Teorema Integral Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 1 KALKULUS III Dosen Pengampu : Puji Andayani, S.Si, M.Si, M.Sc
Teorema Integral
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 1
KALKULUS III
Dosen Pengampu : Puji Andayani, S.Si, M.Si, M.Sc
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 2
Integral Garis pada Fungsi Skalar
Definisi :
Jika 𝑓 didefinisikan pada kurva 𝐶 diberikan secara parametrik
dengan 𝒓 𝑡 = 𝑥 𝑡 𝐢 + 𝑦 𝑡 𝐣 + 𝑧 𝑡 𝐤, 𝑎 ≤ 𝑡 ≤ 𝑏, maka
integral garis dari 𝑓 atas 𝐶 adalah
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧)𝑑𝑠
𝐶
= lim𝑛→∞
𝑓(𝑥𝑘 , 𝑦𝑘, 𝑧𝑘)
𝑛
𝑘=1
∆𝑠𝑘
terpenuhi jika limitnya ada.
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 3
How to evaluate a Line Integral?
Untuk mengintegralkan fungsi f(x,y,z) atas kurva C :
1. Temukan parametrisasi smooth dari C, 𝒓 𝑡 = 𝑥 𝑡 𝐢 + 𝑦 𝑡 𝐣 + 𝑧 𝑡 𝐤.
2. Taksir integral nya yaitu
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧)𝑑𝑠
𝐶
= 𝑓(𝑥 𝑡 , 𝑦 𝑡 , 𝑧(𝑡)) 𝑣(𝑡)
𝑏
𝑎
𝑑𝑡.
dimana,
𝑣 =𝑑𝑠
𝑑𝑡=
𝑑𝑥
𝑑𝑡
2
+𝑑𝑦
𝑑𝑡
2
+𝑑𝑧
𝑑𝑡
2
INTEGRAL GARIS
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 4
Integralkan 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑥 − 3𝑦2 + 𝑧 atas kurva C dengan titik
asal (1,1,1).
Solusi :
Pilih parameterisasi paling sederhana, yaitu 𝒓 𝑡 = 𝑡𝐢 + 𝑡𝐣 + 𝑡𝐤, 0 ≤ 𝑡 ≤ 1.
Komponen tersebut memiliki turunan pertama yang kontinu
dan 𝑣(𝑡) = 𝐢 + 𝐣 + 𝐤 = 1 2 + 1 2 + 1 2 = 3 tidak
pernah bernilai nol, maka parameterisasinya smooth.
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 5
Integral dari 𝑓 atas 𝐶 adalah
𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧)𝑑𝑟
𝐶
= 𝑓(𝑡, 𝑡, 𝑡)( 3)
1
0
𝑑𝑡 = (𝑡 − 3𝑡2 + 𝑡)( 3)
1
0
𝑑𝑡
= 3 (2𝑡 − 3𝑡2)
1
0
𝑑𝑡
= 3 𝑡2 − 𝑡310
= 0
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 6
Integral Garis pada Medan Vektor
Definisi :
Misalkan 𝑭 adalah medan vektor (vector field) dengan komponen
kontinu yang didefinisikan sepanjang kurva smooth 𝐶 yang
diparameterisasi oleh 𝒓 𝑡 , 𝑎 ≤ 𝑡 ≤ 𝑏. Maka integral garis 𝑭
sepanjang 𝐶 adalah
𝑭(𝒓) ∙ 𝑑𝒔
𝐶
= 𝑭 ∙𝑑𝒓
𝑑𝑠𝑑𝑠
𝐶
= 𝑭 ∙ 𝑑𝒓
𝐶
.
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 7
Menaksirkan Integral Garis dari 𝑭 = 𝑀𝐢 + 𝑁𝐣 + 𝑃𝐤 sepanjang 𝐶: 𝒓(𝑡) = 𝑥(𝑡)𝐢 + 𝑦(𝑡)𝐣 + 𝑧(𝑡)𝐤
1. Ekspresikan vector field 𝐹 dalam bentuk kurva parameterisasi 𝐶 sebagai 𝑭(𝒓(𝑡)) dengan mensubstitusikan komponen x = 𝑥 𝑡 , y = 𝑦 𝑡 , z = 𝑧 𝑡 dari 𝒓 dalam komponen skalar 𝑀(𝑥, 𝑦, 𝑧), 𝑁(𝑥, 𝑦, 𝑧), 𝑃(𝑥, 𝑦, 𝑧) dari 𝑭.
