Bab 1 sma

Bab Eksponen dan Logaritma A. KOMPETENSI DASAR DAN PENGALAMAN BELAJAR Kompetensi Dasar Setelah mengikuti pembelajaran eksponen dan logaritma siswa mampu: 1. menghayati pola hidup disiplin, kritis, bertanggungjawab, konsisten dan jujur serta menerapkannya dalam kehidupan sehari-hari; 2. memilih dan menerapkan aturan eksponen dan logaritma sesuai dengan karakteristik permasalahan yang akan diselesaikan dan memeriksa kebenaran langkah-langkahnya; 3. menyajikan masalah nyata menggunakan operasi aljabar berupa eksponen dan logaritma serta menyelesaikannya menggunakan sifat-sifat dan aturan yang telah terbukti kebenarannya. • • • • Bilangan Pokok (Basis) Perpangkatan Eksponen Logaritma Pengalaman Belajar Melalui pembelajaran materi eksponen dan logaritma, siswa memperoleh pengalaman belajar: • mengkomunikasikan karakteristik masalah otentik yang pemecahannya terkait eksponen dan logaritma; • merancang model Matematika dari sebuah permasalahan autentik yang berkaitan dengan eksponen dan logaritma; • menyelesaikan model Matematika untuk memperoleh solusi permasalahan yang diberikan; • menafsirkan hasil pemecahan masalah; • membuktikan berbagai sifat terkait eksponen dan logaritma; • menuliskan dengan kata-katanya sendiri konsep persamaan kuadrat.berdasarkan ciriciri yang dituliskan sebelumnya; • membuktikan sifat-sifat dan aturan matematika yang berkaitan dengan eksponen dan logaritma berdasarkan konsep yang sudah dimiliki; • menerapkan berbagai sifat eksponen dan logaritma dalam pemecahan masalah. B. PETA KONSEP Himpunan Masalah Otentik Fungsi Basis Pangkat Materi prasyarat Unsur Hasil Operasi Fungsi Eksponen Fungsi Logaritma Bilangan Eksponen Bilangan Logaritma Sifat-sifat Eksponen Sifat-sifat Logaritma WA 2 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Basis Unsur Numerus Hasil Logaritma 2 C. MATERI PEMBELAJARAN Banyak permasalahan kehidupan yang penyelesaiannya terkait dengan konsep dan aturan-aturan dalam matematika. Untuk itu perhatikan dan selesaikan dengan cermat permasalahan-permasalahan yang diberikan. Di dalam proses pemecahan masalah-masalah yang diberikan, kamu cermati objek-objek yang dilibatkan dalam permasalahan yang diberikan. Objek-objek itu menjadi bahan aspirasi/inspirasi, karena terkadang ada konsep matematika melekat pada objek itu yang tidak kita sadari dan ternyata sebagai kata kunci dalam penyelesaian masalah. Demikian juga kamu tidak boleh mengabaikan atau melupakan konsep-konsep dan aturan-aturan matematika yang telah dipelajari sebelumnya, baik di tingkat SD/MI, SMP/MTs, bahkan pada materi yang baru saja kamu pelajari. Pegang teguh sifat matematika; yaitu, matematika bersandar pada kesepakatan, saling terkait materinya, menggunakan variabel-variabel, dan bersifat abstrak sebab matematika adalah hasil abstraksi pemikiran manusia. Matematika menganut kebenaran konsistensi; artinya, tidak boleh ada di dalamnya unsur-unsur, simbolsimbol, konsep-konsep, rumus-rumus yang saling bertentangan. Jika sebuah konsep ditemukan, ukuran kebenarannya adalah apabila konsep tersebut diterima pada struktur matematika yang sudah ada sebelumnya. Jika prinsip (rumus-rumus, sifat-sifat) yang ditemukan, ukuran kebenarannya dapat dibuktikan kebenarannya menggunakan konsep atau aturan yang sudah ada sebelumnya. 1. Menemukan Konsep Eksponen Untuk menemukan konsep eksponen, kamu selesaikan masalah yang disajikan di bawah ini secara berkelanjutan. Kamu lebih dahulu berusaha memikirkan, berupaya mencari ide-ide kreatif, berdiskusi, mencoba memecahkan masalah di dalam kelompok belajar. Dari beberapa model matematika yang melibatkan eksponen, kamu secara individu menuliskan ciri-ciri eksponen dan mendiskusikan hasilnya dengan temanmu. Berdasarkan ciri-ciri tersebut, kamu menuliskan konsep eksponen dengan pemahaman sendiri. Masalah-1.1 Seorang peneliti bidang mikrobiologi di sebuah lembaga penelitian sedang mengamati pertumbuhan suatu bakteri di sebuah laboratorium mikrobiologi. Pada kultur bakteri tersebut, satu bakteri membelah menjadi r bakteri setiap jam. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa jumlah bakteri pada akhir 3 jam adalah 10.000 bakteri dan setelah 2 jam kemudian, jumlah bakteri tersebut menjadi 40.000 bakteri. Peneliti tersebut ingin mengetahui banyak bakteri sebagai hasil pembelahan dan mencari tahu banyak bakteri dalam waktu 8 jam. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 3 Alternatif Penyelesaian Diketahui: Satu bakteri membelah menjadi r bakteri untuk setiap jam. Jumlah bakteri pada akhir 3 jam adalah 10.000 bakteri dan setelah 2 jam kemudian, jumlahnya menjadi 40.000 bakteri. Ditanya: a. Berapa banyak bakteri sebagai hasil pembelahan. b. Berapa jumlah bakteri dalam waktu 8 jam. Sebagai langkah awal buat tabel laju pertumbuhan bakteri terhadap waktu setiap jam. Misalkan jumlah bakteri pada awalnya (t = 0) adalah x0. Isilah tabel berikut! Jam ke-t Jumlah bakteri (xt) 0 x0 1 rx0 .... .... .... .... .... .... .... .... Dari hasil pengamatan data pada tabel di atas, kita dapat membuat hubungan pertumbuhan jumlah bakteri (xt) tersebut terhadap perubahan waktu (t). xt = r× r r × × ... ×r × x0 atau secara ringkas ditulis t faktor t xt = r x0 ...................................................................................... (1) dengan t dalam jam, x0 adalah jumlah bakteri saat t = 0 dan r adalah banyak bakteri setelah pembelahan terjadi pada setiap jam. Pada Masalah-1.1 diketahui bahwa pada akhir 3 jam terdapat 10.000 bakteri dan setelah 5 jam terdapat 40.000 bakteri. Kita substitusi ke formula di atas, maka diperoleh x3 = r3x0 = 10.000 dan x5 = r5x0 = 40.000 x5 40.000 = x3 10.000 r 5 x0 =4 r 3 x0 r2 = 4 r=2 Jadi, peneliti tersebut menemukan bahwa setiap jam 1 bakteri membelah menjadi 2 bakteri. Untuk mendapatkan banyak bakteri pada awalnya atau t = 0, substitusi r = 2 ke persamaan r3x0 = 10.000 sehingga 8x0 = 10.000. Dengan demikian x0 = 1.250. 4 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Subtitusikan x0 = 1.250 ke persamaan (1), pola pertumbuhan bakteri tersebut dinyatakan t xt = 1250.215 x8 = (28 )(1250) Dalam Masalah-1.1, ditemukan r2 = 4 maka r = 2. Apakah r = –2 tidak berlaku? Berikan alasanmu. = 320.000 Jadi, setelah 8 jam, peneliti mendapatkan jumlah bakteri sudah mencapai 320.000 bakteri. Masalah-1.2 Diberikan selembar kertas berbentuk persegi panjang. Lipatlah kertas tersebut di tengah-tengah sehingga garis lipatan membagi dua bidang kertas menjadi dua bagian yang sama. Temukanlah pola yang menyatakan hubungan banyak lipatan dengan banyak bidang kertas yang terbentuk. Alternatif Penyelesaian Sebagai langkah awal buat tabel keterkaitan antara banyak lipatan dengan banyak bidang kertas yang terbentuk. Banyak Lipatan Banyak Bidang Kertas Pola Perkalian 1 2 2=2 2 4 3 8 8=2×2×2 4 ... ... 