Deret geometrik

jumlah dari( tidak terbatas ) perkembangan geometri

Artikel ini berisi tentang deret geometri takhingga. Untuk penjumlahan terhingga, lihat barisan geometri.

Setiap dari persegi berwarna ungu memiliki dari luas persegi besar berikutnya . Penjumlahan dari luas persegi berwarna ungu adalah sepertiga dari luas persegi besar.
Deret geometri lain (skala umum dan rasio umum ) ditunjukkan sebagai luas persegi berwarna ungu. Total luas berwarna ungu adalah , yang bisa dikonfirmasi dengan mengamati bahwa di luar persegi dipartisi menjadi sebuah jumlah tak terhingga luas berbentuk L masing-masing empat persegi berwarna ungu dan empat persegi berwarna kuning, yang setengah berwarna ungu.

Dalam matematika, sebuah deret geometrik adalah sebuah deret dengan sebuah rasio konstanta antara suku yang berurutan. Sebagai contoh, deret

adalah geometrik, karena setiap suku yang berurutan bisa diperoleh dengan mengalikan suku sebelumnya oleh .

Deret geometrik termasuk contoh yang paling sederhana dari deret tak terhingga dengan penjumlahan hingga, meskipun tidak semua dari mereka memiliki sifat ini. Menurut sejarah, deret geometrik memainkan peran penting dalam pengembangan kalkulus sebelumnya, dan mereka melanjutkan menjadi pusat dalam studi konvergensi deret. Deret geometris digunakan di seluruh matematika, dan mereka memiliki penerapan penting dalam fisika, teknik, biologi, ekonomi, ilmu komputer, teori antrean, dan keuangan.

Rasio umumSunting

 
Konvergensi dari deret geometrik dengan   dan  
 
Konvergensi dari deret geometrik dengan   dan  

Isrilah dari sebuah deret geometrik membentuk sebuah progresi geometrik, artinya rasio dari suku yang berurutan dalam deret adalah konstanta. Hubungan ini memungkinkan untuk mewakili dari sebuah deret geometrik menggunakan hanya dua suku,   dan  . suku   adalah rasio umum, dan   adalah suku pertama dari deret. Sebagai sebuah contoh deret geometrik diberikan dalam pendahuluan;

 

hanya dapat ditulis sebagai

  , dengan   dan  .

Tabel berikut menunjukkan beberapa deret geometrik dengan

Suku awal,   Rasio umum,   Contoh deret
     
     
     
     
     
     

Perilaku dari suku tergantung pada rasio umum  .

  • Jika   diantara   dan  , suku dari deret mendekati nol dalam limit (menjadi lebih kecil dan lebih kecil, lihat ukurannya), dan deret konvergen dengan sebuah penjumlahan. Dalam kasus di atas, dimana   adalah  , deretnya konvergen dengan  .
  • Jika   lebih besar daripada satu atau lebih kecil daripada negatif satu, suku dari deret menjadi lebih besar dan lebih besar dalam ukurannya. Jumlah dari suku juga menjadi lebih besar dan lebih besar, dan deretnya tidak memiliki penjumlahan (deretnya divergen.)
  • Jika   sama dengan satu, semua suku dari deret akan sama. Deretnya divergen.
  • Jika   adalah negatif satu, sukunya mengambil dua nilai secara bergantian (sebagai contoh,  ). Penjumlahan dari sukunya berkisar antara dua nilai (sebagai contoh,  ). Ini adalah berbagai jenis divergen dan lagi deretnya tidak memiliki jumlah. Lihat misalnya deret Grandiː  ː

JumlahSunting

Jumlah dari sebuah deret geometrik adalah hingga selama nilai absolut dari rasio kurang dari 1, karena bilangan mendekati nol, mereka menjadi sangat kecil, memungkinkan sebuah penjumlahan untuk dihitung meskipun deretnya mengandung suku banyak yang takhingga.

