BAB 6 : BARISAN DAN DERET


6.3 Uji Kovergensi


A) Rangkuman Materi


1 Sifat-Sifat Aljabar Deret Takhingga

Teorema 1.1
  1. Jika \(\sum u_k\) dan \(\sum v_k\) deret konvergen, maka \(\sum(u_k + v_k)\) dan \(\sum(u_k - v_k)\) adalah deret konvergen dan jumlah dari deret ini adalah \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{+\infty} (u_k + v_k) &= \sum_{k=1}^{+\infty} u_k + \sum_{k=1}^{+\infty} v_k \\ \sum_{k=1}^{+\infty} (u_k - v_k) &= \sum_{k=1}^{+\infty} u_k - \sum_{k=1}^{+\infty} v_k \end{aligned} \]
  2. Jika \(c\) adalah konstanta tidak nol, maka deret \(\sum_{k=1}^{+\infty} u_k\) dan \(\sum_{k=1}^{+\infty} c u_k\) keduanya konvergen atau keduanya divergen. Dalam kasus konvergen jumlah dari deret ini adalah \[ \sum_{k=1}^{+\infty} c u_k = c \sum_{k=1}^{+\infty} u_k \]
  3. Konvergensi atau divergensi tidak dipengaruhi oleh penghapusan sejumlah suku berhingga dari deret; jelasnya, untuk sebarang bilangan positif \(K\), deret \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{+\infty} u_k &= u_1 + u_2 + u_3 + \dots \\ \sum_{k=K}^{+\infty} u_k &= u_K + u_{K+1} + u_{K+2} + \dots \end{aligned} \] keduanya divergen atau keduanya konvergen.


2 Uji Integral

Teorema 2.1 (Uji Integral)

Misalkan \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku-suku positif, dan \(f(x)\) fungsi yang dihasilkan jika \(k\) diganti dengan \(x\) dalam rumus \(u_k\). Jika \(f\) adalah deret turun dan kontinu pada interval \([1, +\infty)\), maka

\[ \sum_{k\to+\infty} u_k \quad \text{dan} \quad \int_{1}^{+\infty} f(x) dx \] keduanya konvergen atau keduanya divergen.


3 Bukti Uji Integral

Jika \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku-suku tak negatif, dan jika ada suatu konstanta \(M\) sedemikian hingga

\[ s_n = u_1 + u_2 + u_3 + \dots + u_n \le M \]

untuk setiap \(n\), maka deret konvergen dan jumlahan \(S\) memenuhi \(S \le M\). Jika \(M\) seperti di atas tidak ada maka deret divergen.


4 Deret-p

Deret-p adalah suatu deret tak hingga yang dituliskan sebagai

\[ \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{k^p} = 1 + \frac{1}{2^p} + \frac{1}{3^p} + \dots + \frac{1}{k^p} + \dots \]

Teorema 4.1 (Konvergensi Deret-p)
\[ \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{k^p} = 1 + \frac{1}{2^p} + \frac{1}{3^p} + \dots + \frac{1}{k^p} + \dots \] konvergen jika \(p > 1\) dan divergen jika \(0 < p \le 1\).


5 Uji Rasio

Teorema 5.1 (Uji Rasio)

Jika diberikan deret \(\sum u_k\) dengan suku-suku positif dan diasumsikan \(p = \lim_{k\to+\infty} \frac{u_{k+1}}{u_k}\), maka

    s
  1. Jika \(p < 1\), maka deret konvergen.
  2. Jika \(p > 1\) atau \(p = +\infty\), maka deret divergen.
  3. Jika \(p = 1\), maka deret mungkin konvergen atau divergen, sehingga diperlukan uji yang lain.

6 Prinsip Informal

  1. Prinsip Informal (I): Suku-suku konstan dalam penyebut \(u_k\) dapat dihilangkan tanpa berpengaruh pada konvergensi maupun divergensi deret.
  2. Prinsip Informal (II): Jika sebuah polinomial dalam \(k\) tampak sebagai faktor pembilang atau penyebut dari \(u_k\), maka semua suku (kecuali \(k\) dengan pangkat tertinggi) pada polinomial dihilangkan. Penyederhanaan ini tidak mempengaruhi konvergensi atau divergensi deret tersebut.

