JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 6, No.1, (2017) 2337-3520 (2301-928X Print)
A 28
Konstruksi Fungsi Lyapunov untuk Menentukan Kestabilan Reni Sundari dan Erna Apriliani Jurusan Matematika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected]
AbstrakβFungsi Lyapunov adalah salah satu fungsi yang dikonstruksi untuk memeriksa kestabilan global dari suatu sistem nonlinier. Pada penelitian ini digunakan metode Variabel Gradien, Kravoskii dan Energi Casimir dalam mengkonstruksi fungsi Lyapunov. Berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi yang dilakukan menggunakan metode variabel gradien dan metode Energi Casimir diperoleh fungsi Lyapunov untuk sistem Lorenz pada semua titik kesetimbangan. Sedangkan metode Kravoskii belum menghasilkan fungsi Lyapuno untuk sistem Lorenz pada semua titik kesetimbangan. Kata KunciβFungsi Lyapunov, Variabel Krasovkii, Energi-Casimir, Sistem Lorenz.
Gradien,
I. PENDAHULUAN
M
ATEMATIKA merupakan disiplin ilmu yang dapat diterapkan dalam berbagai ilmu pengetahuan dan dapat memberikan interpretasi solusi analitis yang lebih rinci. Permasalahan yang terjadi dalam kehidupan seharihari kebanyakan merupakan sistem dinamik. Sistem dinamik yaitu suatu sistem persamaan yang dipengaruhi oleh perubahan gerak dan waktu. Salah satu kajian penting dalam permasalahan sistem dinamik yakni bagaimana keadaan sistem, apakah sistem tersebut merupakan sistem yang stabil atau tak stabil. Aleksander Mikhailovich Lyapunov dalam tesisnya yang berjudul A general task about the stability of motion mengembangkan dua metode untuk menganalisis kestabilan dari suatu kesetimbangan, yang dikenal dengan metode Lyapunov langsung (The Second Method of Lyapunov) dan metode Lyapunov tak langsung (First Method ). Penyelesian kestabilan sistem dinamik dengan metode Lyapunov langsung mensyaratkan suatu fungsi, yang disebut sebagai fungsi Lyapunov. Yaitu fungsi skalar yang memenuhi beberapa syarat diantaranya jika ada sebuah fungsi definit positif sedemikian sehingga turunan dari yaitu semidefinit negatif [1]. Metode Lyapunov langsung banyak diterapkan untuk menganalisis kestabilan baik sistem linier maupun sistem nonlinier, sistem time-invariant dan juga sistem time-varrying. Pada penelitian ini dibahas mengenai mengkonstruksi fungsi Lyapunov untuk menganalisis kestabilan pada sistem nonli\-nier dengan menggunakan metode variabel gradien, metode Krasovkii, dan metode Energi-Casimir dan hasil konstruksi fungsi Lyapunov akan diterapkan pada contohcontoh sistem dinamik nonlinier yaitu sistem Lorenz.
