operasi
penjumlahan dan pengurangan dari kedua deret itu menghasilkan deret
baru yang konvergen juga.
3. Deret konvergen mutlak, bila suku-sukunya disusun kembali maka tidak
akan mengubah konvergensi deret tersebut.
konvergensi mutlak deret na dikatakan konvergen mutlak jika deret nilai
mutlaknya na konvergen.
Uji Akar Cauchy
~
1 ~
lim
n
nnn a
nca
1c konvergen
1c konvergen
1c uji akar Cauchy tidak memberikan kesimpulan
Deret Taylor
~
0 !n
n
n
n
axafxf
n
n
aaa
aa axn
fax
fax
faxffxf )(
!....)(
!3
''')(
!2
'')(')(
)()(2)(
)()(
Deret Maclaurin
Merupakan deret Taylor dengan 0a
~
0 !0
n
nn
n
xfxf
nn
xn
fx
fx
fxffxf
!......
!3
'''
!2
''')(
)0(3)0(2)0(
)0()0(
Deret Maclaurin dari berbagai fungsi
Fungsi Deret Maclaurin
xsin ...
!7!5!3
753
xxx
x
xcos ...
!6!4!21
642
xxx
xe ...
!3!21
32
xx
x
xe ...
!3!21
32
xx
x
x1ln ...
432
432
xxx
x
Deret Binomial Newton
...!3
21
!2
111 32
x
pppx
pppxx
p
BAB II
BILANGAN KOMPLEK
iyxz dan
iyxzz *
Modulus zzrz
Sifat-sifat modulus
2121 zzzz dan
2
1
2
1
z
z
z
z
Jika iyxzr
dt
dz
dt
zd
dt
dzv
2
2
dt
zda
Impedansi
CLiRZ
1
2
2 1
CLRZ
Deret Geometri
r
raS
n
n
1
1
irez
innn erz
ninieni sincossincos
2
ni
nrerrez ni n
i
nnn
sincos111
BAB III
ANALISIS VEKTOR
AAA
ACURLDIVA
GRADCURL
BAABBAABBA
BABAABABBA
BAABBA
AAA
AAA
2
2
) ( 0
) ( 0
Integral garis :
2
1
p
pC
zC
yx dzAdyAdxArdArdA
Integral permukaan
S Skn
dxdynAdanAadA
ˆˆˆ
Catatan khusus untuk integrasi permukaan
1. Parameter dalam koordinat kartesius
kn
dxdyda
ˆ
2. Parameter dalam koordinat silinder
dzdyjxiadAn ˆ dengan a = jari-jari
3. Parameter dalam koordinat bola
ddazkyjxidAn sinˆ
Teorema Divergensi Gauss
V S
dSnAdVA ˆ
Teorema Stokes
C S
dSnArdA ˆ
CR
dxdyy
M
x
NNdyMdx
BAB IV
ANALISIS KOMPLEK
Persamaan Cauchy Rieman dalam koordinat orthogonal/kartesius
y
v
x
u
dan
y
u
x
v
Persamaan Cauchy Rieman dalam koordinat polar
v
rr
u 1 dan
u
rr
v 1
Persamaan Laplace
02
2
2
2
y
u
x
u dan 0
2
2
2
2
y
v
x
v
Suatu fungsi disebut analitik jika memenuhi persamaan Cauchy Rieman atau
persamaan Laplace
Integral lintasan
C C C
C C
udyvdxivdyudxdzzf
idydxivudzzf
Rumus Integral Cauchy
C z
n dzaz
zf
i
naf
12
!