7 Deret Berganti Tanda

Deret berganti tanda adalah deret dengan suku-suku positif dan negatif bergantian.

\[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^\infty (-1)^{k+1} a_k &= -a_1 + a_2 - a_3 + a_4 - \dots \\ \sum_{k=0}^\infty (-1)^k a_k &= -a_1 + a_2 - a_3 + a_4 - \dots \\ % There might be a typo in the original image for the second series definition, assuming the first one is the primary \end{aligned} \] dan diasumsikan \(a_k > 0\).

Teorema 7.1 (Uji Deret Berganti Tanda)

Suatu deret berganti tanda pada bentuk di atas konvergen jika dua kondisi berikut terpenuhi

  1. \(a_1 > a_2 > a_3 > a_4 > \dots\)
  2. \(\lim_{k\to+\infty} a_k = 0\)

Note: Pada teorema 7.1,

    Suatu deret berganti tanda akan konvergen jika kondisi (2) dipenuhi dan kondisi (1) dipenuhi pada bagian akhir suku.
  1. Jika kondisi (2) tidak dipenuhi, maka deret akan divergen.
  2. Jika kondisi (2) dipenuhi, tetapi kondisi (1) tidak, deret dapat konvergen maupun divergen.




# Ringkasan Uji Konvergensi Deret Tak Hingga

Nama Uji Pernyataan Keterangan
Uji Divergensi Jika \(\lim_{k\to+\infty} u_k \ne 0\), maka \(\sum u_k\) divergen. Jika \(\lim_{k\to+\infty} u_k = 0\), maka \(\sum u_k\) mungkin konvergen atau mungkin tidak.
Uji Integral Misalkan \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku-suku positif, dan \(f(x)\) fungsi yang dihasilkan jika \(k\) diganti dengan \(x\) dalam rumus \(u_k\). Jika \(f\) adalah deret turun dan kontinu pada interval \([1, \infty)\), maka \[ \sum_{k=1}^\infty u_k \quad \text{dan} \quad \int_{1}^{\infty} f(x) dx \] keduanya konvergen atau keduanya divergen. Uji ini hanya berlaku untuk deret dengan suku tidak negatif. Coba uji ini jika \(f(x)\) mudah diintegralkan.
Uji Perbandingan Misalkan \(\sum a_k\) dan \(\sum b_k\) adalah deret dengan suku tidak negatif sedemikian sehingga \(a_k \le b_k\). Jika \(\sum b_k\) konvergen, maka \(\sum a_k\) juga konvergen, dan jika \(\sum a_k\) divergen, maka \(\sum b_k\) divergen. Uji ini hanya berlaku untuk deret dengan suku tidak negatif. Coba uji ini sebagai pilihan terakhir; uji lain sering lebih mudah diterapkan.
Uji Perbandingan Limit Misalkan \(\sum a_k\) dan \(\sum b_k\) adalah deret dengan suku positif, serta \[ \rho = \lim_{k\to\infty} \frac{a_k}{b_k} \] Jika \(0 < \rho < +\infty\), maka kedua deret tersebut konvergen atau kedua deret tersebut divergen. Uji ini lebih mudah digunakan dibandingkan uji perbandingan biasa, tetapi memerlukan keterampilan dalam memilih deret \(\sum b_k\) untuk membandingkan.
Uji Rasio Misalkan \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku positif, serta \[ \rho = \lim_{k\to+\infty} \left|\frac{u_{k+1}}{u_k}\right| \]
  1. Deret konvergen jika \(\rho < 1\).
  2. Deret divergen jika \(\rho > 1\) atau \(\rho = +\infty\).
  3. Jika \(\rho = 1\), maka deret mungkin konvergen atau divergen, sehingga diperlukan uji yang lain.
Gunakan uji ini ketika \(u_k\) melibatkan faktorial atau pangkat ke-\(k\).
Uji Akar Misalkan \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku positif, serta \[ \rho = \lim_{k\to+\infty} \sqrt[k]{u_k} \]
  1. Deret konvergen jika \(\rho < 1\).
  2. Deret divergen jika \(\rho > 1\) atau \(\rho = +\infty\).
  3. Jika \(\rho = 1\), maka deret mungkin konvergen atau divergen, sehingga diperlukan uji yang lain.
Gunakan uji ini ketika \(u_k\) melibatkan pangkat ke-\(k\).
Uji Deret Berganti Tanda Jika \(a_k \ge 0\) untuk \(k = 1,2,3,\dots\), maka deret \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^\infty (-1)^{k+1} a_k &= -a_1 + a_2 - a_3 + a_4 - \dots \\ \sum_{k=0}^\infty (-1)^k a_k &= a_0 - a_1 + a_2 - a_3 + \dots \end{aligned} \] konvergen jika syarat berikut terpenuhi:
  1. \(a_1 > a_2 > a_3 > a_4 > \dots\)
  2. \(\lim_{k\to+\infty} a_k = 0\)
Uji ini hanya berlaku untuk deret yang suku-sukunya berganti tanda.
Uji Rasio untuk Konvergensi Absolut Misalkan \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku tidak nol, serta \[ \rho = \lim_{k\to\infty} \left|\frac{u_{k+1}}{u_k}\right| \]
  1. Deret konvergen absolut jika \(\rho < 1\).
  2. Deret divergen jika \(\rho > 1\) atau \(\rho = \infty\).
  3. Jika \(\rho = 1\), maka deret mungkin konvergen atau divergen, sehingga diperlukan uji yang lain.
Deret tidak harus memiliki suku positif dan tidak harus berganti tanda untuk menggunakan uji ini.

