Jumlah Riemann

Dalam matematika, jumlah Riemann adalah salah satu jenis aproksimasi/hampiran integral menggunakan metode penjumlahan terbatas. Nama metode ini berasal dari seorang ahli matematika Jerman di abad ke-19 bernama Bernhard Riemann.[1] Salah satu aplikasi jumlah Riemann yang sangat umum digunakan adalah penghampiran luas daerah suatu fungsi atau garis pada grafik, panjang kurva, dan perkiraan lainnya.

Empat metode penjumlahan Riemann untuk memperkirakan luas daerah di bawah kurva. Metode kanan dan kiri memperkirakan luas masing-masing menggunakan titik akhir kanan dan kiri subinterval. Metode maksimum dan minimum memperkirakan luas masing-masing menggunakan nilai titik akhir terbesar dan terkecil subinterval. Nilai-nilai penjumlahan konvergen ketika subinterval membagi dua dari kiri atas ke kanan bawah.

Jumlah Riemann dihitung dengan mempartisi (membagi) daerah yang ingin dihitung menjadi beberapa keping dengan bentuk tertentu (persegi panjang, trapesium, parabola, atau kubik). Luas dari semua kepingan tersebut kemudian dihitung dan dijumlahkan.[2] Metode ini dapat digunakan untuk menentukan aproksimasi numerik integral tentu, bahkan ketika teorema dasar kalkulus membuatnya tidak mudah untuk menemukan solusi bentuk tertutup .

Karena kepingan-kepingan kecil tersebut tidak selalu tepat menutupi semua daerah yang diukur, luas daerah yang dihitung menggunakan jumlah Riemann akan berbeda dari luas sebenarnya. Kesalahan ini dapat diminimalisasi dengan membagi wilayah menjadi kepingan yang lebih kecil dalam jumlah yang lebih banyak. Saat kepingan semakin kecil, luas yang didapat melalui hampiran ini akan semakin mendekati integral Riemann.[3]

DefinisiSunting

Apabila diberikan   sebagai fungsi yang didefinisikan pada interval tertutup   bilangan real  ,

 ,

sebagai partisi dari interval I, dan

 ,

maka jumlah Riemann   dari f pada interval I dengan partisi P didefinisikan sebagai

 

dengan   dan  .[4] Berapapun nilai titik wakil   tidak begitu penting karena lebar dari   mendekati nol. Dengan kata lain, anda dapat memilih titik wakil   berapapun selama nilai yang anda pilih masih berada pada interval   atau  . Jumlah Riemann fungsi f yang didefinisikan pada interval I dan partisi tetap P bernilai sama dan tidak bergantung pada berapa nilai   yang dipilih.[5]

Beberapa jenis jumlah RiemannSunting

Terdapat beberapa jenis jumlah Riemann, tergantung pada bagaimana cara memilih titik wakil  :

  • Jika   untuk semua i, maka S disebut aturan kiri[6][7] atau jumlah Riemann kiri.
  • Jika   untuk semua i, maka S disebut aturan kanan[6][7] atau jumlah Riemann kanan.
  • Jika   untuk semua i, maka S disebut aturan titik tengah[6][7] atau jumlah Riemann tengah.
  • Jika   (supremum f pada interval  ), maka S didefinisikan sebagai jumlah Riemann atas atau jumlah Darboux atas.
  • Jika   (infimum f pada interval  ), maka S didefinisikan sebagai jumlah Riemann bawah atau jumlah Darboux bawah.

Semua metode ini merupakan cara-cara paling sederhana untuk menentukan integrasi numerik. Sebuah fungsi dapat dihitung menggunakan integral Riemann apabila besar jumlah Riemann semakin mendekati suatu nilai tertentu seiring dengan semakin banyaknya partisi.

MetodeSunting

Metode-metode penjumlahan Riemann biasanya paling baik dihampiri dengan partisi berukuran sama. Oleh karena itu, interval [ ,  ] dibagi menjadi   subinterval, masing-masing panjangnya[8]

 

Titik-titik di partisi akan menjadi

 

Jumlah Riemann kiri[9]Sunting

 
Jumlah Riemann kiri x3 pada interval [0,2] menggunakan 4 subdivisi

Untuk jumlah Riemann kiri, aproksimasi fungsi dihitung menggunakan nilai pada titik ujung kiri dari beberapa persegi panjang dengan alas Δx dan tinggi f(a + iΔx). Menggunakan metode ini dengan i = 0, 1, ..., n - 1 dan menambahkan area yang dihasilkan akan memberi

 

Jumlah Riemann kiri akan terlalu besar jika f menurun secara monoton pada interval yang ditentukan dan terlalu kecil jika f meningkat secara monoton.