Residu
zfzz
dz
d
mzza
m
m
m
01
1
0
1!1
1lim
Integrasi Residu0
CzfidzzfC
dlm di residu jmlh .2
Deret Taylor
~
0
0
0!n
n
n
n
zzzfzf
Deret Maclaurin
~
0 !0
n
nn
n
zfzf
Integrasi Trigonometri
Integral bentuk
2
0
sin,cos df
Lakukan subtitusi 2
cos1
zz
, i
zz
2sin
1 , dan
iz
dzd
Integral bentuk ~
~dxxf
Penyelesaiannya adalah
xsumbudibawahfresiduidxxf
xsumbudiatasfresiduidxxf
2
2
~
~
~
~
BAB V
TRANSFORMASI LAPLACE
~
0t
st dttfetfL
tf tfL
1
s
1
t 2
1
s
nt 1
!ns
n
ate
as
1
atsin
22 as
a
atcos
22
2
as
s
atsinh
22 as
a
atcosh
22 as
s
iate
ias
1
Rumus-rumus
sfds
dtftL
n
nnn 1 , tf di laplace_kan dulu
t
u
t
t
duufdttfs
sfL
00
1
~
ss
dssft
tfL
sfLt
tf '1 1
tftds
sFdL nn
n
n
11
Penyelesaian persamaan differensial dengan transformasi Laplace
1. Persamaan differensial → ty atau xy
2. Kenai transformasi Laplace pada kedua ruas kanan dan kiri sehingga
menjadi sy
3. Kenai syarat batas/syarat awal, misalnya 00 y
4. Bentuklah fungsi sfy
5. Kenai invers transformasi Laplace
tfsfLsfyL )()( 11
Rumus transformasi Laplace dalam persamaan differensial
1
00
1
''
0
'
00
23
'
00
2
0
......
'''
''
'
nnnn yysysyL
ysyysysyL
ysyysyL
ysyyL
yyL
Integral Bromwich
~
~2
1ic
ic
ztdzetfi
tf
Konvolusi
t
u
dutgtfsgsfL0
1 )(*)(
BAB VI
PERSAMAAN DIFERENSIAL
Bentuk Umum Persamaan Diferensial
byayaya ...''' 210
2
2
''dx
ydy
dx
dyy '
y merupakan peubah gayut (diatas)
x merupakan peubah bebas (dibawah)
PD Linier dan Non-Linier
PD Linier bila baa dan ,...., 10 adalah tetapan
PD Non-Linier bila fbaa dan ,......, 10 (peubah gayut)
PADA Homogen dan Non-Homogen
PD Homogen bila 0b
PD Non-Homogen bila 0b
Persamaan x
yx
dx
dy
2
3 adalah salah satu contoh PADA homogen, sifat ini
ditentukan oleh kenyataan bahwa pangkat x dan y yang terlibat dalam masing-
masing suku sama derajatnya (dalam hal ini berpangkat 1) kunci untuk
memecahkan persamaan homogen adalah dengan subtitusi vxy .
PERSAMAN DIFERENSIAL ORDE PERTAMA
1. Orde suatu persamaan diferensial ditunjukkan oleh turunan tertinggi yang
muncul dalam persamaan ini.
2. Sebuah persamaan diferensial berorde n diperoleh dari suatu fungsi yang
memiliki n buah konstanta sembarang
3. Pemecahan persaman diferensial orde pertama
a) Dengan Integrasi langsung
xfdx
dy memberikan dxxfy
b) Dengan pemisahan variable
)().( xfdx
dyyF memberikan dxxf
dx
dyyF )().(
c) Persamaan homogen :
Subtitusikan vxy memberikan )(vFdx
dyxv
d) Persamaan Linier
QPydx
dy
Factor integrasi Pdx
eFI
Dan ingat bahwa Ae A ln
Memberikan FIdxQFIy ..
e) Persamaan Bernoulli
nQyPydx
dy
Bagilah dengan ny kemudian misalkan nyz 1
Dengan begini kembali menjadi jenis (d) di atas.
PERSAMAAN DIFERENSIAL ORDE KEDUA
1. Pemecahan persamaan yang berbentuk
)(2
2
xfcydx
dyb
dx
yda
2. Persamaan karakteristiknya ialah
02 cbmam
3. Macam-macam kemungkinan jawab :
a. Kedua akarnya riil dan berbeda 1mm dan 2mm
Jawab umumnya ialah xmxmBeAey 21
b. Kedua akarnya riil dan sama 1mm (dua kali)
Jawab umumnya ialah BxAeyxm
1
c. Kedua akarnya kompleks jm
Jawab umumnya ialah xBxAey x sincos
4. Persamaan yang berbentuk 02
2
2
yndx
yd
Jawab umum nxBnxAy sincos
5. Persamaan yang berbentuk 02
2
2
yndx
yd
Jawab umum nxBnxAy sinhcosh
6. persamaan yang berbentuk )(2
2
xfcydx
dyb
dx
yda
jawab umumnya
y fungsi komplementer (FK)+integral khusus (IK)
7. Untuk memperoleh fungsi komplementer (FK) pecahlah
02
2
cydx
dyb
dx
yda
untuk memperoleh IK, gunakan pemisalan bentuk umum ruas kanan.