ContohSunting

 
Derivasi visual dari penjumlahan suku takhingga dari sebuah deret geometrik

Tinjau penjumlahan dari deret geometrik berikut ini

 .

Deret ini memiliki rasio  . Jika kita mengalikan melalui oleh rasio ini, maka awalnya   menjadi  ,   menjadi  , dan begitu seterusnyaː

 .

Deret baru ini sama dengan aslinya, kecuali bahwa suku pertama menghilang. Mengurangi deret baru   dengan deret asli   membatalkan setiap suku dalam aslinya tetapi pertamanya,

 

Sebuah teknik yang serupa bisa digunakan untuk mengevaluasi setiap ekspresi serupa diri.

RumusSunting

 
Turunan geometrik berikut dari   mulai dengan mewakili suku-suku dari deret geometrik   sebagai luas persegi bertindih,   masing-masing. Setiap luas persegi bertindih   memiliki luas berbentuk L tak bertindih  . Oleh karena itu,   atau  . Dengan kata lain, setiap luas persegi bertindih bsa ditransformasi menjadi sebuah luas ekuivalen berbentuk L tak bertindih dengan penskalaan bahwa sebuah faktor dari  . Diberikan bahwa penjumlahan dari semua luas berbentuk L tidak berskala adalah   (karena mereka mempartisi persegi satuan), penjumlahan dari semua luas berbentuk L berskala oleh   juga harus  , di mana penjumlahan dari semua suku dari deret geometrik. Sebuah skala umum untuk mendapatkan benetuk yang lebih umum dari rumus bentuk tertutup,  , di mana diturunkan untuk rentang   tetapi bisa diperpanjang hingga rentang   dengan menerapkan rumus yang diturunkan secara terpisah menjadi dua partisi dari deret geometrikː salah satu dengan pangkat genap   (yang tidak bisa negatif) dan lainnya dengan pangkat ganjil   (yang bisa negatif). Jumlah dari dua partisi adalah  .
 
Berikut ini adalah sebuah turunan geometrik dari rumus untuk deret geometrik parsial   dengan rasio  . Setiap suku dari deret   diwakli oleh luas dari persegi bertindih   yang dapat berubah menjadi luas berbentuk ;. Setiap luas berbentuk L  , yang ekuivalen dengan  , atau  . Oleh karena itu,  , jumlah dari   pada   ke   sama dengan jumlah dari   pada   ke  . Catat bahwa tak berskala   pada   ke   hanya sebuah partisi   kurang takik dari kanan atas luas  ,  . Menerapkan sebuah skala   ke semua hasil jumlah bertindih dan luas tak bertindih dalam  .

Untuk  , jumlah dari suku pertama   dari sebuah deret geometrik adalah

 

dimana   adalah suku pertama dari deret, dan   adalah rasio. Salah satunya bisa menurunkan rumus untuk penjumlahan,  , sebagai berikutː


Karena   mendekati tak terhingga, nliai absolut   harus lebih kecil dari satu untuk deret ke konvergen. Penjumlahannya kemudian menjadi


Ketika  , ini bisa disederhanakan menjadi

 ,

sisi kiri menjadi sebuah deret geometrik dengan rasio  .

Rumusnya juga berlaku untuk kompleks  , dengan pembatasan yang sesuai, modulus   sangat kurang dari satu.

Bukti kekonvergenanSunting

Kita bisa membuktikan bahwa deret geometrik konvergen menggunakan rumus penjumlahan untuk sebuuah barisan geometrikː

 

Karena

 

Kekonvergenan dari deret geometrik bisa juga didemonstrasikan dengan menulis deret sebagai sebuah deret teleskopik yang setara,

 .

Perhatikan bahwa


Dengan demikian,

 .

Jika

 ,

maka

 .

Jadi   konvergen dengan

 .

PenerapanSunting

Desimal berulangSunting

Sebuah desimal berulang dapat dianggap sebagai sebuah deret geometrik yang rasio adalah satu pangkat  . Sebagai contohː

 .

