Sejarah
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.Archimedes mengembangkan pemikiran ini lebih jauh
dan menciptakan heuristik yang menyerupai kalkulus integral
Pada zaman pertengahan, matematikawan
India, Aryabhata, menggunakan konsep kecil tak terhingga pada tahun 499
dan mengekspresikan masalah astronomi dalam bentuk persamaan diferensial
dasar. 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".1000, matematikawan Irak Ibn al-aytham (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. Pada abad ke-12, seorang Persia Sharaf al-Din al-Tusiturunan
dari fungsi kubik, sebuah hasil yang penting dalam kalkulus
diferensial. Pada abad ke-14, Madhava, bersama dengan
matematikawan-astronom dari mazhab astronomi dan matematika Kerala,
menjelaskan kasus khusus dari deret Taylor, yang dituliskan dalam teks Yuktibhasa. Sekitar tahun menemukan
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.Pengaruh 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.
Prinsip-prinsip dasar
Limit dan kecil tak terhingga
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:
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:
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:
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):
Ilmu yang mempelajari definisi, properti, dan aplikasi dari turunan atau kemiringan dari sebuah grafik disebut kalkulus diferensial
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 Euler ini sering digunakan dalam menyelesaikan persamaan diferensial linear.
Notasi Leibniz | Notasi Lagrange | Notasi Newton | Notasi Euler | |
---|---|---|---|---|
Turunan ƒ(x) terhadap x | ƒ′(x) | dengan y = ƒ(x) |
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 tertentu 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 tertentu
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 Δx1, demikian pula lebar subinterval ke-i kita nyatakan sebagai Δxi = xi - xi - 1. Pada tiap-tiap subinterval inilah kita pilih suatu titik sembarang dan pada subinterval ke-i tersebut kita memilih titik sembarang ti. Maka pada tiap-tiap subinterval akan terdapat batangan persegi panjang yang lebarnya sebesar Δx 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)· Δxi 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.
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 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 tixk - 1, ti], kita dapatkan adalah limit dari penjumlahan Riemann apapun pada [ dan pilihan
Secara matematis dapat kita tuliskan:
Apabila tiap-tiap partisi mempunyai sejumlah n subinterval yang sama, maka lebar Δx = (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 Ay=x pada interval [0,b], b>0, maka perhitungan integral tertentu sebagai limit dari penjumlahan Riemannnya adalah dibawah kurva
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 Δx = (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.
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.
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 , 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 Oleh karena lebih praktis, teorema dasar kalkulus sering digunakan untuk mencari nilai integral tertentu.
Sumber
1.
^ Helmer Aslaksen. Why Calculus?
National University of Singapore.
2.
^ Archimedes, Method, in The Works of Archimedes
ISBN
978-0-521-66160-7
3.
^ Aryabhata the
Elder
4.
^ Ian G. Pearce. Bhaskaracharya
II.
5.
^ Victor J. Katz (1995). "Ideas of Calculus in Islam and
India", Mathematics Magazine 68 (3), pp. 163-174.
6.
^ J. L. Berggren (1990). "Innovation and Tradition in
Sharaf al-Din al-Tusi's Muadalat", Journal of the American Oriental
Society 110 (2), pp. 304-309.
7.
^ "Madhava".
Biography of Madhava. School of Mathematics and Statistics University of
St Andrews, Scotland. http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Biographies/Madhava.html.
Diakses pada 13 September 2006.
8.
^ "An
overview of Indian mathematics". Indian Maths. School of
Mathematics and Statistics University of St Andrews, Scotland. http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/HistTopics/Indian_mathematics.html.
Diakses pada 7 Juli 2006.
9.
^ "Science
and technology in free India". Government of Kerala — Kerala
Call, September 2004. Prof.C.G.Ramachandran Nair. http://www.kerala.gov.in/keralcallsep04/p22-24.pdf.
Diakses pada 9 Juli 2006.
10. ^ Charles Whish (1835). Transactions of the Royal Asiatic
Society of Great Britain and Ireland.
11. ^ UNESCO-World
Data on Education isapi.dll?clientID=137079235&infobase=iwde.nfo&softpage=PL
frame
Daftar Pustaka
- Donald A. McQuarrie (2003). Mathematical Methods for Scientists and Engineers, University Science Books. ISBN 978-1-891389-24-5
- James Stewart (2002). Calculus: Early Transcendentals, 5th ed., Brooks Cole. ISBN 978-0-534-39321-2
Tidak ada komentar:
Posting Komentar