makalah kalkulus differensial penerapan konsep turunan dan ...
-
Upload
khangminh22 -
Category
Documents
-
view
1 -
download
0
Transcript of makalah kalkulus differensial penerapan konsep turunan dan ...
MAKALAH KALKULUS DIFFERENSIAL
PENERAPAN KONSEP TURUNAN DAN NILAI MAKSIMUM
MINIMUM
Disusun untuk Memenuhi Tugas Proyek Pada Mata Kuliah Kalkulus Diferensial
Disusun oleh:
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN MATEMATIKA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2021
1. Aulia Fikri Takiyudin (K1321021)
2. Fakhrudin Nur Afif (K1321035)
3. Fani Aristawati (K1321037)
4. Friska Sabina Mahardini (K1321041)
5. Luthfita Larasati (K1321051)
6. Nindia Rizki Dwiherawati (K1321061)
7. Rachma Lutfiana (K1321063)
8. Regita Puspita Ayu (K1321069)
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL................................................................................................................ i
DAFTAR ISI................................................................................................................................ ii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................................ 1
A. Latar Belakang ............................................................................................................................... 1
B. Rumusan Masalah ......................................................................................................................... 1
C. Tujuan ............................................................................................................................................. 2
BAB II KAJIAN TEORI DAN PEMBAHASAN ..................................................................... 3
A. Kajian Teori ................................................................................................................................... 3
B. Pembahasan .................................................................................................................................... 10
BAB III PENUTUP ..................................................................................................................... 17
A. Simpulan ......................................................................................................................................... 17
B. Saran ............................................................................................................................................... 18
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................................. iii
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Matematika merupakan ilmu universal yang mendasari perkembangan
teknologi modern, mempunyai peran penting dalam berbagai disiplin dan
memajukan daya pikir manusia. Perkembangan pesat di bidang teknologi
informasi dan komunikasi dewasa ini dilandasi oleh perkembangan
matematika di bidang teori bilangan, aljabar, analisis, teori peluang, dan
matematika diskrit.
Salah satu kemampuan yang harus dikuasai mahasiswa setelah belajar
matematika adalah pemecahan masalah. Kemampuan ini sangat diperlukan
mahasiswa terkait dengan kebutuhan dalam memecahkan masalah yang
dihadapinya dalam kehidupan sehari-hari dan pengembangan diri mereka
sendiri.
Turunan adalah salah satu cabang ilmu matematika yang digunakan untuk
menyatakan hubungan kompleks antara satu variabel tak bebas dengan satu
atau beberapa variabel bebas lainnya. Turunan juga merupakan suatu
pengukuran terhadap perubahan nilai input atau secara umum turunan
menunjukkan bagaimana suatu besaran berubah akibat besaran lainnya. Hal
ini juga dapat dimungkinkan penggunaan turunan pada saat belajar konsep
nilai maksimum atau minimum suatu fungsi. Namun, tidak dapat dipungkiri
bahwa menyelesaikan operasi turunan membutuhkan waktu yang cukup lama
karena harus menyelesaikan perhitungan-perhitungan yang cukup rumit dan
hasilnya pun belum tentu benar. Oleh karena itu, kita akan mencoba berbagai
contoh permasalahan yang mempelajari tentang konsep turunan dalam
kehidupan sehari-hari.
B. RUMUSAN MASALAH
1. Bagaimana penggunaan konsep turunan dalam pemecahan masalah
2. Bagaimana penggunaan konsep nilai maksimum dan minimum dalam
pemecahan masalah
2
C. TUJUAN
1. Mengetahui penggunaan konsep turunan dalam pemecahan masalah
2. Mengetahui penggunaan konsep nilai maksimum dan minimum dalam
pemecahan masalah
3
BAB II
KAJIAN TEORI DAN PEMBAHASAN
A. Landasan Teori
1. Turunan
1.1. Definisi turunan di suatu titik
Fungsi π¦ = π(π₯) dikatakan memiliki turunan di πΌ jika limit berikut
ada:
π(π) = limββ0
π(π + β) β π(π)
β
NB : Asalkan limit ini ada dan bukan β ππ‘ππ’ β β. Turunan
fungsi π di π dinotasikan dengan πβ²(πΌ). Jika suatu fungsi
memiliki turunan di π, maka fungsi π terdiferensial di π.