4=2×2 5 ... ... N ... ... Berdasarkan tabel di atas, misalkan k adalah banyak bidang kertas yang terbentuk sebagai hasil lipatan bidang permukaan kertas menjadi dua bagian yang sama, n adalah banyak lipatan. k dapat dinyatakan dalam n, yaitu kn = 2n ........................................................................................ (2) Coba kamu uji kebenaran persamaan kn = an dengan mensubtitusikan nilai n dan a ke persamaan tersebut. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 5 Berdasarkan persamaan (1) dan (2), diperoleh Dari persamaan (1) xt = r tx0, r adalah bilangan pokok dan t adalah eksponen dari r. Dari persamaan (2) kn = an, a adalah bilangan pokok dan n adalah eksponen dari a. Untuk menyederhanakan penulisan hasil kali bilangan yang sama, kita dapat menggunakan notasi pangkat. Bilangan berpangkat dideinisikan sebagai berikut. Deinisi 1.1 Misalkan a bilangan real dan n bilangan bulat positif. an adalah hasil kali bilangan a sebanyak n faktor, dapat ditulis a n = a× a × a × ... ×a dengan a sebagai basis n faktor bilangan pokok dan n sebagai pangkat. Catatan: 1. Pada Deinisi-1.1 di atas, kita sepakati, a1 cukup ditulis a. 2. Hati-hati dengan bilangan pokok a = 0, tidak semua a0 dengan a bilangan real hasilnya adalah 1. Coba tanyakan pada gurumu, mengapa demikian? 3. Jika n adalah sebuah variabel (variabel sebagai eksponen dari a), maka perlu dicermati semestanya dimana variabel itu dibicarakan. Sebab an = a × a × ... × a sebanyak n faktor, ini hanya berlaku ketika semesta n∈N. Perhatikan Masalah-1.3 berikut! Masalah-1.3 Suatu zat yang disuntikkan ke dalam tubuh manusia akan dikeluarkan dari darah melalui ginjal. Setiap 1 jam separuh zat itu dikeluarkan oleh ginjal. Bila 100 mg zat itu disuntikkan ke tubuh manusia, berapa miligram zat itu yang tersisa dalam darah setelah: 1) t = 1 jam? 2) t = 2 jam? 3) t = 3 jam? 4) Buatlah model matematika pengurangan zat tersebut dari tubuh melalui ginjal! 5) Gambarlah graik model persamaan yang ditemukan! Alternatif Penyelesaian Langkah awal isilah tabel berikut: t 1 2 3 4 5 6 7 8 Jumlah zat z(t) 50 25 12,5 ... ... ... ... ... 6 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X             Isilah secara lengkap data pada tabel dan coba gambarkan pasangan titik-titik tersebut pada sistem koordinat kartesius! Selanjutnya perhatikan graik fungsi (Gambar 1.1) di bawah ini. Isilah nilai-nilai yang dilalui fungsi tersebut dan sajikan nilai-nilai tersebut pada tabel yang diberikan. f(x) = 2-x f(x) = 3-x f(x) f(x) = 2x f(x) = 3x x Gambar Graik fungsi eksponen Gambar 1.1:1.1 Grafik Fungsi Eksponen -3 )=2 ) = –3 2)=3 ) = 3- f(x) = 2x f(x) = 2–x f(x) = 3x –2  -2 -1 –1 1x 0 0 2 1 3 4 2 3 4  f(x) = 3–x WA Latihan 1.1 Amati graik di atas. Tuliskan sedikitnya 5 (lima) sifat graik fungsi eksponen dan presentasi hasilnya di depan kelas. Dalam paparan jelaskan mengapa kita perlu mengetahui sifat-sifat tersebut! Bab 1 Eksponen dan Logaritma 7 Deinisi 1.2 Fungsi Eksponen adalah suatu fungsi yang dinyatakan dalam bentuk y = f(x) = a(bcx) dengan a, b, dan c bilangan real. x adalah variabel b adalah bilangan pokok atau basis c adalah koeisien x cx adalah eksponen dari b. 2. Pangkat Bulat Negatif Deinisi 1.3 Untuk a bilangan real dan a ≠ 0, m bilangan bulat positif, dideinisikan 1 a−m =   a m Deinisi di atas dijelaskan sebagai berikut: m  1   1  1  1   1  −m a =   =       ...     a  a    a  a  a sebanyak m faktor = 1 a× a a × × ... ×a m faktor = 1 am Contoh 1.1 Jika nilai x = –2 dan y = 2, tentukan nilai x −3 ( y 4 ) = .... Penyelesaian: y4 24 16 x −3 ( y 4 ) = 3 = = = −2 3 x ( −2 ) −8 8 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X 3. Pangkat Nol Deinisi 1.4 Untuk a bilangan real dan a ≠ 0, maka a0 = 1. Untuk lebih memahami deinisi di atas, perhatikan pola hasil pemangkatan bilangan-bilangan berikut dengan bilangan 0. 23 = 8 33 = 27 22 = 4 32 = 9 1 2 =2 31 = 3 0 2 =1 30 = 1 Perhatikan hasil pemangkatan 2 dengan 0, dan hasil pemangkatan 3 dengan 0, hasil pemangkatannya adalah 1. 4. Sifat-sifat Pangkat Bulat Positif Coba buktikan sifat-sifat pangkat bulat positif menggunakan deinisi bilangan berpangkat yang telah dipelajari sebelumnya. Sifat-1 Jika a bilangan real, m dan n bilangan bulat positif maka am × an = am+n Bukti: a × a = a× a × a × ... ×a × a× a × a × ... ×a m n m faktor a × a × a × a ×a = a× m+n =a m+n n faktor • Perhatikan a m = a× a × a × ... ×a . m faktor Diskusikan dalam kelompokmu, apakah benar perpangkatan adalah perkalian berulang? • Bagaimana jika a bukan bilangan? • Bagaimana jika m dan n bukan bilangan bulat positif? Sifat-2 Jika a bilangan real dan a ≠ 0, m dan n bilangan bulat positif, maka am = a m−n . an Bab 1 Eksponen dan Logaritma 9 Bukti: • a × a × a × ...× a  am m faktor = (sesuai deinisi) n a a × a × a ×...× a   • n faktor Pada persyaratan Sifat-2, Apa arti a ≠ 0? Bagaimana jika a = 0? Apa dampaknya pada hasil pembagian? am ? Jika kamu tidak tahu, tanya an pada guru! Pada Sifat-1 di atas, terkait bilangan bulat positif m dan n. Ada 3 (tiga) kemungkinan, yaitu (a) m > n, (b) m = n, dan (c) m < n. a) Kasus m > n Jika m dan n bilangan bulat positif dan m > n maka m – n > 0. Dengan demikian a× a a × a × a × ... ...× aa × ... ×a a×    am m faktor m faktor n faktor = ... ×a  a × a × =  a× n  a × a × ... aa  a a× a a × ...× × ... ×a a× ( m − n ) faktor  n faktor n faktor ... ×a = a× a × a × ( m − n ) faktor =a m−n m Jadi a = a(m-n), dengan m, n bilangan bulat positif dan m > n an b) Kasus m = n Jika m = n, maka am = 1. an Bukti: am am , sebab m = n = an am a × a × a × ...× a  = a × a × a × ... × a  m faktor m faktor =1 = a0 (hal ini sesuai dengan Deinisi 1.4). = am–n 10 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Latihan 1.2 Buktikan sendiri untuk m < n. Jelaskan perbedaan hasilnya dengan kasus (a). Sifat-3 Jika a bilangan real dan a ≠ 0, m dan n adalah bilangan bulat positif, maka (am)n = amn Bukti: (a ) m n = a m × a m × a m ×...× a m   n faktor       a a × a × a × × ... ×a   a× × ... ×a   a× ... ×a  ...  