2. Temukan turunan (kecepatan) vektor 𝑑𝒓 𝑑𝑡 .
3. Taksir integral garis yang bergantung pada parameter 𝑡, 𝑎 ≤ 𝑡 ≤ 𝑏, untuk mendapatkan
𝑭(𝒓) ∙ 𝑑𝒓
𝐶
= 𝑭 𝒓 𝑡 ∙ 𝒓′ 𝑡 𝑑𝑡
𝑏
𝑎
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 8
Taksirkan 𝑭(𝒓) ∙ 𝑑𝒓𝐶
dimana 𝑭 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑧𝐢 + 𝑥𝑦𝐣 − 𝑦2𝐤
sepanjang kurva C yang diberikan oleh
𝒓 𝑡 = 𝑡2𝐢 + 𝑡𝐣 + 𝑡𝐤, 0 ≤ 𝑡 ≤ 1.
Solusi :
Diketahui
𝐅 𝒓 𝑡 = 𝑡𝐢 + 𝑡3𝐣 − 𝑡2𝐤
dan
𝑑𝒓
𝑑𝑡= 2𝑡𝐢 + 𝐣 +
1
2 𝑡𝐤.
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 9
Sehingga,
𝑭(𝒓) ∙ 𝑑𝒓
𝐶
= 𝑭 𝒓 𝑡 ∙ 𝒓′ 𝑡 𝑑𝑡
1
0
= 2𝑡3
2 + 𝑡3 −1
2𝑡3
2 𝑑𝑡
1
0
=3
2
2
5𝑡5
2 +1
4𝑡4
10
=17
20.
Contoh :
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 10
Integral garis pada bidang
Hitung nilai integral garis dari (1) saat
𝑭 𝒓 = −𝑦, −𝑥𝑦 = −𝑦𝐢 − 𝑥𝑦𝐣
dan C adalah lengkungan yang digambarkan sebagai berikut
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 11
Integral garis pada bidang
Solusi :
𝐶 dapat kita nyatakan sebagai
𝑟 𝑡 = cos 𝑡, sin 𝑡 = cos 𝑡 𝒊 + sin 𝑡 𝒋,
dimana 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝜋 2 . Maka 𝑥 𝑡 = cos 𝑡, 𝑦 𝑡 = sin 𝑡, dan
𝑭 𝒓(𝑡) = −𝑦 𝑡 𝐢 − 𝑥 𝑡 𝑦 𝑡 𝐣 = − sin 𝑡 𝐢 − cos 𝑡 sin 𝑡 𝒋.
Dengan diferensial diperoleh
𝑟′ 𝑡 = −𝑠𝑖𝑛 𝑡 𝒊 + cos 𝑡 𝒋,
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 12
Integral garis pada bidang
Sehingga,
𝑭(𝒓) ∙ 𝑑𝒓
𝐶
= − sin 𝑡 , cos 𝑡 sin 𝑡 ∙ [−𝑠𝑖𝑛 𝑡, cos 𝑡]
𝜋 2
0
= sin2 𝑡 − cos2𝑡 sin 𝑡 𝑑𝑡
𝜋 2
0
= 1
21 − cos 2𝑡 𝑑𝑡
𝜋 2
0
− 𝑢2 −𝑑𝑢
0
1
=𝜋
4− 0 −
1
3
≈ 0.4521
Misal : cos 𝑡 = 𝑢
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 14
Integral garis pada ruang
Perhitungan integral garis pada ruang pada dasarnya sama
dengan integral garis pada bidang.
Hitung nilai integral garis dari (1) saat
𝑭 𝒓 = 𝑧, 𝑥, 𝑦 = 𝑧𝐢 + 𝑥𝐣 + 𝑦𝐤
dan C adalah spiral yang
digambarkan sebagai berikut
𝑟 𝑡 = cos 𝑡, sin 𝑡 , 3𝑡
= cos 𝑡 𝒊 + sin 𝑡 𝒋 + 3𝑡 𝐤
dimana 0 ≤ 𝑡 ≤ 2𝜋.
