Integral Riemann

Dalam cabang matematika yang disebut juga sebagai analisis real, integral Riemann, yang dibuat oleh Bernhard Riemann, adalah definisi bagian pertama suatu integral dari fungsi terhadap selang. Hal tersebut dipresentasikan ke fakultas di Universitas Göttingen pada tahun 1854, namun tidak diterbitkan dalam jurnal sampai tahun 1868.[1] Untuk banyak fungsi dan aplikasi praktis, integral Riemann dievaluasikan dengan teorema dasar kalkulus maupun dengan integrasi numerik.

Integral sebagai luas daerah pada bagian bawah kurva.
Urutan jumlah Riemann pada partisi reguler dari suatu interval. Bilangan diatas adalah total luas persegi panjang, yang konvergensinya ke integral fungsi.
Partisi tidak harus reguler, seperti yang ditunjukkan dibagian ini. Aproksimasi bekerja selama lebar setiap sub-pembagian cenderung ke nol.

Integral Riemann tidak cocok untuk banyak tujuan teoretis. Beberapa kekurangan teknis dalam integral Riemann diperbaiki dengan integral Riemann–Stieltjes, dan sebagian besar menghilang dengan integral Lebesgue, meskipun yang terakhir tidak memiliki perlakuan yang memuaskan untuk integral takwajar. Integral Henstock–Kurzweil adalah generalisasi integral Lebesgue yang sekaligus lebih dekat ke integral Riemann. Teori-teori yang lebih umum ini memungkinkan integrasi fungsi yang lebih "bergerigi" atau "sangat berosilasi" pada bagian integral Riemann yang tidak ada; tetapi teori memberikan nilai yang sama dengan integral Riemann jika memang ada.

Dalam pengaturan pendidikan, integral Darboux menawarkan definisi yang lebih sederhana dan yang lebih mudah digunakan; biasanya digunakan untuk memperkenalkan integral Riemann. Integral Darboux didefinisikan setiap kali pada integral Riemann, dan selalu memberikan hasil yang sama. Sebaliknya, integral Henstock–Kurzweil adalah generalisasi integral Riemann yang sederhana namun lebih kuat dan telah mengarahkan beberapa pendidik untuk menganjurkan bahwa hal itu harus menggantikan integral Riemann dalam kursus kalkulus pengantar.[2]

IkhtisarSunting

Misalkan   merupakan fungsi bernilai real taknegatif pada interval  , dan misalnya

 

sebagai wilayah bidang bawah pada grafik fungsi   dan atas interval   (lihat gambar pada bagian kanan atas). Apabila tertarik untuk mengukur luas  . Setelah mengukurnya, kita akan menunjukkan luas dengan:

 .

Ide dasar integral Riemann adalah menggunakan pendekatan yang sederhana untuk luas  . Dengan mengambil aproksimasi yang lebih baik dan lebih baik, kita mengatakan bahwa "dalam batas" kita mendapatkan luas   yang tepat pada bagian bawah kurva.

Dimana   keduanya bisa menjadi positif dan negatif, definisi   dimodifikasi, sehingga integralnya sesuai dengan luas bertanda pada bagian bawah grafik  : yaitu, luas atas sumbu-  dikurangi luas bawah sumbu- .

DefinisiSunting

Partisi selangSunting

Sebuah partisi selang   adalah barisan bilangan hingga berbentuk

 

Setiap [xi, xi + 1] disebut sub-selang dari partisi. Jaring atau norma partisi didefinisikan sebagai panjang sub-selang terpanjang, yaitu,

 .

Partisi tanda   dari suatu interval   adalah partisi bersama dengan barisan bilangan hingga   bersubjek pada syarat bahwa untuk setiap  ,  . Dengan kata lain, itu adalah partisi bersama dengan titik yang dibedakan dari setiap sub-selang. Jaring partisi yang diberi tag sama dengan partisi biasa.

Misalkan dua partisi   dan   keduanya merupakan partisi dari interval  . Bahwa   adalah penghalusan dari   jika untuk setiap bilangan bulat  , dengan   adalah bilangan bulat   sehingga   dan sehingga   untuk suatu   dengan  . Dengan lebih sederhana, penghalusan partisi tanda memecahkan beberapa sub-selang dan menambahkan tanda ke partisi (jika perlu), sehingga "penghalus" sebagai keakuratan partisi.

