Bab
12 INTEGRAL A. KOMPETENSI DASAR DAN PENGALAMAN BELAJAR Kompetensi Dasar Setelah mengikuti pembelajaran integral siswa mampu: 1. Mampu mentransformasi diri dalam berperilaku jujur, tangguh menghadapi masalah, kritis dan disiplin dalam melakukan tugas belajar matematika. 2. Mendeskripsikan konsep integral tak tentu suatu fungsi sebagai kebalikan dari turunan fungsi. 3. Memilih dan menerapkan strategi menyelesaikan masalah dunia nyata dan matematika yang melibatkan turunan dan integral tak tentu dan memeriksa kebenaran langkah-langkahnya. 4. Menurunkan aturan dan sifat integral tak tentu dari aturan dan sifat turunan fungsi. 5. Memilih strategi yang efektif dan menyajikan model matematika Dalam memecahkan masalah nyata tentang integral tak tentu dari fungsi aljabar.
Pengalaman Belajar Melalui proses pembelajaran integral, siswa memiliki penga-laman belajar sebagai berikut. • menemukan konsep integral melalui pemecahan masalah otentik; • berkolaborasi memecahkan masalah aktual dengan pola interaksi sosial kultur; • berpikir tingkat tinggi (berpikir kritis, kreatif) dalam menyelidiki dan mengaplikasikan konsep integral dalam memecahkan masalah otentik.
• • • •
Integral tak tentu Fungsi aljabar Derivatif Antiderivatif
Di unduh dari : Bukupaket.com
B. PETA KONSEP
Masalah Otentik
Integral
Integral Tak Tentu
Integral Tentu
Fungsi Aljabar
Penerapan
202
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
C. MATERI PEMBELAJARAN 1. Menemukan Konsep Integral Tak Tentu sebagai Kebalikan dari Turunan Fungsi Mari kita ingat kembali konsep aplikasi turunan pada bidang fisika. Kecepatan adalah turunan pertama dari fungsi jarak dan percepatan adalah turunan pertama dari fungsi kecepatan. Bila kita berpikir kembali tentang aplikasi ini, bagaimana hubungan kecepatan jika percepatan yang diketahui. Hal ini mempunyai pemikiran terbalik dengan turunan, bukan? Nah, konsep inilah yang akan kita pelajari, yang disebut dengan integral. Integral adalah konsep yang juga banyak berperan dalam perkembangan ilmu matematika dan penerapan diberbagai bidang. Ini berarti integral banyak diterapkan di kehidupan sehari-hari. Keterlibatan integral dalam terapan ilmu lain seperti geometri, teknologi, biologi, ekonomi sangat membantu untuk pengembangan ilmu pengetahuan. Menurut sejarah, orang yang pertama kali mengemukakan tentang ide integral adalah Archimedes yang merupakan seorang ilmuwan bangsa Yunani yang berasal dari Syracusa (287 – 212 SM). Archimedes menggunakan ide integral tersebut untuk mencari luas daerah suatu lingkaran, luas daerah yang dibatasi oleh parabola dan tali busur, dan sebagainya. Prinsip-prinsip dan teknik integrasi dikembangkan terpisah oleh Isaac Newton dan Gottfried Leibniz pada akhir abad ke-17. Menurut sejarah pengembangan kalkulus juga sangat besar jasa dan peranan dari George Friederick Benhard Riemann (1826 – 1866). Pada bab ini akan dibahas tentang arti “antiturunan” (anti derivatif), “integral tak tentu”, dan beberapa hal dasar yang pada akhirnya membantu kita untuk menemukan teknik yang sistematik dalam menentukan suatu fungsi jika turunannya diketahui.
