Lewati ke konten utama
Gambar logo

Subbab 4.1 Mendeskripsikan Barisan

Subbagian Pratinjau Bagian

Selidiki!
Menurut legenda, terdapat sebuah biara di Hanoi dengan aula besar yang berisi tiga tiang tinggi. Pada tiang pertama tersusun 64 cakram raksasa (atau cincin pipih), semuanya berbeda ukuran, dari yang terbesar hingga yang terkecil. Selama bergenerasi-generasi, para rahib di biara itu memindahkan cakram-cakram tersebut dalam upaya memindahkan seluruh tumpukan ke tiang ketiga. Namun, karena ukuran cakram-cakram itu, para rahib hanya dapat memindahkan satu cakram setiap kali. Setiap cakram harus diletakkan pada salah satu tiang sebelum cakram berikutnya dipindahkan. Selain itu, karena cakram-cakram tersebut begitu berat dan rapuh, para rahib tidak boleh meletakkan cakram yang lebih besar di atas cakram yang lebih kecil. Ketika para rahib akhirnya menyelesaikan tugas mereka, dunia akan berakhir.
Tugas Anda: Tentukan berapa lama lagi sebelum kita perlu mulai mencemaskan akhir dunia.
Teka-teki ini disebut Menara Hanoi. Tugas Anda adalah menentukan jumlah minimum langkah untuk menyelesaikan teka-teki tersebut. Ini tentu terdengar seperti masalah pencacahan. Mungkin Anda sudah mempunyai jawabannya? Jika belum, apa lagi yang dapat kita coba?
Jawaban teka-teki ini bergantung pada banyaknya cakram yang perlu dipindahkan. Kita dapat menjawabnya terlebih dahulu untuk 1 cakram, lalu 2, kemudian 3, dan seterusnya. Jika semua jawaban untuk setiap banyak cakram kita daftarkan, kita memperoleh suatu barisan bilangan. Suku ke-\(n\) dalam barisan tersebut merupakan jawaban atas pertanyaan, “Berapa jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk menyelesaikan teka-teki Menara Hanoi dengan \(n\) cakram?”
Cobalah. Tentukan jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan tumpukan \(n\) cakram ke tiang lain untuk berbagai nilai \(n\text{.}\)
Gambar 4.1.1. Teka-teki Menara Hanoi.
Anda mungkin bertanya-tanya mengapa kita membuat barisan semacam itu alih-alih langsung menjawab pertanyaannya. Dengan mengamati bagaimana barisan bilangan itu tumbuh, kita memperoleh pemahaman yang lebih mendalam tentang masalahnya. Jumlah langkah yang diperlukan untuk sedikit cakram mudah dihitung. Setelah itu, kita dapat mencari pola pada beberapa suku pertama barisan tersebut. Pola ini diharapkan menunjukkan cara menentukan suku ke-\(n\) barisan, yang merupakan jawaban atas pertanyaan kita. Tentu saja, kita juga perlu memverifikasi bahwa pola yang kita duga benar dan bahwa pola tersebut benar-benar menghasilkan suku ke-\(n\) yang dimaksud. Namun, mustahil membuktikan bahwa suatu rumus benar jika kita belum mempunyai rumus yang akan dibuktikan.
Pada bagian ini, kita akan mempelajari berbagai cara menyatakan barisan bilangan serta dua jenis rumus yang dapat digunakan untuk mendeskripsikan barisan. Kita juga akan melihat bahwa barisan merupakan objek matematika yang menarik untuk dipelajari tersendiri.

Lembar Kerja Kegiatan Pratinjau

Mari mengenal barisan yang muncul dari teka-teki Menara Hanoi. Gunakan Gambar 4.1.1 untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan berikut.
1.
(a)
Berapa jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan 2 cakram ke tiang lain?
(b)
Berapa jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan 3 cakram ke tiang lain?
(c)
Berapa jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan 4 cakram ke tiang lain?
(d)
Untuk menentukan jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan 5 cakram ke tiang lain, mari kaitkan tugas ini dengan tugas memindahkan 4 cakram. Berapa langkah yang diperlukan untuk masing-masing tugas berikut?
  1. Pindahkan 4 cakram terkecil ke tiang kedua: langkah.
  2. Pindahkan cakram terbesar ke tiang ketiga: langkah.
  3. Pindahkan 4 cakram terkecil ke tiang ketiga (di atas cakram terbesar): langkah.
Jadi, jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan lima cakram adalah:
(e)
Generalisasikan pengamatan terakhir. Misalkan \(a_n\) menyatakan jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk memindahkan \(n\) cakram dari tiang awal ke tiang lain. Dengan demikian, \(a_{n-1}\) menyatakan jumlah langkah yang diperlukan untuk memindahkan \(n-1\) cakram ke tiang lain.
Berikan rumus untuk \(a_{n}\) berdasarkan \(a_{n-1}\text{.}\)
\(a_n =\).

Subbagian Barisan dan Rumus

Suatu barisan hanyalah daftar bilangan yang terurut. Berbeda dengan suatu himpunan bilangan, urutan bilangan dalam barisan merupakan ciri penting barisan tersebut. Oleh karena itu, ketika kita menggunakan variabel untuk menyatakan suku-suku suatu barisan, bentuknya akan seperti ini:
\begin{equation*} a_0, a_1, a_2, a_3, \ldots\text{.} \end{equation*}
Untuk merujuk pada seluruh barisan sekaligus, kita akan menulis \((a_n)_{n\in\N}\) atau \((a_n)_{n\ge 0}\text{,}\) atau kadang-kadang, jika tidak terlalu cermat, cukup \((a_n)\) (dalam hal ini kita menganggap barisan dimulai dengan \(a_0\)).
Kita dapat mengganti \(a\) dengan huruf lain, dan kadang-kadang kita menghilangkan \(a_0\) sehingga barisan dimulai dengan \(a_1\text{.}\) Dalam hal itu, kita menggunakan \((a_n)_{n \ge 1}\) untuk merujuk pada barisan secara keseluruhan. Bilangan-bilangan pada subskrip disebut indeks (bentuk tunggalnya juga indeks).
Meskipun kita sering menganggap barisan hanya sebagai daftar bilangan terurut, barisan sebenarnya merupakan salah satu jenis fungsi. Secara khusus, barisan \((a_n)_{n\ge 0}\) adalah fungsi dengan domain \(\N\text{,}\) dengan \(a_n\) sebagai citra bilangan asli \(n\text{.}\) Kelak kita akan memanipulasi barisan dengan cara yang hampir sama seperti Anda memanipulasi fungsi dalam aljabar atau kalkulus. Kita dapat menggeser suatu barisan ke atas atau ke bawah, menjumlahkan dua barisan, atau menanyakan laju perubahan suatu barisan. Semua ini dilakukan persis seperti pada fungsi.
Meskipun definisi matematis yang ketat tetap perlu diingat, kita sering mendeskripsikan barisan dengan menuliskan beberapa suku pertamanya.