Maka, kita dapat mengubah himpunan semua partisi tanda menjadi himpunan berarah dengan satu partisi tanda besar lebih dari atau sama dengan yang lain jika yang pertama adalah penghalusan dari yang terakhir.

Jumlah RiemannSunting

Misalkan   adalah fungsi bernilai real yang didefinisikan pada interval  . Jumlah Riemann dari   berhubung dengan partisi tanda   bersama dengan   adalah[3]

 .

Setiap istilah dalam jumlah adalah darab dari nilai fungsi pada titik tertentu dan panjang interval. Akibatnya, setiap istilah mewakili luas (bertanda) persegi panjang dengan tinggi   dan lebar  . Jumlah Riemann adalah luas (bertanda) dari semua persegi panjang.

Konsep yang terkait adalah jumlah Darboux bawah dan atas. Ini mirip seperti dengan jumlah Riemann, namun tanda diganti dengan infimum dan supremum (masing-masing) dari f untuk setiap sub-selang:

 

Jika   adalah kontinu, maka jumlah Darboux bawah dan atas untuk partisi tak-bertanda sama dengan jumlah Riemann untuk partisi itu, dimana tanda dipilih sebagai minimum atau maksimum (masing-masing)   pada setiap sub-selang? Ketika   terputus dengan sub-selang, mungkin tidak ada tanda yang mencapai infimum atau supremum pada sub-selang tersebut. Integral Darboux yang mirip dengan integral Riemann tetapi berdasarkan jumlah Darboux, setara dengan integral Riemann.

Integral RiemannSunting

Secara khusus, integral Riemann adalah limit dari jumlah Riemann dari suatu fungsi ketika partisi menjadi halus. Apabila limitnya ada, maka fungsi tersebut dikatakan terintegrasi (atau lebih spesifik terintegrasi-Riemann). Jumlah Riemann dapat dibuat sedekat yang diinginkan dengan integral Riemann dengan membuat partisi halus.[4]

Salah satu persyaratan penting adalah bahwa hubungan partisi menjadi lebih kecil dan lebih kecil, sehingga dalam limitnya adalah nol. Jika tidak demikian, maka kita tidak akan mendapatkan aproksimasi yang baik untuk fungsi pada sub-selang tertentu. Sebenarnya, hal ini cukup untuk mendefinisikan integral. Untuk lebih spesifik, dengan menyatakan bahwa integral Riemann dari   sama dengan   jika kondisi berikut berlaku:

Untuk semua  , terdapat   sehingga untuk partisi bertanda   dan   yang hubungannya kurang dari  , maka

 .

Sayangnya, definisi ini sangat sulit digunakan. Hal ini akan membantu untuk mengembangkan definisi yang setara dari integral Riemann yang lebih mudah untuk dikerjakan. Kita mengembangkan definisi ini sekarang, dengan bukti kesetaraan berikut. Definisi baru kita mengatakan bahwa integral Riemann dari   sama dengan   jika syarat berikut berlaku:

Untuk semua  , terdapat partisi bertanda   dan   sehingga untuk setiap partisi bertanda   dan   yang merupakan penghalusan dari   dan  , kita mempunyai

 

Pada akhirnya, kedua hal ini berarti bahwa jumlah Riemann dari   berhubung dengan setiap partisi akan terungkap dekat  . Karena ini benar maupun tidak peduli seberapa dekat kita menuntut jumlah terungkap, kita mengatakan bahwa jumlah Riemann konvergen ke  . Definisi ini sebenarnya merupakan kasus khusus dari konsep yang lebih umum yaitu sebuah jaring.

Seperti yang kita nyatakan sebelumnya, kedua definisi ini adalah ekuivalen. Dengan kata lain,   berfungsi dalam definisi pertama jika dan hanya jika   berfungsi dalam definisi kedua. Untuk menunjukkan bahwa definisi pertama menyatakan definisi kedua, mulailah dengan  , dan pilih   yang memenuhi kondisi. Pilih partisi bertanda yang hubungannya kurang dari  . Jumlah Riemann-nya berada dalam   dari  , dan setiap penghalusan dari partisi ini juga akan memiliki hubungan kurang dari  , jadi jumlah Riemann dari penghalusan juga akan berada dalam   dari  .