Masalah-12.1 Di pelabuhan selalu terjadi bongkar muat barang dari kapal ke dermaga dengan menggunakan mesin pengangkat/pemindah barang. Barang dalam jaring diangkat dan diturunkan ke dermaga. Terkadang barang diturunkan ke sebuah bidang miring agar mudah dipindahkan ke tempat yang diharapkan. Dari permasalahan ini, dapatkah kamu sketsa perpindahan barang tersebut? Dapatkah kamu temukan hubungan masalah ini dengan konsep turunan (Ingat pelajaran Turunan pada Bab XI)
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
203
Alternatif Penyelesaian: Misalkan masalah di atas kita sketsa dengan sederhana pada gambar berikut:
Gambar 12.1 Barang yang diturunkan ke bidang miring
Sekarang, kita misalkan jaring (barang) yang diturunkan adalah sebuah fungsi, bidang miring sebuah garis, ketinggian adalah sumbu y, dan permukaan dermaga adalah sumbu x maka gambar tersebut dapat disketsa ulang dengan sederhana pada bidang koordinat kartesius. Jika jaring tersebut sebuah kurva dan diturunkan pada Gambar 12.2 maka berdasarkan konsep Transfromasi (translasi) pada Bab X, terjadi perubahan nilai konstanta pada fungsi tersebut sampai akhirnya kurva tersebut akan menyingung bidang miring atau garis. Perhatikan gambar kembali. Berdasarkan Gambar 12.3, kurva yang bergerak turun akan menyinggung garis tersebut. Ingat kembali konsep gradien sebuah garis singgung pada Bab XI bahwa gradien garis singgung adalah turunan pertama fungsi yang disinggung garis tersebut. Berdasarkan konsep tersebut maka Gambar 12.3 memberikan informasi bahwa: m adalah turunan pertama y′
204
y jaring diturunkan bidang miring x Gambar 12.2 Jaring dan bidang miring sebagai kurva dan garis pada bidang koordinat kartesius
y
y = f(x)+c1 y = f(x)+c2 y = f(x)+c3 .... y = f(x)+ck
garis singgung y = mx + n x Gambar 12.3 Perubahan konstanta fungsi pada translasi kurva
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
atau m =
dy dx
= f ′(x) (ingat notasi turunan di Bab XI) sehingga y adalah anti turunan
dari m. Dengan demikian anti turunan dari m adalah y = f(x) + ck. Hal ini berarti bahwa nilai konstanta ck dapat berubah-ubah. Jadi, kita telah memahami bahwa integral adalah antiturunan dari sebuah fungsi. Dan anti turunan dari sebuah fungsi akan mempunyai konstanta yang belum dapat ditentukan nilainya. Untuk lebih memahaminya, kita ingat kembali proses turunan sebuah fungsi pada masalah berikut.
Masalah-12.2 Berdasarkan konsep turunan, beberapa fungsi tersebut bila diturunkan menghasilkan fungsi yang sama. Jika digunakan konsep antiturunan pada fungsi tersebut, bagaimanakah fungsinya? Apakah dapat kembali ke fungsi asal? Berikut adalah fungsi-fungsi yang akan diamati. a) F(x) = c) F(x) =
1 4
x4 – 8, d) F(x) =
1 4
x4 –
1 2
, e) F(x) =
1 4
x4 –
1
4
x4 , b) F(x) =
13 207
1
4
x4 + 4,
. Turunkan fungsi-
fungsi tersebut kemudian amatilah turunan nilai konstantanya! Hubungkan kembali fungsi awal dengan turunannya serta anti turunannya! Buatlah kesimpulan dari hasil pengamatan dari penyelesaian yang kamu peroleh! (petunjuk: turunan fungsi F(x) adalah F′(x) = f(x) = y′
Alternatif Penyelesaian: d 1 4 1 4 x = x3 a) F(x) = x Adalah F '(x) = f(x) = y' = dx 4 4 b) F(x) =
1 4 d 1 x + 4 adalah F '(x) = f(x) = y' x 4 + 4 = x3 4 dx 4
c) F(x) =
1 4 d 1 4 x − 8 adalah F '(x) = f(x) = y' = x − 8 = x3 4 dx 4
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
205
d) F(x) =
e) F(x) =
1 4 1 4
x4 −
x4 −
1 2
adalah F '( x ) = f ( x ) = y ' =
13
d 1 4 1 x − = x3 dx 4 2
adalah F '( x ) = f ( x ) = y ' =
207
d 1 4 13 x − = x3 dx 4 207
Jika dilakukan pengamatan kepada ketiga fungsi, maka seluruh fungsi F(x) tersebut di atas adalah antiturunan dari fungsi f(x) = x3, sementara fungsi F(x) mempunyai konstanta yang berbeda-beda. Jadi, dapat ditunjukkan bahwa sebuah fungsi dapat memiliki banyak antiturunan. Jika F(x) adalah fungsi yang dapat diturunkan, yaitu f(x) maka antiturunan dari f(x) adalah F(x) + c dengan c adalah sembarang konstanta. turunan
F(x)
f(x)
anti turunan
F(x) + c
Perhatikan dan pahami definisi dan sifat berikut.
Definisi 12.1 f : R → R dan F : R → R disebut antiturunan atau integral tak tentu f jika F '(x) = f(x) ∀x ∈ R
Sifat 12.1 Proses menemukan y dari
dy dx
merupakan kebalikan dari sebuah proses turunan
dan dinamakan antiturunan.
Sifat 12.2 Jika F(x) adalah sebuah fungsi dengan F '(x) = f(x) dapat dikatakan bahwa a. turunan F(x) adalah f (x) dan b. antiturunan dari f(x) adalah F(x)
206
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
Contoh 12.1 Jika m = 2x – 4 adalah gradien garis singgung dari sembarang kurva f(x). Tunjukkan bahwa terdapat banyak fungsi f(x) yang memenuhi.