II. DASAR TEORI A. Sistem Lorenz Sistem persamaan diferensial biasa dari sistem Lorenz sebagai berikut: ππ₯ = π (π¦ β π₯ ) ππ‘ ππ¦ = ππ₯ β π¦ β π₯π§ ππ‘ ππ§ = π₯π¦ β π½π§ ππ‘ Keadaan atmosfer dalam model ini dapat digambarkan secara utuh dengan tiga buah variabel bergantung waktu yaitu: laju konveksi π₯, distribusi temperature horizontal π¦, dan distribusi temperature vertikal π§, dengan tiga parameter yang menjelaskan karakter dari model tersebut yaitu: π (rasio viskositas tehadap konduktivitas termal), π (perbedaan temperature antara bagian atas dan bagian bawah lapisan), dan π½ (perbandingan luas dan ketebalan. B. Kestabilan dan Titik Kesetimbangan Setiap sistem memiliki keadaan setimbang yang berbedabeda. Keadaan setimbang suatu sistem dapat terjadi pada suatu titik yang disebut titik kesetimbangan. Titik kesetimbangan adalah suatu titik saat sistem tidak mengalami perubahan sepanjang waktu. Sebuah titik π₯π β βπ adalah sebuah titik kesetimbangan dari sistem persamaan diferensial π₯Μ = π(π₯) jika memenuhi π(π₯π ) = 0.[5] C. Fungsi Lyapunov Fungsi Lyapunov adalah suatu fungsi yang memenuhi tiga pernyataan berikut ini. Definsi 2.1 [6] Diberikan fungsi π: π β βπ > β dan π₯π β π titik kesetimbangan sistem persamaan diferensial nonlinier. Fungsi π disebut fungsi Lyapunov jika memenuhi pernyataan berikut: a. Fungsi π kontinu dan mempunyai turunan parsial pertama yang kontinu pada π. b. Fungsi π(π₯) > 0 untuk π₯ β π dengan π₯ β π₯π dan π(π₯π ) = 0 dengan π₯ = π₯π (dengan titik kesetimbanganπ₯π merupakan titik minimum global). c. Fungsi πΜ (π₯) β€ 0 untuk setiap π₯ β π. D. Metode Variabel Gradien Diberikan π βΆ π β β adalah fungsi diferensial kontinu
JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 6, No.1, (2017) 2337-3520 (2301-928X Print) ππ π
dan π(π₯ ) = (ππ₯ ) . Derivatif dari π(π₯) sepanjang trayektori diberikan oleh π
π (π₯ ) = β π=1
1
ππ π(πππ (ππ₯ )) π₯Μ π = β« ππ = ππ (π₯ ) ππ₯π ππ 0
III. PEMBAHASAN A. Titik Kesetimbangani Jika π > 1 maka terdapat dua titik kesetimbangan yaitu (βπ(π β 1), βπ(π β 1), π β 1) dan (ββπ(π β 1), ββπ(π β 1), π β 1),
Kemudian, mengkonstruksi π(π₯ ) sedemikian sehingga π(π₯ ) adalah gradien dari fungsi definit positif dan πΜ (π₯) = ππ (π₯)π(π₯ ) < 0, π₯ β π, π₯ β 0. Fungsi π (π₯ ) bisa dihitung dengan integral 1
1 π π(
π (π₯ ) = β« π ππ₯ ) π₯ππ = β« β ππ (ππ₯ )π₯π ππ 0 π=1
0
E. Metode Kravoskii Proposisi 2.2 Fungsi π, π βΆ βπ β βπ adalah fungsi diferensial kontinu sedemikian sehingga π(0) = 0. Maka untuk setiap π₯ β βπ terdapat πΌ β [0,1] sedemikian sehingga ππ ππ (π₯)π(π₯) = ππ (π₯) (πΌπ₯ )π₯ ππ₯ Teorema 2.2 (Teorema Krasovskii) Diberikan π₯(π‘) = 0 adalah titik kesetimbangan untuk system dinamika nonlinier π₯Μ (π‘) = π(π₯(π‘)), π₯(0) = π₯0 , π‘ β₯ 0 Dimana π: π β βπ adalah diferensial kontinu dan π· adalah himpunan buka dengan0 β π. Diasumsikan terdapat matrik definit positif π β βππ₯π dan π
