Deret \displaystyle \sum_{n=0}^\infty \frac{\sin n}{n}

Dalam matakuliah Kalkulus 2 kita mempelajari banyak ragam jenis pengujian kekonvergenan deret. Kita mempunyai uji integral, uji banding langsung, uji banding limit dan uji rasio. Untuk deret yang suku-sukunya tidak selalu positif, kita punya deret ganti tanda dan uji deret kekonvergenan mutlak. Dari beberapa uji-uji deret tersebut, sepengetahuan saya tidak ada yang bisa digunakan untuk memeriksa kekonvergenan deret {\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{\sin n}{n}}.

Jika kita lihat sepintas, fungsi {\sin x} periodik dan nilainya berayun diantara {-1} dan {1}. Sifat ini mungkin mengingatkan kita dengan uji deret ganti tanda, tapi sayangnya uji deret ganti tanda tidak bisa digunakan disini karena nilai {\sin n} meskipun nilainya ada yang positif dan ada yang negatif, tapi tidak bergantian positif ke negatif dari satu suku ke suku berikutnya.

Berikut adalah uji Dirichlet yang dapat dipergunakan untuk membuktikan bahwa deret {\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{\sin n}{n}} merupakan deret yang konvergen. Uji ini merupakan perumuman dari deret ganti tanda.

Teorema  (Uji Dirichlet) Misalkan {a_n} monoton turun, {\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty} a_n=0} dan {\left|\displaystyle\sum_{n=1}^N b_n \right|\leq M} untuk setiap {N}. Maka deret {\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_nb_n } konvergen.

Sebelum kita buktikan, kita akan gunakan uji Dirichlet ini untuk membuktikan bahwa deret {\displaystyle \sum_{n=1}^n \frac{\sin n}{n}} konvergen. Ambil {a_n=\frac{1}{n}} dan {b_n=\sin n}. Jelas bahwa {a_n} monoton turun dan konvergen ke nol. Sekarang perhatikan bahwa

    \begin{align*} 2\sin(1/2)\sum_{n=1}^ N \sin n &=\sum_{n=1}^N 2\sin(1/2)\sin n \\ &=\sum_{n=1}^N \left(\cos(n-\frac12)-\cos(n+\frac12)\right)\\&=\cos(1/2)-\cos(N+\frac12). \end{align*}

Akibatnya

\displaystyle \left|\sum_{n=1}^ N \sin n\right|=\left|\frac{\cos(1/2)-\cos(N+\frac12)}{2\sin(1/2)}\right|\leq \frac{2}{2\sin(1/2)}=\frac{1}{\sin(1/2)}.

Jadi menurut uji Dirichlet kita peroleh bahwa {\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{\sin n}{n}} konvergen.

Bukti Uji Dirichlet: Misalkan {B_n:=\sum_{k=1}^n b_k}. Perhatikan bahwa

    \begin{align*} \sum_{n=1}^N B_n(a_n-a_{n+1})&= B_1a_1+\sum_{n=1}^{N-1} B_{n+1}a_{n+1}-\sum_{n=1}^N B_na_{n+1}\\ &=b_1a_1+\left(\sum_{n=1}^{N-1} (B_{n+1}-B_n)a_{n+1}\right) - B_Na_{N+1}\\ &=b_1a_1+\left(\sum_{n=1}^{N-1} b_{n+1}a_{n+1}\right)-B_Na_{N+1}\\ &=\left(\sum_{n=1}^N a_nb_n\right)-B_Na_{N+1}, \end{align*}

yang ekivalen dengan

\displaystyle \sum_{n=1}^N a_nb_n=B_Na_{N+1}+\sum_{n=1}^N B_n(a_n-a_{n+1}).

Karena barisan {\{a_n\}} konvergen ke nol dan {|B_N|\leq M}, maka {B_Na_{N+1}} konvergen ke nol. Sekarang

    \begin{align*} \sum_{n=1}^N |B_n(a_n-a_{n+1})|\leq \sum_{n=1}^N M(a_n-a_{n+1})=Ma_1-Ma_{N+1}\leq Ma_1 \end{align*}

Ini menunjukkan bahwa deret {\sum_{n=1}^\infty B_n(a_n-a_{n+1})} konvergen absolut. Dengan demikian ketika {N\rightarrow \infty} barisan {\sum_{n=1}^N B_n(a_n-a_{n+1})} konvergen dan kita simpulkan bahwa {\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_nb_n} konvergen. \Box

Kekonvergenan Suatu Deret

Salah satu soal menarik pada soal tutorial kalkulus 2A adalah tentang kekonvergenan deret

\displaystyle \sum_{n=2}^\infty \frac{1}{(\ln n)^4}.

Untuk dapat memahami intuisi penyelesaian di atas kita akan melakukan lomba marathon yang pesertanya adalah fungsi-fungsi {e^x,x^k} dan {\ln x}. Ini merupakan lomba marathon dalam artian kita hanya peduli untuk {x} yang cukup besar.

Untuk dapat membandingkan, misalnya siapa diantara {ê^x} dan {x^k} yang menang kita bisa hitung nilai {\displaystyle \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{x^k}{e^x}}. Perhatikan bahwa ini merupakan bentuk tak tentu {\frac{\infty}{\infty}} yang mengakibatkan kita bisa melakukan aturan L’Hospital. t Perhatikan bahwa setiap kali kita menurunkan pembilang, derajatnya berkurang satu, akan tetapi penyebutnya meskipun diturunkan tetap {e^x} seperti semula. Hal ini menunjukkan bahwa pada akhirnya nilai limit di atas adalah nol. Ini berarti untuk {x} yang cukup besar {e^x} lebih cepat dibanding {x^k} untuk {k} yang manapun (meski {k=10^6} misalnya).

Dengan melakukan pendekatan yang sama kita bisa tunjukkan bahwa {x^k} eventually akan lebih cepat dibanding {\ln x} meski {k} nya kecil, misalnya {0<k<1}.

Apa untungnya pengamatan di atas? Dari pengamatan di atas kita tahu bahwa

\displaystyle n^{1/4} >\ln n \Leftrightarrow n> (\ln n)^4\Leftrightarrow \frac{1}{n}<\frac{1}{(\ln n)^4}

untuk {n} yang cukup besar. Karena deret {\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n}} merupakan deret yang divergen (deret harmonik), maka menurut uji banding langsung, demikian pula deret {\displaystyle \sum_{i=2}^n \frac{1}{(\ln n)^4}} merupakan deret yang divergen.

Agar buktinya lebih ketat, kita masih berhutang untuk menunjukkan bahwa

\displaystyle  n^{1/4}-\ln n > 0 \ \ \ \ \ (1)

untuk {n} yang besar. Pertanyaannya untuk {n} yang mana? Saya serahkan kepada pembaca untuk membuktikan bahwa ketaksamaan di atas benar untuk {n\geq e^{16}}. Perlu di ingat juga bilangan {e^{16}} ini tidak benar-benar penting dalam menentukan kedivergenan deret kita dan boleh kita ganti dengan bilangan lain yang mengakibatkan ketaksamaan 1 benar.