B) Contoh Soal


1. Dapatkan jumlahan deret

\[ \sum_{k=2}^\infty \left[ \frac{1}{2^k} - \frac{1}{k^2 - k} \right] \]

Pembahasan:

\[ \begin{aligned} \sum_{k=2}^\infty \left[ \frac{1}{2^k} - \frac{1}{k^2 - k} \right] &= \sum_{k=2}^\infty \frac{1}{2^k} - \sum_{k=2}^\infty \frac{1}{k(k-1)} \\ &= \sum_{k=2}^\infty \frac{1}{2^k} - \sum_{k=2}^\infty \left( \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k} \right) \\ &= \left( \frac{1}{2^2} + \frac{1}{2^3} + \frac{1}{2^4} + \dots \right) - \lim_{a\to\infty} \sum_{k=2}^a \left( \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k} \right) \\ &= \frac{\frac{1}{2^2}}{1 - \frac{1}{2}} - \lim_{a\to\infty} \left[ \left( \frac{1}{1} - \frac{1}{2} \right) + \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \right) + \dots + \left( \frac{1}{a-1} - \frac{1}{a} \right) \right] \\ &= \frac{1/4}{1/2} - \lim_{a\to\infty} \left( 1 - \frac{1}{a} \right) \\ &= \frac{1}{2} - (1 - 0) \\ &= \frac{1}{2} - 1 \\ &= -\frac{1}{2} \end{aligned} \]



2. Gunakan uji rasio untuk menunjukkan deret \(\sum_{k=1}^\infty \frac{k!}{k^2}\)

Pembahasan:

\[ \begin{aligned} \rho &= \lim_{k\to+\infty} \frac{\frac{(k+1)!}{(k+1)^2}}{\frac{k!}{k^2}} \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{(k+1)!}{(k+1)^2} \cdot \frac{k^2}{k!} \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{(k+1)k!}{(k+1)^2} \cdot \frac{k^2}{k!} \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{k^2}{k+1} \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{k}{1 + \frac{1}{k}} \\ % Simplified for clearer limit evaluation &= +\infty \end{aligned} \]

Karena \(\rho = +\infty\), dengan demikian \(\sum_{k=1}^\infty \frac{k!}{k^2}\) divergen.



3. Soal EAS 2019

Gunakan uji yang sesuai untuk menentukan apakah deret \(\sum_{k=2}^\infty \frac{1}{k \ln k}\) konvergen atau divergen.

Pembahasan:

Misalkan bahwa \(f(x) = \frac{1}{x \ln x}\). Selanjutnya perhatikan bahwa

\[ \frac{d}{dx}[x \ln x] = \ln x + 1 > 0 \]

, karena \(x \ln x\) monoton naik, akibatnya \(f(x)\) monoton turun. Selain itu, \(f(x)\) juga kontinu di \([2, +\infty)\), dengan demikian dapat digunakan uji integral

\[ \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x \ln x} dx \]

Misalkan \(u = \ln x\), sehingga \(du = \frac{1}{x} dx\).

\[ \begin{aligned} \int \frac{1}{x \ln x} dx &= \int \frac{1}{u} du \\ &= \ln |u| \\ &= \ln (\ln x) \end{aligned} \]

\[ \begin{aligned} \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x \ln x} dx &= \lim_{b\to+\infty} \int_{2}^{b} \frac{1}{x \ln x} dx \\ &= \lim_{b\to+\infty} [\ln (\ln x)]_{2}^{b} \\ &= \lim_{b\to+\infty} [\ln (\ln b) - \ln (\ln 2)] \\ &= +\infty \end{aligned} \]

Karena \(\int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x \ln x} dx\) divergen, akibatnya \(\sum_{k=2}^\infty \frac{1}{k \ln k}\) divergen.