β βππ₯π sedemikian π ππ ππ [ (π₯)] π + π [ (π₯ )] β€ βπ
, π₯ β π, π₯ β 0 ππ₯ ππ₯ Maka solusi nol π₯(π‘) = 0 adalah kesetimbangan tunggal stabil asymptotis dengan fungsi lyapunov π(π₯) = π π (π₯)ππ(π₯). Jika π β‘ βπ , maka solusi nol π₯(π‘) = 0 adalah ketimbangan tunggal stabil asymptotis global. F. Metode Energi Casimir Diberikan fungsi πΆ: π β β dan didefinisikan π
(π₯ ) β‘ Μ β ππ πΆπ (π₯ ) π=1
Untuk ππ β π, π = 1, β¦ , π. Teorema 2.3 (Teorema Energi-Casimir) dengan menganggap sistem dinamika nonlinier dimana π: π β βπ adalah lipschitz kontinu pada π. Diberikan π₯π β π adalah titik kesetimbangan dari suatu sistem dan diberikan πΆπ : π β β, π = 1, β¦ , π menjadi fungsi Casimir. Diasumsikan bahwa vektor πΆπ β² (π₯π ), π = 2, β¦ , π adalah bebas linier dan andaikan terdapat π = [π1 , β¦ , ππ ]π β βπ sedemikan hingga π1 β 0, πΈ β² (π₯π ) = 0 dan π₯ π πΈ β²β² (π₯π )π₯ > 0, π₯ β β³, β² ( ) Μ dimana β³ β‘ {π₯ β π: πΆπ π₯π π₯ = 0, π = 2, β¦ π}. Maka terdapat πΌ β₯ 0 sedemikian sehingga π
A 29
π=2
Kemudian, solusi kesetimbangan π₯(π‘) β‘ π₯π dari sistem dinamika nonlinier adalah stabil lyapunov dengan fungsi lyapunov. π
πΌ π (π₯ ) = πΈ (π₯ ) β πΈ (π₯π ) + β[πΆπ (π₯ ) β πΆπ (π₯π )]2 2 π=2
π<1
terdapat satu titik kesetimbangan yaitu pada titik (0,0,0). B. Kestabilan Lokal Metode yang digunakan untuk mentransformasi sistem nonlinier menjadi sistem linier adalah metode matrik Jacobi. Matrik Jacobi yang dibentuk dari sistem diatas adalah βπ π 0 π½ = [π β π§ β1 βπ₯ ] π¦ π₯ βπ Titik kesetimbangan nol π1 = (0,0,0) , diperoleh persamaan karakteristik yaitu (π + π)(π2 + (π + 1)π + π(1 β π)) = 0 Karena π, π dan π adalah konstanta positif, maka akar-akar persamaan karakteristik yang diperoleh adalah π1 = 1 1 βπ, π2,3 = β 2 (π + 1) Β± 2 βπ 2 β (2 + 4π)π + 1. Untuk π < 1, kondisi didalam akar kuadrat kurang dari (π β 1)2 , menjadikan π < 0 sehingga nilai eigen bernilai negatif dan riil. Oleh karena itu, titik kesetimbangan pada titik (0,0,0) bersifat stabil. Sedangkan pada dua titik yang lain (π2 πππ π3 ), persamaan karakteristik yang didapatkan yaitu π3 + (π + π + 1)π2 + (ππ + ππ)π + 2ππ(π β 1) = 0 Dengan menggunakan Routh-Hurwitz, maka dua titik π(π+π+3) kesetimbangan jika 1 < π < πβπβ1 ,maka π2,3 = (Β±βπ(π β 1), Β±βπ(π β 1), π β 1) bersifat stabil. C. Metode Variabel Gradien Dengan dimisalkan β11 π₯ βπ (π₯) = [β21 π₯ β31 π₯
β12 π¦ β22 π¦ β32 π¦
β13 π§ β23 π§] β33 π§
Maka fungsi Lyapunov adalah 1. Titik Kesetimbangan nol Fungsi Lyapunov yang diperoleh 1
π = β« βπ(π₯ ) ππ₯ 0 1
= β« Ξ³(π₯ 2 + π¦ 2 β 0,3π§ 2 + π¦π§)π Ξ³ 0
=
π
ππΆπ ππΆ (π₯ )) ( π (π₯π )) > 0 πΈ π₯π ) + πΌ β ( ππ₯ π ππ₯ β²β² (
sedangkan
2.