Rumus untuk penjumlahan dari sebuah deret geometrik bisa digunakan untuk mengubah desimal menjadi sebuah pecahan,

 .

Rumusnya bekerja tidak hanya untuk sebuah angka tunggal berulang, tetapi juga untuk sebuah kelompok angka berulang. Sebagai contohː

 .

Perhatikan bahwa setiap deret dari desimal berulang yang berulang juga dapat dengan mudah disederhanakan dengan berikut iniː

 .
 .
 .

Artinya, sebuah desimal berulang dengan panjang berulang   sama dengan hasil bagi dari bagian berulang (sebagai sebuah bilangan bulat) dan  .

Kuadratur Archimedes dari parabolaSunting

 
Pemisahan Archimedes dari sebuah segmen parabolik menjadi tak terhingga banyaknya segitiga

Archimedes mengunakan jumlah dari sebuah deret geometrik untuk menghitung luas tertutup oleh sebuah parabola dan sebuah garis lurus. Metodenya memisahkan luas menjadi sebuah jumlah segitiga yang tak terhingga.

Teorema Archimedes menyatakan bahwa total luas di bawah parabola adalah 4/3 dari luas segitiga berwarna biru.

Archimedes menentukan bahwa setiap segitiga berwarna hijau memiliki 1/8 luas dari segitiga berwarna biru, setiap segitiga berwarna kuning memiliki 1/8 luas dari sebuah segitiga berwarna hijau, dan seterusnya.

Mengasumsikan bahwa segitiga berwarna biru memiliki luas  , total luas dari sebuah penjumlahan takhingga

 .

Suku pertama mewakili luas dari segitiga berwarna biru, suku kedua mewakili luas dari dua segitiga berwarna hijau, suku ketiga mewakili luas dari empat segitiga berwarna kuning, dan seterusnya. Menyederhanakan pecahan-pecahan memberikan

 .

Ini adalah sebuah deret geometrik dengan rasio   dan bagian pecahan sama dengan

 .

Penjumlahan dari

 .

Perhitungan ini menggunakan metode kelelahan, sebuah versi sebelumnya integrasi. Menggunakan kalkulus, luas yang sama bisa ditemukan oleh sebuah integral tentu.

Geometri fraktalSunting

 
Interior dari kepingan salju Koch adalah sebuah gabungan dari banyaknya segitiga tak terhingga.

Dalam studi fraktal, deret geometrik seringkali muncul sebagai keliling, luas, atau volume dari sebuah gambar yang serupa diri.

Sebagai contoh, luas dalam kepingan salju Koch bisa dijelaskan sebagai gabungan dari banyaknya segitiga sama sisi tak terhingga (lihat gambar). Setia sisi dari segitiga berwarna hijau tepatnya 1/3 ukuran dari sebuah sisi dari segitiga besar berwarna biru, dan karena itu tepat 1/9 luas. Demikian pula, setiap segitiga berwarna kuning memiliki 1/9 luas dari sebuah segitiga berwarna hijau, dan seterusnya. Mengambil segitiga berwarna biru sebagai sebuah satuan luas, total area dari kepingan salju adalah

 .

Suku pertama dari deret ini mewakili luas dari segitiga berwarna biru, suku kedua , total luas dari tiga segitiga berwarna hijau, suku ketiga, total luas dari duabelas segitiga kuning, dan seterusnya. Tidak termasuk awalnya  , deret ini adalah geometrik dengan rasio konstanta  . Suku pertama dari deret geometrik adalah  , jadi jumlah dari

 .

Dengan demikian, kepingan salju Koch memiliki 8/5 luas dari segitiga alas.