Contoh 4.1.2.

Dapatkah Anda menentukan suku berikutnya dalam barisan-barisan berikut?
  1. \(\displaystyle 7,7,7,7,7, \ldots\)
  2. \(\displaystyle 3, -3, 3, -3, 3, \ldots\)
  3. \(\displaystyle 1, 5, 2, 10, 3, 15, \ldots\)
  4. \(\displaystyle 1, 2, 4, 8, 16, 32, \ldots\)
  5. \(\displaystyle 1, 4, 9, 16, 25, 36, \ldots\)
  6. \(\displaystyle 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, \ldots\)
  7. \(\displaystyle 1, 3, 6, 10, 15, 21, \ldots\)
  8. \(\displaystyle 2, 3, 5, 7, 11, 13, \ldots\)
  9. \(\displaystyle 3, 2, 1, 0, -1, \ldots\)
  10. \(\displaystyle 1, 1, 2, 6, \ldots\)
Penyelesaian.
Tidak, Anda tidak dapat menentukannya.
Anda mungkin menduga bahwa suku-suku berikutnya adalah:
  1. \(\displaystyle 7\)
  2. \(\displaystyle -3\)
  3. \(\displaystyle 4\)
  4. 64
  5. 49
  6. 34
  7. 28
  8. 17
  9. \(\displaystyle -2\)
  10. \(\displaystyle 24\)
Memang, itulah suku-suku berikutnya dari barisan yang saya bayangkan ketika menyusun contoh ini, tetapi tidak ada cara untuk memastikan bahwa jawaban tersebut benar.
Meskipun demikian, kita akan sering melakukan hal ini. Jika beberapa suku pertama suatu barisan diberikan, kita dapat mengamati pola barisan tersebut untuk menduga suku-suku berikutnya.
Karena berapa pun banyaknya suku awal tidak cukup untuk memastikan barisan mana yang sedang kita hadapi, kita memerlukan cara lain untuk menentukan suatu barisan. Kita akan mempertimbangkan dua cara utama berikut:

Definisi 4.1.3. Rumus tertutup.

Suatu rumus tertutup bagi barisan \((a_n)_{n\in\N}\) adalah rumus untuk \(a_n\) yang menggunakan sejumlah berhingga operasi pada \(n\text{,}\) dengan banyak operasi yang tetap. Inilah yang biasanya Anda anggap sebagai rumus dalam \(n\text{,}\) seolah-olah Anda mendefinisikan fungsi dalam \(n\) (karena memang itulah yang Anda lakukan).

Definisi 4.1.4. Definisi rekursif.

Suatu definisi rekursif (kadang-kadang disebut definisi induktif) untuk barisan \((a_n)_{n\in\N}\) terdiri atas sebuah relasi rekurensi : persamaan yang mengaitkan suatu suku barisan dengan suku-suku sebelumnya (suku dengan indeks lebih kecil), serta suatu syarat awal: daftar beberapa suku barisan (banyaknya satu lebih sedikit daripada banyak suku yang muncul dalam relasi rekurensi).
Gagasan ini lebih mudah dipahami melalui sebuah contoh:

Contoh 4.1.5.

Berikut beberapa rumus tertutup untuk barisan:
  • \(a_n = n^2\text{.}\)
  • \(\d a_n = \frac{n(n+1)}{2}\text{.}\)
  • \(\d a_n = \frac{\left(\frac{1 + \sqrt 5}{2}\right)^n - \left(\frac{1 - \sqrt 5}{2}\right)^{n}}{\sqrt{5}}\text{.}\)
Perhatikan bahwa pada setiap rumus, jika \(n\) diberikan, Anda dapat menghitung \(a_n\) secara langsung: cukup substitusikan \(n\text{.}\) Sebagai contoh, untuk menentukan \(a_3\) pada barisan kedua, cukup hitung \(a_3 = \frac{3(3+1)}{2} = 6\text{.}\)
Berikut beberapa definisi rekursif untuk barisan:
  • \(a_n = 2a_{n-1}\) dengan \(a_0 = 1\text{.}\)
  • \(a_n = 2a_{n-1}\) dengan \(a_0 = 27\text{.}\)
  • \(a_n = a_{n-1} + a_{n-2}\) dengan \(a_0 = 0\) dan \(a_1 = 1\text{.}\)
Dalam rumus-rumus ini, jika \(n\) diberikan, Anda tidak dapat menghitung \(a_n\) secara langsung; terlebih dahulu Anda perlu menentukan \(a_{n-1}\) (atau \(a_{n-1}\) dan \(a_{n-2}\)). Pada barisan kedua, untuk menentukan \(a_3\) Anda perlu menghitung \(2a_2\text{,}\) tetapi untuk menentukan \(a_2 = 2a_1\) kita perlu mengetahui \(a_1 = 2a_0\text{.}\) Nilai ini kita ketahui, sehingga kita dapat menelusuri persamaan-persamaan tersebut untuk memperoleh \(a_1 = 54\text{,}\) \(a_2 = 108\text{,}\) dan akhirnya \(a_3 = 216\text{.}\)
Anda mungkin bertanya-tanya mengapa kita perlu menggunakan definisi rekursif untuk barisan. Lagi pula, menentukan \(a_n\) dengan definisi rekursif lebih sulit daripada dengan rumus tertutup. Hal itu benar, tetapi menentukan rumus tertutup suatu barisan juga lebih sulit daripada menentukan definisi rekursifnya. Jadi, untuk memperoleh rumus tertutup yang berguna, kita dapat terlebih dahulu menentukan definisi rekursif, lalu menggunakannya untuk menentukan rumus tertutup.