Untuk menunjukkan bahwa definisi kedua menyatakan definisi pertama, paling mudah menggunakan integral Darboux. Pertama, satu menunjukkan bahwa definisi kedua setara dengan definisi integral Darboux; untuk ini lihat artikel integral Darboux. Sekarang kita akan menunjukkan bahwa fungsi integral Darboux memenuhi definisi pertama. Menetapkan  , dan pilih partisi   sehingga jumlah Darboux bawah dan atas sehubungan dengan partisi ini berada dalam   dari nilai   integral Darboux. Maka

 .

Jika  , maka   adalah fungsi nol, yang jelas merupakan integral Darboux dan Riemann dengan integral nol. Oleh karena itu, kita akan mengasumsikan bahwa  . Jika  , maka kita memilih   sehingga

 

Jika  , maka kita memilih   kurang dari satu. Pilih partisi bertanda   dan   dengan hubungan lebih kecil dari  . Kita harus menunjukkan bahwa jumlah Riemann berada dalam   dari  .

Untuk melihat ini, pilih selang  . Jika selang ini terdapat dalam beberapa  , maka

 

dimana   dan  , infimum dan supremum dari   pada  . Jika semua selang memiliki sifat ini, maka ini akan menyimpulkan buktinya, karena setiap suku dalam jumlah Riemann akan dibatasi oleh suku yang bersesuaian dalam jumlah Darboux, dan kita memilih jumlah Darboux yang mendekati  . Ini adalah kasus ketika   menjadi bukti yang selesai dalam kasus itu.

Oleh karena itu, kita dapat mengasumsikan  . Dalam hal ini, mungkin salah satu dari   tidak terkandung dalam [yj, yj + 1]. Sebaliknya, hal tersebut mungkin membentang dua selang yang ditentukan oleh  . Hal itu tidak dapat memenuhi tiga interval karena   diasumsikan lebih kecil dari panjang salah satu interval. Dalam simbol, maka

 .

Kita berasumsi bahwa semua pertidaksamaan ketat karena jika tidak, kita berada dalam kasus sebelumnya dengan asumsi panjang  . Ini bisa saja terbukti paling banyak mengkali  .

Untuk menangani kasus ini, kita akan memperkirakan perbedaan antara jumlah Riemann dan jumlah Darboux dengan membagi partisi   di  . Penyebutan   dalam jumlah Riemann dibagi menjadi dua penyebut:

 

Misalkan, tanpa kehilangan keumuman, bahwa  . Maka

 ,

jadi suku ini dibatasi oleh suku yang bersesuaian dalam jumlah Darboux untuk  . Untuk mengikat bentuk lainnya, perhatikan bahwa

 ,

Oleh karena itu, untuk suatu (memang ada)  ,

 .

Karena ini terjadi paling banyak mengkali  , jarak antara jumlah Riemann dan jumlah Darboux paling banyak  . Oleh karena itu, jarak antara jumlah Riemann dan   paling banyak ε.

ContohSunting

Misalkan   sebagai fungsi yang mengambil nilai 1 setiap titik. Setiap jumlah Riemann dari   pada   akan memiliki nilai 1, oleh karena itu integral Riemann dari   pada [0, 1] adalah 1.

Misalkan   sebagai fungsi indikator dari bilangan rasional di  ; yaitu,   mengambil nilai 1 pada bilangan rasional dan 0 pada bilangan irasional. Fungsi ini tidak memiliki integral Riemann. Untuk membuktikan ini, kita akan menunjukkan bagaimana membangun partisi bertanda yang jumlah Riemannnya mendekati nol dan satu secara berurutan.

Untuk memulai, maka   dan   menjadi partisi bertanda (setiap   diantara   dan  ). Pilihlah  .   telah dipilih, dan nilai   tidak dapat diubah pada titik tersebut. Tetapi jika kita memotong partisi menjadi potongan-potongan kecil disekitar  , kita dapat meminimalkan efek  . Kemudian, dengan memilih tanda baru secara hati-hati, kita dapat membuat nilai penjumlahan Riemann berada dalam   dari nol atau satu.