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 15
Integral garis pada ruang
Solusi :
Dari persamaan (2) diperoleh
𝑥 𝑡 = cos 𝑡 , 𝑦 𝑡 = sin 𝑡 , 𝑧 𝑡 = 3𝑡
Maka
𝑭 𝒓 𝑡 ∙ 𝒓 𝑡= (3𝑡𝐢 + cos 𝑡 𝐣 + sin 𝑡 𝐤) ∙ (− sin 𝑡 𝐢 + cos 𝑡 𝒋 + 3𝒌)
Dengan perkalian product didapatkan
𝑭 𝒓 𝑡 ∙ 𝒓 𝑡 = −3𝑡 sin 𝑡 + cos2 𝑡 + 3 sin 𝑡
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 16
Integral garis pada ruang
Maka diperoleh,
𝐹(𝑟)
𝐶
∙ 𝑑𝑟 = (−3𝑡 sin 𝑡 + cos2 𝑡 + 3 sin 𝑡
2𝜋
0
)𝑑𝑡
= 6𝜋 + 𝜋 + 0 = 7𝜋 ≈ 21,99
SIFAT-SIFAT INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 17
Sifat integral garis sesuai dengan sifat integral tentu dalam
Kalkulus, yaitu :
1. 𝑘𝑭 ∙ 𝑑𝒓𝐶
= 𝑘 𝑭 ∙ 𝑑𝒓𝐶
(k konstanta)
2. (𝑭 + 𝑮) ∙ 𝑑𝒓𝐶
= 𝑭 ∙ 𝑑𝒓𝐶
+ 𝑮 ∙ 𝑑𝒓𝐶
3. 𝑭 ∙ 𝑑𝒓𝐶
= 𝑭 ∙ 𝑑𝒓𝐶1
+ 𝑭 ∙ 𝑑𝒓𝐶2
PATH INDEPENDENCE
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 18
TEOREMA 1
Path Independence
Suatu integral garis dengan fungsi kontinu 𝐹1, 𝐹2, 𝐹3 pada
domain 𝐷 dalam ruang dimensi 3 adalah garis edar bebas (path
independence) di 𝐷 jika dan hanya jika 𝐅 = 𝐹1, 𝐹2, 𝐹3 adalah
gradien dari beberapa fungsi 𝑓 di 𝐷,
𝑭 = grad 𝑓, sehingga 𝐹1 =𝜕𝑓
𝜕𝑥, 𝐹2 =
𝜕𝑓
𝜕𝑦, 𝐹3 =
𝜕𝑓
𝜕𝑧
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 19
Tunjukkan bahwa integral
𝐹 ∙ 𝑑𝑟𝐶
= (2𝑥 𝑑𝑥 + 2𝑦 𝑑𝑦 + 4𝑧 𝑑𝑧)𝐶
adalah path independent pada setiap domain di ruang dan hitung nilai integrasi dari 𝐴: 0,0,0 ke 𝐵: 2,2,2 .
Solusi :
𝐹 = 2𝑥, 2𝑦, 4𝑧 = grad 𝑓, dimana 𝑓 = 𝑥2 + 𝑦2 + 2𝑧2, karena 𝜕𝑓
𝜕𝑥= 2𝑥 = 𝐹1,
𝜕𝑓
𝜕𝑦= 2𝑦 = 𝐹2,
𝜕𝑓
𝜕𝑧= 4𝑧 = 𝐹3.
Maka berdasarkan Teorema, integralnya adalah path independent.
Nilai integrasi 𝑓 𝐵 − 𝑓 𝐴 = 𝑓 2,2,2 − 𝑓 0,0,0 = 4 + 4 + 8 = 16
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 20
Integral Garis pada Bidang Konservatif
TEOREMA 1- Teorema Dasar Integral Garis
Misalkan C kurva smooth yang menggabungkan titik A ke titik B
pada bidang atau ruang dan diparameterisasi oleh 𝒓(𝑡).
Misalkan 𝑓 fungsi diferensiabel dengan vektor gradien kontinu
𝐹 = 𝛻𝑓 pada domain 𝐷 yang mengandung 𝐶. Maka
𝑭 ∙ 𝑑𝒓
𝐶
= 𝑓 𝐵 − 𝑓 𝐴 .