Contoh 4.1.6.

Karena Anda berhasil mengalahkan naga jahat, sang raja menjanjikan hadiah satu butir beras pada hari pertama, lalu dua kali banyaknya butir pada hari sebelumnya untuk setiap hari berikutnya sampai akhir bulan.
Agar tidak tertipu, Anda menawar hingga sang raja juga setuju menambahkan satu butir beras lagi setiap hari.
Berapa butir beras yang akan Anda terima pada hari ke-30?
Penyelesaian.
Kita dapat menuliskan beberapa suku pertama barisan \((a_n)_{n \ge 1}\) yang menyatakan banyaknya butir beras yang Anda terima pada hari ke-\(n\text{.}\) Kita memperoleh
\begin{equation*} 1, 3, 7, 15, \ldots\text{,} \end{equation*}
sebab, misalnya, pada hari ke-4, banyaknya butir beras pada hari ke-3 (ketujuh butir itu) digandakan lalu ditambah 1 sehingga menjadi 15. Pada hari berikutnya Anda akan menerima \(2 \cdot 15 + 1 = 31\) butir.
Dengan menghitung nilai-nilai tersebut, kita segera melihat relasi rekurensinya:
\begin{equation*} a_n = 2a_{n-1} + 1\text{.} \end{equation*}
Hal ini sesuai dengan masalah yang dimodelkan oleh barisan: setiap hari kita menggandakan banyaknya butir, lalu menambahkan 1. Relasi rekurensinya dapat langsung dibaca dari masalah tersebut.
Pertanyaan semula menanyakan \(a_{30}\text{.}\) Kita dapat menentukannya dengan relasi rekurensi, tetapi kita harus terlebih dahulu menentukan \(a_{29}\text{;}\) untuk itu kita memerlukan \(a_{28}\text{,}\) yang terlebih dahulu memerlukan \(a_{27}\text{,}\) dan seterusnya. Kita tentu dapat menelusurinya hingga \(a_4\text{,}\) yang telah kita peroleh, tetapi pekerjaan itu sangat panjang.
Akan jauh lebih mudah jika kita mempunyai rumus tertutup. Jika kita dapat menyelesaikan relasi rekurensi dan menemukan rumus tertutup tersebut, kita cukup menyubstitusikan \(30\) untuk \(n\text{.}\)
Mari menduga. Barisan ini tampak dekat dengan \(2, 4, 8, 16,\ldots\text{,}\) yang memiliki rumus tertutup \(2^n\text{.}\) Setiap suku barisan itu satu lebih besar daripada suku barisan kita, sehingga kita dapat menduga bahwa
\begin{equation*} a_n = 2^n - 1\text{.} \end{equation*}
Perlu ditegaskan bahwa saat ini kita belum mempunyai alasan kuat untuk percaya bahwa dugaan ini benar, tetapi mungkin alasan itu akan kita peroleh nanti dalam bab ini. Namun, jika dugaan tersebut memang benar, masalah kita selesai (dan kita pasti sudah sangat bosan dengan beras):
\begin{equation*} a_{30} = 2^{30} - 1 = 1,073,741,823\text{.} \end{equation*}
Ini bukan berarti definisi rekursif tidak berguna untuk menentukan \(a_n\text{.}\) Jika suatu definisi rekursif diberikan, Anda selalu dapat menghitung \(a_n\text{;}\) hanya saja prosesnya mungkin memerlukan waktu.

Contoh 4.1.7.

Tentukan \(a_6\) dalam barisan yang didefinisikan oleh \(a_n = 2a_{n-1} - a_{n-2}\) dengan \(a_0 = 3\) dan \(a_1 = 4\text{.}\)
Penyelesaian.
Kita mengetahui bahwa \(a_6 = 2a_5 - a_4\text{.}\) Jadi, untuk menentukan \(a_6\text{,}\) kita perlu menentukan \(a_5\) dan \(a_4\text{.}\) Kita mempunyai
\begin{equation*} a_5 = 2a_4 - a_3 \qquad \text{dan} \qquad a_4 = 2a_3 - a_2\text{,} \end{equation*}
sehingga kita hanya perlu menentukan \(a_3\) dan \(a_2\text{.}\) Tentu saja,
\begin{equation*} a_3 = 2a_2 - a_1 \qquad \text{dan} \qquad a_2 = 2a_1 - a_0\text{,} \end{equation*}
sehingga kita hanya perlu menentukan \(a_1\) dan \(a_0\text{.}\) Kedua nilai ini diberikan. Dengan demikian,
\begin{align*} a_0 \amp = 3\\ a_1 \amp = 4\\ a_2 \amp = 2\cdot 4 - 3 = 5\\ a_3 \amp = 2\cdot 5 - 4 = 6\\ a_4 \amp = 2\cdot 6 - 5 = 7\\ a_5 \amp = 2\cdot 7 - 6 = 8\\ a_6 \amp = 2\cdot 8 - 7 = 9\text{.} \end{align*}
Sekarang kita dapat menduga rumus tertutup untuk suku ke-\(n\) barisan tersebut: \(a_n = n+3\text{.}\) Untuk memastikan bahwa rumus ini selalu berlaku, kita dapat menyubstitusikannya ke dalam relasi rekurensi:
\begin{align*} 2a_{n-1} - a_{n-2} \amp = 2((n-1) + 3) - ((n-2) + 3)\\ \amp = 2n + 4 - n - 1\\ \amp = n + 3\\ \amp = a_n\text{.} \end{align*}
Namun, hal itu belum cukup karena mungkin terdapat beberapa rumus tertutup yang memenuhi relasi rekurensi yang sama; kita juga harus memeriksa bahwa rumus tertutup kita sesuai dengan suku-suku awal barisan. Karena \(a_0 = 0 + 3 = 3\) dan \(a_1 = 1+3 = 4\) merupakan syarat awal yang benar, kini kita dapat menyimpulkan bahwa rumus tertutup kita benar.
Menentukan rumus tertutup, atau bahkan definisi rekursif, untuk barisan bukanlah hal sepele. Tidak ada satu metode tunggal untuk melakukannya. Seperti ketika menghitung integral atau menyelesaikan persamaan diferensial, kita perlu mempunyai berbagai teknik yang dapat diterapkan, tetapi kadang-kadang memang tidak ada jawaban yang mudah.
Salah satu metode yang berguna ialah mengaitkan barisan yang diberikan dengan barisan lain yang rumus tertutupnya telah kita ketahui. Untuk melakukannya, kita memerlukan beberapa “barisan yang dikenal” sebagai pembanding bagi barisan yang belum diketahui. Berikut beberapa barisan yang sebaiknya Anda kenal. Kita akan memverifikasi rumus-rumusnya pada bagian-bagian berikutnya.