Langkah pertama kita adalah memotong partisi. Ada   dari  , dan ingin efek totalnya kurang dari  . Jika membatasi masing-masing dari mereka ke selang yang panjangnya kurang dari  , maka kontribusi dari setiap   pada jumlah Riemann paling sedikit   dan paling banyak  . Ini setidaknya membuat jumlah total nol dan paling banyak dari  . Jadi δ menjadi bilangan positif yang kurang dari  . Jika kebetulan dua dari   berada dalam δ satu sama lain, pilihlah   lebih kecil. Jika terjadi bahwa beberapa   berada dalam δ dari beberapa xj, dan ti tidak sama dengan  , pilihlah δ lebih kecil. Karena hanya ada   dan  , kita selalu dapat memilih   secukupnya kecil.

Sekarang kita tambahkan dua potongan ke partisi untuk setiap  . Salah satu potongan berada di  , dan yang lainnya akan berada di  . Jika salah satu dari ini meninggalkan selang   maka kita tinggalkan.   akan menjadi tanda yang sesuai dengan sub-selang

 .

Jika   berada tepat diatas salah satunya  , maka kita misalkan   sebagai tanda untuk kedua selang:

  dan  .

Kita harus memilih tanda untuk sub-selang lainnya. Apabila memilih mereka dalam dua cara yang berbeda. Cara pertama adalah selalu memilih tititk rasional, sehingga jumlah Riemann sebesar mungkin. Ini akan membuat nilai jumlah Riemann setidaknya  . Cara kedua adalah selalu memilih titik irasional, sehingga jumlah Riemann sekecil mungkin. Ini akan membuat nilai jumlah Riemann banyak  .

Karena baru memulai dari partisi sembarang dan berakhir sedekat yang diinginkan dengan nol atau satu, salah satunya salah untuk mengatakan bahwa akhirnya terjebak dekat suatu bilangan  , maka fungsi ini tidak diintegrasikan Riemann. Namun, ini adalah integral Lebesgue. Dalam pengertian Lebesgue integralnya adalah nol, karena fungsinya adalah nol hampir di mana-mana. Tapi ini adalah fakta yang berada di luar jangkauan integral Riemann.

Ada contoh yang buruk lagi.   setara (yaitu, hampir sama di semua tempat) dengan fungsi integral Riemann, tetapi ada fungsi-fungsi hingga tak-terintegrasi Riemann yang tak-ekuivalen dengan fungsi-fungsi tak-terintegrasi Riemann mana pun. Misalnya,   menjadi himpunan Smith–Volterra–Cantor, dan   menjadi fungsi indikatornya. Karena   tak-terukur Jordan, maka   tidak dapat diintegrasikan Riemann. Selain itu, tidak ada fungsi   yang setara dengan   yang dapat diintegrasikan Riemann:  , seperti   yang harus nol pada himpunan rapat, jadi seperti pada contoh sebelumnya, setiap jumlah Riemann dari   memiliki penghalusan yang berada dalam   dari 0 untuk bilangan positif suatu  . Tetapi jika integral Riemann dari   memang ada, maka ia harus sama dengan integral Lebesgue dari  , yaitu  . Oleh karena itu,   tidak dapat diintegrasikan Riemann.

Konsep serupaSunting

Sangat populer untuk mendefinisikan integral Riemann sebagai integral Darboux. Ini karena integral Darboux secara teknis lebih sederhana dan karena suatu fungsi dapat terintegral (secara) Riemann jika dan hanya jika terintegral (secara) Darboux.

Beberapa buku kalkulus tidak menggunakan partisi bertanda umum, tetapi limit-diri pada jenis tertentu dari partisi bertanda. Jika jenis partisi memiliki banyak limit, beberapa fungsi tak-terintegralkan mungkin tampak terintegralkan.

Salah satu limit terkenal adalah penggunaan jumlah Riemann "-kiri" dan "-kanan". Dalam jumlah Riemann kiri,   untuk semua i, dan dalam jumlah Riemann kanan,   untuk semua  . Pembatasan ini saja tidak menimbulkan masalah: dapat diperbaiki partisi dengan cara menjadikannya jumlah kiri atau kanan dengan membagi setiap ti. Dalam bahasa formal, himpunan dari semua jumlah Riemann kiri dan himpunan dari semua jumlah Riemann kanan adalah kofinal pada himpunan semua partisi bertanda.