Perhatikan : jika bentuk umum ruas kanan sudah tercakup dalam FK, kalikanlah
dengan x dan kemudian lanjutkanlah seperti biasa. Tentukanlah dahulu jawab
umum selengkapnya sebelum melakukan subtitusi untuk mencari konstanta
sembarang A dan B
Cara Menyelesaikan PD Non-Linier
Bentuk Umum PD Non-Linier
xPeybDaD n
cx
c konstanta
xPn Polinomial berderajat n
Penyelesaiannya ialah
PC YYy
Ada tiga kemungkinan untuk PY
1. batau acxQeY n
cx
P
2. xQxeY n
cx
P untuk baac tetapibatau
3. xQexY n
cx
P
2 untuk bac
BAB VII
DERET FOURIER
Koefisien Deret Fourier
L
L
n dxL
xnxf
La
cos
1
dxL
xnxf
Lb
L
L
n
sin
1
Deret Fourier
~
1
~
1
0 sincos2 n n
nnL
xnb
L
xna
axf
Deret Fourier dalam bentuk komplek.
dxexfL
C
L
L
L
xin
n
2
1
Deret Fourier
ixixixix
n
inx
n eCeCeCeCCeCxf 2
2
2
2110
~
~
Jika xf mempunyai periode L2 , maka koefisien deret Fouriernya ialah
LC
C
n dxL
xnxf
La
2
cos1
LC
C
n dxL
xnxf
Lb
2
sin1
2sinh
2cosh
zz
zz
eez
eez
Fungsi genap dan fungsi gasal
xf adalah fungsi genap, jika xfxf
xf adalah fungsi ganjil, jika xfxf
Perkalian antara dua fungsi memenuhi aturan berikut :
1. Fungsi genap dikalikan fungsi genap atau fungsi gasal dikalikan fungsi
gasal akan menghasilkan fungsi genap.
2. Fungsi genap dikalikan fungsi gasal akan menghasilkan fungsi gasal.
0 jika xf fungsi gasal
L
L
dxxf
L
dxxf0
2 jika xf fungsi genap
Jika xf fungsi gasal
0na
L
n dxL
xnxf
Lb
0
sin2
Jika xf fungsi genap
A Q
P
N
R
L
n dxL
xnxf
La
0
cos2
0nb
NOTE : jika 0na maka 0a belum tentu nol
TEOREMA PARSEVAL
L
L
dxxfL
xf22
2
1
~
1
2~
1
2
2
02
2
1
2
1
4 n
n
n
n baa
xf
Deret Pangkat dalam dua variable
~
0
,!
1,
n
n
bafy
kx
hn
yxf
Deret Maclaurin diatas ialah 0 yx dan xh , yk
Differensial total
...
dz
z
fdy
y
fdx
x
fdf
Aturan Cramer
Dua buah persamaan linier :
rqypx
cbyax
Maka nilai x dan y ialah
qp
ba
rp
ca
y
qp
ba
qr
bc
x dan
GARIS DAN BIDANG
Persamaan bidang melalui titik CBA ,, ialah
ckbjaiN
ACABN
Persamaan bidang
0000 zzcyybxxa
000 ,, zyx merupakan titik CBA ,, .
Jarak terdekat titik P ke bidang A ialah
AN
nPQPR ˆ
N
Nn
ˆ
Perpotongan garis dengan bidang
Bidang 1 dczbyax
Bidang 2 srzqypx
kcjbiaN ˆˆˆ:1
krjqipN ˆˆˆ:2
Persamaan garis ialah 21: NN
, ini juga menunjukkan arah perpotongan kedua
bidang
Sudut antara 2 bidang
cos.. 2121 NNNN
21
21.cosNN
NN
Persamaan bidang melalui titik P yang tegak lurus terhadap bidang lain.