a× ... ×a  a× a × a × a a ×  =       m faktor m faktor m faktor m faktor            ... a × a × a × × a         = m × n faktor   (a ) m n n faktor = a m × n (terbukti) Deinisi 1.4 1 Misalkan a bilangan real dan a ≠ 0, m bilangan bulat positif. a m = p adalah bilangan real positif, sehingga pm = a. Diskusi Diskusikan dengan temanmu, apakah syarat m dan n bilangan positif diperlukan untuk Sifat 3 dan Sifat 4. Bagaimana jika m dan n adalah salah satu atau keduanya bilangan negatif. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 11 Contoh 1.2 (a) Buktikan jika a ∈ R, a > 1 dan n > m, m maka aka a n > a m ! Bukti: Karena a > 1 dan n > m,maka m m n − m > 0 adan0 a n > 0, a m > 0. Akibatnya, berlaku n a ⇔ = a n − m (Lihat > Sifat-1 di atas) am ⇔ ⇔1 an ann > 1 (Mengapa m > 1 ? Beri alasanmu!) m a a an 0, a m > 0). × a m > 1 × a m (Karena m a ⇔ aka a n > a m ! (terbukti) (b) Perlukah syarat a > 1? Misalkan kita ambil a bilangan real yang memenuhi a < 1 dan n > m,. mApakah yang terjadi? Pilih a = –2, dengan n > m, m pilih n = 3 dan m = 2, apakah yang terjadi? 3 (–2) = (–2) × (–2) × (–2) = –8 (–2)2 = (–2) × (–2) = 4 Dengan demikian, an = –8 < 4 = am atau a n < a m. Jadi, tidak benar bahwa aka a n > a m ! bila a < 1 dan n > m,. m Jadi, syarat a adalah bilangan real, dan a > 1 dan n > m,tidak m n m boleh dikurangi (syarat cukup) untuk membuktikan aka a > a .! Diskusi Berdiskusilah dengan temanmu satu kelompok. Analisis pernyataan pada Contoh 1.2! • Apa akibatnya bila syarat a > 1 tidak dipenuhi? • Perlukah diperkuat dengan syarat n > m, >m0? Jelaskan! • Bolehkah syarat a > 1 di atas diganti a ≥ 1? Jelaskan! • Bila tidak boleh, modiikasi ketentuan di atas supaya berlaku untuk a ≥ 1? . Bagaimanakah bila 0 < a < 1 dan a < 0? • Buat aturan hubungan antara an dan am untuk bermacam-macam nilai a di atas! • Buat laporan terkait hasil diskusi kelompokmu. 12 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Contoh 1.3 Terapkan berbagai sifat eksponen untuk menentukan hasil operasi bilangan pada soal yang disajikan pada contoh. Ujilah kebenaran hasilnya! 1. 22 × 25 = 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 dengan menggunakan Sifat-1   2 faktor 5 faktor = 2× 2 × 2 × 2 × 2 × 2 ×2 7 faktor =2 7 = 22 + 5 2. 25 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = dengan menggunakan Sifat-2 kasus b 25 = 12 × 2 × 2 × 2 × 2 = 20 3. ( 2 ) = ( 2 ) × ( 2 ) dengan menggunakan Sifat-3 3 2 3 3 = ( 2 × 2 × 2) × ( 2 × 2 × 2)     3 faktor 3 faktor = 2× 2 × 2 × 2 × 2 ×2 6 faktor =2 4. ( 2 × 3) 3 6 = ( 2 × 3) × ( 2 × 3) × ( 2 × 3) dengan menggunakan Deinisi 1.1 = 2 × 2 ×2 × 3 × 3 ×3   3 faktor 3 faktor = 2 ×3 3 3 3 5. 2 2 2 2   =   ×   ×   dengan menggunakan Deinisi 1.1 3 3 3 3 3 faktor     2× 2× 2 = 3 × 3 ×3  3 faktor 3 = 2 33 Bab 1 Eksponen dan Logaritma 13 Diskusi • • Diskusikan dengan temanmu untuk memperoleh rumus perpangkatan sebagai hasil pemahaman terhadap Contoh 1.4 dan Contoh 1.5 di atas. Masih ingatkah kamu, disebut sifat apakah dalam konsep perkalian? Buat laporan hasil diskusi kelompokmu. Contoh 1.4 Buktikan jika a > 1 dan n > m dengan n dan m bilangan bulat negatif maka an > am. Bukti: Karena n > m dengan n dan m bilangan bulat negatif, maka –n dan –m adalah bilangan bulat positif dan –m > –n. a−m an 1 tau a − m = m ). Karena a > 1 maka − n = m > 1 (Gunakan sifat a a a an > 1 ⇔ an > am (terbukti) am Contoh 1.5 Berdasarkan sifat bilangan 7, tentukan bilangan satuan dari 71234 tanpa menghitung tuntas. Perhatikan bilangan satuan dari perpangkatan dari 7 berikut? Perpangkatan 7 Nilai Bilangan Satuan 71 7 7 72 49 9 3 73 343 74 2401 1 75 16807 7 76 117649 9 77 823543 3 78 5764801 1 Coba lanjutkan langkah berikutnya untuk menemukan bilangan satuan 71234. Cermati sifat satuan pada tabel di atas. Saat periode keberapakah berulang? Selanjutnya manfaatkan sifat-sifat perpangkatan dan perkalian bilangan berpangkat. 14 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X 5. Pangkat Pecahan Selanjutnya kita akan analisis sifat perpangkatan bilangan real dengan pangkat pecahan. Deinisi 1.5 Misalkan a bilangan real dan a ≠ 0, m, n bilangan bulat positif dideinisikan m  1 a =  an  .   m n Deinisi 1.6 Misalkan a bilangan real dan a ≠ 0 dengan a > 0, p adalah bilangan q pecahan q ≠ 0. q ≥ 2. a = c,asehingga c = a .atau a = a p . p q p q q p p q q Sifat-4 p m dan adalah Misalkan a adalah bilangan real dan a ≠ 0 dengan a > 0, n n m+ p  mn   np  bilangan pecahan n ≠ 0. Jika n, q ≥ 2 maka  a   a  = ( a ) n .    Bukti: Berdasarkan Sifat-4, jika a bilangan real dan a ≠ 0, m, n adalah bilangan bulat positif, m m  1  m  p   1   1  maka a =  a n  . Dengan demikian  a n   a n  =  a n   a n           m n p m p 1  1 1 1  1 1 1 1  mn   np   1n   1n    n n n  n n n  n n  ⇔ = a a a a = × × × × . .× ... . a a a a a × a × a × a                        m faktor p faktor   1 1  1 1 1  1 1  1 ⇔=  a n × a n × a n ×...× a n   a n × a n × a n ×...× a n         m faktor p faktor    Bab 1 Eksponen dan Logaritma 15 1 1  1  1 ⇔=  a n × a n × a n ×...× a n      m + p faktor    1 ⇔=  a n    m+ p =(a) m+ p n (Ingat Deinisi 1.5) (terbukti) p m Jadi, jika a adalah bilangan real dengan a > 0, dan adalah bilangan pecahan n m+ p n m p    dengan n ≠ 0, serta n, q ≥ 2 maka  a n   a n  = ( a ) n .    Sifat-5 m p Jika a adalah bilangan real dan a ≠ 0 dengan a > 0, bilangan pecahan dan n q m p m  p  +   q, n ≠ 0, maka  a n   a q  = a n q .      Uji Kompetensi 1.1 1. Sederhanakanlah operasi bilangan berpangkat berikut. a. 25 × 29 × 212 b. 25 × 36 × 46 5 5 2 c. 2 × 3 × 4 122 d. d. 2. (−5)6 × 252 125 37 × 73 × 2 (42)3 Dengan menggunakan sifat bilangan berpangkat, sederhanakanlah bentuk berikut. 16 a. 2x3 × 7x4 × (3x)2 3 b. c. d. e. f.  −2 p  2 2 4   × (−q) × p 5  q   1  y 5 × ( x × z )3  2  x ×y (a × b × c)4 × −4a 3 × 2b5  8a     b  3 b3 . × (b × c))3 27 a 5 1 22xx 55 ×÷ 2 2×⋅ ×⋅((4 y ) 2 2 x y 33y 3x3xx Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X g.  −b   3a  (–a × b)) ×⋅   ÷×    2a   b  h.  24a 3 × b8   4b3 × a   ×  5 3  6a × b   2a  i.  36( x × 2 y ) 2   12 x(3 y ) 2    ÷  2 2   9x y   3x × y j.  (− p )3 × (− q ) 2 × r 3   2 pqr 3  ÷  2  −3( p 2 q )3   −12(qr )   4 5 4. Tentukan hasil dari (2n + 2 ) 2 − 22 × 22 n 2n × 2n + 2 2 5. Misalkan kamu diminta menghitung 764. Berapa banyak perkalian yang kamu lakukan untuk mendapatkan nilai akhirnya? Bandingkan jawabanmu dengan temanmu. Pemenang di antara kalian adalah yang dapat mencari hasilnya dengan melakukan perkalian sesedikit mungkin. Coba tuliskan prosedur mengalikan yang paling sedikit perkaliannya untuk menghitung 764. Apakah prosedur tersebut dapat dipergunakan untuk pangkat positif berapapun? 