INTEGRAL GARIS
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 21
Suppose the force field 𝐹 = 𝛻𝑓 is the gradient of the function
𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = −1
𝑥2+𝑦2+𝑧2 .
Find the work done by F in moving an object along a smooth curve C
joining (1,0,0) to (0,0,2) that does not pass through the origin.
Solusi :
Dengan Teorema 1 diperoleh
𝑭 ∙ 𝑑𝒓
𝐶
= 𝑓 0,0,2 − 𝑓 1,0,0 = −1
4− −1 =
3
4
Note :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 22
Kecepatan gravitasi yang disebabkan oleh planet, dan kecepatan
listrik yang berhubungan dengan partikel yang bermuatan,
keduanya dapat dimodelkan dengan bidang 𝐹 yang diberikan
pada contoh 1 hingga konstanta yang bergantung pada unit
pengukuran.
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 23
Integral Garis pada Bidang Konservatif
TEOREMA 2- Bidang Konservatif adalah Bidang Gradien
Misalkan 𝑭 = 𝑀𝐢 + 𝑁𝐣 + 𝑃𝐤 adalah bidang vektor yang
komponennya kontinu diseluruh daerah terhubung sederhana 𝐷
pada ruang. Maka 𝐹 konservatif jika dan hanya jia 𝐹 bidang
gradien 𝛻𝑓 untuk fungsi diferensiabel 𝑓.
INTEGRAL GARIS
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 24
Find the work done by the concervative field
𝐹 = 𝑦𝑧𝑖 + 𝑥𝑧𝑗 + 𝑥𝑦𝑘 = 𝛻𝑓, dimana 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑥𝑦𝑧,
Along any smooth curve C joining the point 𝐴(−1,3,9) to 𝐵 1,6,−4 .
Solusi :
Dengan 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑥𝑦𝑧, kita punya
𝑭 ∙ 𝑑𝒓
𝐶
= 𝛻𝑓 ∙ 𝑑𝑟
𝐵
𝐴
= 𝑓 𝐵 − 𝑓 𝐴
= 𝑥𝑦𝑧 1,6,−4
− 𝑥𝑦𝑧 −1,3,9
= 1 6 −4 − −1 3 9
= −24 + 27 = −3
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 25
Integral Garis pada Bidang Konservatif
TEOREMA 3 – Sifat perputaran bidang konservatif
Pernyataan dibawah ini adalah ekuivalen.
1. 𝐹 ∙ 𝑑𝑟𝐶
= 0 disekitar putaran (yang merupakan kurva
tertutup 𝐶) di 𝐷.
2. Bidang 𝐹 konservatif di 𝐷
INTEGRAL GARIS
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 26
Menghitung potensial untuk Bidang Konservatif
Misalkan 𝐹 = 𝑀 𝑥, 𝑦, 𝑧 𝐢 + 𝑁 𝑥, 𝑦, 𝑧 𝐣 + 𝑃 𝑥, 𝑦, 𝑧 𝐤
adalah bidang pada daerah tertutup dan daerah tertutup
sederhana yang komponen fungsinya memiliki turunan parsial
yang kontinu. Maka F konservatif, jika dan hanya jika
𝜕𝑃
𝜕𝑦=
𝜕𝑁
𝜕𝑧,
𝜕𝑀
𝜕𝑧=
𝜕𝑃
𝜕𝑥 dan
𝜕𝑁
𝜕𝑋=
𝜕𝑀
𝜕𝑦
INTEGRAL GARIS
Contoh :
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 27
Tunjukkan bahwa 𝐹 = 𝑒𝑥 cos 𝑦 + 𝑦𝑧 𝐢 + 𝑥𝑧 − 𝑒𝑥 cos 𝑦 𝐣 + xy + z 𝐤
atas domain bilangan asli dan hitung funsi potensialnya.