Persamaan bidangnya ialah :
20 Nrr
Dengan 2N
ialah :
12 NPQN
BAB VIII
FUNGSI GAMMA, BETA, DAN INTEGRAL ELIPTIK
Fungsi Gamma
Definisi fungsi gamma
~
0
1 1 ndxexn xn
21
nnn
sin1
Rumus rekursi fungsi gamma
1untuk 11
1untuk 11
nnn
n
nnnn
Fungsi Beta
Definisi Fungsi Beta
1
0
11 0,0 1, qpdxxxqpBqp
Hubungan fungsi beta dengan fungsi gamma
qp
qpqpB
,
Fungsi Beta dalam bentuk trigonometri
2/
0
1212cossin2,
dqpBqp
Bentuk fungsi beta yang lain
~
0
1
1, dy
y
yqpB
qp
p
Integral Eliptik
Bentuk Legendre
Jenis Tak Lengkap Lengkap
I
022 sin1
,k
dkF
2/
022 sin1
k
dkF
II
dkkE 0
22 sin1,
dkkE
2/
0
22 sin1
III
0222 sin1sin1
,,kn
dnk
2/
0222 sin1sin1
,
kn
dnk
Bentuk Jakobi
Dengan subtitusi karcsin maka diperoleh
x
xkx
dxxkF
0222 '1'1
',
dxx
xkxkE
x
0
2
22
1
1,
x
xkxnx
dxxnk
02222 111
,,
Periodisitas Integral Eliptik
,2, kFnknkF
,2),( kEnknkE
Sifat ,, kFkF
BAB IX
TRANSFORMASI KOORDINAT
Perkalian dua buah matrik
ABC atau j
jkijik BAC
Transpose perkalian suatu matrik
TTTABAB
Invers perkalian suatu matrik
111 ABAB
Matrik Simetri dan antisimetri
Suatu matrik dikatakan simetri jika AAT
Sedang dikatakan antisimetri jika AAT
Matrik Ortogonal
1 MM T
Rotasi Sistem Koordinat
y
'x
'y
O x
2222 '' yxyx
Jumlah kuadrat variable yang baru sama dengan jumlah kuadrat variable yang
lama.
ORTHOGONAL dan ORTHONORMAL
Dua buah fungsi xA dan xB disebut “orthogonal” dalam interval ba, jika
0b
a
xx dxBA
Fungsi xA disebut normal atau ternormalisasi dalam interval ba, jika
12
b
a
x dxA
Dua buah fungsi disebut “ortonormal” dalam selang ba, jika
0b
a
nm dxxx
Sebuah fungsi disebut ortonormal dalam selang ba, jika
12
dxx
b
a
m
BAB X
PERSAMAAN DIFERENSIAL LEGENDRE, BESSEL,
HERMITE, DAN LAGUERE
A. Persamaan Diferensial Legendre.
Deret pangkat
~
0n
n
n xay
~
1
1'n
n
n xnay
~
2
21"n
n
n xanny
Persamaan diferensial legendre muncul pada penyelesaian persamaan
diferensial parsial dalam sistem koordinat bola, mekanika kuantum, teori medan,
dan distribusi suhu dengan simetri bola.
Bentuk persamaan diferensial legendre ialah
01'2"1 2 yllxyyx
Penyelesaian umum persamaan diferensial ini ialah
...
!5
4321
!3
21...
!4
321
!2
11 3
1
42
0
llllx
llxax
llllx
llay
Rumus Rodrigues
Merupakan metode untuk memperoleh polinomial legendre
ll
l
ll xdx
d
lxP 1
!2
1 2
Polinomial legendre yang di peroleh dari rumus rodrigues ialah
xxxP
xxP
xxP
xP
352
1
132
1
1
3
3
2
2
1
0
Fungsi pembangkit polinomial legendre
1, 21, 2
12
hhxhhx
Atau dapat ditulis sebagaiberikut
..., 2
2
10 xPhxhPxPhx
~
0
,l
l
l xPhhx
Fungsi pembangkit berguna untuk merumuskan hubungan rekursi/rekurensi.
Hubungan rekursi ini berguna untuk menyerderhanakan persoalan dan
membantu dalam pembuktian suatu persamaan.