Barisan yang Umum.

\(1, 4, 9, 16, 25, \ldots\)
Bilangan kuadrat. Barisan \((s_n)_{n \ge 1}\) memiliki rumus tertutup \(s_n = n^2\)
\(1, 3, 6, 10, 15, 21, \ldots\)
Bilangan segitiga. Barisan \((T_n)_{n \ge 1}\) memiliki rumus tertutup \(T_n = \frac{n(n+1)}{2}\text{.}\)
\(1, 2, 4, 8, 16, 32,\ldots\)
Pangkat-pangkat 2. Barisan \((a_n)_{n \ge 0}\) dengan rumus tertutup \(a_n = 2^n\text{.}\)
\(1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, \ldots\)
Bilangan Fibonacci (atau barisan Fibonacci), yang didefinisikan secara rekursif oleh \(F_n = F_{n-1} + F_{n-2}\) dengan \(F_1 = F_2 = 1\text{.}\)

Contoh 4.1.8.

Gunakan rumus \(T_n = \frac{n(n+1)}{2}\) dan \(a_n = 2^n\) untuk menentukan rumus tertutup yang sesuai dengan barisan-barisan berikut. Anggap bahwa setiap suku pertama bersesuaian dengan \(n=0\text{.}\)
  1. \((b_n)\text{:}\) \(1, 2, 4, 7, 11, 16, 22, \ldots \text{.}\)
  2. \((c_n)\text{:}\) \(3, 5, 9, 17, 33,\ldots \text{.}\)
  3. \((d_n)\text{:}\) \(0, 2, 6, 12, 20, 30, 42,\ldots \text{.}\)
  4. \((e_n)\text{:}\) \(3, 6, 10, 15, 21, 28, \ldots\text{.}\)
  5. \((f_n)\text{:}\) \(0, 1, 3, 7, 15, 31, \ldots \text{.}\)
  6. \((g_n)\) \(3, 6, 12, 24, 48, \ldots \text{.}\)
  7. \((h_n)\text{:}\) \(6, 10, 18, 34, 66, \ldots \text{.}\)
  8. \((j_n)\text{:}\) \(15, 33, 57, 87, 123, \ldots\text{.}\)
Penyelesaian.
Kita ingin membandingkan barisan-barisan ini dengan bilangan segitiga \((0, 1, 3, 6, 10, 15, 21,\ldots)\) ketika dimulai dengan \(n=0\text{,}\) serta dengan pangkat-pangkat 2: \((1, 2, 4, 8, 16, \ldots)\text{.}\)
  1. \((1, 2, 4, 7, 11, 16, 22, \ldots)\text{.}\) Perhatikan bahwa jika 1 dikurangkan dari setiap suku, kita memperoleh barisan \((T_n)\text{.}\) Jadi, \(b_n = T_n + 1\text{.}\) Dengan demikian, rumus tertutupnya adalah \(b_n = \frac{n(n+1)}{2} + 1\text{.}\) Pemeriksaan singkat untuk beberapa nilai awal \(n\) menegaskan bahwa rumus ini benar.
  2. \((3, 5, 9, 17, 33, \ldots )\text{.}\) Setiap suku dalam barisan ini satu lebih besar daripada suatu pangkat 2, sehingga kita mungkin menduga rumus tertutupnya adalah \(c_n = a_n+1 = 2^n + 1\text{.}\) Namun, jika dicoba, kita memperoleh \(c_0 = 2^0 + 1 = 2\) dan \(c_1 = 2^1 + 1 = 3\text{.}\) Hasilnya meleset karena indeksnya bergeser. Yang sebenarnya kita perlukan adalah \(c_n = a_{n+1}+1\text{,}\) sehingga \(c_n = 2^{n+1} + 1\text{.}\)
  3. (\(0, 2, 6, 12, 20, 30, 42,\ldots \)). Perhatikan bahwa semua suku ini genap. Apa yang terjadi jika kita mengeluarkan faktor 2? Kita memperoleh \((T_n)\text{!}\) Lebih tepatnya, \(d_n/2 = T_n\text{,}\) sehingga barisan ini mempunyai rumus tertutup \(d_n = n(n+1)\text{.}\)
  4. \((3, 6, 10, 15, 21, 28, \ldots)\text{.}\) Semua suku ini merupakan bilangan segitiga. Namun, kita memulai dengan 3 sebagai suku awal, bukan sebagai suku ketiga. Jadi, jika kita dapat menyubstitusikan 2 alih-alih 0 ke dalam rumus \(T_n\text{,}\) persoalannya selesai. Oleh karena itu, rumus tertutupnya adalah \(e_n = \frac{(n+2)(n+3)}{2}\) (dengan \(n+3\) berasal dari \((n+2)+1\)). Jika barisan dipandang sebagai fungsi, kita melakukan pergeseran horizontal sebesar 2: \(e_n = T_{n+2}\text{,}\) yang menyebabkan grafik bergeser 2 satuan ke kiri.
  5. \((0, 1, 3, 7, 15, 31, \ldots )\text{.}\) Coba tambahkan 1 pada setiap suku; kita memperoleh pangkat-pangkat 2. Anda mungkin menduga hal ini karena setiap suku sedikit lebih besar daripada dua kali suku sebelumnya (sedangkan setiap pangkat 2 tepat dua kali suku sebelumnya). Rumus tertutupnya: \(f_n = 2^{n} - 1\text{.}\)
  6. \((3, 6, 12, 24, 48, \ldots )\text{.}\) Bilangan-bilangan ini juga berlipat dua setiap kali, dan semuanya merupakan kelipatan 3. Membagi setiap bilangan dengan 3 menghasilkan 1, 2, 4, 8, …. Nah! Kita memperoleh rumus tertutup \(g_n = 3\cdot 2^{n}\text{.}\)
  7. \((6, 10, 18, 34, 66, \ldots )\text{.}\) Dari satu suku ke suku berikutnya, kita hampir menggandakan setiap suku. Jadi, mungkin barisan ini dapat kita kaitkan kembali dengan \(2^n\text{.}\) Benar, setiap suku 2 lebih besar daripada suatu pangkat 2. Dengan demikian, kita memperoleh \(h_n = 2^{n+2} + 2\) (\(n+2\) muncul karena suku pertama 2 lebih besar daripada \(2^2\text{,}\) bukan \(2^0\)). Sebagai alternatif, kita dapat mengaitkan barisan ini dengan barisan kedua dalam contoh ini: mulai dari 3, 5, 9, 17, …, tampak bahwa setiap suku barisan ini dua kali suku barisan tersebut. Barisan itu mempunyai rumus tertutup \(c_n = 2^{n+1} + 1\text{.}\) Karena barisan kita dua kali barisan tersebut, \(h_n = 2(2^{n+1} + 1)\text{,}\) yang sama dengan hasil sebelumnya.
  8. \((15, 33, 57, 87, 123, \ldots)\text{.}\) Coba bagi setiap suku dengan 3. Hasilnya adalah barisan \(5, 11, 19, 29, 41,\ldots\text{.}\) Sekarang tambahkan 1 pada setiap suku: \(6, 12, 20, 30, 42, \ldots\text{,}\) yaitu \((d_n)\) dalam contoh ini, tetapi dimulai dengan 6 alih-alih 0. Jadi, mari mulai dengan rumus \(d_n= n(n+1)\text{.}\) Agar dimulai dengan 6, kita menggesernya menjadi \((n+2)(n+3)\text{.}\) Namun, nilai ini lebih besar satu, sehingga kita kurangi 1: \((n+2)(n+3) - 1\text{.}\) Hasil tersebut merupakan barisan kita yang dibagi 3. Jadi, kita menginginkan \(j_n = 3((n+2)(n+3) - 1)\text{.}\)