Alternatif Penyelesaian: Dengan mengingat konsep gradien suatu garis singung dengan turunan bahwa dy = 2x – 4. gradien adalah turunan pertama fungsi tersebut maka m = dx dy = 2x – 4 Berdasarkan Definisi 12.1 maka y adalah antiturunan dari gradien dx sehingga dengan konsep turunan maka y = x2 – 4x + c dengan c adalah konstanta bernilai real. Dengan c adalah konstanta bernilai real maka terdapat banyak fungsi y = f(x) yang memenuhi gradien garis singgung tersebut. Perhatikan gambar berikut! y
PGS
c1
PGS
c2
PGS
c3 c4
PGS x
Gambar 12.4 Persamaan garis singgung dan fungsi f(x)
Pada Gambar 12.4 terdapat banyak persamaan garis singgung yang sejajar. Ingat kembali definisi persamaan garis yang sejajar. Dengan demikian, terdapat juga banyak fungsi (kurva) yang disinggung oleh garis singgung tersebut.
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
207
Uji Kompetensi 12.1 1.
Tentukan antiturunan dari a. f(x) = 2x e. f(x) = 6x b. f(x) = 3x f. f(x) = 7x c. f(x) = 4x g. f(x) = 8x d. f(x) = 4x h. f(x) = 9x
2. Tentukan antiturunan dari fungsi f(x) berikut!
a. b. c. d.
f(x) = 2x2 f(x) = 2x3 f(x) = 3x2 f(x) = 3x3
e. f(x) = 4x2 f. f(x) = 4x3 g. f(x) = axn
3. Tentukan antiturunan dari −
1
a. f(x) = x–2
e.
f ( x ) = 5x
b. f(x) = 2x–3
f.
f ( x) =
2
c. f ( x ) = x − 2
g.
3 1 − f ( x ) = 100 x 4
d. f ( x ) = x 3
h.
f ( x) =
a
1
1
rasional.
b
x
3 −
3 2
x n −1 dengan a, b bilangan real, b ≠ 0, n
4. Tentukan antiturunan f(x) dengan memanfaatkan turunan fungsi g(x) dibawah ini! a. Jika f(x) = 8x3 + 4x dan g(x) = x4 + x2 b. Jika f ( x) = x dan g ( x ) = x x c. Jika f(x) = (x + 2)3 dan g(x) = (x + 2)4 5. Jika gradien m suatu persamaan garis singgung terhadap fungsi f(x) memenuhi m = x2 – 1. Tunjukkan dengan gambar bahwa terdapat banyak fungsi f(x) yang memenuhi gradien tersebut.
208
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
2. Notasi Integral dan Rumus Dasar Integral Tak Tentu
2.1 Notasi Integral
Kita telah banyak membahas tentang turunan dan antiturunan serta hubungannya pada beberapa fungsi yang sederhana pada sub-bab di atas. Pada kesempatan ini, kita akan menggunakan sebuah notasi operator antiturunan tersebut. Antiturunan dari sebuah fungsi f(x) ditulis dengan menggunakan notasi “∫” (baca: integral). Perhatikan kembali Masalah 12.2. Alternatif penyelesaian di atas, dapat kita tuliskan kembali dengan menggunakan notasi integral tersebut. d 1 4 1 4 x a) F(x) = x Adalah F '(x) = f(x) = y' = = x3 sehingga diperoleh dx 4 4 1 F ( x ) = ∫ f ( x)dx = ∫ x 3 dx = x 4 + c 4 1 4 d 1 4 x + 4 adalah F '(x) = f(x) = y' = x + 4 = x3 sehingga diperoleh 4 dx 4 1 4 3 F ( x ) = ∫ f ( x)dx = ∫ x dx = x + c 4
b) F(x) =
1 4 d 1 4 x − 8 adalah F '(x) = f(x) = y' = x − 8 = x3 sehingga diperoleh 4 dx 4 1 4 3 F ( x ) = ∫ f ( x)dx = ∫ x dx = x + c 4
c) F(x) =
Contoh 12.2 Jika y = 3x4 + 2x3, carilah nilai
dy , kemudian tentukan ∫ 4x3 + 2x2dx. dx
Alternatif Penyelesaian: dy = 12x3 + 6x2 sehingga diperoleh Jika y = 3x4 + 2x3 maka dx ∫ 12x3 + 6x2dx
= 3x4 + 2x3 + c
∫ 3(4x3 + 2x2)dx = 3x4 + 2x3 + c Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
209
3 ∫ 4x3 + 2x2dx = 3x4 + 2x3 + c ∫ 4x3 + 2x2dx
= x4 +
2 3
x3 + c
2.2 Rumus Dasar Integral Tak Tentu
Berdasarkan pengamatan pada beberapa contoh di atas, jika semua fungsi yang hanya dibedakan oleh nilai konstantanya diturunkan maka akan menghasilkan fungsi turunan yang sama sehingga bila diintegralkan akan mengembalikan fungsi turunan tersebut ke fungsi semula tetapi dengan konstanta c. Nilai konstanta c disebut tak tentu karena dapat digantikan oleh semua bilangan. Nilai konstanta c akan dapat ditentukan bila diketahui titik yang dilalui oleh fungsi asal tersebut. Titik asal (initial value) dapat disubstitusi ke fungsi hasil antiturunan sehingga nilai c dapat ditentukan.