6. Berdasarkan sifat angka 7, tentukan bilangan satuan dari 71234 + 72341 + 73412 + 74123 tanpa menghitung tuntas! Tentukan bilangan satuan dari 33 3 3. 2 Hitunglah hasil operasi bilangan berpangkat berikut. 44 2 a.  − 22 ×⋅  1 − 1   33  2 6  2 b. c. 4  1   10   9  (−5)3 ×   ×   ×    15   3   5  5 3x 2 × y 3 × (2 y ) 2 ; untuk x = 2 24 x dan y = 3 7. 26 62 berdasarkan sifat angka 6, tanpa menghitung tuntas. Selanjutnya berdasarkan sifat angka 2, 3, 4, 5, 8, 9, tentukan juga angka satuan yang diperoleh bilangan-bilangan tersebut yang dipangkatkan. 2 2  3 3  x  ×   (− y ) 3 4    d.  ; xy 2 ) 1 1 ; untuk x = dan y = 2 3 (( 6) ) 8. Tunjukkan bahwa 12001 + 22001 + 32001 + … + 20012001 adalah kelipatan 13. 9. Bagaimana cara termudah untuk 2008 2013 2012 2011 mencari 3 (10 + 5 . 2 ) . 52012 (62010 + 32009. 22008 ) 2 e. q 3 p 2 q × (−3) 4 × 4  ; 2 3 (−2 p ) × (−3q )  p untuk p = 4 dan q = 6 Bab 1 Eksponen dan Logaritma 17 10. Hitunglah 1−4 + 2−4 + 3−4 + 4−4 + ... 1−4 + 3−4 + 5−4 + 7 −4 + ... a 3b 2 − a 3b 2 5 11. Sederhanakanlah 1 2 3 a b −a b 7 6 1 2 2 3 12. Tentukan nilai x yang memenuhi a. 2x = 8 b. 4x = 0,125 x c.  2  = 1 5 . Projek Bilangan yang terlalu besar atau terlalu kcil seringkali dituliskan dalam notasi eksponen yang dituliskan sebagai a E b yang nilainya adalah a × 10b. Sehingga 0,000052 ditulis sebagai 5,2 E 5. Cari besaran-besaran isika, kimia, astronomi, dan ekonomi yang nilainya dinyatakan dengan notasi eksponen. Misalkan cepatan cahaya adalah 300.000 km/det, sehingga dalam notasi eksponen ditulis sebagai 3 E 8 m/det. 6. Bentuk Akar Pengakaran (penarikan akar) suatu bilangan merupakan inversi dari pemangkatan suatu bilangan. Akar dilambangkan dengan notasi ” ”. Perhatikan permasalahan berikut. Masalah-1.4 Seorang ahli ekonomi menemukan bahwa harga (h) dan banyak barang (b) dapat dinyatakan dalam persamaan h = 3 3 b 2 . Jika nilai b = 8, maka berapa nilai h? Alternatif Penyelesaian 3 2 h = 3 3 b2 ⇔ h = 3 8 ⇔ h = 3 3 64 ⇔ h = 33 4 × 4 × 4 ⇔ h = 12 18 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Akar ke-n atau akar pangkat n dari suatu bilangan a dituliskan sebagai n a , dengan a adalah bilangan pokok/basis dan n adalah indeks/eksponen akar. Bentuk akar dan pangkat memiliki kaitan erat. Bentuk akar dapat diubah menjadi bentuk pangkat dan sebaliknya. Sebelum mempelajari bentuk akar, kamu harus memahami konsep bilangan rasional dan irrasional terlebih dahulu. Bilangan rasional berbeda dengan bilangan irrasional. Bilangan rasional adalah a bilangan yang dapat dinyatakan dalam bentuk , dengan a dan b bilangan bulat dan b b ≠ 0. Bilangan rasional terdiri atas bilangan bulat, bilangan pecahan murni, dan bilangan pecahan desimal. Sedangkan, bilangan irrasional adalah bilangan yang tidak dapat dinyatakan dalam bentuk pecahan. Bilangan irrasional merupakan bilangan yang mengandung pecahan desimal tak berhingga dan tak berpola. Contoh bilangan irrasional, misalnya 2 = 1,414213562373..., e = 2,718..., � = 3,141592653… dan sebagainya. Deinisi 1.7 Misalkan a bilangan real dan n bilangan bulat positif. jika dan hanya jika hasil n n a disebut bentuk akar a adalah bilangan irrasional. ilangan irrasional yang menggunakan tanda akar ( ) dinamakan bentuk akar. Tetapi ingat, tidak semua bilangan yang berada dalam tanda akar merupakan bilangan irrasional. Contoh: 25 dan 64 bukan bentuk akar, karena nilai 25 adalah 5 dan nilai 64 adalah 8, keduanya bukan bilangan irrasional. Agar lebih jelas, perhatikan contoh berikut. 1. 20 ⇔ adalah bentuk akar 3 2. adalah bukan bentuk akar, karena 3 27 ⇔ =3 27 ⇔ 7. Hubungan Bentuk Akar dan Bilangan Berpangkat Perlu diketahui bahwa bilangan berpangkat memiliki hubungan dengan bentuk akar. Berdasarkan Sifat-5, jika a adalah bilangan real dan a ≠ 0 dengan a > 0, p dan m p n m+ p m adalah bilangan pecahan n ≠ 0, maka  n   n  . n = a a a    ( ) n    1 1 1 1 + 32 Perhatikan bahwa p 2 × p 2 =p p 2 = p1 = p dan perhatikan bahwa Bab 1 Eksponen dan Logaritma 19 1 p × p = p, sehingga berdasarkan Deinisi 7.6 disimpulkan p 2 = p. Perhatikan untuk kasus di bawah ini 1 1 1 1 1 1 + + 3 3 p = p3 × p3 × p3 = p3 = p1 = p dan perhatikan juga bahwa 1 p × 3 p × 3 p = p , sehingga berdasarkan Deinisi 7.6 disimpulkan p 3 = 3 3 p. Latihan 1.3 1 Cermatilah dan buktikan apakah berlaku secara umum bahwa p n = 2 2 n p. 2 Perhatikan bahwa p 3 × p 3 × p 3 = p 2, sehingga berdasarkan sifat perkalian bilangan berpangkat diperoleh: 3  23  2 p  = p   m m× n ingat! Ingat, ( p ) = p n 2 Jadi, p 3 = 3 p2 . m Secara umum dapat disimpulkan bahwa p n = pada Deinisi-6. n pm = ( p) n m sebagaimana diberikan 8. Operasi pada Bentuk Akar a. Operasi Penjumlahan dan Pengurangan Bentuk Akar Operasi penjumlahan dan pengurangan pada bentuk akar dapat dilakukan apabila bentuk akarnya senama. Bentuk akar senama adalah bentuk akar yang mempunyai eksponen dan basis sama. Untuk setiap p, q, dan r adalah bilangan real dan r ≥ 0 berlaku sifat-sifat berikut. p n r + q n r = ( p + q) n r p n r − q n r = ( p − q) n r 20 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Perhatikan contoh berikut ini! Contoh 1.6 Tentukan hasil penjumlahan dan pengurangan berikut dalam bentuk yang sederhana! 1. 2. (3 + 4) 3 5+4 5 = = 5 7 5 5 + 3 (tidak dapat disederhanakan karena akarnya tidak senama) 3. 2 3 4 − 33 4 = 4. 33 x − 3 x ( 2 − 3) 3 4 = −3 4 = ( 3 − 1) 3 x = 23 x b. Operasi Perkalian dan Pembagian Bentuk Akar p q Pada pangkat pecahan telah dinyatakan bahwa a q = a p . Sifat perkalian dan pembagian bentuk akar dapat dicermati pada beberapa contoh berikut. Contoh 1.7 3 3 3 1) 3 8 = 2 = 2 = 21 = 2 2) 6 64 = 6 26 = 2 6 = 21 = 2 3) 4 3 5 × 2 3 7 = (4 × 2)( 3 5 × 7 ) = 8 3 35 4) 3 5 5 × 5 7 5 = (3 × 5)(5 5 × 5 7 ) = 15(5 35 ) = 1535 512 5) 33 4 3 3 4 = 43 5 4 5 6) 24 3 2 4 3 = 34 5 3 5 3 6 1 1 12 Bab 1 Eksponen dan Logaritma 21 Latihan 1.4 1) Buktikan: jika a bilangan real dan a > 0, maka n a n = a 2) Buktikan: jika a, b, c, dan d bilangan real, c > 0 dan d > 0, maka a n c × b n d = ab n cd 3) Buktikan: jika a, b, c, dan d bilangan real, c > 0 dan d > 0, d ≠ 0, maka an c a n c = bn d b d c. Merasionalkan Penyebut Bentuk Akar Kita tahu bahwa bentuk-bentuk akar seperti 2 , 5 , 3 + 7 , 2 − 6 , dst merupakan bilangan irrasional. Jika bentuk akar tersebut menjadi penyebut pada suatu pecahan, maka dikatakan sebagai penyebut irasional. Penyebut irrasional dapat diubah menjadi bilangan rasional. Cara merasionalkan penyebut suatu pecahan bergantung pada bentuk pecahan itu sendiri. Akan tetapi, prinsip dasarnya sama, yaitu mengalikan dengan bentuk akar sekawannya. Proses ini dinamakan merasionalkan penyebut. 