Integral substitusi

Dalam bidang kalkulus, integral substitusi atau substitusi-u adalah salah satu metode untuk mencari integral dengan mensubstitusi salah satu variabel dan mengubahnya menjadi bentuk yang lebih sederhana.

Pengantar

Sebelum menyatakan hasilnya dengan teliti, mari kita periksa kasus sederhana menggunakan integral tak tentu.

Menghitung $\textstyle \int (2x^{3}+1)^{7}(x^{2})\,dx$.

Kumpulan nilai $u=2x^{3}+1$. Hal tersebut berarti $\textstyle {\frac {du}{dx}}=6x^{2}$, atau, dalam bentuk diferensial pada $du=6x^{2}\,dx$. Sekarang

$\int (2x^{3}+1)^{7}(x^{2})\,dx={\frac {1}{6}}\int \underbrace {(2x^{3}+1)^{7}} _{u^{7}}\underbrace {(6x^{2})\,dx} _{du}={\frac {1}{6}}\int u^{7}\,du={\frac {1}{6}}\left({\frac {1}{8}}u^{8}\right)={\frac {1}{48}}(2x^{3}+1)^{8}+C.$

Prosedur tersebut sering digunakan, tetapi tidak semua integral dalam bentuk yang memungkinkan penggunaannya. Bagaimanapun, hasil harus diverifikasi dengan membedakan dan membandingkan dengan integral asli.

${\frac {d}{dx}}\left[{\frac {1}{48}}(2x^{3}+1)^{8}\right]={\frac {1}{6}}(2x^{3}+1)^{7}(6x^{2})=(2x^{3}+1)^{7}(x^{2}).$

Untuk integral tertentu, batas integrasi juga harus disesuaikan, tetapi prosedurnya sebagian besar sama.

Integral pasti

Mari φ : [a,b] → I menjadikan fungsi yang dapat dibedakan dengan turunan kontinu, darimana I ⊆ R adalah sebuah interval. Seandainya nilai pada f : I → R adalah fungsi berkelanjutan. Kemudian, apakah u = φ(x)

$\int _{a}^{b}f(\varphi (x))\varphi '(x)\,dx=\int _{\varphi (a)}^{\varphi (b)}f(u)\,du.$

Dalam notasi Leibniz, substitusi pada u = φ(x) menghasilkanmenghasilkan nilai

${\frac {du}{dx}}=\varphi '(x).$

Bekerja secara heuristik dengan infinitesimal, menghasilkan persamaan

$du=\varphi '(x)\,dx,$

Hasil rumus substitusi di atas. (Persamaan ini dapat diletakkan di atas dasar yang kuat dengan menafsirkannya sebagai pernyataan tentang bentuk diferensial.) Seseorang dapat melihat metode integrasi dengan substitusi sebagai justifikasi parsial pada notasi Leibniz untuk integral dan turunan.

Bukti

Integrasi dengan substitusi dapat diturunkan dari teorema dasar kalkulus sebagai berikut. Mari cari nilai f dan φ menjadi dua fungsi yang memenuhi hipotesis di atas itu f terus menerus I dan φ′ dapat diintegrasikan pada interval tertutup [a,b]. Setelah itu fungsi pada f(φ(x))φ′(x)

$\int _{a}^{b}f(\varphi (x))\varphi '(x)\,dx$

dan

$\int _{\varphi (a)}^{\varphi (b)}f(u)\,du$

darimana u = φ(x) pada kenyataannya ada, dan tetap menunjukkan bahwa mereka setara.

Setelah φ dapat dibedakan, menggabungkan aturan rantai dan definisi pemberian antiturunan

$(F\circ \varphi )'(x)=F'(\varphi (x))\varphi '(x)=f(\varphi (x))\varphi '(x).$

Menerapkan teorema dasar kalkulus dua kali memberi

${\begin{aligned}\int _{a}^{b}f(\varphi (x))\varphi '(x)\,dx&=\int _{a}^{b}(F\circ \varphi )'(x)\,dx\\&=(F\circ \varphi )(b)-(F\circ \varphi )(a)\\&=F(\varphi (b))-F(\varphi (a))\\&=\int _{\varphi (a)}^{\varphi (b)}f(u)\,du,\end{aligned}}$

yang merupakan aturan substitusi.

Contoh

Contoh pertama

Perhatikan integral berikut:

$\int _{0}^{2}x\cos(x^{2}+1)\,dx$

Jika kita melakukan substitusi u = (x² + 1), maka diperoleh du = 2x dx, sehingga x dx = ½du. Lalu kita substitusikan ke dalam integralnya:

${\begin{aligned}\int _{x=0}^{x=2}x\cos(x^{2}+1)\,dx&{}={\frac {1}{2}}\int _{u=1}^{u=5}\cos(u)\,du\\&{}={\frac {1}{2}}(\sin(5)-\sin(1)).\end{aligned}}$

Perlu diingat bahwa di sini batas bawah x = 0 diganti dengan u = 0² + 1 = 1, dan batas atas x = 2 diganti dengan u = 2² + 1 = 5, sehingga dalam kasus ini u tidak perlu diubah kembali menjadi x.

Contoh 2

Untuk integral

$\int _{0}^{1}{\sqrt {1-x^{2}}}\;dx$

Substitusi yang sebaiknya dilakukan adalah x = sin(u), dx = cos(u) du, karena ${\sqrt {(1-\sin ^{2}(u))}}=\cos(u)$:

$\int _{0}^{1}{\sqrt {1-x^{2}}}\;dx=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\sqrt {1-\sin ^{2}(u)}}\cos(u)\;du=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}\cos ^{2}(u)\;du={\Bigg (}{{\frac {u}{2}}+{\frac {\sin(2u)}{4}}{\Bigg )}{\Bigg \vert }\,}_{0}^{\frac {\pi }{2}}={\frac {\pi }{4}}+0={\frac {\pi }{4}}$

Contoh 3: antiturunan

Metode substitusi dapat digunakan untuk mencari antiturunan, yaitu dengan menentukan hubungan antara x dan u serta dx dan du. Berikut adalah contohnya:

${\begin{aligned}&{}\quad \int x\cos(x^{2}+1)\,dx={\frac {1}{2}}\int 2x\cos(x^{2}+1)\,dx\\&{}={\frac {1}{2}}\int \cos u\,du={\frac {1}{2}}\sin u+C={\frac {1}{2}}\sin(x^{2}+1)+C\end{aligned}}$

Referensi

• Ferzola, Anthony P. (1994), "Euler and differentials", The College Mathematics Journal, 25 (2): 102–111, doi:10.2307/2687130 
• Fremlin, D.H. (2010), Measure Theory, Volume 2, Torres Fremlin, ISBN 978-0-9538129-7-4 .
• Hewitt, Edwin; Stromberg, Karl (1965), Real and Abstract Analysis, Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-04559-7 .
• Katz, V. (1982), "Change of variables in multiple integrals: Euler to Cartan", Mathematics Magazine, 55 (1): 3–11, doi:10.2307/2689856 
• Rudin, Walter (1987), Real and Complex Analysis, McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-054234-1 .
• Spivak, Michael (1965), Calculus on Manifolds, Westview Press, ISBN 978-0-8053-9021-6 .