Sifat 12.3 Jika F(x) adalah fungsi dengan F′(x) maka ∫ f(x)dx = F(x) + c Dengan c sembarang konstanta
Masalah-12.3 Pada konsep turunan, kita dapat memperoleh aturan turunan dengan menggunakan konsep limit fungsi sehingga proses penurunan sebuah fungsi dapat dilakukan dengan lebih sederhana dan cepat. Bagaimana dengan konsep integral suatu fungsi? Adakah aturan yang dapat dimiliki agar proses integrasi suatu fungsi atau mengembalikan fungsi turunan ke fungsi semula dapat dilakukan dengan cepat?
Alternatif Penyelesaian: Untuk menjawab permasalahan ini, kita akan melakukan beberapa pengamatan pada beberapa contoh turunan dan antiturunan suatu fungsi yang sederhana. Kamu diminta mengamati dan menemukan pola dari proses antiturunan fungsi tersebut. Perhatikan Tabel 12.1
210
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
Tabel 12.1 Pola hubungan turunan dan antiturunan fungsi y = axn Turunan Fungsi (f(x))
Antiturunan Fungsi (F(x))
Pola
1
x
1 1 1 0+1 0 1x = x = x 1 0 +1
2x
x2
2x =
3x2
x3
3x =
8x3
2x4
8x =
25x4
5x5
25 x =
...
...
...
anxn-1
axn
anx
axn
?
1
1
2 2 3 3 8
3
4
4
n -1
a n +1
=
x
2
2
x =
1+ 1 3
3
x =
2 +1 8
3
x = 25 5
a 1
3 +1
5
x =
n
x
x =
1+1
x
2+1
x
3+1
25 4 +1
x
4+1
an ( n − 1) + 1
x
( n -1)+1
n+1
Dari pengamatan pada tabel tersebut, kita melihat sebuah aturan integrasi atau a n +1 n x . pola anti turunan dari turunannya yaitu ∫ ax dx = n +1 Agar kamu dapat melihat kebenaran pola ini, kamu harus memperlihatkan lebih banyak contoh yang melahirkan aturan tersebut seperti pada Tabel 12.1. Kamu lakukan kembali proses yang dilakukan pada Tabel 12.1 pada kegiatan berikut.
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
211
Kegiatan 12.1 Tentukanlah turunan dan antiturunan fungsi-fungsi yang diberikan pada tabel berikut seperti yang dilakukan pada Tabel 12.1 Tabel 12.2 Pola hubungan turunan dan antiturunan beberapa fungsi F(x) Turunan Fungsi (f(x))
Antiturunan Fungsi (F(x))
Pola
...
x10
...
...
x-2
...
...
-3x-12
...
...
-3x5 + 4x-5
...
...
0,5x0,5 - 1,25x1,5 + 2,5x-1,5
...
...
1
...
2x 3 1 2 3 2
1
x3 +
x
-
1 3
−
1 3 2 3
1
x2
x
-
1 2
...
2x-1
...
...
0,55x-1
...
...
212
3 2
x
-1
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
...
Dari hasil pengamatanmu pada Tabel 12.2, dapatkah kamu tentukan syarat n pada y = axn agar pola integrasi tersebut berlaku secara umum? Apa yang kamu peroleh pada tiga baris terakhir pada Tabel 12.2? Tariklah sebuah kesimpulan dari hasil pengamatanmu. Dengan adanya aturan tersebut, proses penyelesaian soal pada Contoh 12.2 dapat lebih sederhana. Kamu amati kembali proses penyelesaian contoh tersebut pada Contoh 12.3 berikut tanpa melihat fungsi asalnya.
Contoh 12.3 Tentukan nilai ∫ 4x3 + 2x2dx. Alternatif Penyelesaian: 4 3+1 2 2 +1 x + x +c ∫ 4x3 + 2x2dx = 3 +1 2 +1 =
4 4
x4 +
2 3
x3 + c
2 3 4 = x + x + c 3 Jadi, dengan menggunakan aturan tersebut, kita tidak perlu mengetahui terlebih dahulu fungsi awalnya, tetapi cukup diketahui fungsi turunannya. Dengan demikian jika F′(x) = 4x3 + 2x2, maka F(x) = x4 + F(x) = x4 +
2 3
2 3
x3 + c
x3 + c
Berdasarkan konsep yang telah kita peroleh pada subbab di atas, setiap hasil integrasi suatu fungsi menghasilkan fungsi dengan konstanta c, bukan? Konstanta c dapat ditentukan nilainya jika diketahui titik awal (initial value) yang dilalui fungsi asal tersebut. Perhatikan contoh berikut!