Subbagian Jumlah Parsial dan Selisih

Beberapa barisan secara alami muncul sebagai jumlah suku-suku barisan lain.

Contoh 4.1.9.

Sam mencatat banyaknya push-up yang ia lakukan setiap hari dalam “tantangan melakukan banyak push-up”. Misalkan \((a_n)_{n \ge 1}\) adalah barisan yang menyatakan banyaknya push-up yang dilakukan pada hari ke-\(n\) dalam tantangan tersebut. Barisan itu dimulai dengan
\begin{equation*} 3, 5, 6, 10, 9, 0, 12, \ldots\text{.} \end{equation*}
Deskripsikan barisan \((b_n)_{n \ge 1}\) yang menyatakan jumlah total push-up yang dilakukan Sam hingga akhir hari ke-\(n\text{.}\)
Penyelesaian.
Kita dapat menentukan suku-suku barisan ini dengan mudah.
\begin{equation*} 3, 8, 14, 24, 33, 33, 45,\ldots\text{.} \end{equation*}
Di sini \(b_1\) sama dengan \(a_1\text{,}\) kemudian
\begin{equation*} b_2 = 3+5 = a_1 + a_2\text{,} \end{equation*}
\begin{equation*} b_3 = 3+5+6 = a_1 + a_2 + a_3\text{,} \end{equation*}
dan seterusnya.
Ada beberapa cara untuk mendeskripsikan \(b_n\) secara umum. Kita dapat mendeskripsikannya secara rekursif sebagai
\begin{equation*} b_n = b_{n-1} + a_n\text{,} \end{equation*}
sebab jumlah total push-up yang dilakukan setelah \(n\) hari sama dengan jumlah setelah \(n-1\) hari ditambah jumlah yang dilakukan pada hari ke-\(n\text{.}\)
Untuk memperoleh bentuk yang lebih mendekati rumus tertutup, kita dapat menulis
\begin{equation*} b_n = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots + a_n\text{,} \end{equation*}
atau hal yang sama dengan menggunakan notasi penjumlahan:
\begin{equation*} b_n = \sum_{i=1}^n a_i\text{.} \end{equation*}
Namun, perhatikan bahwa bentuk-bentuk ini sebenarnya bukan rumus tertutup. Meskipun kita mempunyai rumus untuk \(a_n\text{,}\) banyaknya perhitungan yang harus dilakukan tetap bertambah ketika \(n\) bertambah.
Dari sembarang barisan \((a_n)_{n \in \N}\text{,}\) kita selalu dapat membentuk barisan baru \((b_n)_{n \in \N}\) dengan
\begin{equation*} b_n = a_0 + a_1 + a_2 + \cdots + a_n\text{.} \end{equation*}
Karena suku-suku \((b_n)\) merupakan jumlah bagian awal barisan \((a_n)\text{,}\) kita menyebut \((b_n)\) sebagai barisan jumlah parsial dari \((a_n)\). Tak lama lagi kita akan melihat bahwa kadang-kadang rumus tertutup untuk \((b_n)\) dapat ditentukan dari rumus tertutup untuk \((a_n)\text{.}\)
Untuk menyederhanakan penulisan jumlah-jumlah tersebut, kita akan sering menggunakan notasi seperti \(\d\sum_{k=1}^n a_k\text{.}\) Artinya, jumlahkan semua \(a_k\) ketika \(k\) berubah dari 1 hingga \(n\text{.}\)

Contoh 4.1.10.