1) Merasionalkan bentuk Bentuk p q p dirasionalkan dengan cara mengalikannya dengan q q q . q p p p q = . = q q q q Diskusi Menurutmu mengapa penyebut bilangan pecahan berbentuk akar harus dirasionalkan? 22 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Mengapa kita harus mengalikan p dengan q q q ? q q p p Karena nilai q selalu positif, maka = 1. Jadi perkalian dengan q q q q p tidak akan mengubah nilai namun menyebabkan penyebut menjadi bilangan q rasional. 2) Merasionalkan bentuk r r , , p+ q p− q r , dan p+ q r p− q Sebelum kita merasionalkan bentuk-bentuk akar di atas, perlu kita pahami bentuk-bentuk campuran bilangan rasional dan bilangan irrasional. a) Jika bilangan rasional dijumlahkan dengan bilangan irrasional maka hasilnya bilangan irrasional. Contoh 2 + 7 = 2 + 2,645751.... = 4, 645751... (bilangan irrasional). b) Jika bilangan irrasional dijumlahkan dengan bilangan irrasional maka hasilnya bilangan irrasional atau rasional, Contoh (1) 5 + 7 = 2,236068.... + 2,645575... = 4,881643... (bilangan irrasional), (2) 2 5 + (-2 5 ) = 0 (bilangan rasional). Jika dua bilangan irrasional dikurangkan, bagaimana hasilnya? c) Jika bilangan rasional dikalikan dengan bilangan irrasional, maka hasilnya bilangan irrasional. Contoh 2 × 5 = 2 5 . d) Jika bilangan irrasional dikalikan dengan bilangan irrasional, maka hasilnya dapat bilangan rasional atau bilangan irrasional. Contoh: 5 × 125 = 5 × 5 5 = 25 (25 adalah bilangan rasional) • • 3 × 5 = 15 5 =( 15 adalah bilangan irrasional) e) n a disebut bentuk akar apabila hasil akar a adalah bilangan irrasional. Untuk merasionalkan bentuk r r , , p+ q p− q r , dan p+ q r . p− q dapat dilakukan dengan memperhatikan sifat perkalian (a + b) (a – b) = a2 – b2. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 23 Sehingga ( p + q )( p − q ) = ( p ) − ( q ) = p − q ( p + q )( p − q ) = p − ( q ) = p − q 2 2 2 ( 2 2 ( ) ) ( ) p + q dan Bentuk p + q dan bentuk p − q saling sekawan, bentuk dan p − q juga saling sekawan. Jika perkalian bentuk sekawan tersebut dilakukan maka dapat merasionalkan bentuk akar. ( ) Contoh 1.8 Pikirkan cara termudah untuk menghitung jumlah bilangan-bilangan berikut 1 1 1 1 1 + + + ... + = ...? 1+ 2 2+ 3 3+ 4 4+ 5 99 + 100 Permasalahan di atas dapat diselesaikan dengan cara merasionalkan penyebut tiap suku; yaitu, 1 1− 2 1 3− 4 1 2− 3 × × × = + + + 1+ 2 1− 2 3+ 4 3− 4 2+ 3 2− 3 1 4− 5 × + ... + 4+ 5 4− 5 1 99 − 100 × 99 + 100 99 − 100 = 1− 2 2− 3 3− 4 4− 5 99 − 100 + ... + + + + −1 −1 −1 −1 −1 = – 1 + 2 − 2 + 3 − 3 + 4 − 4 + 5 − ... − 99 + 100 = − 1 + 100 = −1 + 10 = 9 . Contoh 1.9 1 Berapakah nilai 1 3+ 3+ 24 1 3 + ... Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Perhatikan pola bilangan di ruas kanan. Misalkan, 1 P= 1 3+ 1 3+ 3 + ... Dengan menguadratkan ruas kiri dan kanan, diperoleh 1 P2 = 1 3+ 1 3+ 3 + ... 1 P2 = 3 + P2 ⇔ P 2 (3 + P 2 ) = 1 ⇔ ( P 2 ) 2 + 3P 2 − 1 = 0 Dengan mengubah ke bentuk kuadrat sempurna, diperoleh persamaan: 13 3 ⇔ ( P 2 + )2 − = 0 Ingat materi persamaan kuadrat di 2 4  3 13   2 3 13  ⇔  P 2 + + =0   P + − 2 2  2 2   SMP. Dapatkah kamu selesaikan. (P 2 )2 + 3P 2 − 1 = 0 dengan rumus abc pada persamaan kuadrat? 13 3 ⇔ P2 = − + 2 2  2 3 13   = 0 tidak memenuhi.  P + + 2 2   Dapatkah kamu beri alasannya? 3 13 1 2 13 − 6 ⇔ P= − + atau P = 2 2 2 1 Jadi, nilai dari 1 3+ 3+ 1 3 + ... adalah= 1 2 13 − 6 2 ... Bab 1 Eksponen dan Logaritma 25 Contoh 1.10 Rasionalkan penyebut pecahan-pecahan berikut. a. 2 2 3+ 2 (kalikan penyebut dengan bentuk sekawannya) = × 3− 2 3− 2 3+ 2 = = 2(3 + 2 ) (3 − 2 )(3 + 2 ) ( 2 3+ 2 ) 99 − 22 6+2 2 = 7 6 2 = + 7 7 7 b. 3 6+ 3 = = 3 6+ 3 × 6− 3 6− 3 (kalikan penyebut dengan bentuk sekawannya) 3(6 − 3 ) (6 + 3 )(6 − 3 ) 18 − 3 3 36 − 3 18 − 3 3 = 33 3 6 = − 11 11 = 4 4 7+ 5 = × 7− 5 7− 5 7+ 5 c. = 26 4 ( ( 7+ 5 7− 5 )( ) 7+ 5 (kalikan penyebut dengan bentuk sekawannya) ) Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X 4 7 +4 5 7−5 4 7 +4 5 = 2 =2 7 +2 5 = ( p + q) ± 2 3) Menyederhanakan bentuk pq Sekarang kita akan menyederhanakan bentuk akar yang mempunyai bentuk ( p + q) ± 2 khusus; yaitu, bentuk pq . Perhatikan proses berikut ini! Diskusikanlah masalah berikut dengan temanmu! a. b. ( ( )( q )( ) q) p+ q p+ q p− p− Dari hasil kegiatan yang kamu lakukan, kamu akan memperoleh bentuk sederhananya menjadi ( p + q) ± 2 pq . Selanjutnya, perhatikan contoh berikut! Contoh 1.11 Sederhanakan bentuk akar berikut ini! a. b. 8 + 2 15 9−4 5 = (5 + 3) + 2 5 × 3 = 5 + 2 5 × 3 + 3 = ( = 5−4 5 +4 = 5+ 3 ) 2 = 5+ 3 ( 5−2 ) 2 = 5−2 Bab 1 Eksponen dan Logaritma 27 Uji Kompetensi 1.2 1. Rasionalkan penyebut pecahanpecahan berikut ini! 12 5 a. d. 24 15 b. 2 4. 15 e. 20 c. 2. 48 f. 2a 3 a Rasionalkan penyebut pecahan berikut ini! 5. 1 5− 3 d. 5 − 10 b. 4− 2 4+ 2 e. xy x+ y c. 2a 3a + 5 3 24 + 54 − 150 96 Sederhanakanlah bentuk berikut ini! a. b. c. 28 2− 3 = a + b 6 , tentukan 2+ 3 nilai a + b! Jika Sederhanakan bentuk akar berikut ini! a. 19 + 8 3 d. 21 − 4 5 b. 5+2 6 e. 21 + 8 5 c. 43 + 12 7 pecahan- a. f. 3. 3 18 10 12 14 + + 5+ 6 6+ 7 7+ 8 d. 15 1 − 75 2 − 3 7 11 + 2+ 8 2− 8 SOAL TANTANGAN 1. Tentukanlah nilai dari: a. b. c. 3 3 2 3 2 3 3 2 3 3 ... 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + ... 1 1+ 1+ 4 3 5 − + 3+ 2 2 −1 3− 2 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X 1 1+ 1 ... × 2. 3. Jika a,b adalah bilangan asli dan a ≤ b sehingga 3 + a adalah 4+ b bilangan rasional, maka pasangan (a,b) adalah ... (OSN 2005/2006) Nyatakan b dalam a dan c pada 3 b c 4. c 3 = abc. a Bentuk 4 49 − 20 6 dapat disederhanakan menjadi .... 1 1 1 + + + ... + 2+ 3 3+ 4 4+ 5 5. ... + 1 = a− b 1.000.000 + 1.000.001 6. 54 + 14 5 + 12 − 2 35 + 32 − 10 7 = 7. Jika(3+4)(3 2 +4 2 )(3 4 +4 4 )(3 8 +4 8 ) (316+416) (332+432) = (4x–3y), maka x–y = ... Projek Tidak semua bilangan pecahan desimal tak hingga adalah bilangan irrasional. Sebagai contoh 0,333... bukanlah bilangan irrasional, karena dapat dinyatakan 1 sebagai pecahan murni . Kenyataannya, bilangan pecahan desimal tak 3 hingga dengan desimal berulang seperti 0,333... dapat dinyatakan dalam bentuk pecahan. a. Rancang sebuah prosedur untuk mengkonversi bilangan pecahan desimal tak hingga dengan desimal berulang menjadi bilangan pecahan. Beri contoh penerapan prosedur yang kamu rancang. b. Berdasarkan penjelasan di atas π yang bilangan irrasional tidak mungkin 22 22 , karena adalah pendekatan untuk nilai π sebenarnya. sama dengan 7 7 22 1) Berapakah kesalahan terhadap nilai π? 7 2) Dengan menggunakan prosedur yang kamu rancang di atas cari 22 pecahan yang lebih mendekati nilai π daripada (kesalahannya 7 lebih kecil). 