Pencarian turunan disebut diferensiasi.
Bentuk Ekuivalen
Jika π₯ = πΌ + β sehingga Ketika β β 0 berakibat π₯ β π, maka
turunan fungsi π¦ = π(π₯) dititik π dinyatakan sebagai berikut:
πβ²(π) = limπ₯βπ
π(π₯) β π(π)
π₯ β π
NB : Asalkan limit ini ada dan bukan β atau ββ.
Contoh soal:
Misalkan π(π₯) = 12π₯ β 4. Carilah πβ²(2).
Pembahasan soal:
Misalkan π = 2. Maka,
πβ²(2) = limββ0
π(2 + β) β π(2)
β
πβ²(2) = limββ0
(12(2 + β) β 4) β (12(2) β 4)
β
πβ²(2) = limββ0
12β
β
4
πβ²(2) = limββ0
12
πβ²(2) = 12
Menggunakan cara lain:
πβ²(2) = limπ₯β2
π(π₯) β π(2)
π₯ β 2
= πβ²(2) = limπ₯β4
(12(π₯) β 4) β (12(2) β 4)
π₯ β 2
= πβ²(2) = limπ₯β4
(12(π₯ β 2)
π₯ β 2= 12
1.2. Aturan Pencarian Turunan
a. Aturan Fungsi Komstanta
Jika π(π₯) = π, dengan π suatu konstanta, maka untuk sebarang
π₯, π(π₯) = 0, yakni
π·π₯(π) = 0
Bukti:
Untuk π(π₯) = π, maka
πβ²(π₯) = limββ0
π(π₯ + β) β π(π₯)
β= lim
ββ0
π β π
β= lim
ββ00 = 0
Contoh:
π(π₯) = 5, maka πβ²(π₯) = 0.
π(π₯) = π¦, maka πβ²(π₯) = 0.
b. Aturan Fungsi Satuan
Jika π(π₯) = π₯, maka πβ²(π₯) = 1, yakni
π·π₯(π₯) = 1
Contoh:
π(π₯) = π₯, maka πβ²(π₯) = 1.
π(π’) = π’, maka πβ²(π₯) = 1.
c. Aturan Kelipatan Konstanta
Jika π suatu konstanta dan π suatu fungsi yang
terdiferensiasikan, maka
(ππ)β²π₯ = π. πβ²(π₯)
5
Contoh:
π(π₯) = 4π₯4, maka
πβ²(π₯) = 4(4π₯4β1) = 16π₯3
d. Aturan Jumlah
Jika π dan π adalah fungsi-fungsi yang terdiferensialkan, maka
(π + π)β²(π₯) = πβ²(π₯) + πβ²(π₯)
Contoh:
π(π₯) = 6π₯2 + 4π₯,
maka πβ²(π₯) = 6 (2)π₯2β1 + 4 (1)π₯1β1 = 12π₯ + 4
e. Aturan Selisih
Jika π dan π adalah fungsi-fungsi yang terdiferensialkan, maka
(π β π)β²(π₯) = πβ²(π₯) β πβ²(π₯)
Contoh:
π(π₯) = 9π₯2 β 7π₯,
maka πβ²(π₯) = 9(2)π₯2β1 β 7(1)π₯1β1 = 18π₯ β 7
f. Aturan Kali
Jika π dan π adalah fungsi-fungsi yang terdiferensialkan, maka
(π. π)β²(π₯) = πβ²(π₯)π(π₯) + π(π₯)πβ²(π₯)
Contoh soal:
Carilah turunan β(π₯) = (2π₯2 β 4)(2π₯3 β π₯)
Pembahasan soal:
Misalkan π(π₯) = 2π₯2 β 4 maka πβ²(π₯) = 4π₯ dan π(π₯) =
2π₯3 β π₯ maka πβ²(π₯) = 6π₯3 β 1.