1 2 (π₯ + π¦ 2 β 0,3π§ 2 + π¦π§) 2
Titik Kesetimbangan pada dua titik yang lain 1 π = ((π₯ β π₯ β )2 + (π¦ β π¦ β )2 ) 2 β0,3(π§ β π§ β )2 + (π¦ β π¦ β )(π§ β π§ β ))
D. Metode Kravoskii 1. Titik Kesetimbangan nol Titik kesetimbangan yaitu disubstitusikan ke matriks π½.
π1 = (0,0,0) Selanjutnya
JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 6, No.1, (2017) 2337-3520 (2301-928X Print) mendapatkan matriks π yaitu 10π β 11 β π 2 β(π β 1) 220(π β 1) 22(π β 1) β(π β 1) (π β 1) π= 22(π β 1) 22(π β 1) 0
[
0
A 30
IV. SIMULASI DAN ANALISIS A. Titik Kesetimbangan nol Nilai parameter yang digunakan adalah π = 10, π½ = 8/3. Berikut ini adalah hasil penyelesaian dari fungsi Lyapunov beserta turunannya
0 0 3 16]
Fungsi Lyapunov adalah π = π π (π₯ )ππ(π₯ ) 10π β 11 β π 2 2 (π(π¦ β π₯ )) 220(π β 1) 2(π β 1) β π (π¦ β π₯ )(π₯(π β π§) β π¦) 22(π β 1) (π β 1) 3 (π₯(π β π§) β π¦)2 + (π₯π¦ β π½π§)2 + 22(π β 1) 16
=
2.
Titik kesetimbangan (βπ(π β 1), βπ (π β 1), π β 1)
pada
π2 =
Gambar 1. Grafik Fungsi Lyapunov dengan Metode Variabel Gradien, r=0.5
Fungsi Lyapunov yang diperoleh 2 π = 0,1346(π(π¦ β π₯ )) +0,3391π(π¦ β π₯ )(π₯(π β π§) β π¦) +0,1726π(π¦ β π₯ )(π₯π¦ β π½π§) +0,4694(π₯(π β π§) β π¦)2 β0,1026(π₯(π β π§) β π¦)(π₯π¦ β π½π§) + 0,3381(π₯π¦ β π½π§)2 3.
Titik
Kesetimbangan (ββπ(π β 1), ββπ(π β 1), π β 1) Fungsi Lyapunov yang diperoleh 2 π = β5,6421(π(π¦ β π₯ )) β14,8311π(π¦ β π₯ )(π₯(π β π§) β π¦) +11,3256π(π¦ β π₯ )(π₯π¦ β π½π§) β27,2288(π₯(π β π§) β π¦)2 β11,8564(π₯(π β π§) β π¦)(π₯π¦ β π½π§) β 17,2255(π₯π¦ β π½π§)2
E. Metode Energi Casimir 1. Titik Kesetimbangan nol Fungsi Lyapunov yang diperoleh 1 1 π = (π₯ 2 + π¦ 2 ) + π¦ 4 2 4 2.
π3 = Gambar 2. Grafik Turunan Fungsi Lyapunov
Berdasarkan gambar 1 dan 2, terlihat bahwa fungsi Lyapunov dengan metode variabel gradien semua berada pada nilai positif dan bergerak menuju nol. Dan turunannya dimana semua nilai berada pada bagian negatif dan bergerak menuju titik nol.Hal ini menunjukkan bahwa Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode Variabel gradien untuk sistem Lorenz pada titik kesetimbangan nol dengan parameter π = 0,5.
Titik Kesetimbangan pada dua titik yang lain Fungsi Lyapunov yang diperoleh π π π = (π¦ 2 β π¦ β 2 ) + (π§ 2 β π§ β 2 ) 2 2 1 β (π¦ β π¦ β ) β (π§ β π§ β ) + 2
Dengan π = Β±
1
2 π 2 (π§ β π§ β 2 ) (2 ) β) ( β π§βπ§ 1 dan π = πβ1.
βπ½(πβ1)
Gambar 3. Grafik Fungsi Lyapunov dengan Metode Kravokii, r=0,5
JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 6, No.1, (2017) 2337-3520 (2301-928X Print)
A 31
B. Titik Kesetimbangan dua titik yang lain
Gambar 4. Grafik Turunan
Berdasarkan gambar 3 dan 4 terlihat bahwa fungsi Lyapunov dengan metode Kravoskii semua berada pada nilai positif dan bergerak menuju nol. Dan turunan dimana sebagian nilai berada pada bagian positif dan sebagian nilai berada pada bagian negatif bergerak menuju titik nol juga.Hal ini menunjukkan bahwa Fungsi Lyapunov tidak dapat dikonstruksi dengan metode Kravoskii untuk sistem Lorenz pada titik kesetimbangan nol dengan parameter π < 1.