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
213
Contoh 12.4 1 Jika fungsi F ( x= ) ∫ 3 x 3 + 2 x 2 − x + 1dx melalui titik A(1, − ) maka tentukanlah 12 nilai F(x) Alternatif Penyelesaian:
F ( x= ) ∫ 3 x 3 + 2 x 2 − x + 1dx 3
F ( x= )
4
x4 +
2 3
x3 −
1 2
x2 + x + c
Jika fungsi melalui titik A(1, −
1 12
) artinya F (1) = −
3 2 1 1 F (1) = 14 + 13 − 12 + 1 + c =− 4 3 2 12 23 12
+ c =−
1 12
1 12
sehingga diperoleh:
atau c = –2.
) Jadi, Fungsi tersebut adalah F ( x=
3 4
x4 +
2 3
x3 −
1 2
x2 + x − 2
Dengan demikian, berdasarkan pengamatan pada tabel di atas, kita menarik sebuah kesimpulan akan aturan sebuah integrasi, sebagai berikut:
Sifat 12.4 Untuk n bilangan rasional dengan n ≠ – 1, dan a, c adalah bilangan real maka berlaku aturan: a.
n
∫ x dx =
∫
b. = ax n dx
214
1 n +1
x
n +1
+c
a n +1 x +c n +1
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
Contoh 12.5 Hitunglah integral berikut! 3 a. ∫ 4x dx
b. ∫
1 x2
3 ∫ x dx 1 d. ∫ 3 dx x
c.
dx
Alternatif Penyelesaian 4 3+1 x + c a. ∫ 4x 3 dx = 3 +1 b.
∫
1 x2
= x4 + c
dx = ∫ x −2 dx 1
x −2 +1 + c
=
−1 = −x + c
= −
c.
−2 + 1
1 x
+c
3
3 ∫ x dx = ∫ x 2 dx
=
3
1 3 2
+1
+1
x2
5
=
=
1 2 x 5 2 2 5
x2 x + c
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
215
d.
∫
1 x3
3
dx = ∫ x − 2 dx
=
−
1 3 2
x +1
3 − +1 2
1
1 −2 x 1 − 2 −2 +c = x
=
Sifat 12.5 Jika f(x) dan g(x) merupakan dua fungsi yang dapat diintegralkan dan c, k bilangan real, maka: 1. ∫ dx = x + c 4. ∫ k f(x)dx = k ∫ f(x)dx ∫ [f(x) + g(x)]dx= ∫ f(x)dx + ∫ g(x)dx 2. ∫ k dx = kx + c 5.
3. ∫ x n dx =
x
n+1
n+1
∫ [f(x) - g(x)]dx= ∫ f(x)dx - ∫ g(x)dx + c 6.
Contoh 12.6 Tentukanlah hasil dari a. ∫ 2x 4 x 3 dx b. ∫ ( x + 1) dx 2
x3 − 2 x dx x
c. ∫
216
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
Alternatif Penyelesaian: a.
∫ 2x
4
3
x3 dx = ∫ 2 x 4 .x 2 dx 3
= 2 ∫ x 4 .x 2 dx
= 2 x 4 + 2 dx ∫
= 2 ∫ x 2 dx
3
11
11 +1 1 x 2 + c = 2 11 +1 2 1 132 = 2 x + c 13 2
b.
=
13
x2 +c
2 ∫ ( x + 1) dx = ∫ x + 2 x + 1 dx 2
=
=
c.