Batasan terkenal lainnya adalah penggunaan sub-pembagi reguler dari suatu selang. Misalnya, subdivisi reguler ke-  dari   terdiri dari interval

 .

Sekali lagi, batasan ini hanya saja tidak menimbulkan masalah, tetapi penalaran yang diperlukan untuk melihat penyesuaian ini lebih sulit daripada dalam kasus penjumlahan Riemann kiri dan kanan.

Namun, menggabungkan batasan ini, sehingga hanya menggunakan jumlah Riemann kiri atau tangan kanan pada selang bertanda reguler, adalah bahaya. Jika suatu fungsi diketahui sebelumnya sebagai integral Riemann, maka teknik ini akan memberikan nilai integral yang benar. Tetapi pada kondisi ini fungsi indikator   akan tampak terintegralkan pada   dengan integral sama dengan satu: Setiap titik akhir dari setiap sub-selang akan menjadi bilangan rasional, jadi fungsi dievaluasi pada bilangan rasional, dan karena itu akan tampak selalu sama dengan satu. Masalah dengan definisi ini menjadi jelas ketika kita mencoba membagi integral menjadi dua bagian. Persamaan berikutnya berlaku:

 .

Jika kita menggunakan pembagian biasa dan jumlah Riemann kiri atau kanan, maka dua suku sebelah kiri sama dengan nol, karena setiap titik akhir kecuali 0 dan 1 akan irasional, tetapi seperti yang telah kita lihat, suku sebelah kanan akan sama dengan 1.

Seperti yang didefinisikan di atas, integral Riemann menghindari masalah ini dengan tidak menggunakan untuk mengintegrasikan   Integral Lebesgue didefinisikan sedemikian rupa sehingga semua integral ini adalah 0.

SifatSunting

LinearitasSunting

Integral Riemann adalah transformasi linear; yaitu, jika   dan   terintegralkan dengan Riemann pada   dan   dan   adalah konstanta, maka

 .

Karena integral Riemann dari suatu fungsi adalah bilangan, ini membuat integral Riemann menjadi fungsional linear pada ruang vektor dari fungsi integral Riemann.

Lihat pulaSunting

CatatanSunting

  1. ^ Integral Riemann diperkenalkan dalam makalah Bernhard Riemann "Über die Darstellbarkeit einer Function durch eine trigonometrische Reihe" (terjemahan: Tentang keterwakilan suatu fungsi oleh deret trigonometri; yaitu, ketika suatu fungsi diwakili oleh deret trigonometri). Makalah ini diajukan ke Universitas Göttingen pada tahun 1854 sebagai Habilitationsschrift oleh Riemann (kualifikasi untuk menjadi instruktur). Yang diterbitkan pada tahun 1868 di Abhandlungen der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen (Prosiding Royal Philosophical Society di Göttingen), vol. 13, halaman 87-132. (Tersedia online disini.) Untuk definisi Riemann tentang integralnya, lihat bagian 4, "Über den Begriff eines bestimmten Integrals und den Umfang seiner Gültigkeit" (terjemahan: Tentang konsep integral tertentu dan tingkatan validitasnya), halaman 101-103.
  2. ^ "An Open Letter to Authors of Calculus Books". Diakses tanggal 27 Februari 2014. 
  3. ^ Krantz, Steven G. (1991). Real Analysis and Foundations. CRC Press. hlm. 173. ; 2005 edition. ISBN 9781584884835. 
  4. ^ Taylor, Michael E. (2006). Measure Theory and Integration. American Mathematical Society. hlm. 1. ISBN 9780821872468. 

ReferensiSunting

  • Shilov, G. E., and Gurevich, B. L., 1978. Integral, Measure, and Derivative: A Unified Approach, Richard A. Silverman, trans. Dover Publications. ISBN 0-486-63519-8.
  • Apostol, Tom (1974), Mathematical Analysis, Addison-Wesley 

Pranala luarSunting

Templat:Integral Templat:Bernhard Riemann