Jumlah Riemann kanan[9]Sunting

 
Jumlah Riemann kanan x3 pada interval [0,2] menggunakan 4 subdivisi

Pada metode Riemann kanan, f dihampiri menggunakan nilai pada titik ujung kanan dari beberapa persegi panjang yang memiliki alas Δx dan tinggi f(a + iΔx). Menggunakan metode ini dengan i = 1, ..., n kemudian menjumlahkan semua luas persegi panjang akan menghasilkan

 

Besar jumlah Riemann akan terlalu terlalu kecil jika f menurun secara monoton dan terlalu besar jika f meningkat secara monoton. Galat dari metode ini adalah

  ,

dengan   adalah nilai maksimum dari nilai absolut   pada interval yang ditentukan.

Aturan Riemann tengah[9]Sunting

 
Jumlah Riemann tengah x3 pada interval [0,2] menggunakan 4 subdivisi

Hampiran f pada titik tengah interval memberikan f(a + Δx/2) untuk interval pertama, f(a + 3Δx/2) untuk interval berikutnya, dan seterusnya hingga f(b - Δx/2). Menjumlahkan semua persegi panjang memberi

  .

Galat dari metode ini adalah

  ,

dengan   adalah nilai maksimum dari nilai mutlak   pada interval.

Aturan trapesium[10]Sunting

 
Jumlah Riemann trapesium pada interval [0,2] menggunakan 4 subdivisi

Pada metode ini, nilai-nilai fungsi f pada suatu interval dihampiri dengan nilai rata-rata dari titik akhir kiri dan kanan. Penghitungan menggunakan rumus luas trapesium

 

dengan sisi paralel b1, b2 dan tinggi h menghasilkan

 

Galat dari rumus ini adalah

 

dengan   adalah nilai maksimum dari nilai absolut  .

Hampiran yang diperoleh menggunakan aturan trapesium untuk suatu fungsi sama dengan rata-rata jumlah Riemann kiri dan kanan dari fungsi tersebut.

Hubungan dengan integrasiSunting

Pada jumlah Riemann satu dimensi dengan domain  , ukuran partisi yang semakin kecil hingga mendekati nol akan menyebabkan jumlah Riemann mendekati (konvergen) sebuah nilai tertentu. Nilai limit yang didasarkan pada kondisi ini dapat didefinisikan sebagai integral Riemann dari sebuah fungsi pada domain tertentu,[11]

 

Pada domain berhingga, ukuran elemen partisi yang menyusut ke nol berarti jumlah elemen partisi mencapai tak hingga. Pada partisi dengan jumlah berhingga, jumlah Riemann akan selalu menjadi hampiran terhadap nilai limit. Hampiran ini akan menjadi lebih akurat apabila partisi semakin kecil dan banyak. Animasi berikut mampu menggambarkan bagaimana partisi yang semakin banyak dapat semakin baik menghampiri luas suatu daerah di bawah kurva

ContohSunting

Ambil contoh persoalan di atas. Luas daerah di bawah kurva y = x2 antara 0 dan 2 dapat dihitung menggunakan metode Riemann (dalam contoh ini akan digunakan metode Riemann kanan).

Pertama-tama, interval [0, 2] dibagi menjadi n subinterval yang masing-masing memiliki lebar  . Lebar subinterval tersebut merupakan lebar dari persegi panjang Riemann (selanjutnya disebut "kepingan"). Karena contoh ini menggunakan Riemann kanan, maka urutan koordinat x untuk kepingan-kepingan tersebut adalah  . Oleh karena itu, ketinggian kepingan secara berturut-turut adalah  . Pada kasus ini,   dan   .