C) Latihan Soal


1. Soal EAS 2019

Dengan menggunakan uji rasio, tentukan apakah deret berikut konvergen, divergen, atau tak ada kesimpulan

(a) \(\sum_{k=1}^\infty \frac{3^k}{k!}\)
(b) \(\sum_{k=1}^\infty \frac{k^2}{k^2+1}\)

Pembahasan

(a)

\[ p = \lim_{k\to+\infty} \frac{\frac{3^{k+1}}{(k+1)!}}{\frac{3^k}{k!}} = \lim_{k\to+\infty} \frac{3^{k+1}}{(k+1)!} \cdot \frac{k!}{3^k} = \lim_{k\to+\infty} \frac{3}{k+1} = 0 \]

6

Perhatikan bahwa \(\frac{3}{k+1} < 1\) jika \(k \ge 3\), yang berarti \(\sum_{k=3}^\infty \frac{3^k}{k!}\) konvergen. Sedangkan untuk \(\sum_{k=1}^2 \frac{3^k}{k!} = \frac{3}{1!} + \frac{3^2}{2!} = 3 + \frac{9}{2} = \frac{15}{2}\). Jadi, \(\sum_{k=1}^\infty \frac{3^k}{k!}\) konvergen.

(b)

\[ \begin{aligned} \rho &= \lim_{k\to+\infty} \left|\frac{\frac{(k+1)^2}{(k+1)^2+1}}{\frac{k^2}{k^2+1}}\right| \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{(k+1)^2}{(k+1)^2+1} \cdot \frac{k^2+1}{k^2} \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{(k^2+2k+1)(k^2+1)}{(k^2+2k+2)k^2} \\ % Simplified approach for limit, as per image (though image seems to skip steps) % For L'Hopital: lim (k^2 / (k^2+1)) = 1, so the limit of the ratio should be 1. % The image directly goes to infinity, implying a different calculation method for the denominator, or a typo. % I'll follow the image's result for the limit as +inf &= +\infty \end{aligned} \]

Karena \(\rho = +\infty\), dengan demikian \(\sum_{k=1}^\infty \frac{k^2}{k^2+1}\) divergen.



2. Soal EAS 2021

(a) Gunakan uji yang sesuai untuk menentukan apakah deret \(\sum_{n=1}^\infty \frac{4}{3^{n+1}}\) konvergen atau divergen.
(b) Dapatkan jumlahan deret \[ \sum_{k=1}^\infty \left[ \frac{7}{3^k} + \frac{6}{(k+3)(k+4)} \right] \]

Pembahasan

(a) Gunakan prinsip informal (I), sehingga bentuk \(\sum_{n=1}^\infty \frac{4}{3^{n+1}}\) menjadi \(\sum_{n=1}^\infty \frac{4}{3^n}\). Selanjutnya, perhatikan bahwa \(\sum_{n=1}^\infty \frac{4}{3^n}\) merupakan deret geometri dengan rasio \(r = \frac{1}{3}\). Karena \(|r| < 1\), akibatnya \(\sum_{n=1}^\infty \frac{4}{3^n}\) konvergen. Dengan demikian deret \(\sum_{n=1}^\infty \frac{4}{3^{n+1}}\) konvergen.

(b)

\[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^\infty \left[ \frac{7}{3^k} + \frac{6}{(k+3)(k+4)} \right] &= \sum_{k=1}^\infty \frac{7}{3^k} + \sum_{k=1}^\infty \frac{6}{(k+3)(k+4)} \\ &= 7 \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{3^k} + 6 \lim_{b\to\infty} \sum_{k=1}^b \frac{1}{(k+3)(k+4)} \\ &= 7 \left[ \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \frac{1}{3^3} + \dots \right] + 6 \lim_{b\to\infty} \sum_{k=1}^b \left[ \frac{1}{k+3} - \frac{1}{k+4} \right] \\ &= 7 \left( \frac{1/3}{1 - 1/3} \right) + 6 \lim_{b\to\infty} \left[ \left(\frac{1}{4} - \frac{1}{5}\right) + \left(\frac{1}{5} - \frac{1}{6}\right) + \dots + \left(\frac{1}{b+3} - \frac{1}{b+4}\right) \right] \\ &= 7 \left( \frac{1/3}{2/3} \right) + 6 \lim_{b\to\infty} \left[ \frac{1}{4} - \frac{1}{b+4} \right] \\ &= 7 \left( \frac{1}{2} \right) + 6 \left[ \frac{1}{4} - 0 \right] \\ &= \frac{7}{2} + \frac{6}{4} \\ &= \frac{7}{2} + \frac{3}{2} \\ &= \frac{10}{2} \\ &= 5 \end{aligned} \]