Paradoks ZenoSunting

Kekonvergenan dari sebuah deret geometrik mengungkapkan bahwa sebuah penjumlahan dari sebuah bilangan takhingga yang dijumlahkan memang bisa terbatas, dan juga memungkinkan salah satu untuk menyelesaikan banyaknya paradonks Zeno.. Sebagai contoh, paradoks dikotomi Zeno menyatakan bahwa gerakan itu tidak mungkin, sebagai salah satu bisa dibagi setiap lintasan yang hingga menjadi sebuah bilangan takhingga dari langkah-langkah dimana setiap langkah diambil menjadi setengah jarak yang tersisa. Kesalaan Zeno ada dalam asumsi bahwa jumlah dari sebuah bilangan takhingga dari langkah-langkah terhingga tidak bisa terhingga. Ini tentu saja tidak benar, sebagaimana dibuktikan oleh kekonvergenan dari deret geometrik dengan  .

Ini, bagaimanpun, bukanlah resolusi lengkap untuk paradoks dikotomi Zeno. Tegasnya, kecuali kita memungkinkan untuk waktu bergerak mundur, dimana ukuran langkah mulia dengan   dan mendekati nol sebagai limit, deret takhingga ini jika tidak harus dimulai dengan sebuah langkah sangat kecil. Memperlakukan infinitesimal dalam cara ini biasanya bukan sesuatu yang didefinisikan secara matematis dengan ketat, diluar Kalkulus Nonstandar. Jadi, meskipun benar bahwa di seluruh penjumlahan takhingga menghasilkan sebuah bilangan terhingga, kita tidak dapat menciptakan sebuah pengurutan sederhana dari suku-suku ketika dimulai dari sebuah infintesimal, dan karena itu kita tidak cukup emenggambarkan langkah pertma dari setiap aksi yang diberikan.

EuklidSunting

Buku IX, Proposisi 35[1] Euclid's Elements mengekspresikan jumlah parsial dari sebuah deret geometrik dalam suku anggota-anggota dari deret. Itu setara dengan rumus modern.

Ilmu ekonomiSunting

Dalam ilmu ekonomi, deret geometrik digunakan untuk mewakili nilai kini dari sebuah anuitas (jumlah uang untuk dibayar dalam interval-interval reguler).

Sebagai contoh, misalkan bahwa sebuah pembayaran $100 akan dibuat untuk pemiliknya dari anuitas sekali setahun (di akhir tahun) dalam perpetuitas. Menerima $100 setahun dari sekarang kurang berharga daripada $100 langsung, karena salah satu tidak bisa menginvetasi uang hingga salah satu menerimanya. Khususnya, nilai kini $100 setahun ke depan adalah  , dimana   adalah suku bunga tahunan.

Demikian pula, pembayaran $100 dua tahun ke depan memiliki nilai saat ini   (kuadrat karena bunga dua tahun hilang dengan tidak menerima uang sekarang). Karena itu, nilai kini dari menerima uang $100 per tahun dalam perpetuitas adalah

 ,

yang merupakan deret takhinggaː

 .

Ini adalah deret geometrik dengan rasio  . Jumlah dari suku pertama dibagi dengan (dikurangi satu rasio).

 .

Sebagai contoh, jika suku bunga tahunan 10% ( ), maka seluruh anuitas memiliki sebuah nilai kini  .

Perhitungan semacam ini digunakan untuk menghitung tingkat persentase tahunan dari sebuah pinjaman (seperti kredit peminjaman rumah).

Deret pangkat geometrikSunting

Rumus untuk sebuah deret geometrik

 

bisa diartikan sebagai sebuah deret pangkat dalam pengertian teorema Taylor, konvergen dimana  . Dari ini, salah satu dapat mengekstrapolasi untuk mendapatkan deret pangkat lainnya. Sebagai contoh,

 

Dengan mendiferensiasikan deret geometrik, salah satunya mendapatkan varian[2]

 .

Diperoleh serupaː

  , dan
 .