Luas masing-masing kepingan adalah  . Oleh karena, jumlah Riemann kanan ke-n adalah:

 

Apabila digunakan limit n → ∞, maka dapat ditemukan nilai hampiran yang mendekati nilai luas daerah di bawah kurva yang sebenarnya:

 

Hasil yang diperoleh menggunakan metode ini sama dengan hasil yang diperoleh menggunakan metode integral tentu:

 

Dimensi yang lebih tinggiSunting

Gagasan dasar di balik metode penjumlahan Riemann adalah "memecah-mecah" domain menjadi beberapa bagian, menghitung "ukuran" dari setiap bagian, kemudian menjumlahkan semua ukuran yang didapat. Melalui gagasan ini, metode jumlah Riemann dapat digeneralisasi untuk menghitung fungsi dengan domain lebih dari satu dimensi. Meskipun demikian, detail teknis tentang bagaimana domain dapat dipartisi menjadi jauh lebih rumit daripada kasus satu dimensi dan melibatkan aspek bentuk geometris domain.[12]

Dua dimensiSunting

Pada kasus dua dimensi, domain   dapat dibagi menjadi beberapa bagian   ( ). Setiap bagian kemudian dapat diartikan sebagai memiliki "luas" yang disebut  .[13] Jumlah Riemann-nya adalah

 

dengan   .

Tiga dimensiSunting

Pada kasus tiga dimensi, domain   dengan   dan   adalah "volume" bagian yang diindeks  . Jumlah Riemann tiga dimensi kemudian dapat dinotasikan sebagai[14]

 

dengan   .

Dimensi yang lebih tinggiSunting

Jumlah Riemann pada dimensi yang lebih tinggi mengikuti metode serupa pada satu, dua, hingga tiga dimensi. Untuk dimensi n, jumlah Riemann dapat ditulis sebagai[8]

 

dengan  , yaitu sebuah titik di bagian n-dimensi   dengan volume n-dimensi  .

Lihat pulaSunting

ReferensiSunting

  1. ^ "Riemann Sums and the Definite Integral". Math24 (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-08-05. 
  2. ^ "Riemann Sums | Brilliant Math & Science Wiki". brilliant.org (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-08-05. 
  3. ^ "Calculating the area under a curve using Riemann sums". mathinsight.org. Diakses tanggal 17 Agustus 2020. 
  4. ^ Hughes-Hallett, Deborah; McCullum, William G.; et al. (2005). Calculus (edisi ke-4th). Wiley. hlm. 252. 
  5. ^ Varberg, Dale. (2008). Calculus. [Place of publication not identified]: Addison-Wesley. ISBN 0-321-59682-X. OCLC 946451545. 
  6. ^ a b c Hughes-Hallett, Deborah; McCullum, William G.; et al. (2005). Calculus (edisi ke-4th). Wiley. hlm. 340. So far, we have three ways of estimating an integral using a Riemann sum: 1. The left rule uses the left endpoint of each subinterval. 2. The right rule uses the right endpoint of each subinterval. 3. The midpoint rule uses the midpoint of each subinterval. 
  7. ^ a b c Ostebee, Arnold; Zorn, Paul (2002). Calculus from Graphical, Numerical, and Symbolic Points of View (edisi ke-Second). hlm. M-33. Left-rule, right-rule, and midpoint-rule approximating sums all fit this definition. 
  8. ^ a b Larson, Ron; Edwards, Bruce H. (2012). Calculus I with Precalculus. Cengage Learning. hlm. 421. 
  9. ^ a b c "Riemann Sums (MATH1011 version)" (PDF). 2017. Diakses tanggal 5 Agustus 2020. 
  10. ^ "Understanding the trapezoidal rule (article)". Khan Academy (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-08-16. 
  11. ^ "Definite integral as the limit of a Riemann sum (article)". Khan Academy (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-08-16. 
  12. ^ Swokowski, Earl W. (1979). Calculus with Analytic Geometry  (edisi ke-Second). Boston, MA: Prindle, Weber & Schmidt. hlm. 821–822. ISBN 0-87150-268-2. 
  13. ^ Ostebee, Arnold; Zorn, Paul (2002). Calculus from Graphical, Numerical, and Symbolic Points of View (edisi ke-Second). hlm. M-34. We chop the plane region R into m smaller regions R1, R2, R3, ..., Rm, perhaps of different sizes and shapes. The 'size' of a subregion Ri is now taken to be its area, denoted by ΔAi. 
  14. ^ Swokowski, Earl W. (1979). Calculus with Analytic Geometry  (edisi ke-Second). Boston, MA: Prindle, Weber & Schmidt. hlm. 857–858. ISBN 0-87150-268-2. 

Pranala luarSunting

  • (Inggris)

Weisstein, Eric W. "Riemann Sum". MathWorld.