Sehingga, jika β(π₯) = π(π₯) . π(π₯) maka
ββ²(π₯) = πβ²(π₯)π(π₯) + π(π₯)πβ²(π₯)
ββ²(π₯) = 4π₯(2π₯3 β π₯) + (2π₯2 β 4)(6π₯3 β 1)
ββ²(π₯) = 8π₯5 β 4π₯2 + 12π₯5 β 2π₯2 β 24π₯3 + 4
ββ²(π₯) = 20π₯5 β 24π₯3 β 6π₯2 + 4
6
g. Aturan Bagi
Jika π dan π adalah fungsi-fungsi yang terdiferensialkan, maka
(π
π)
β²
(π₯) =πβ²(π₯)π(π₯) β π(π₯)πβ²(π₯)
π2
Contoh:
Carilah turunan β(π₯) =3π₯β5
π₯2+7
Pembahasan soal:
Misalkan π(π₯) = 3π₯ β 5 maka πβ²(π₯) = 3 dan π(π₯) = π₯2 + 7
maka πβ²(π₯) = 2π₯, sehingga :
ββ²(π₯) =πβ²(π₯)π(π₯) β π(π₯)πβ²(π₯)
π2(π₯)
ββ²(π₯) =3(π₯2 + 7) β (3π₯ β 5)(2π₯)
(π₯2+7)2
ββ²(π₯) =3π₯2 + 21 β 6π₯2 + 10π₯
(π₯2+7)2
ββ²(π₯) =β3π₯2 + 10π₯ + 21
(π₯2+7)2
1.3. Teorema Aturan Rantai.
Misal π¦ = π(π’) dan π’ = π(π₯). Jika π terdiferensialkan di π₯ dan π
terdiferensialkan di π’ = (π₯), maka fungsi komposit π β π yang
didefinisikan oleh (π β π)(π₯) = π(π(π₯)), adalah terdiferensialkan di
π₯ dan
(π β π)β²(π₯) = πβ²(π(π₯))πβ²(π₯)
Yakni
π·π₯(π(π(π₯)) = πβ²(π(π₯))πβ²(π₯) atau ππ¦
ππ₯=
ππ¦
ππ’
ππ’
ππ₯
Contoh soal:
Jika π¦ = (2π₯2 β 4π₯ + 1)60, tentukan turunan fungsi π¦.
Pembahasan soal:
Perhatikan bahwa fungsi π¦ berpangkat 60 untuk suatu fungsi π₯, yaitu
π¦ = [π’(π₯)]60 = π’60(π₯) dengan π’(π₯) = 2π₯2 β 4π₯ + 1
7
Fungsi luar adalah π¦ = π(π’) = π’60 dan fungsi sebelah dalam adalah
π’(π₯) = 2π₯2 β 4π₯ + 1.
Jadi,
π¦β²(π₯) = πβ²(π’). π’β²(π₯) = 60π’59. (4π₯ β 4)
π¦β²(π₯) = 60(2π₯2 β 4π₯ + 1)59(4π₯ β 4)
π¦β²(π₯) = (240π₯ β 240)(2π₯2 β 4π₯ + 1)59
1.4. Diferensial
Misalkan π¦ = π(π₯) fungsi terdiferensiasi dari variable bebas π₯.
a. βπ₯ adalah pertambahan sebarang dalam variable π₯.
b. ππ₯ adalah diferensial variable bebas π₯ sama dengan βπ₯.
c. βπ¦ adalah perubahan sebenarnya dalam variable π¦ Ketika π₯
berubah dari π₯ ke π₯ + βπ₯, yaitu π¦ = π(π₯ + βπ₯) β π(π₯)
d. ππ¦ adalah diferensial variable tak-bebas π¦, didefinisikan oleh
ππ¦ = πβ²(π₯)ππ₯
e. Perhatikan bahwa ππ¦ = πβ²(π₯)ππ₯, pembagian kedua ruas
dengan ππ₯ menghasilkan πβ²(π₯) =ππ¦
ππ₯
2. Nilai Maksimum dan Minimum
2.1.Definisi Maksimum dan Minimum Fungsi
Misalkan π adalah daerah asal π, mengandung titik π, kita katakana
bahwa:
a. π(π) adalah nilai maksimum π pada π jika () β₯ () untuk
semua π₯ di π
8
b. π(π) adalah nilai minimum π pada π jika () β€ () untuk semua
π₯ di π
c. π(π) adalah nilai ekstrik π pada π jika ia adalah nilai
maksimum atau nilai minimum
d. Fungsi yang ingin kita maksimumkan atau minimumkan adalah
fungsi objektif
2.2. Teorema Keberadaan Maksimum dan Minimum
Jika π kontinu pada interval tertutup [π, π], maka π mencapai nilai
maksimum dan nilai minimum disana.