Gambar 7. Grafik Fungsi lyapunov dengan metode Variabel
Gambar 8. Grafik turunan dari gambar 7
Gambar 5. Grafik Fungsi Lyapunov dengan Metode Energi Casimir
Berdasarkan gambar 7 dan 8, terlihat bahwa fungsi Lyapunov semua berada pada nilai positif dan bergerak menuju nol. Dan turunannya dimana semua nilai berada pada bagian negatif dan bergerak menuju titik nol.Hal ini menunjukkan bahwa Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode Variabel gradien untuk sistem Lorenz pada titik kesetimbangan π2 dengan parameter π = 24. Sistem Lorenz pada titik kesetimbangan π2 bersifat stabil.
Gambar 6. Grafik Turunannya
Berdasarkan gambar 5 dan 6 terlihat bahwa fungsi Lyapunov dengan metode Energi Casimir semua berada pada nilai positif dan bergerak menuju nol. Dan turunannya dimana semua nilai berada pada bagian negatif dan bergerak menuju titik nol.Hal ini menunjukkan bahwa Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode Energi-Casimir untuk sistem Lorenz pada titik kesetimbangan nol dengan parameter π = 0.5.
Gambar 9.Grafik Fungsi Lyapunov dengan metode Kravokii
JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 6, No.1, (2017) 2337-3520 (2301-928X Print)
A 32
V. PENUTUP A. Kesimpulan
1. Sistem pada titik kesetimbangan pada (0,0,0) bersifat stabil local jika π < 1 dan pada dua titik kesetimbangan yang lain bersifat stabil jika 1 < π(π+π½+3) π < πβπ½β1 . 2.
Gambar 10. Grafik Turunan dari gambar 9
Berdasarkan gambar 9 dan 10 terlihat bahwa fungsi Lyapunov semua berada pada nilai negatif dan bergerak menuju titik nol. Dan turunannya dimana nilai berada pada bagian positif dan bergerak menuju titik nol. Hal ini menunjukkan bahwa Fungsi Lyapunov belum dapat dikonstruksi dengan metode Kravoskii untuk sistem Lorenz pada titik kesetimbangan
3.
Sistem Lorenz pada titik kesetimbangan (0,0,0) diperoleh a. Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode variabel gradien. b. Fungsi Lyapunov belum dapat dikonstruksi dengan menggunakan metode Kravoskii. c. Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode Casimir. Sistem pada dua titik kesetimbangan yang lain. a. Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode variabel gradien. Sistem Lorenz bersifat stabil jika 1 < π < π(π+π½+3) πβπ½β1
b.
c.
Fungsi Lyapunov belum dapat dikonstruksi dengan menggunakan metode Kravoskii. Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode Casimir. Sistem Lorenz π(π+π½+3) bersifat stabil jika 1 < π < πβπ½β1
DAFTAR PUSTAKA [1] Gambar 11. Grafik Fungsi Lyapunov dengan metode Energi Casimir [2]
Gambar 12.Grafik turunan gambar 11
Berdasarkan gambar 11 dan 12 terlihat bahwa fungsi Lyapunov semua berada pada nilai positif dan bergerak menuju titik nol. Dan turunan dimana semua nilai berada pada bagian negatif dan bergerak menuju titik nol. Hal ini menunjukkan bahwa Fungsi Lyapunov dapat dikonstruksi dengan metode Energi-Casimir untuk sistem Lorenz pada dua titik kesetimbangan yang lain. Sistem tersebut pada titik kesetimbangan π2 bersifat stabil jika 1 < π < 24.7.
Riyanto, Andi (2015).βAnalisis Kestabilan Sistem Suspensi Mobil Seperempat Kendaraan Dengan Metode Lyapunov Langsungβ. Skripsi S1, Universitas Islam Negeri Sunan Kalijaga Yogyakarta. Khalil, H. (2002).βNonlinear System Third Editionβ. New Jersey: Pearson Prentice Hall