Gunakan notasi \(\sum\) untuk menulis ulang penjumlahan-penjumlahan berikut:
  1. \(\displaystyle 1 + 2 + 3 + 4 + \cdots + 100\)
  2. \(\displaystyle 1 + 2 + 4 + 8 + \cdots + 2^{50}\)
  3. \(6 + 10 + 14 + \cdots + (4n - 2)\text{.}\)
Penyelesaian.
  1. \(\displaystyle \d\sum_{k=1}^{100} k\)
  2. \(\displaystyle \d\sum_{k=0}^{50} 2^k\)
  3. \(\displaystyle \d\sum_{k=2}^{n} (4k -2)\)
Sering kali kita juga perlu melihat barisan selisih dari suatu barisan \((a_{n})\text{.}\) Yang dimaksud adalah barisan \((d_n)\) dengan
\begin{equation*} d_n = a_{n+1} - a_{n}\text{.} \end{equation*}
Sebagai contoh, jika \((a_n) = (1, 4, 9, 16, 25, \ldots)\) (bilangan kuadrat, sehingga \(a_n = n^2\)), barisan selisihnya adalah \((d_n) = (3, 5, 7, 9, \ldots)\) karena \(4-1 = 3\text{,}\) \(9-4 = 5\text{,}\) dan seterusnya. Kita juga dapat menentukan rumus tertutup untuk barisan selisih ini karena kita mempunyai rumus tertutup untuk \(a_n\text{.}\) Kita memperoleh
\begin{equation*} d_n = a_{n+1} - a_n = (n+1)^2 - n^2 = n^2 + 2n + 1 - n^2 = 2n+1\text{.} \end{equation*}
Secara umum, rumus tertutup suatu barisan mudah diubah menjadi rumus tertutup untuk barisan selisihnya. Arah sebaliknya tidak selalu mudah. Bagaimana caranya memulai dari barisan selisih lalu memperoleh barisan “asal”?
Memikirkan relasi rekurensi akan membantu di sini. Karena
\begin{equation*} d_n = a_{n+1} - a_n\text{,} \end{equation*}
kita memperoleh
\begin{equation*} a_{n+1} = a_n + d_n\text{.} \end{equation*}
Hal ini masuk akal: untuk berpindah dari satu suku barisan ke suku berikutnya, Anda menambahkan selisih kedua suku tersebut. Nah! Selisih-selisih itu dijumlahkan. Jadi, barisan asal adalah barisan jumlah parsial dari barisan selisih!
Pada bagian-bagian berikutnya, kita akan melihat bahwa memahami barisan selisih dapat memberi tahu kita dengan tepat di mana harus mencari rumus tertutup. Selisih-selisih tersebut juga menunjukkan cara menyusun definisi rekursif.

Contoh 4.1.11.

Tentukan relasi rekurensi dan syarat awal yang sesuai dengan suku-suku barisan berikut: \(1, 5, 17, 53, 161, 485\ldots\text{.}\)
Penyelesaian.
Menentukan relasi rekurensi akan lebih mudah jika kita mempunyai konteks untuk masalah ini (misalnya, seperti Menara Hanoi). Sayangnya, kita hanya mempunyai barisannya. Ingat, relasi rekurensi memberi tahu kita cara memperoleh suku-suku berikutnya dari suku-suku sebelumnya. Apa yang terjadi di sini? Kita dapat mengamati selisih antarsuku: \(4, 12, 36, 108, \ldots\text{.}\) Perhatikan bahwa nilai-nilai ini bertambah dengan faktor 3. Apakah barisan asal juga demikian? \(1\cdot 3 = 3\text{,}\) \(5 \cdot 3 = 15\text{,}\) \(17 \cdot 3 = 51\text{,}\) dan seterusnya. Tampaknya hasilnya selalu 2 kurang dari suku berikutnya. Nah!
Jadi, relasi rekurensinya adalah \(a_n = 3a_{n-1} + 2\) dan syarat awalnya adalah \(a_0 = 1\text{.}\)

Subbagian Barisan dalam Python

Memeriksa apakah suatu rumus tertutup sesuai dengan suku-suku awal barisan mudah dilakukan dengan kalkulator, atau lebih baik lagi, dengan bahasa pemrograman seperti Python. Salah satu caranya adalah mendefinisikan fungsi yang mengembalikan suku ke-\(n\) barisan tersebut.
Berikut sebuah contoh. Misalkan Anda ingin memeriksa apakah rumus yang Anda temukan untuk barisan \((a_n)_{n \in \N} = (1, 3, 7, 15, 31,\ldots)\) benar. Mungkin Anda menduga bahwa \(a_n = 2^n-1\text{.}\) Coba jalankan kode berikut. (Catatan: Dalam Python, simbol ^ mempunyai arti lain; untuk pemangkatan kita menggunakan **.)
Hasilnya tampak menjanjikan, tetapi kita harus berhati-hati: barisan kita dimulai dengan \(a_0 = 1\text{,}\) sehingga \(a_3 = 15\text{.}\) Sekarang coba ubah definisi a(n) (dengan mengubah nilai yang dikembalikan) agar menghasilkan rumus tertutup yang benar.
Mungkin Anda ingin mencetak 20 suku pertama barisan tersebut? Hal ini mudah dilakukan dalam Python dengan memasukkan suku-sukunya ke dalam sebuah senarai:
Perhatikan bahwa range(20) dimulai dari 0 dan berhenti pada 19 (yakni senarai [0,1,2,...,19]).
Kita juga dapat menggunakan Python untuk menghasilkan suku-suku barisan dari suatu definisi rekursif. Misalkan kita ingin menyelidiki barisan \(a_n = 2a_{n-1}+1\) dengan syarat awal \(a_0 = 1\text{.}\) Dalam Python, kita dapat menghasilkan barisan tersebut sebagai berikut.
Dapatkah Anda melihat cara menerjemahkan relasi rekurensi menjadi fungsi Python rekursif? Cobalah mengubah-ubah kode di atas untuk menyelidiki barisan lain.

Pertanyaan Bacaan Pertanyaan Bacaan

1.