3) Apakah lebih baik menggunakan angka yang kamu peroleh daripada 22 menggunakan 7 Buat laporan projek ini dan paparkan di depan kelas. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 29 9. Menemukan Konsep Logaritma Telinga manusia dapat mendengar suara dengan intensitas yang rentangnya luar biasa. Suara paling keras yang dapat didengar oleh orang yang sehat tanpa merusak gendang telinga memiliki intensitas 1 triliun (1.000.000.000.000) kali lebih kuat dari pada suara paling rendah yang bisa didengar. Menghitung intensitas bunyi dengan rentang begitu besar tentu sangat tidak nyaman. Namun, dengan logaritma perhitungan ini akan menjadi lebih sederhana. Logaritma merupakan suatu operasi hitung. Alexander Graham Bell (1847–1922) menggunakan logaritma untuk menghitung skala bunyi. Skala ini dinamakan I decibel, dan dideinisikan sebagai D = 10 log , dengan D adalah skala decibel I0 bunyi, I adalah intensitas bunyi dengan satuan Watt per meter persegi W 2 , dan I0 m adalah intensitas bunyi paling minimum yang bisa didengar orang yang sehat, yaitu 1,0 × 10–12. Sebagai gambaran, berikut ini adalah tabel intensitas bunyi beberapa objek. ( ) Tabel 1.1 Intensitas bunyi beberapa suara Intensitas Bunyi Intensitas Bunyi W     m2  1,0 × 10–12 5,2 × 10 Ambang batas bawah pendengaran 3,2 × 10 –10 Suara bisik-bisik –6 Percakapan normal 8,3 × 10 –4 Lalu lintas padat 2 Pesawat jet lepas landas 8,5 × 10 Banyak masalah kehidupan yang penyelesaiannya melibatkan berbagai aturan dan sifat logaritma. Cermatilah masalah berikut. Masalah-1.5 Yusuf adalah seorang pelajar kelas X di kota Kupang. Ia senang berhemat dan menabung uang. Selama ini dia berhasil menabung uangnya sejumlah Rp 1.000.000,00 di dalam sebuah celengan yang terbuat dari tanah liat. Agar uangnya lebih aman, ia menabung uangnya di sebuah bank dengan bunga 10% per tahun. Berapa lama Yusuf menyimpan uang tersebut agar menjadi Rp 1.464.100,- 30 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Pahami masalah dan tuliskan informasi yang diketahui pada soal. Buat tabel keterkaitan antara jumlah uang Yusuf dengan waktu penyimpanan. Selanjutnya temukan model matematika yang menyatakan hubungan total uang simpanan dengan waktu menyimpan dan bunga uang. Diketahui: Modal awal (M0) = 1.000.000,- dan besar uang tabungan setelah sekian tahun (Mt) = 1.464.100, besar bunga yang disediakan bank untuk satu tahun adalah 10% = 0,1. Ditanya: Berapa tahun (t) Yusuf menabung agar uangnya menjadi (Mt) = 1.464.100.Alternatif Penyelesaian Perhatikan pola pertambahan jumlah uang Yusuf setiap akhir tahun pada tabel sebagai berikut. Tabel 1.2 Perhitungan besar suku bunga pada setiap akhir tahun t Akhir Tahun Bunga uang (10% × Total Uang) Total = Modal + Bunga Pola Total Uang pada saat t 0 0 Rp. 1.000.000 1.000.000 (1+0,1)0 1 Rp. 100.000 Rp. 1.100.000 1.000.000 (1+0,1)1 2 Rp. 110.000 Rp. 1.210.000 1.000.000 (1+0,1)2 3 Rp. 121.000 Rp. 1.331.000 1.000.000 (1+0,1)3 4 Rp. 133.100 Rp. 1.464.100 1.000.000 (1+0,1)4 Dari tabel di atas, jelas kita lihat bahwa Yusuf harus menabung selama 4 tahun agar uangnya menjadi Rp 1.464.100,-. Selanjutnya, kita akan menyelesaikan permasalahan di atas dengan menggunakan logaritma, setelah kita mengenal sifatsifat logaritma. Dalam pembahasan sebelumnya, kita telah membahas tentang pemangkatan suatu bilangan. Kita tahu bahwa 23 hasilnya adalah 8 yang dapat ditulis 23 = 8. Sehingga bila ada persamaan 2x = 8, maka nilai x yang memenuhi persamaan tersebut adalah x = 3. Perhatikan Tabel-1.2 di atas, kita peroleh 1.464.100 = 1.000.000 (1+0,1)4. Jika 4 = t, maka persamaan tersebut menjadi 1.464.100 = 1.000.000 (1 + 0,1)t. Hal ini dapat dikaitkan dengan bentuk eksponen yang sudah dipelajari sebelumnya, yaitu ac = b, dengan memisalkan a = (1 + 0,1), b = 1, 464100, dan c = t. Bagaimana cara menentukan nilai c = t = 4? Permasalahan ini dapat diselesaikan menggunakan invers dari eksponen, yaitu logaritma. Logaritma, dituliskan sebagai “log”, dideinisikan sebagai berikut. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 31 Deinisi 1.8 Misalkan a, b, c ∈ R, aa >00, aa≠ 1 , dan b > 0 maka alog b = c jika dan hanya jika ac = b. dimana: a disebut basis (0 < a < 1 atau a > 1) b disebut numerus (b > 0) c disebut hasil logaritma Diskusi Mengapa ada syarat a > a0 dan a0 a ≠ 1 dalam deinisi di atas? Diskusikan dengan temanmu atau guru. Demikian juga dengan b > 0. Berdasarkan deinisi di atas, kita dapatkan bentuk-bentuk berikut. • 2x = 5 ⇔ x = 2log 5 (notasi ⇔ dibaca jika dan hanya jika) • 3y = 8 ⇔ y = 3log 8 • 5z = 3 ⇔ z = 5log 3 Catatan: ♦ Jika logaritma dengan basis e (yaitu e ≈ 2,718…, e adalah bilangan Euler), maka e log b ditulis ln b. ♦ Bilangan pokok (basis) 10 tidak ditulis, sehingga 10log a = log a. Masalah-1.6 Di tahun 2013 jumlah penduduk Negara X adalah 100 juta orang. Bila pertambahan penduduk 1% per tahun, berapa jumlah penduduk negara itu pada akhir tahun 2017 dan tahun 2038? Pada tahun berapa penduduk negara itu menjadi dua kali lipat? Diketahui: Jumlah penduduk Negara X pada tahun 2013 adalah 100 juta jiwa. Persentase pertambahan penduduk per tahun adalah 1% Ditanya: a) Jumlah penduduk pada tahun 2017 dan tahun 2038 b) Pada tahun berapa, jumlah penduduk menjadi dua kali lipat. 32 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Penyelesaian Jumlah penduduk di awal (P0) = 100 juta Misalkan: Pt adalah jumlah penduduk pada tahun t r adalah persentase pertambahan penduduk. Tabel 1.3 Perhitungan jumlah penduduk Negara X untuk setiap tahun Akhir Tahun Pertambahan penduduk (1% × total penduduk) Total = Jumlah Penduduk awal + Pertambahan (juta) Pola Total Penduduk pada saat t 2013 0 100 100 (1+0,01)0 2014 1 1,01 1,0201 1,030301 101 102,01 103,0301 104,060401 100 (1+0,01)1 2015 2016 2017 100 (1+0,01)2 100 (1+0,01)3 100 (1+0,01)4 Dari tabel di atas, jelas kita lihat bahwa total penduduk pada akhir tahun 2017 adalah 104.060.401. Selanjutnya, kita akan menyelesaikan permasalahan di atas dengan menggunakan logaritma, setelah kita mengenal sifat-sifat logaritma. Perhatikan Tabel-1.3 di atas, kita peroleh 104.060.401 = 100 (1+0,01)4. Jika 4 = t, maka persamaan tersebut menjadi 104.060.401 = 100 (1+0,01)t. Hal ini dapat dikaitkan dengan bentuk eksponen yang sudah dipelajari sebelumnya, yaitu ac = b, dengan memisalkan a = (1 + 0,01), b = 104.060.401, dan c = t. Bagaimana cara menentukan nilai c = t = 4? Selanjutnya bagaimana menentukan jumlah penduduk pada akhir tahun 2038 dan tahun berapa jumlah penduduk Negara X menjadi duakali lipat. Diskusi • • Misalkan P0 adalah jumlah penduduk pada saat t = 0, dan Pt adalah jumlah penduduk pada akhir tahun t, dan diketahui nilai e ≈ 2,718.... Berdiskusilah dengan teman dan guru, bagaimana menemukan hubungan Pt dengan P0 sehingga Pt = P0 (e rt). Apakah kamu mengerti maknanya? Jika tidak, bertanya pada guru. Misalnya ketika t = 0, maka P0 = 100 juta. Artinya jumlah penduduk mula-mula adalah 100 juta orang. