Turunan dan Kekontinuan – I

Bila Anda sudah ‘mencicipi’ Kalkulus, tentunya Anda sudah mengetahui apa yang dimaksud dengan turunan dari suatu fungsi, serta riwayatnya – yang terkait dengan upaya Newton menentukan kecepatan sesaat dari suatu partikel yang bergerak dan upaya Leibniz menentukan gradien garis singgung pada suatu kurva di suatu titik.

Diberikan sebuah fungsi f : I → R, dengan I ⊆ R suatu interval yang memuat titik c, turunan dari f di titik c didefinisikan sebagai

definisi turunan

asalkan limit ini ada. Perhatikan jika f mempunyai turunan di c, maka

turunan dan kekontinuan

dan karena itu

limit fungsi kontinu

yang berarti bahwa f kontinu di c. Jadi, kekontinuan f di c merupakan syarat perlu bagi eksistensi turunan f di c. Tetapi, ada banyak contoh yang memperlihatkan bahwa kekontinuan f di c bukanlah merupakan syarat cukup bagi eksistensi turunan f di c.

Salah satu contoh penyangkalnya adalah f(x) = |x|. Fungsi ini kontinu di 0, tetapi tidak mempunyai turunan di 0 karena

turunan nilai mutlak di 0

tidak ada (limit kirinya sama dengan -1, sedangkan limit kanannya sama dengan 1).

Terkait dengan eksistensi limit, kita mengetahui ada beberapa hal yang dapat menyebabkan limit suatu fungsi di suatu titik tidak ada. Penyebab pertama adalah limit kiri dan limit kanannya ada tetapi tidak sama. Penyebab kedua adalah limit kiri atau limit kanannya tidak ada, entah karena ‘menuju tak terhingga’ atau ‘berosilasi’.

Problem: Temukan fungsi f yang kontinu di suatu titik c tetapi tidak mempunyai turunan di titik itu karena limit kiri dan/atau limit kanan dari [f(x) – f(c)]/(xc) tidak ada, khususnya karena (a) limit kiri dan/atau limit kanannya ‘menuju tak terhingga’ dan (b) limit kiri dan/atau limit kanannya ‘berosilasi’.

*

Bandung, 11-07-2017

Fungsi Kontinu Seragam – II

Terkait dengan ke(tak)kontinuan seragam, perhatikan kembali daerah asal dan grafik kedua fungsi di bawah ini.

fungsi kontinu pada domainnya          fungsi kontinu-iii

Pada fungsi pertama, x = ½ bukan anggota daerah asal, tetapi ia ‘menempel’ pada daerah asal f. Jika kita kemudian ingin memperluas daerah asal f sehingga mencakup x = ½, maka berapa pun nilai f(½) yang kita pilih, fungsi yang dihasilkan tidak mungkin kontinu di ½. Dalam hal ini, fungsi f tidak mempunyai perluasan yang kontinu pada (0, 1). Ini terjadi karena f tidak kontinu seragam pada (0, ½) ∪ (½, 1).

Pada fungsi kedua, x = 0 bukan anggota daerah asal, tetapi ia ‘menempel’ pada daerah asal f. Nah, berbeda dengan fungsi sebelumnya, kita dapat mendefinisikan f(0) = 0 sehingga kita peroleh fungsi perluasan dari f yang kontinu pada {1/n : nN} ∪ {0}. Ini dimungkinkan karena f kontinu seragam pada {1/n : nN}.

*

Bandung, 07-07-2017

Fungsi Kontinu Seragam – I

Bila Anda baca dan pelajari kembali dua contoh fungsi kontinu pada dua postingan sebelumnya, ada satu hal penting yang berbeda di antara dua fungsi kontinu tersebut. Fungsi pertama tidak kontinu seragam pada daerah asalnya, yaitu (0, ½) ∪ (½, 1), sedangkan fungsi kedua kontinu seragam pada daerah asalnya, yaitu {1/n : n ∈ N}.

                      

Secara umum, fungsi f : D → R dengan D ⊆ R dikatakan kontinu seragam pada D apabila untuk setiap ɛ > 0 terdapat δ > 0 sedemikian sehingga untuk setiap x, y ∈ D dengan |xy| < δ berlaku |f(x) – f(y)| < ɛ.

Perhatikan perbedaan definisi kontinu seragam pada D dan kontinu (titik demi titik) pada D. Pada definisi kontinu seragam pada D, bilangan δ tidak bergantung pada titik di D; sedangkan pada definisi kontinu (titik demi titik) pada D, bilangan δ biasanya bergantung pada titik di D.

Nah, pada contoh pertama, f tidak kontinu seragam pada (0, ½) ∪ (½, 1) karena untuk ɛ = ¼, sekecil apa pun δ yang kita pilih, selalu terdapat x ∈ (0, ½) dan y ∈ (½, 1) dengan |xy| < δ tetapi |f(x) – f(y)| = ½ > ¼.

Pada contoh kedua, f kontinu seragam pada {1/n : n ∈ N} karena untuk setiap ɛ > 0 terdapat δ = ɛ sedemikian sehingga untuk setiap x, y ∈ {1/n : n ∈ N} dengan |xy| < δ berlaku |f(x) – f(y)| = |xy| < ɛ.

*

Bandung, 04-07-2017

Fungsi Kontinu – II

Misalkan X = (0, ½) ∪ (½, 1) dan f : X → R mempunyai grafik sebagai berikut:

Di sini, f(x) = ½ jika x ∈ (0, ½) dan f(x) = 1 jika x ∈ (½, 1). Nah, walau grafiknya seperti di atas, f merupakan fungsi yang kontinu pada X. Bila Anda mengatakan bahwa f tidak kontinu di ½, saya ingatkan Anda bahwa ½ bukan anggota X. Fungsi f kontinu di setiap anggota X, jadi f kontinu pada X.