Dari rumus-rumus barisan berikut, pilih semua yang merupakan rumus tertutup (bukan rumus rekursif).
  • \(a_n = 3(n-1) + 2\)
  • Benar. Anda dapat menghitung nilai \(a_n\) secara langsung untuk sembarang \(n\) yang diberikan (dalam banyak langkah berhingga yang tetap).
  • \(a_n = \frac{n^2 + 2n + 3}{4n}\)
  • Benar. \(a_n\) dapat dihitung langsung dari definisinya tanpa perlu mengetahui suku-suku lain dalam barisan.
  • \(a_n = 3a_{n-1}+2\)
  • Ini adalah rumus rekursif: misalnya, untuk menentukan \(a_8\text{,}\) Anda perlu mengetahui \(a_7\text{.}\)
  • \(a_n = a_{n-1} + a_{n-2} + a_{n-3}\)
  • Dapatkah Anda menentukan \(a_9\) hanya dari bilangan 9? Ataukah Anda perlu mengetahui suku-suku lain dalam barisan?

2.

3.

Pertanyaan apa yang Anda miliki? Tuliskan sedikitnya satu pertanyaan tentang isi bagian ini yang mungkin membuat Anda atau teman sekelas penasaran setelah membacanya.

Latihan Soal Latihan

1.

Untuk barisan dengan rumus tertutup \(a_n = {n^{2}+6n+3}\text{,}\) tentukan suku \(a_8\text{.}\)
\(a_8 =\) .

2.

Perhatikan barisan dengan relasi rekurensi \(a_n = a_{n-1} + 2\) dan suku awal \(a_0 = 2\text{.}\) Tentukan suku \(a_4\text{.}\)
\(a_4 =\) .

3.

Perhatikan barisan dengan relasi rekurensi \(a_n = 2\cdot a_{n-1}\) dan suku awal \(a_0 = 8\text{.}\) Tentukan suku \(a_6\text{.}\)
\(a_6 =\) .

5.

Untuk setiap barisan di bawah ini, temukan rumus tertutup bagi \(a_n\text{,}\) yaitu suku ke-\(n\) (anggap suku pertama yang ditampilkan selalu \(a_0\)), dengan menghubungkannya dengan barisan lain yang rumusnya sudah Anda ketahui.
  1. \(0, 2, 8, 18, 32, 50, \ldots\)
    \(a_n =\)
  2. \(-2, -1, 6, 25, 62, 123, \ldots\)
    \(a_n =\)
  3. \(0, 10, 30, 60, 100, 150, \ldots\)
    \(a_n =\)
  4. \(0, 2, 7, 15, 26, 40, \ldots\)
    \(a_n =\)
Petunjuk.
Cobalah menambah, mengurangi, atau membagi setiap suku dengan suatu konstanta agar pola barisan lebih mudah dikenali.
Untuk bagian (d), cobalah menyatakan barisan sebagai jumlah dua barisan yang sudah dikenal.

Latihan Latihan Tambahan

1.

Perhatikan barisan \((a_n)_{n \ge 1}\) yang dimulai dengan \(1, 3, 5, 7, 9, \ldots\) (yaitu bilangan-bilangan ganjil secara berurutan).
  1. Berikan definisi rekursif dan rumus tertutup untuk barisan tersebut.
  2. Tuliskan barisan jumlah parsial \((b_n)_{n \ge 1}\) dari \((a_n)\text{.}\) Tuliskan definisi rekursif untuk \((b_n)\) dan dugalah rumus tertutupnya.

2.

Barisan Fibonacci adalah \(0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, \ldots\) (dengan \(F_0 = 0\)).
  1. Tuliskan beberapa suku pertama barisan jumlah parsial: \(0\text{,}\) \(0+1\text{,}\) \(0+1+1\text{,}\)…
  2. Dugalah rumus untuk barisan jumlah parsial yang dinyatakan dalam satu bilangan Fibonacci. Sebagai contoh, Anda mungkin menulis \(F_0 + F_1 + \cdots + F_n = 3F_{n-1}^2 + n\text{,}\) meskipun rumus itu jelas tidak benar.

3.

Perhatikan tiga barisan berikut. Untuk setiap barisan, tentukan definisi rekursifnya. Bagaimana hubungan ketiga barisan ini?
  1. \(2, 4, 6, 10, 16, 26, 42, \ldots\text{.}\)
  2. \(5, 6, 11, 17, 28, 45, 73, \ldots\text{.}\)
  3. \(0, 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 ,\ldots\text{.}\)

4.

Tuliskan beberapa suku pertama barisan yang diberikan oleh \(a_1 = 3\text{;}\) \(a_n = 2a_{n-1} + 4\text{.}\) Kemudian, tentukan definisi rekursif untuk barisan \(10, 24, 52, 108, \ldots\text{.}\)

5.

Tuliskan beberapa suku pertama barisan yang diberikan oleh \(a_n = n^2 - 3n + 1\text{.}\) Kemudian, tentukan rumus tertutup untuk barisan (yang dimulai dengan \(a_1\)) \(0, 2, 6, 12, 20, \ldots\text{.}\)

6.

Tunjukkan bahwa \(a_n = 3\cdot 2^n + 7\cdot 5^n\) merupakan solusi relasi rekurensi \(a_n = 7a_{n-1} - 10a_{n-2}\text{.}\) Syarat awal apa yang diperlukan agar rumus ini menjadi rumus tertutup barisan tersebut?

7.

Tunjukkan bahwa \(a_n = 2^n - 5^n\) juga merupakan solusi relasi rekurensi \(a_n = 7a_{n-1} - 10a_{n-2}\text{.}\) Syarat awal apa yang diperlukan agar rumus ini menjadi rumus tertutup barisan tersebut?

8.

Tentukan rumus tertutup untuk barisan dengan definisi rekursif \(a_n = 2a_{n-1} - a_{n-2}\) dengan \(a_1 = 1\) dan \(a_2 = 2\text{.}\)
Petunjuk.
Tuliskan barisannya, dugalah rumus tertutupnya, lalu verifikasi bahwa dugaan Anda benar.

9.

Berikan dua definisi rekursif yang berbeda untuk barisan dengan rumus tertutup \(a_n = 3 + 2n\text{.}\) Buktikan bahwa jawaban Anda benar. Sedikitnya satu definisi rekursif harus menggunakan dua suku sebelumnya tanpa konstanta.
Petunjuk.
Tuliskan barisannya, dugalah definisi rekursifnya, lalu verifikasi bahwa rumus tertutup tersebut merupakan solusi definisi rekursif itu.

10.