13
4
x3 − 2 x ∫ dx = x
1 2 +1 1 3
2
x 2 +1 +
1+1
x1+1 + x + c
x3 + x 2 + x + c
x3
∫
x
− −
2x
dx
x
1
= ∫ x 3 .x
= ∫ x 2 − 2 x 2 dx
5
2
− 2 x.x 1
−
1 2
dx
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
217
=
5
1 5 2
+1
=
=
=
1 2
7
2
+1
x2 −
1
+1
x2 + c
+1
3
1 2 2 2 x − x +c 7 3 2 2 7 2 7
7
x2 −
2 4 3
3
x2 + c
x3 x −
4 3
x x +c
Contoh 12.7 Diketahui biaya marginal (MC) dalam memproduksi suatu barang (Q) setiap bulan adalah merupakan fungsi biaya terhadap banyak produksi barang dengan dC 2Q + 6 . Tentukan fungsi biaya total C dalam satu bulan! = = M C dQ 3 dimana: Q = banyak produksi (Quantity) C = Biaya produksi total (Total Cost) MC = Biaya marginal (Marginal Cost) Alternatif Penyelesaian:
2Q + 6 dQ 3
C(Q) = ∫ = ∫ =
218
2 3
2 3
( Q + 3)dQ
∫ Q + 3 dQ
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
= =
21
2 Q + 3Q + c 32 1 3
Q 2 + 2Q + c
Contoh 12.8 x 2 dy
= − y 2 x dengan y = 1 di Tentukan fungsi y = F(x) dari persamaan diferensial dx x=1 Alternatif Penyelesaian: Langkah 1. Ubah bentuk persamaan diferensial tersebut menjadi:
x 2 dy dx
= − y2 x ⇔
dy x = − 2 dx 2 y x −
3
⇔ y −2 dy = x 2 dx (ingat sifat eksponen)
Langkah 2. Dengan mengintegralkan kedua ruas diperoleh:
⇔
−
3
−2 ∫ y dy = ∫ x 2 dx
3 − +1 1 1 y −2 +1 x 2 +c ⇔ = 3 −2 + 1 − +1 2 1 − ⇔ − y −1 = −2 x 2 + c
1 −2 ⇔ − = +c y x
1 −2 +c Langkah 3. Dengan mensubstitusi titik awal ke − = y x 1 −2 + c atau c = 1. Jadi, fungsi tersebut adalah Karena y = 1 di x = 1 maka − = 1 1 1 −2 x − = + 1 atau y = . y x 2− x Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
219
Sifat 12.6 Misalkan f1 (x),f2 (x),...,fn (x) adalah fungsi yang dapat diintegralkan. Integral tak tentu hasil penjumlahan dua fungsi atau lebih sama dengan integral tak tentu dari masing-masing fungsi, yaitu:
∫ ( f ( x ) + ...+ f ( x ) )dx = ∫ f ( x ) dx + ...+ ∫ f ( x ) dx 1
n
1
n
Contoh 12.9 Tentukan nilai dari
∫ ( 3x
6
− 2 x 2 + 1) dx
Alternatif Penyelesaian:
∫ ( 3x
6
)
∫
∫
∫
− 2 x 2 + 1 dx = 3 3 x 6 dx − 2 x 2 dx + 1dx
3 7 2 3 = 7 x − 3 x + x+C
Contoh 12.10 Carilah nilai f(x) jika f '( x) =x3 − 4 x 2 + 3 dan f(0) = 1 Alternatif Penyelesaian:
∫
3 2 f '( x) =x3 − 4 x 2 + 3 maka f ( x) = x − 4 x + 3 dx
∫
3
2
f ( x) = x − 4 x + 3 dx ⇒ f(x) =
1 4 4 3 x − x + 3 x + c , karena f(0) = 1 4 3
⇒ f(0) = 0 – 0 + 0 + c = 1, berarti c = 1 sehingga f ( x)=
220
1 4 4 3 x − x + 3x + 1 4 3
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
Contoh 12.11 Tentukanlah integral dari fungsi-fungsi berikut! a. F(x) = (x + 2)4 b. F(x) = (2x – 3)5 c. F(x) = (3x – 2)6
1 1 1 1 1 1 F ( x) = + x + x 2 + x3 + x 4 + ... + x n n! 0! 1! 2! 3! 4! e. F(x) = (ax + b)n d.
Alternatif Penyelesaian: Untuk menyelesaian contoh soal berikut, kita harus menjabarkan atau dengan menggunakan Binomial Newton. Untuk itu, ingat kembali prinsip Binomial Newton pada Bab 8. a. F(x) = (x + 2)4 = (x + 2)(x + 2)(x + 2)(x + 2) sehingga diperoleh
F(x) = x4 + 8x3 + 24x2 + 32x + 16
∫ F ( x)dx = ∫ x
∫ F ( x)dx = 5 x
∫ F ( x)dx = 5 x
(Coba kerjakan kembali dengan Binomial Newton)
4
+ 8 x3 + 24 x 2 + 32 x + 16dx (dengan menggunakan Sifat 12.6)
1
5
+
8 4 24 3 32 2 x + x + x + 16 x + c 4 3 2
1
5
+ 2 x 4 + 8 x3 + 16 x 2 + 16 x + c
b. Coba kerjakan dengan menjabarkan berdasarkan definisi perpangkatan dan dengan menggunakan Bonomial Newton (diserahkan kepada siswa) c. Dengan menggunakan Binomial Newton maka diperoleh:
F(x) = (3x – 2)6
6 5 1 F(x) = C06 (3 x)6 (−2)0 + C1 (3 x) (−2) + C26 (3 x) 4 (−2) 2 + C36 (3 x)3 (−2)3 + C46 (3 x) 2 (−2) 4 + C56 (3 x)1 (−2)5 + C66 (3 x)0 (−2)6
5 4 3 F(x) = (1)(729)(1)x 6 + (6)(243)(−2)x + (15)(81)(4)x + (20)(27)(−8)x + (15)(9)(16)x 2 + (6)(3)(−32)x + (1)(1)(64)
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
221
F(x) = 729 x 6 − 2916 x5 + 4860 x 4 − 4320 x3 + 2160 x 2 − 576 x + 64
sehingga dengan menggunakan Sifat 12.6
∫ F ( x)dx = ∫ 729 x
∫ F ( x)dx = 7
729
∫ F ( x)dx=
6
− 2916 x5 + 4860 x 4 − 4320 x3 + 2160 x 2 − 576 x + 64dx
x7 −
2916 6 4860 5 4320 4 2160 3 576 2 x + x − x + x − x + 64 x + c 6 5 4 3 2
729 7 x − 486 x 6 + 972 x5 − 1080 x 4 + 720 x3 − 288 x 2 + 64 x + c 7
d. Dengan menggunakan Sifat 12.6.