2.3. Teorema Titik Kritis
Misalkan π didefinisikan pada interval I yang memuat π. Jika π(π)
adalah nilai ekstrim, maka π haruslah titik kritis, yakni:
a. Titik ujung dari I
b. Titik stationer dari π, yakni πβ²(π) = 0
c. Titik singular dari π, yakni πβ²(π) tidak ada
Langkah-langkah mencari nilai maksimum dan minimum dari suatu
fungsi di selang tutup:
a. Cari titik-titik kritis dari π pada selang tutup yang diberikan.
b. Cari nilai π pada titik-titik kritis.
c. Nilai yang paling besar pada langkah ke-2 menjadi nilai
maksimum dan yang paling kecil menjadi nilai minimum.
2.4. Definisi Kemonotonan
Misalkan π didefinisikan pada interval I (buka, tutup, atau buka
keduanya). Dikatakan bahwa:
a. π naik pada I jika untuk setiap pasangan bilangan π₯1 dan π₯2
dalam I
π₯1 < π₯2 β π(π₯1) < π(π₯2)
9
b. π turun pada I jika untuk setiap pasangan bilangan π₯1 dan π₯2
dalam I.
π₯1 < π₯2 β π(π₯1) > π(π₯2)
c. π monoton murni pada I jika π naik pada I atau turun pada I.
2.5. Teorema Kemonotonan
Misal π dapat didiferensialkan pada titik dalam selang I.
a. Jika πβ²(π₯) > 0 untuk semua titik dalam π₯ dari I maka π naik
pada I.
b. Jika πβ²(π₯) < 0 untuk semua titik dalam π₯ dari I maka π turun
pada I.
2.6. Definisi Kecekungan
Misal π dapat didiferensialkan pada selang I.
a. Jika πβ² naik pada I dikatakan π cekung ke atas naik pada I.
b. Jika πβ² turun pada I dikatakan π cekung ke bawah naik pada I.
2.7. Teorema Kecekungan
Misal π dapat didiferensialkan dua kali pada titik dalam selang I.
a. Jika πβ²β²(π₯) > 0 untuk semua titik dalam π₯ dari I maka π cekung
ke atas pada I.
b. Jika πβ²β²(π₯) < 0 untuk semua titik dalam π₯ dari I maka π cekung
ke bawah pada I.
2.8. Definisi Uji Ekstrim Lokal
Misal π adalah daerah asal π dan π π π. Dapat dikatakan bahwa :
a. π(π) nilai maksimum lokal π pada π jika terdapat selang buka I
yang memuat π sedemikian sehingga π(π) β₯ π(π₯), βπ₯ β Ξ β π
b. π(π) nilai maksimum lokal π pada π jika terdapat selang buka I
yang memuat π sedemikian sehingga π(π) β€ π(π₯), βπ₯ β Ξ β π
10
c. π(π) nilai ekstrim lokal π pada π jika π(π) nilai maksimum lokal
atau nilai minimum lokal
2.9. Teorema Uji Pertama Ekstrim Lokal.
Misal π dapat didiferensialkan pada selang buka (a,b)yang memuat
titik kritis π.
a. Jika πβ²(π₯) > 0 untuk semua π₯ β (π, π) dan πβ²(π₯) < 0 untuk
semua titik π₯ β (π, π), maka π(π) adalah nilai maksimum local.
b. Jika πβ²(π₯) < 0 untuk semua π₯ β (π, π) dan πβ²(π₯) > 0 untuk
semua titik π₯ β (π, π), maka π(π) adalah nilai maksimum lokal.
c. Jika πβ²(π₯) bertanda sama untuk kedua belah pihak c, maka f (c)
bukan nilai ekstrim f
2.10. Teorema Uji Kedua Ekstrim Lokal.
Misal π dan πβ² dapat didiferensialkan pada selang buka (a,b) yang
memuat titik π dengan πβ²(π) = 0
a. Jika π(π) > 0 maka π(π) adalah nilai minimum lokal.
b. Jika π(π) < 0 maka π(π) adalah nilai maksimum lokal.
