BAB 6 : BARISAN DAN DERET
6.3 Uji Kovergensi
A) Rangkuman Materi
1 Sifat-Sifat Aljabar Deret Takhingga
- 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 \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{+\infty} (u_k + v_k) &= \sum_{k=1}^{+\infty} u_k + \sum_{k=1}^{+\infty} v_k \\ \sum_{k=1}^{+\infty} (u_k - v_k) &= \sum_{k=1}^{+\infty} u_k - \sum_{k=1}^{+\infty} v_k \end{aligned} \]
- 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 \[ \sum_{k=1}^{+\infty} c u_k = c \sum_{k=1}^{+\infty} u_k \]
- 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
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
\[ \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{k^p} = 1 + \frac{1}{2^p} + \frac{1}{3^p} + \dots + \frac{1}{k^p} + \dots \]
5 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
- Jika \(p < 1\), maka deret konvergen.
- Jika \(p > 1\) atau \(p = +\infty\), maka deret divergen.
- Jika \(p = 1\), maka deret mungkin konvergen atau divergen, sehingga diperlukan uji yang lain.
6 Prinsip Informal
- Prinsip Informal (I): Suku-suku konstan dalam penyebut \(u_k\) dapat dihilangkan tanpa berpengaruh pada konvergensi maupun divergensi deret.
- 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 \(a_k > 0\).
Suatu deret berganti tanda pada bentuk di atas konvergen jika dua kondisi berikut terpenuhi
- \(a_1 > a_2 > a_3 > a_4 > \dots\)
- \(\lim_{k\to+\infty} a_k = 0\)
Note: Pada teorema 7.1,
- Suatu deret berganti tanda akan konvergen jika kondisi (2) dipenuhi dan kondisi (1) dipenuhi pada bagian akhir suku.
- Jika kondisi (2) tidak dipenuhi, maka deret akan divergen.
- 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
\[ \rho = \lim_{k\to+\infty} \left|\frac{u_{k+1}}{u_k}\right| \]
|
Gunakan uji ini ketika \(u_k\) melibatkan faktorial atau pangkat ke-\(k\). |
| Uji Akar |
Misalkan \(\sum u_k\) adalah deret dengan suku positif, serta
\[ \rho = \lim_{k\to+\infty} \sqrt[k]{u_k} \]
|
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:
|
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
\[ \rho = \lim_{k\to\infty} \left|\frac{u_{k+1}}{u_k}\right| \]
|
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