Gunakan notasi penjumlahan (\(\sum\)) atau perkalian (\(\prod\)) untuk menulis ulang bentuk-bentuk berikut.
  1. \(2 + 4 + 6 + 8 + \cdots + 2n\text{.}\)
  2. \(1 + 5 + 9 + 13 + \cdots + 425\text{.}\)
  3. \(1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \cdots + \frac{1}{50}\text{.}\)
  4. \(2 \cdot 4 \cdot 6 \cdot \cdots \cdot 2n\text{.}\)
  5. \((\frac{1}{2})(\frac{2}{3})(\frac{3}{4})\cdots(\frac{100}{101})\text{.}\)

11.

Uraikan penjumlahan dan perkalian berikut. Dengan kata lain, tuliskan seluruh sukunya.
  1. \(\d\sum_{k=1}^{100} (3+4k)\text{.}\)
  2. \(\d\sum_{k=0}^n 2^k\text{.}\)
  3. \(\d\sum_{k=2}^{50}\frac{1}{(k^2 - 1)}\text{.}\)
  4. \(\d\prod_{k=2}^{100}\frac{k^2}{(k^2-1)}\text{.}\)
  5. \(\d\prod_{k=0}^n (2+3k)\text{.}\)

12.

Misalkan Anda menggambar \(n\) garis pada bidang sedemikian sehingga setiap pasangan garis berpotongan (tidak ada garis yang sejajar) dan tidak ada tiga garis yang berpotongan di titik yang sama. Garis-garis ini membentuk sejumlah daerah pada bidang, termasuk beberapa daerah tak terbatas. Nyatakan banyaknya daerah dengan \(R_n\text{.}\) Tentukan rumus rekursif untuk banyaknya daerah yang dibentuk oleh \(n\) garis dan berikan alasan mengapa rumus tersebut benar.
Petunjuk.
Cobalah sebuah contoh: ketika garis keempat digambar, garis tersebut memotong tiga garis lain sehingga terbagi menjadi empat ruas, dua di antaranya tak terbatas. Setiap ruas membagi satu daerah yang sudah ada menjadi dua.

13.

String terner adalah barisan yang terdiri atas angka 0, 1, dan 2. String ini seperti string bit, tetapi menggunakan tiga simbol.
Sebut suatu string terner baik jika string itu tidak pernah memuat angka 2 yang langsung diikuti angka 0. Misalkan \(G_n\) adalah banyaknya string baik dengan panjang \(n\text{.}\) Sebagai contoh, \(G_1 = 3\) dan \(G_2 = 8\) (karena dari 9 string terner dengan panjang 2, hanya satu yang tidak baik).
Tentukan, disertai alasan, rumus rekursif untuk \(G_n\text{,}\) lalu gunakan rumus itu untuk menghitung \(G_5\text{.}\)
Petunjuk.
Pertimbangkan tiga kasus: angka terakhir adalah 0, 1, atau 2. Dua kasus mudah dicacah, tetapi string yang berakhir dengan 0 tidak boleh didahului oleh 2, sehingga kasus ini memerlukan sedikit usaha tambahan.

14.

Perhatikan string bit dengan panjang \(l\) dan bobot \(k\) (yakni string yang terdiri atas \(l\) angka 0 dan 1, termasuk \(k\) angka 1). Kita mengetahui cara mencacah banyaknya string tersebut untuk \(l\) dan \(k\) yang tetap. Sekarang kita akan mencacah banyaknya string yang jumlah panjang dan bobotnya tetap. Sebagai contoh, mari cacah semua string bit yang memenuhi \(l+k = 11\text{.}\)
  1. Berikan contoh string-string tersebut dengan panjang yang berbeda-beda. Berapa panjang string terpanjang yang mungkin? Berapa panjang string terpendek?
  2. Berapa banyak string untuk setiap panjang tersebut? Gunakan hasil ini untuk mencacah jumlah total string (dengan jumlah 11).
  3. Pendekatan lain: biarkan \(n = l+k\) bervariasi. Berapa banyak string yang mempunyai jumlah \(n = 1\text{?}\) Berapa banyak yang mempunyai jumlah \(n = 2\text{?}\) Dan seterusnya. Tentukan dan jelaskan relasi rekurensi untuk barisan \((a_n)\) yang menyatakan banyaknya string dengan jumlah \(n\text{.}\)
  4. Deskripsikan hasil yang Anda peroleh di atas dalam kaitannya dengan segitiga Pascal. Pola apa yang Anda temukan?

15.

Ketika lebah bermain catur, mereka menggunakan papan heksagonal seperti yang ditunjukkan berikut. Ratu lebah dapat bergerak satu petak setiap kali, baik langsung ke kanan, serong kanan atas, maupun serong kanan bawah (tetapi tidak pernah dapat bergerak ke kiri). Berapa banyak lintasan berbeda yang dapat ditempuh sang ratu dari heksagon kiri atas ke heksagon kanan bawah? Jelaskan jawaban Anda dan kaitannya dengan pertanyaan sebelumnya. (Sebagai contoh, terdapat tiga lintasan menuju heksagon kedua pada baris bawah.)
Kisi dua baris heksagon, masing-masing terdiri atas 6 heksagon, dengan baris atas sedikit bergeser ke kiri dari baris bawah. Sel kiri atas berlabel "mulai"; sel kanan bawah berlabel "selesai". Sel kedua dari kiri pada baris bawah memuat angka "3"
Petunjuk.
Berpikirlah secara rekursif, seperti yang Anda lakukan pada segitiga Pascal.

16.

Misalkan \(t_n\) menyatakan banyaknya cara mengubin papan catur berukuran \(2\times n\) menggunakan domino berukuran \(1\times 2\text{.}\) Tuliskan beberapa suku pertama barisan \((t_n)_{n \ge 1}\text{,}\) lalu berikan definisi rekursifnya. Jelaskan mengapa rumus rekursif Anda benar.
Petunjuk.
Hanya ada satu cara mengubin papan berukuran \(2 \times 1\) dan dua cara mengubin papan berukuran \(2\times 2\) (domino dapat diorientasikan dengan dua cara). Secara umum, pertimbangkan dua kemungkinan orientasi domino yang menutupi sudut kiri atas.