Hubungan Rekursi
1. xPlxxPlxlP lll 21 112
2. xlPxPxxP lxll
3. xlPxxPxP lll 11
4. xlxPxlPxPx lll 1
21
5. xPxPxPl lll 1112
ORTHOGONALITAS DAN NORMALISASI POLINOMIAL LEGENDRE
xPll
dx
xdPx
dx
dl
l 11 2
Polinomial Legendre xPl sebenarnya merupakan pemecahan persoalan nilai
eigen Sturm-Liouville.
Polinomial Legendre membentuk himpunan fungsi orthogonal dalam selang
1,1 yang memenuhi hubungan
1
1
lmlml NdxxPxP
0 jika ml
0lm
1 jika ml
12
2
lN
Normalisasi Polinomial Legendre
22* NdxAdxAA
b
a
xx
b
a
x
Deret Legendre
Dalam basis polinomial Legendre xPl berbentuk
~
0l
ll xPCxf
Sehingga
...33221100 xPCxPCxPCxPCxf
Dengan
1
12
12dxxfxP
lC ll
Fungsi Legendre Asosiasi
01
1'2"12
22
y
x
mllxyyx
Atau
01
112
22
y
x
mll
dx
dyx
dx
d
Dengan penyelesaiannya yaitu
0 12/2 mxP
dx
dxxP lm
mmm
l
Atau dengan memasukkan rumus rodrigues diperoleh
lml
mlm
l
m
l xdx
dx
lxP 11
!2
1 22/2
Untuk m
0 !
!1
mxP
ml
mlxP m
l
mm
l
Fungsi Legendre Asosiasi juga membentuk himpunan fungsi orthogonal, yaitu
nl
m
n
m
lml
ml
ldxxPxP
!
!
12
21
1
Persamaan Diferensial Legendre Asosiasi lebih sering di kenal dalam variable
bebas sudut , yaitu dengan subtitusi cosx
0sin
1sinsin
12
2
y
mll
d
dy
d
d
B. Persamaan Diferensial Bessel
PD Besel ialah
0'" 222 ypxxyyx
Atau
0'' 22 ypxxyx
Penyelesaiannya berupa fungsi Bessel yaitu
~
0
2
211
1
n
pnn
p
x
pnnxJ
Penyelesaian kedua Bessel
~
0
2
211
1
n
pnn
p
x
pnnxJ
Penyelesaian Umum PD Bessel ialah
xBJxAJxy pp
Untuk kasus p bilangan bulat, sebagai pengganti penyelesaian kedua
persamaan diferensial Bessel xJ p diperkenalkan fungsi Neumann
p
xJxJpxYxN
pp
ppsin
cos
Dengan demikian penyelesaian umum PD Bessel ialah
xBNxAJxy pp
Fungsi Bessel dan Aplikasinya
P.D Bessel
0 0'" 222 nynxxyyx
Solusi/penyelesaian umum P.D Bessel ini ialah
xYCxJCy nn 21
Bentuk P.D Bessel yang lain
0'" 2222 ynxxyyx
Dengan penyelesaian umum
xYCxJCy nn 21
Persamaan diferensial Bessel biasanya kita temui dari persamaa laplace 02 u
yang diungkapkan dalam koordinat silinder z,,
Fungsi Bessel bentuk yang pertama
...42224.2222
112
42
nn
x
n
x
n
xxJ
n
n
n
C. Persamaan Diferensial Hermite
Persamaan Diferensial Hermite diberikan oleh
02'2" nyxyy
Polinomial Hermit diberikan oleh rumus Rodrigues
22
1 x
n
nxn
n edx
dexH
Fungsi pembangkit untuk polinomial Hermite
~
0
2
!
2
n
nnttx tn
xHe
...!3!2
132
xx
xe x
Rumus Rekursi untuk Polinomial Hermite
xnHxxHxH nnn 11 22
xnHxH nn 12'
Ortogonalitas polinomial Hermite
nmdxxHxHe nm
x
0
~
~
2
Untuk nm
!22
~
~
2
ndxxHe n
n
x
Deret polinomial hermite
...221100 xHAxHAxHAxf
Dengan nA ialah
dxxHxfen
A n
x
nn
~
~
2
!2
1