Lihat pulaSunting

Deret geometrik spesifikSunting

  • Deret Grandiː 1 − 1 + 1 − 1 + ⋯
  • 1 + 2 + 4 + 8 + ⋯
  • 1 − 2 + 4 − 8 + ⋯
  • 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + ⋯
  • 1/2 – 1/4 + 1/8 – 1/16 + ⋯
  • 1/4 + 1/16 + 1/64 + 1/256 + ⋯
  • Sebuah deret geometrik adalah sebuah deret satuan (deret penjumlahan konvergen denfan 1) jika dan hanya jika   dan   (setara dengan bentuk yang lebih dikenal   ketika  ). Karena itu, sebuah deret selang-seling juga sebuah deret satuan   dan   (sebagai contoh, skala   dan rasio  ).
  • Suku dari sebuah deret geometrik juga suku dari sebuah urutan Fibonacci yang digeneralisasi (  tetapi tanpa membutuhkan   dan  ) ketika sebuah rasio deret geometrik    sama dengan rasio emas (yaitu rasio  ).
  • Satu-satu deret geometrik yang adalah sebuah deret satuan dan juga memiliki suku-suku dari sebuah barisan Fibonacci yang digeneralisasi memiliki rasio emas sebagai skalanya   dan konjugasinya rasio emas sebagai rasionya   (yaitu   dan  ). Itu adalah sebuah deret satuan karena   dan  , itu adalah sebuah barisan Fibonacci yang digeneralisasi karena  , dan itu adalah sebuah deret selang-seling karena  .

ReferensiSunting

  1. ^ . Ma
  2. ^ Worl

 

  • Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, p. 10, 1972.
  • Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 278–279, 1985.
  • Beyer, W. H. CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, p. 8, 1987.
  • Courant, R. and Robbins, H. "The Geometric Progression." §1.2.3 in What Is Mathematics?: An Elementary Approach to Ideas and Methods, 2nd ed. Oxford, England: Oxford University Press, pp. 13–14, 1996.
  • Pappas, T. "Perimeter, Area & the Infinite Series." The Joy of Mathematics. San Carlos, CA: Wide World Publ./Tetra, pp. 134–135, 1989.
  • James Stewart (2002). Calculus, 5th ed., Brooks Cole. ISBN 978-0-534-39339-7
  • Larson, Hostetler, and Edwards (2005). Calculus with Analytic Geometry, 8th ed., Houghton Mifflin Company. ISBN 978-0-618-50298-1
  • Roger B. Nelsen (1997). Proofs without Words: Exercises in Visual Thinking, The Mathematical Association of America. ISBN 978-0-88385-700-7
  • Andrews, George E. (1998). "The geometric series in calculus". The American Mathematical Monthly. Mathematical Association of America. 105 (1): 36–40. doi:10.2307/2589524. JSTOR 2589524. 

History and philosophySunting

  • C. H. Edwards, Jr. (1994). The Historical Development of the Calculus, 3rd ed., Springer. ISBN 978-0-387-94313-8.
  • Swain, Gordon and Thomas Dence (April 1998). "Archimedes' Quadrature of the Parabola Revisited". Mathematics Magazine. 71 (2): 123–30. doi:10.2307/2691014. JSTOR 2691014. 
  • Eli Maor (1991). To Infinity and Beyond: A Cultural History of the Infinite, Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02511-7
  • Morr Lazerowitz (2000). The Structure of Metaphysics (International Library of Philosophy), Routledge. ISBN 978-0-415-22526-7

EconomicsSunting

  • Carl P. Simon and Lawrence Blume (1994). Mathematics for Economists, W. W. Norton & Company. ISBN 978-0-393-95733-4
  • Mike Rosser (2003). Basic Mathematics for Economists, 2nd ed., Routledge. ISBN 978-0-415-26784-7

BiologySunting

  • Edward Batschelet (1992). Introduction to Mathematics for Life Scientists, 3rd ed., Springer. ISBN 978-0-387-09648-3
  • Richard F. Burton (1998). Biology by Numbers: An Encouragement to Quantitative Thinking, Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57698-7

Computer scienceSunting

  • John Rast Hubbard (2000). Schaum's Outline of Theory and Problems of Data Structures With Java, McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-137870-3

Pranala luarSunting