1
1
1
∫ F ( x)dx =∫ 0! + 1! x + 2! x
∫ F ( x)dx=
+
1 3 1 4 1 x + x + ... + x n dx n! 3! 4!
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 x+ x + x + x + x + ... + x n +1 1.0! 2.1! 3.2! 4.3! 5.4! (n + 1)n! 1
1
∫ F ( x)dx =1! x + 2! x
2
2
+
1 3 1 4 1 5 1 x + x + x + ... + x n +1 3! 4! 5! (n + 1)!
e. Coba kerjakan kembali dengan Binomial Newton. (diserahkan kepada siswa)
Masalah-12.4 Konsep antiturunan atau integral banyak berperan dalam menyelesaikan permasalahan di bidang Fisika. Pada bidang ini juga banyak diperankan oleh konsep Turunan, contohnya adalah permasalahan kecepatan dan percepatan. Dengan mengingat integral adalah balikan dari turunan, maka dapatkah kamu temukan hubungan konsep turunan dan integral dalam permasalahan kecepatan dan percepatan? Coba kamu tunjukkan peran integrasi pada hubungan besaran tersebut?
Alternatif Penyelesaian: Kita ingat kembali konsep yang telah diuraikan pada pelajaran Turunan pada bab sebelumnya.
222
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
Pergerakan sebuah objek yang semakin menjauhi ataupun semakin mendekati berarti ada terjadi perubahan pergerakan pada lintasan, sehingga kecepatan adalah laju perubahan dari lintasan terhadap perubahan waktu, yaitu:
v(t ) =
ds (t ) atau v(t ) = s '(t ) sehingga s (t ) = v(t )dt dt
∫
Pergerakan dipercepat atau diperlambat berhubungan dengan kecepatan objek tersebut, yaitu terjadi perubahan kecepatan kendaraan. Percepatan adalah laju perubahan kecepatan terhadap perubahan waktu, yaitu:
a (t ) =
dv(t ) (t ) v= '(t ) s ''(t ) sehingga v(t ) = a (t )dt atau a= dt
∫
dimana: t = waktu s(t ) = fungsi lintasan v(t ) = fungsi kecepatan a(t ) = fungsi percepatan
Contoh 12.12 Sebuah partikel diamati pada interval waktu tertentu dan diperoleh data bahwa fungsi percepatan memenuhi pola dengan fungsi a(t) = –2t2 + 3t +1 . Tentukan fungsi lintasan partikel tersebut? Alternatif Penyelesaian: Dengan menggunakan konsep di atas maka:
∫
∫
2 v(t ) = a (t )dt atau v(t ) = −2t + 3t + 1dt
2 3 v(t ) =− t 3 + t 2 + t + c 3 2 kemudian
2 3 3 2 s (t ) = v(t )dt atau s (t ) = − t + t + t + cdt 3 2
∫
∫
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
223
s (= t)
2 3 3 t 4 + 2 t 3 + 1 t 2 + ct + d 4 3 2
−
1 1 1 s (t ) = − t 4 + t 3 + t 2 + ct + d 6 2 2
Uji Kompetensi 12.2 1. Selesaikanlah! 7 7 dy kemudian tentukan x dx dan tentukan 2x dx dx 1 1 − dy b. Jika y = x 2 , carilah kemudian tentukan nilai x 2 dx dan tentukan dx
∫
a. Jika y = x8, carilah
∫
1 2x 2
∫
∫
dx
c. Jika y = 4 x 4 − 2 x 2 , carilah nilai
dy kemudian tentukan dx
4 dy d. Jika y = ( 3 x + 1) , carilah nilai kemudian tentukan dx
e. Jika = y
dy kemudian tentukan 1 − 4 x , carilah nilai dx
∫ (16 x
dx
g.
∫ 20x
dx
h.
∫x
∫ 3x dx
d.
∫ −x
b.
∫ 3x
3
dx
e.
∫x
c.
