Dalam kalkulus, teorema apit merupakan teorema yang melibatkan limit pada suatu fungsi yang diapit oleh dua fungsi lain sehingga ketiga fungsi tersebut memiliki nilai limit yang sama.[1] Sebagai ilustrasi, dapat terlihat pada gambar di samping bahwa fungsi yang berwarna biru diapit dari atas oleh fungsi yang berwarna hijau dan di apit dari bawah oleh fungsi yang berwarna merah.
Teorema apit sering digunakan pada bidang kalkulus dan analisis matematika untuk mencari nilai limit dengan cara membandingkannya dengan dua fungsi lain yang nilai limitnya diketahui. Teorema ini pertama kali digunakan secara geometris oleh matematikawan Archimedes dan Eudoksos untuk menghitung nilai π, yang kemudian dirumuskan menggunakan notasi modern oleh Carl Friedrich Gauss.
Pernyataan
Teorema apit secara formal dapat dinyatakan sebagai berikut:[2][3]
Teorema —
Misalkan adalah selang yang memuat titik . Misalkan , , dan adalah fungsi yang terdefinisi pada , dengan
Perhatikan bahwa , sehingga rantai pertidaksamaan di atas menjadi rantai persamaan, maka dapat disimpulkan bahwa
Definisi (ε, δ) dari limit
Diketahui dan . Jika diberikan suatu , maka
Oleh karena pertidaksamaan ekuivalen dengan pertidaksamaan , dengan memilih , maka diperoleh rantai pertidaksamaan
yang mengakibatkan (atau menggunakan tanda mutlak, ). Sehingga, terbukti bahwa .[4]Q.E.D.
Teorema apit untuk barisan
Teorema ini juga dapat diterapkan pada barisan. Misalkan dan adalah barisan yang konvergen ke dan adalah suatu barisan. Jika terdapat suatu bilangan sedemikian sehingga berlaku
untuk setiap nilai , maka barisan juga konvergen ke .[5][6]
Bukti
Pernyataan di atas dapat dibuktikan dengan cara serupa seperti sebelumnya. Diketahui dan sama-sama konvergen ke . Jika diberikan suatu , maka
Oleh karena pertidaksamaan ekuivalen dengan pertidaksamaan , dengan memilih , maka diperoleh rantai pertidaksamaan
yang mengakibatkan (atau menggunakan tanda mutlak, ). Sehingga, terbukti bahwa barisan juga akan konvergen ke .
Contoh permasalahan
Contoh pertama
Nilai limit dari tidak dapat dicari dengan menggunakan sifat perkalian dari limit, yaitu
sebab nilai tidak ada. Akan tetapi, perhatikan bahwa berlaku pertidaksamaan
untuk setiap bilangan riil. Dengan memilih , maka didapatkan rantai pertidaksamaan
Sehingga, dapat disimpulkan bahwa
Rincian penjelasan
Baris kedua diperoleh dengan mengalikan semua ruas pertidaksamaannya dengan . Tanda pertidaksamaan pada baris kedua tidak berubah, sebab nilai selalu non-negatif.
Oleh karena dan , maka menurut teorema apit, nilai haruslah 0 juga.
Contoh kedua
Salah satu contoh yang paling terkenal mengenai pencarian limit melalui proses penghimpitan adalah pembuktian nilai
Untuk membuktikan hasil pertama, dapat dengan mudah terlihat (dengan menggunakan ilustrasi geometris di bagian kanan) bahwa[butuh rujukan]
sehingga diperoleh rantai pertidaksamaan
untuk nilai yang cukup dekat dengan . Oleh karena fungsi kosinus dan fungsi sinc sama-sama merupakan fungsi genap, maka pertidaksamaan di atas juga berlaku untuk nilai negatif. Dengan mengambil nilai limit saat mendekati , maka didapatkan
Untuk membuktikan hasil kedua, dengan menggunakan ilustrasi yang sama, perhatikan bahwa dan sama-sama merupakan jari-jari lingkaran, sehingga segitiga merupakan segitiga sama kaki. Oleh karena , maka didapatkan . Akibatnya,
Sehingga,
untuk nilai positif yang cukup dekat dengan . Oleh karena fungsi dan fungsi sinus sama-sama merupakan fungsi ganjil, maka pertidaksamaan di atas akan menjadi
yang berlaku untuk nilai negatif yang cukup dekat dengan . Dengan mengambil nilai limit saat mendekati dari kiri dan dari kanan, maka didapatkan
Pembuktian alternatif
Dengan menggunakan identitas Pythagoras beserta informasi yang telah diperoleh sebelumnya, maka didapatkan
Kedua nilai limit ini digunakan untuk membuktikan turunan dari fungsi sinus adalah fungsi kosinus.
Contoh ketiga
Proses penghimpitan juga dapat digunakan untuk membuktikan
Berikut adalah penjelasan ilustrasi di bagian kanan :
Konstruksikan lingkaran satuan yang berpusat pada titik asal beserta garis dan garis , untuk suatu parameter .
Dengan bantuan identitas Pythagoras, maka diperoleh jarak titik dengan titik adalah .
Kemudian, dikonstruksikan lingkaran berjari-jari dengan pusat yang sama.
Lakukan hal serupa untuk sudut
Perhatikan juring lingkaran yang berjari-jari . Saat mendekati , bagian busur lingkaran nya akan mendekati garis lurus, sehingga luas juringnya dapat didekati dengan bangun segitiga. Jika panjang busurnya (yaitu ) dijadikan sebagai alas segitiga, maka tinggi segitiganya adalah jari-jari lingkaran (yaitu ), sehingga diperoleh
Sekarang perhatikan juring lingkaran yang berjari-jari . Dengan argumentasi serupa, maka dapat dengan mudah ditunjukkan bahwa luas juringnya (yang dinotasikan dengan ) adalah
Bangun yang akan dihimpit oleh dan adalah segitiga yang memiliki titik sudut pada koordinat , dan . Jika tinggi segitiganya adalah satuan, maka panjang alasnya adalah , sehingga luas segitiganya ialah
Akibatnya, diperoleh rantai pertidaksamaan
dengan asumsi bahwa . Apabila , maka didapatkan
Pada kedua kasus di atas, ekspresi pertama dan ketiga sama-sama mendekati saat mendekati , sedangkan ekspresi di tengah akan mendekati saat mendekati , sehingga terbukti bahwa nilai menggunakan teorema apit.
Contoh keempat
Teorema apit masih dapat digunakan pada kalkulus multivariabel, namun batas bawah (dan batas atas) fungsinya harus berada di bawah (dan di atas) nilai fungsinya untuk setiap persekitaran titik yang akan diselidiki, bukan untuk suatu lintasan tertentu saja.[7] Misalnya, nilai
terbatas ke atas oleh fungsi dan terbatas ke bawah oleh fungsi untuk setiap titik pada persekitaran .
Penjelasan
Perhatikan bahwa untuk setiap bilangan riil. Akibatnya,
Dengan menggunakan pertidaksamaan yang berlaku untuk setiap bilangan riil, maka didapatkan
^Varberg, Dale; Purcell, Edward; Rigdon, Steve (2006). Calculus [Kalkulus] (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-9th). Pearson. hlm. 72. ISBN978-0-1314-2924-6.
^Johnsonbaugh, Richard; Pfaffenberger, W. E. (2012-09-11). Foundations of Mathematical Analysis [Pondasi Analisis Matematis] (dalam bahasa Inggris). Courier Corporation. ISBN978-0-486-13477-2.Lebih dari satu parameter |lang= dan |language= yang digunakan (bantuan)