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 33 Selanjutnya cermati graik fungsi y = f(x) = 2log x, f(x) = – 2log x, f(x) = 3log x dan f(x) = – 3log x yang disajikan berikut. f(x) x Gambar 1.2 Graik Fungsi Logaritma Diskusi Berdasarkan graik di atas dan deinisi tentang logaritma, diskusikan dengan temanmu untuk mencari sedikitnya 5 sifat dari fungsi logaritma. Sajikan hasil yang kamu peroleh di depan kelas. Perhatikan graik fungsi di atas. Isilah tabel berikut. Tabel 1.4 Perhitungan Nilai Fungsi Logaritma x 1 1 1 1 1 1 2 3 2 3 4 3 4 f(x) = 2log x 1 2 1 0 f ( x) = log x 0 f ( x) = 3 log x 0 1 3 f ( x) = log x 34 2 0 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X 3 4 8 9 Mari kita deinisikan fungsi logaritma. Deinisi 1.9 Fungsi Logaritma adalah suatu fungsi yang dideinisikan oleh y = f(x) = alog x dengan a bilangan real, a > 0, a ≠ 1 serta x > 0. x adalah variabel (peubah bebas) dan a adalah bilangan pokok atau basis. Contoh 1.12 1. Tulislah bentuk logaritma dari: a. 25 = 32 maka 2log 32 = 5 b. c. 43 = 64 maka 4log 64 = 3 1 1 maka 2log = –2 2–2 = 4 4 2. Tulislah bentuk pangkat dari: a. 11log 121 = 2 maka 112 = 121 b. 3log 81 = 4 maka 34 = 81 c. log 1000 = 3 maka 103 = 1000 3. Hitunglah nilai logaritma berikut. a. 2log 2 = 1 karena 21 = 2 b. 2log 1 = 0 karena 20 = 1 c. 2log 128 = 7 karena 27 = 128 10. Sifat-sifat Logaritma Dari Deinisi 1.9, logaritma merupakan inversi dari perpangkatan, oleh karena itu terdapat 3 sifat dasar logaritma, yaitu: Sifat-6. Sifat Dasar Logaritma Misalkan a dan n bilangan real, a > 0 dan a ≠ 1, maka 1. alog a = 0 2. alog 1 = 0 3. alog an = n Sifat-sifat tersebut dapat diturunkan langsung dari deinisi logaritma. Bab 1 Eksponen dan Logaritma 35 Contoh 1.13 1. 2. 3. log a = x ⇔ ax = a sehingga x = 1 atau alog a = 1 log 1 = y ⇔ ay = 1. Karena a0 = 1, maka y = 0 a log an = z ⇔ ax = an sehingga z = n serta alog an = n a a BEBERAPA SIFAT OPERASI LOGARITMA Sifat-7 Untuk a, b, dan c bilangan real positif, a ≠ 1, dan b > 0, berlaku a log ( b × c ) = a log b + a log c Bukti: Berdasarkan Deinisi 1.6 maka diperoleh: a log b = x ⇔ b = a x a • • log c = y ⇔ c = a y Simbol ⇔ dibaca jika dan hanya jika Apakah kamu mengerti maknanya? Jika tidak bertanya kepada guru. Dengan mengalikan nilai b dengan c, maka: b × c = ax × ay ⇔ b × c = ax+y ⇔ alog (b × c) = x + y Substitusi nilai x dan y ⇔ alog (b × c) = alog b + alog c (terbukti) Sifat-8 Untuk a, b, dan c bilangan real dengan a > 0, a ≠ 1, dan b > 0, berlaku b a log   = a log b − a log c c Bukti: Berdasarkan Deinisi 1.6, diperoleh: a log b = x ⇔ b = ax a log c = y ⇔ c = ay Dengan membagikan nilai b dengan c, maka diperoleh b ax b = y ⇔ = ax–y c a c b ⇔ a log   = alog ax–y c 36 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X ⇔ ⇔ a b log   = x – y c a Substitusi nilai x dan y b a a log   = log b – log c (terbukti) c   Sifat-9 Untuk a, b, dan n bilangan real, a > 0, b > 0, a ≠ 1, berlaku a log b n = n a log b Bukti: a ⇔ ⇔ a   log b n = a log  b× b × b × ... ×b    n faktor   m a × a × ... ×a ingat, a = a× m faktor log b = log b + log b + ... + log b    n a a a ingat, Sifat-8 n faktor a log b n = n a log b (terbukti) Sifat-10 Untuk a, b, dan c bilangan real positif, a ≠ 1, b ≠ 1, dan c ≠ 1, berlaku c log b 1 a log b = c =b log a log a Bukti: Berdasarkan Deinisi 1.8, diperoleh: a log b = x ⇔ b = ax Terdapat bilangan pokok c sedemikian sehingga: c log b = clog ax ⇔ clog b = x clog a ingat, Sifat-9 ⇔ x= ⇔ c c log b log a c a log b = c substitusi nilai x log b (terbukti) log a Bab 1 Eksponen dan Logaritma 37 Karena c adalah bilangan sembarang dengan ketentuan di atas dapat dipenuhi c = b sehingga diperoleh ⇔ b a ⇔ log b ingat, Sifat pokok 2 log a 1 (terbukti) og b = b log a log b = b Sifat-11 Untuk a, b, dan c bilangan real positif dengan a ≠ 1 dan c ≠ 1, berlaku a log b × b log c = a log c Bukti: Berdasarkan Deinisi 1.6 maka diperoleh: a log b = x ⇔ b = ax b log c = y ⇔ c = by a log b × blog c = alog ax × blog by ⇔ alog b × blog c = alog b × blog by ⇔ alog b × blog c = y alog b × blog b ⇔ alog b × blog c = y alog b ⇔ alog b × blog c = alog by ⇔ alog b × blog c = alog c (terbukti) ingat, c = by ingat, Sifat pokok 2 ingat, Sifat 6 ingat, c = by Sifat-12 Untuk a dan b bilangan real positif dengan a ≠ 1, berlaku n am log b n = (alog b), dengan m, n bilangan bulat dan m ≠ 0. m Bukti: (Silahkan coba sendiri) Sifat-13 Untuk a dan b bilangan real positif a ≠ 1, berlaku a a log b =b Bukti: (coba sendiri) Logaritma saling invers dengan eksponen. Misalkan alog b = c. Kita subtitusikan alog b = c ke ac = ( a ) 38 a log b , sehingga diperoleh ac = b Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Untuk mendalami sifat-sifat di atas, perhatikan beberapa contoh berikut. Contoh 1.14 Mari kita tinjau kembali Masalah-1.5. Kita akan menyelesaikan masalah tersebut dengan menggunakan konsep logaritma. Cermatilah kembali Tabel 1.2. Kita dapat menyatakan hubungan total jumlah uang untuk t tahun sebagai berikut: Mt = M0 (1+i)t dimana Mt : total jumlah uang diakhir tahun t t : periode waktu i : bunga uang Dengan menggunakan notasi di atas, maka soal tersebut dapat dituliskan sebagai berikut: Diketahui : M0 = 1.000.000, Mt = 1.464.100, i = 0,1 Ditanya : t Penyelesaian 1.464.100 = 1.000.000 (1+0,1)t ⇔ log 1.464.100 = log [1.000.000 (1,1)t ] ⇔ log 1.464.100 = log 1.000.000 + log (1,1)t ⇔ log 1.464.100 – log 1.000.000 = t log1,1 1.464.100 = t log 1,1 ⇔ log 1.000.000 14.641 = t log 1,1 ⇔ log 10.000 ⇔ log  11   10  4 = t log 1,1 ⇔ 4 log (1,1) = t log 1,1 ⇒ t =4 Jadi, Yusuf harus menabung selama 4 tahun agar mendapatkan uang sebesar Rp 1.464.100,- Contoh 1.15 Misal log2 a adalah notasi untuk (log a)2. Berapakah nilai a yang memenuhi log2 a + log a = 6? Bab 1 Eksponen dan Logaritma 39 Penyelesaian Misal P = log a log2 a + log a = 6 ⇔ ⇔ ⇔ ⇔ ⇔ ⇔ (log a)2+ (log a) = 6 P2 + P – 6 = 0 (P + 3)(P – 2) = 0 P = –3 atau P = 2 log a = –3 atau log a = 2 a = 10–3 atau a =102 Jadi, nilai a yang memenuhi persamaan di atas adalah a = 0,001 atau a = 100. Contoh 1.16 Nyatakan b dalam a supaya berlaku alog b – 2blog a = 1! Penyelesaian a 1 log b log b – 2blog a = 1 Ingat, blog a = ⇔ Misalkan: P = alog b a log b − ⇔ P− a 2 −1 = 0 log b a 2 −1 = 0 P ⇔ P2 – P – 2 = 0 ⇔ (P + 1)(P – 2) = 0 ⇔ P = –1 atau P = 2 ⇔ alog b = –1 atau alog b = 2 Sekarang akan kita nyatakan b dalam a, yaitu, a log b = –1 Jadi, b = 40 ⇔ a log b = a −1 atau ⇔ b = a–1 1 ⇔ b= a a a log b = 2 ⇔ a log b = a2 ⇔ b = a–2 1 atau b = a–2. a Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X a Uji Kompetensi 1.3 1. Pada awal tahun, Rony menabung uang di bank sebesar Rp 125.000,00. Ia menyimpan uang tersebut selama 8 tahun. Berapa jumlah uang Rony pada akhir tahun ke delapan jika bank memberi suku bunga majemuk 6% setahun? 