∫ 5x
4
dx
f.
∫ 28x
224
5
10
27
2 −4
59
)
− 4 x dx
∫ ( 3x + 1) dx 3
∫
2. Selesaikan integral berikut! a.
3
dx
dx
dx
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
1 dx 1 − 4x
3. Tentukan nilai dari
2 3 a. x + dx x
∫
1
b.
∫ 2 x + x
c.
∫ 5x + 3 x
1
2
− x dx 3
4 − dx x
4. Buktikan! a.
∫ [ f ( x) + g ( x)] dx = ∫ f ( x) dx + ∫ g ( x) dx
b.
∫ [ f ( x) − g ( x)] dx = ∫ f ( x) dx − ∫ g ( x) dx
Petunjuk: anggap F(x) merupakan antiturunan dari f(x) dan G(x) merupakan d d ( F ( x) − G ( x) ) antiturunan dari g(x). selanjutnya carilah dx ( F ( x) + G ( x) ) atau dx 5. Tentukan nilai dari a.
∫
3x + 2 dx x
x 2 − 4 x + 10 b. dx x2 x
∫
c.
∫ ( x + 1)
3
dx
6. Selesaikanlah integral berikut!
(
)
a.
∫x
b.
∫ 2 x − x dx
c.
∫ 3x x
x − 1 dx
1
3 2
− 1 dx
d. e. f.
x9 − 3 ∫ x3 dx x2 − 3 ∫ x 2 dx 2 3 ∫ 2 x − x dx
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
225
7. Tentukan nilai y jika
a. dy = 10 d. dy = 4 x 3 + 3 x 2 dx dx 2 dy 1 b. e. dy = x + 2 x − 5 = dx 10 dx x2 c.
dy dy 2 = 2 x 2 − 4 f. = +2 x dx dx x
8. Carilah nilai f(x) dan f(1) = 1 jika a.
f '( x= ) 2x −1
b.
f '(= x)
3
x+
2 x
9. Selesaikanlah persamaan-persamaan diferensial berikut: a. b. c.
dy = 3 x 2 + 4 x − 1 , y = 5 di x = 2 dx dy = dx
( 2 x + 1)4 , y = 6 di x = 0
2 dy = − y 2 x 2 + 2 , y = 1 di x = 0 dx
(
)
10. Tentukan persamaan fungsi implisit F(x, y) = 0 yang melalui titik (2, – 1) dan gradien garis singgung di setiap titik (x, y), pada grafiknya ditentukan persamaan x = y ,y ≠ 0. 4y 11. Tentukan persamaan fungsi f, jika fungsi y = f(x) terdefinisi untuk x > 0 yang melalui titik (4, 0) dan gradien garis singgungnya di setiap titik ditentukan oleh 1 persamaan f (= x) + x. x 12. Tentukan persamaan fungsi f jika grafik fungsi y = f(x) melalui titik (1, 2) dan gradien 1 − 16 x −4 , x ≠ 0 . garis singgung di setiap titiknya ditentukan oleh persamaan y ' = 226
Kelas XI SMA/MA/SMK/MAK
Di unduh dari : Bukupaket.com
13. Sebuah objek berjalan sepanjang suatu garis koordinat menurut percepatan a (dalam centimeter per detik) dengan kecepatan awal v0 (dalam centimeter per detik) dan jarak s0 (dalam centimeter). Tentukanlah kecepatan v beserta jarak berarah s setelah 2 detik. a. a = t, v0 = 2, s0 = 0 b. a = (1 + t ) , v0 = 4, s0 = 6 −3
c. a =
3
2t + 1 , v0 = 0, s0 = 10
d. a = (1 + t ) , v0 = 4, s0 = 0 −3
Projek Kumpulkanlah masalah tentang penerapan integral tak tentu dari fungsi aljabar dalam berbagai bidang maupun masalah nyata yang ada di sekitarmu. Ujilah sifat-sifat dan rumus dasar tentang integral tak tentu di dalam pemecahan masalah tersebut, kemudian buatlah laporan hasil karyamu untuk disajikan di depan kelas.
D. PENUTUP Beberapa hal penting sebagai kesimpulan dari hasil pembahasan materi Integral, disajikan sebagai berikut: 1. Integral merupakan antiturunan, sehingga integral saling invers dengan turunan. 2. Jika F(x) adalah sebuah fungsi dengan F ‘(x) = f(x) dapat dikatakan bahwa a. Turunan dari F(x) adalah f(x) dan b. Antiturunan dari f(x) adalah F(x) 3. Jika F(x) adalah sebarang antiturunan dari f(x) dan C adalah sebarang konstanta, maka F(x) + C juga antiturunan dari f(x). 4. Jika F ‘(x) = f(x) maka
∫ f ( x) dx = F ( x) + C
Matematika
Di unduh dari : Bukupaket.com
227