B. Pembahasan
1. Aplikasi Turunan
Tentukan ukuran silender lingkaran tegak lurus dari volume yang dapat
dibuat di dalam suatu kerucut lingkaran tegak lurus yang jari-jarinya 5 cm
dan tingginya 12 cm.
11
Pembahasan :
Diketahui :
Jari-jari kerucut = 5 ππ
Tinggi kerucut = 12 ππ
Tinggi tabung = 12 β π‘
Jari-jari tabung = π
Ditanyakan : Volume tabung...?
Jawab :
Langkah 1 : Karena bangun kerucut dan bangun tabung sebangun,
maka kita bisa menggunakan rumus perbandingan.
Langkah 2 : Mencari volume tabung dengan menyubsitusikan nilai t
terhadap rumus tabung.
Langkah 3 : Menurunkan persamaan
fungsi volume tabung terhadap jari-jari tabung.
12
Langkah 4 : Agar volume tabung maksimal, maka π£β²(π) = 0
Langkah 5 : Untuk r = 0 maka akan diperoleh volume tabung.
Langkah 6 : Untuk r = 10
3 diperoleh volume tabung :
13
Langkah 7 : Karena nilai π = 10
3 lebih maksimal, maka kita ambil
π = 10
3 untuk mencari tinggi tabung.
Jadi, volume tabung maksimal diperoleh saat π =10
3 ππ dan π‘ = 4 ππ
yaitu 139,55 π2
2. Aplikasi Nilai Maksimum dan Minimum Fungsi
2.1.Optimasi Ukuran Geometris
Masalah menentukan ukuran dan volume maksimum
14
Kotak segiempat akan dibuat dari selembar papan, panjang 24 ππππ
dan lebar 9 ππππ, dengan memotong segiempat identik pada keempat
pojok dan melipat ke atas sisi-sisinya. Kita cari ukuran kotak yang
volume maksimum dan berapa volume maksimumnya.
Pembahasan :
Misalkan π₯ adalah sisi segiempat yang harus dipotong dan π adalah
volume kotak yang dihasilkan. Maka :
Panjang = 24 β 2π₯
Lebar = 9 β 2π₯
Tinggi = π₯
π = π₯ (9 β 2π₯) (24 β 2π₯) = 216π₯ β 66π₯2 + 4π₯3
Batas = 9 β 2π₯ 9 = 2π₯ 4,5 = π₯ π₯ = 4,5
Sekarang π₯ tidak dapat lebih kecil dari 0 ataupun lebih besar dari
4,5. Jadi masalah kita adalah memaksimumkan π pada [0 ; 4,5].
Titik-titik stasioner ditemukan dengan menetapkan ππ
ππ₯ sama dengan
nol dan menyelesaikan persamaan yang dihasilkan :
π = π₯ (9 β 2π₯)(24 β 2π₯) = 216π₯ β 66π₯2 + 4π₯3
ππ
ππ₯ = 216 β 132π₯ + 12π₯2 = 12 (18 β 11 + π₯2)
15
= 12 (9 β π₯) (2 β π₯) = 0
Ini memberikan π₯ = 9 atau π₯ = 2, tetapi 9 tidak berada di dalam
interval [0 ; 4,5]. Maka, kita lihat bahwa hanya terdapat 3 titik kritis
yaitu π₯ = 0, π₯ = 2, dan π₯ = 4,5. Kita cari nilai π :
π = π₯ (9 β 2π₯)(24 β 2π₯) = 216π₯ β 66π₯2 + 4π₯3
π₯ = 0 β π = 0 (9 β 2 . 0)(24 β 2 . 0) = 0 . 9 . 24 = 0
π₯ = 2 β π = 2 (9 β 2 . 2)(24 β 2 . 2) = 2 . 5 . 20 = 200
π₯ = 4,5 β π = 4,5(9 β 2 . 4,5)(24 β 2 . 4,5)
= 4,5 . 0 . 15 = 0
Pada titik-titik ujung π₯ = 0 dan π₯ = 4,5 V = 0 sedangkan pada 2,
π = 200. Kalau kita gambarkan grafiknya sebagai berikut.