Solusi :
Dengan mengaplikasikan pernyataan pada slide sebelumnya 𝑀 = 𝑒𝑥 cos 𝑦 + 𝑦𝑧, 𝑁 = 𝑥𝑧 − 𝑒𝑥 cos 𝑦 , 𝑃 = 𝑥𝑦 + 𝑧
Hitung, 𝜕𝑃
𝜕𝑦= 𝑥 =
𝜕𝑁
𝜕𝑧,𝜕𝑀
𝜕𝑧= 𝑦 =
𝜕𝑃
𝜕𝑥,𝜕𝑁
𝜕𝑥= −𝑒𝑥 sin 𝑦 + 𝑧 =
𝜕𝑀
𝜕𝑦
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 28
Turunan parsialnya kontinu, maka persamaan tersebut
menyatakan bahwa 𝐹 konservatif, maka terdapat fungsi 𝑓
dengan 𝛻𝑓 = F.
Kita dapat menemukan 𝑓 dengan mengintegrasikan persamaan
berikut :
𝜕𝑓
𝜕𝑥= 𝑒𝑥 cos 𝑦 + 𝑦𝑧,
𝜕𝑓
𝜕𝑦= 𝑥𝑧 − 𝑒𝑥 cos 𝑦 ,
𝜕𝑓
𝜕𝑧= 𝑥𝑦 + 𝑧. (3)
Integralkan persamaan pertama terhadap 𝑥, anggap 𝑦 dan 𝑧 tetap,
diperoleh
𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑒𝑥 cos 𝑦 + 𝑥𝑦𝑧 + 𝑔 𝑦, 𝑧 .
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 29
Konstanta integrasi dituliskan fungsi terhadap 𝑦 dan 𝑧 karena
nilai tersebut dapat bergantung pada 𝑦 dan 𝑧, bukan pada 𝑥.
Lalu hitung 𝜕𝑓
𝜕𝑦 dari persamaan, lalu samakan dengan ekspresi
𝜕𝑓
𝜕𝑦 pada persamaan (3). Diperoleh,
−𝑒𝑥 sin 𝑦 + 𝑥𝑧 +𝜕𝑔
𝜕𝑦= 𝑥𝑧 − 𝑒𝑥 sin 𝑦
Maka, 𝜕𝑔
𝜕𝑦= 0. Sehingga, 𝑔 adalah fungsi dari 𝑧 sendiri, dan
𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑒𝑥 cos 𝑦 + 𝑥𝑦𝑧 + ℎ 𝑧 .
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 30
Sekarang hitung 𝜕𝑓
𝜕𝑧 dari persamaan dan samakan dengan bentuk
𝜕𝑓
𝜕𝑧 dalam persamaan (3). Diperoleh,
𝑥𝑦 +𝑑ℎ
𝑑𝑧= 𝑥𝑦 + 𝑧, atau
𝑑ℎ
𝑑𝑧= 𝑧.
Maka,
ℎ 𝑧 =𝑧2
2+ 𝐶.
Jadi,
𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝑒𝑥 cos 𝑦 + 𝑥𝑦𝑧 +𝑧2
2+ 𝐶.
Kita punya jumlah tak terbatas fungsi potensial F, salah satunya adalah C.
Soal
Kalkulus III - Puji Andayani (2015) 31
Tunjukkan apakah fungsi berikut konservatif !
1. 𝐹 = 𝑦𝑧𝐢 + 𝑥𝑧𝐣 + 𝑥𝑦𝐤
2. 𝐹 = 𝑦𝐢 + 𝑥 + 𝑧 𝐣 − 𝑦𝐤
3. 𝐹 = −𝑦𝐢 + 𝑥𝐣
4. 𝐹 = (𝑥 + 𝑦)𝐢 + 𝑧𝐣 + (𝑦 + 𝑥)𝐤
5. 𝐹 = 𝑦 sin 𝑧 𝐢 + 𝑥 sin 𝑧 𝐣 + 𝑥𝑦 cos 𝑧 𝐤
Cari fungsi potensialnya !
6. 𝐹 = 2𝑥𝐢 + 3𝑦𝐣 + 4𝑧𝐤
7. 𝐹 = 𝑦 + 𝑧 𝐢 + (𝑥 + 𝑧)𝐣 + (𝑥 + 𝑦)𝐤
8. 𝐹 = 𝑦 sin 𝑧 𝐢 + (𝑥 sin z) 𝒋 + (𝑥𝑦 cos 𝑧)𝐤