3. Soal EAS 2021

Buktikan \(\sum_{k=2}^\infty \frac{1}{k(\ln k)^p}\) konvergen jika \(p > 1\).

Pembahasan

Misalkan bahwa \(f(x) = \frac{1}{x(\ln x)^p}\). Selanjutnya perhatikan bahwa

\[ \frac{d}{dx}[x(\ln x)^p] = (\ln x)^p + p(\ln x)^{p-1} = (\ln x)^{p-1} (\ln x + p), \]

7

karena \(p > 1\), akibatnya \((\ln x)^{p-1} (\ln x + p) > 0\), sehingga \(f(x)\) monoton turun. Selain itu, \(f(x)\) juga kontinu di \([2, \infty)\), sehingga dengan uji integral

\[ \begin{aligned} \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p} dx \end{aligned} \]

Misalkan \(u = \ln x\), sehingga \(du = \frac{1}{x} dx\).

\[ \begin{aligned} \int \frac{1}{x(\ln x)^p} dx &= \int \frac{1}{u^p} du \\ &= \frac{1}{-p+1} u^{-p+1} \\ &= \frac{1}{-p+1} (\ln x)^{1-p} \end{aligned} \]

\[ \begin{aligned} \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p} dx &= \lim_{b\to+\infty} \int_{2}^{b} \frac{1}{x(\ln x)^p} dx \\ &= \lim_{b\to+\infty} \left[ \frac{1}{-p+1} (\ln x)^{1-p} \right]_{2}^{b} \\ &= \lim_{b\to+\infty} \frac{1}{-p+1} \left[ (\ln b)^{1-p} - (\ln 2)^{1-p} \right] \end{aligned} \]

Karena \(p > 1\), akibatnya \(\lim_{b\to+\infty} (\ln b)^{1-p} = 0\), sehingga

\[ \begin{aligned} \int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p} dx &= \frac{1}{-p+1} \left[ 0 - (\ln 2)^{1-p} \right] \\ &= \frac{1}{-p+1} \left[ -\frac{1}{(\ln 2)^{p-1}} \right] \\ &= \frac{1}{(p-1)(\ln 2)^{p-1}} \end{aligned} \]

Karena \(\int_{2}^{+\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p} dx\) konvergen jika \(p > 1\), akibatnya \(\sum_{k=2}^\infty \frac{1}{k(\ln k)^p}\) konvergen jika \(p > 1\).



4. Tunjukkan bahwa deret tersebut konvergen dengan memastikan bahwa deret \(\sum_{k=1}^\infty \frac{k}{3^k}\) memenuhi hipotesis uji deret berganti tanda.

Pembahasan

Misalkan \(a_k = \frac{k}{3^k}\), dan perhatikan bahwa

\[ \begin{aligned} a_k - a_{k+1} &= \frac{k}{3^k} - \frac{k+1}{3^{k+1}} \\ &= \frac{3k - (k+1)}{3^{k+1}} \\ &= \frac{2k - 1}{3^{k+1}} > 0 \end{aligned} \] sehingga \(a_k > a_{k+1}\),

Selanjutnya,

\[ \begin{aligned} \lim_{k\to+\infty} a_k &= \lim_{k\to+\infty} \frac{k}{3^k} \\ &= \lim_{k\to+\infty} \frac{1}{3^k \ln 3} \\ &= 0 \end{aligned} \]

Karena memenuhi \(a_1 > a_2 > a_3 > \dots\) dan \(\lim_{k\to+\infty} a_k = 0\), dengan demikian \(\sum_{k=1}^\infty \frac{k}{3^k}\) konvergen.



© Copyright 2025 | KP Mahasiswa Matematika 2022