2. Pak Thomas menabung Rp 2.000.000,00 selama 5 tahun dengan bunga 12% per tahun. Jika perhitungan bunga tiga bulanan, berapakah besar bunga yang diterima Pak Thomas? 3. Tentukan skala decibel suara berikut. a. Percakapan normal yang memiliki intensitas 3,2 × 10–6 Watt per meter kuadrat. b. Pesawat jet yang baru lepas landas yang memiliki intensitas 8,3 × 102 Watt per meter kuadrat. 4. Gemuruh suara Air terjun Niagara memiliki skala decibel 90. Tentukan intensitas bunyi dari air terjun tersebut. Apakah intensitas tersebut masih aman untuk telinga manusia? 5. Tulislah bentuk logaritma dari: a. 53 = 125 b. 102 = 100 c. 43 = 64 d. 61 = 6 6. 7. 8. 9. Tulislah bentuk pangkat dari: a. log 0,01 = –2 b. 0,5 log 0, 0625 = 4 1 c. 2 log 3 2 = 3 1 d. 3 log = −2 9 Hitunglah nilai dari: a. log 104 b. 5log 125 1 c. 3log 27 d. 2log 0,25 e. 4log 410 f. 5log 1 Diketahui log 2 = 0,3010; log 3 = 0,4771 dan log 7 = 0,8451 tentukan: a. log 18 b. log 21 c. log 10,5 d. log 1 7 Sederhanakan a. b. c. d. 22 2 11 ×× log 64 − ×× 2 log 16 33 22 a log 2 x + 3 ( a log x − a log y ) a a − log ax x 1 log a + log b − log ab 2 a log Bab 1 Eksponen dan Logaritma 41 10. Jika 2log 3 = a dan 3log 5 = b, nyatakan bentuk berikut dalam a dan b! a. 2log 15 b. 4log 75 c. 25log 36 d. 2log 5 e. 30log 150 f. 100log 50 11. Jika b = a4, a dan b bilangan real positif, tentukan nilai alog b – b log a! 12. Jika alog b = 4, clog b = 4 dan a, b, c bilangan positif, a, c ≠ 1, tentukan 15. log2 a adalah notasi untuk (log a)2. Berapakah nilai a yang memenuhi 2 × log2 a + log a = 6? 16. Nyatakan p dalam q supaya berlaku p log q – 6 qlog p = 1! 17. 2log2 a adalah notasi untuk (2log a)2. Jika a adalah bilangan bulat positif, maka berapakah nilai a yang memenuhi 2log2 (a2 – 6a) + 2log (a2 – 6a)2 = 8. 18. Untuk a > 0, a ≠ 1, nyatakan b dalam a yang memenuhi persamaan a log2 (ba + a) – alog (ba + a)3 + 2 = 0 1 nilai  a log ( bc )4  2 !   13. Buktikan log 1 = 0 dan log 10=1! 14. Buktikan bahwa untuk a > b > 0, a log b < 0 dan sebaliknya untuk 0 < a < b, alog b > 0! SOAL TANTANGAN 19. Jika 4log a = p dan 8log b = q maka tentukanlah a5 3 b a5 3 b a5 3 b ... dalam p dan q. Projek Skala logaritma dipergunakan untuk banyak keperluan selain menyatakan intensitas bunyi. Cari informasi tentang besaran lain yang menggunakan skala logaritma. Untuk membedakan analisis menggunakan logaritma bahkan digambarkan graik dalam skala logaritma. Cari informasi ada berapa macam skala logaritma biasa dipergunakan dan beri contoh penelitian agar skala logaritma tersebut dipergunakan. Buat laporan hasil pengamatan dan sajikan di depan kelas. 42 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X D. PENUTUP Berdasarkan sajian materi terkait berbagai konsep dan sifat eksponen dan logaritma di atas, beberapa hal penting dapat kita rangkum sebagai berikut. 1. Konsep eksponen dan logaritma dapat ditemukan kembali dari berbagai pemecahan masalah nyata di sekitar kehidupan kita. 2. Operasi eksponen adalah perluasan dari operasi perpangkatan yang sudah dipelajari di Sekolah Dasar dan SMP. Operasi perpangkatan pasti merupakan eksponen, tetapi operasi eksponen belum tentu perpangkatan. Perbedaannya terletak pada semesta pembicaraannya. Semesta pembicaraaan pada operasi perpangkatan adalah bilangan, tetapi semesta pembicaraan pada eksponen tergantung variabel sebagai eksponen dari basisnya. Misalnya px = q, x sebagai eksponen dari p, dimana x dan p belum tentu bilangan, tetapi 23 = 8, 3 adalah sebuah bilangan pangkat dari 2. 3. Perpangkatan dan penarikan akar adalah dua operasi yang saling berkebalikan. Artinya jika suatu bilangan dipangkatkan dan hasilnya diakarkan dengan pangkat akar yang sama dengan pangkat bilangan sebelumnya, maka hasilnya adalah bilangan semula. Misalnya 23 = 8 maka 3 8 = 2 4. Sifat-sifat perpangkatan dapat digunakan untuk menurunkan sifat-sifat penarikan akar. 5. Eksponen dan logaritma adalah dua operasi yang saling berbalikan. Artinya jika suatu basis a dieksponenkan dengan c dan hasilnya adalah b, maka logaritma dari b dengan basis yang sama, yaitu a, hasilnya adalah c sebagai eksponen dari a. Dapat ditulis misal a, b, c ∈ R , 0 < a < 1, a ≠ 1 dan b > 0, jika ac = b maka a log b = c. 6. Jika graik fungsi eksponen dicerminkan terhadap sumbu y = x, maka diperoleh graik fungsi logaritma. 7. Penguasaan berbagai konsep dan sifat-sifat eksponen dan logaritma adalah prasayarat untuk mempelajari fungsi eksponen dan fungsi logaritma sebab fungsi eksponen melibatkan bilangan eksponen dan fungsi logaritma melibatkan logaritma. Secara mendalam, berbagai sifat-sifat dari fungsi eksponen dan logaritma serta penerapannya akan dibahas dipokok bahasan peminatan. Pada Bahasan 2 (Bab 2), kita akan mempelajari persamaan dan pertidaksamaan linier yang melibatkan variabel berpangkat satu. Sama halnya dengan penemuan kembali konsep eksponen dan logaritma melalui pemecahan masalah nyata, akan kita temukan konsep dan sifat-sifat persamaan dan pertidaksamaan linier dari berbagai Bab 1 Eksponen dan Logaritma 43 situasi nyata kehidupan disekitar kita. Penguasaan kamu pada materi eksponen dan logaritma akan berguna untuk mempelajari materi pada bab berikutnya. Perlu kami tekankan bahwa mempelajari materi matematika mulai bahasan 1 sampai 12, harus dipelajari secara terurut, jangan melompat-lompat, sebab sangat dimungkinkan penguasaan materi pada bahasan berikutnya didasari penguasaan materi pada bahasan sebelumnya. 44 Buku Matematika Siswa SMA/MA/SMK/MAK Kelas X Bab 1 Eksponen dan Logaritma 45