*

Bandung, 23-06-2017

Fungsi Kontinu – I

Di blog ini, saya pernah memperkenalkan fungsi kontinu di ruang metrik. Misalkan (X, d1) dan (Y, d2) ruang metrik, f : X → Y adalah fungsi dari X ke Y, dan c adalah anggota X. Fungsi f dikatakan kontinu di c apabila semakin dekat x ke c, semakin dekat f(x) ke f(c). Persisnya, f kontinu di c apabila untuk setiap ε > 0 terdapat δ > 0 sedemikian sehingga untuk setiap x ∈ X dengan d1(x, c) < δ berlaku d2(f(x), f(c)) < ε.

Nah, jika X = [a, b] dan Y = R dilengkapi dengan metrik d(x, y) = |x − y|, maka fungsi f : X → Y dikatakan kontinu di c ∈ X apabila untuk setiap ε > 0 terdapat δ > 0 sedemikian sehingga untuk setiap x ∈ X dengan |x − c| < δ berlaku |f(x) − f(c)| < ε. Setara dengan itu, fungsi f kontinu di c ∈ X apabila untuk setiap ε > 0 terdapat δ > 0 sedemikian sehingga untuk setiap x ∈ X ∩ (c − δ, c + δ) berlaku f(x) ∈ (f(c) − ε, f(c) + ε).

Perhatikan jika c = a, maka X ∩ (a − δ, a + δ) = [a, a + δ), sehingga definisi di atas menyatakan bahwa f kontinu di a apabila untuk setiap ε > 0 terdapat δ > 0 cukup kecil sedemikian sehingga untuk setiap x ∈ [aa + δ) berlaku f(x) ∈ (f(a) − ε, f(a) + ε). Serupa dengan itu, jika c = b, definisi di atas menyatakan bahwa f kontinu di b apabila untuk setiap ε > 0 terdapat δ > 0 cukup kecil sedemikian sehingga untuk setiap x ∈ (b − δ, b] berlaku f(x) ∈ (f(b) − ε, f(b) + ε).

Ya, dalam hal X = [a, b], kekontinuan f di a setara dengan kekontinuan kanan di a dan kekontinuan f di b setara dengan kekontinuan kiri di b.

Cerita tentang kekontinuan fungsi di suatu titik akan menjadi seru ketika X merupakan bukan merupakan interval. Salah satu contohnya dapat ditemui dalam artikel sebelumnya. Nah, dalam beberapa artikel yang akan datang, kita akan membahas beberapa contoh fungsi kontinu lainnya, yang mungkin belum pernah Anda jumpai sebelumnya.

*

Bandung, 20-06-2017

Fungsi Monoton Sejati yang Kontinu pada Interval

Fungsi f yang naik sejati pada I mempunyai invers -1 yang naik sejati pada J = {f(x) : x ∈ I}. Nah, jika diketahui bahwa I merupakan interval dan f kontinu pada I, maka daerah nilainya yaitu J juga merupakan suatu interval dan -1 kontinu pada J, sebagaimana dinyatakan dalam teorema berikut.

Teorema. Misalkan f : I → J dengan I = [a, b] dan J = {f(x) : x ∈ I}. Jika f naik sejati dan kontinu pada I, maka -1 : J → I kontinu pada J.

Teorema ini dapat dibuktikan secara tidak langsung alias dengan kontradiksi. Andaikan -1 tidak kontinu di suatu titik d ∈ J. Asumsikan bahwa d bukan titik ujung J. Mengingat -1 naik sejati pada J, maka -1() dan -1(d+) ada, dan -1() < -1(d+). Sekarang misalkan c ∈ I sedemikian sehingga

-1() < c < -1(d+) dan c-1(d).

Akibatnya f(c) tidak terdefinisi (buatlah ilustrasinya!), dan ini bertentangan dengan hipotesis bahwa f terdefinisi pada I. [QED]

*

Bandung, 16-06-2017

Fungsi Monoton Tak Kontinu yang Inversnya Kontinu

Barangkali ada yang penasaran dengan problem terkait kekontinuan invers fungsi monoton yang ditayangkan pada tanggal 09-06-2017. Jawabannya adalah “mungkin”. Contohnya adalah fungsi f yang memiliki grafik sebagai berikut:

Perhatikan bahwa f naik sejati pada [0, 1] dan tidak kontinu di x = ½. Inversnya merupakan fungsi naik sejati yang terdefinisi pada [0, 1) ∪ [2, 3], dengan grafik sebagaimana diperlihatkan di bawah ini:

Nah, f -1 merupakan fungsi yang kontinu pada [0, 1) ∪ [2, 3], ya kan?

*

Bandung, 13-06-2017

Fungsi Monoton Sejati dan Inversnya

Fungsi f dikatakan naik sejati pada I apabila untuk setiap x, y ∈ I dengan x < y berlaku f(x) < f(y). Fungsi f dikatakan turun sejati pada I apabila untuk setiap x, y ∈ I dengan x < y berlaku f(x) > f(y). Fungsi naik sejati atau turun sejati pada I disebut fungsi monoton sejati pada I.

Fungsi monoton sejati merupakan fungsi satu-ke-satu, dan karenanya ia akan mempunyai invers.

Buktikan jika f naik sejati pada I dan J = {f(x) : xI}, maka invers dari f naik sejati pada J. (Serupa dengan itu, jika f turun sejati pada I dan J = {f(x) : xI}, maka invers dari f turun sejati pada J.)

*

Bandung, 06-06-2017