Lalu, kita cari ukuran kotaknya :
Panjang = 24 β 2π₯ = 24 β 2 . 2 = 20
Lebar = 9 β 2π₯ = 9 β 2 . 2 = 5
Tinggi = π₯ = 2
16
Kita dapatkan panjang = 20 ππππ, lebar = 5 ππππ, dan tinggi =
2 ππππ.
Jadi, kita simpulkan bahwa kotak mempunyai volume maksimum
200 inci kubik jika x = 2, yakni jika kotak berukuran panjang 20
inci, lebar 5 inci, dan tinggi 2 inci.
17
BAB 3
PENUTUP
A. Simpulan
Berdasarkan penulisan makalah diatas, dapat diambil kesimpulan bahwa :
1. Turunan adalah salah satu cabang ilmu matematika yang digunakan
untuk menyatakan hubungan kompleks antara satu variabel tak bebas
dengan satu atau beberapa variabel bebas lainnya.
2. Dapat dilihat diatas bahwa penggunaan turunan fungsi diaplikasikan
untuk mencari volume tabung ataupun volume maksimum pada sebuah
kotak.
3. Untuk pengaplikasian turunan kita gunakan dalam langkah langkah
yang digunakan untuk mencari volume tabung :
1. Gunakan rumus perbandingan
2. Penggunaan substitusi
3. Pengaplikasian turunan pada persamaan fungsi volume tabung
terhadap jariΒ² tabung.
4. Lanjutan pengaplikasian turunan agar ditemukan volume
maksimumpadat tabung
4. Untuk pengaplikasian nilai maksimum/minimum pada volume kotak
kita gunakan langkah :
1. Ilustrasikan persoalan yang ada
2. Menemukan persoalan yang harus diselesaikan
3. Mencari titik titik persoalan kemudian temukan nilainya
4. Sehingga dapat ditemukan nilai maksimum ataupun
minimum yang dimaksud dari soal
18
B. Saran
Demikian makalah ini kami selesaikan sebagai salah satu tugas
perkuliahan pada semester 1 ini. Namun kami sebagai penyusun,
menyadari terdapat kekurangan maupun kekhilafan atau kesalahan, baik
dalam penyelesaian maupun pemaparan dari makalah kami ini. Dari itu,
kami sangat mengharap dari para pembaca sekalian, baik teman-teman
maupun dosen sebagai pembimbing dalam mata kuliah ini, untuk turut
serta dalam memberikan kritik yang membangun dan saran yang baik
tentunya agar kedepanya nanti kami akan dan bisa menjadi lebih maju dan
baik dari sebelumnya.
Adapun beberapa saran yang dapat bermanfaat sebagai acuan dan
membangun dalam proses pembuatan makalah selanjutnya adalah sebagai
berikut :
1. Kalkulus merupakan ilmu yang sangat sulit dipelajari, jadi diperlukan
ketelitian dalam perhitungannya agar tidak terjadi kesalahan.
2. Dengan banyaknya perbedaan dalam pelajaran kalkulus maka setiap
orang dituntut untuk lebih kreatif dan inovatif.
3. Dalam mempelajari kalkulus kita bisa juga mempelajari soal-soal yang
berhubungan dengan materi turunan, nilai maksimum dan minimum
serta pengaplikasiannya pada kehidupan sehari-hari agar kita lebih
paham.
4. Dosen harus memperhatikan karakteristik dari setiap mahasiswa
(terutama gaya kognitif), karena berbeda karakteristik maka berbeda
pula kesulitan yang dialaminya.