PENYELESAIAN MASALAH PANAS BALIK (BACKWARD HEAT PROBLEM) Richa Agustiningsih, Drs. Lukman Hanafi, M.Sc. Jurusan Matematika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email:
[email protected]
heat equation) banyak digunakan dalam aplikasi teori hidrodinamika. Namun, persamaan ini pada dasarnya sukar diselesaikan secara analitis. Hal ini disebabkan karena panas yang telah berdifusi tidak dapat kembali ke titik awal. Penyelesaian secara numerik dari suatu persamaan matematis kadang-kadang hanya memberikan nilai perkiraan yang mendekati nilai yang benar (eksak) daripada penyelesaian analitis, sehingga dalam penyelesaian numerik tersebut terdapat kesalahan terhadap nilai eksak.[5]
Abstrak- Suatu persamaan panas balik (backward heat equation) tidak dapat diselesaikan secara analitis. Hal ini disebabkan karena panas yang telah berdifusi tidak dapat kembali ke titik awal. Persamaan panas balik (backward heat equation) ini merupakan persamaan differensial yang linier, sehingga penyelesaiannya tidak dapat ditemukan secara analitik melainkan secara numerik. Dari berbagai macam metode numerik yang ada, dalam Tugas Akhir ini menggunakan metode Beda Hingga Maju dalam menyelesaikan persamaan tersebut. Setelah proses diskritisasi dengan metode Beda Hingga Maju, maka akan ditemukan matriks dari persamaan panas balik tersebut. Selanjutnya, matriks tersebut disimulasikan ke dalam program Matlab. Kata kunci: Backward Heat Equation, Metode Beda Hingga Maju, analitik, numerik, linier.
II.
Pendekatan Numerik Persamaan panas balik (backward heat equation) tersebut termasuk persamaan differensial yang non-linear. Persamaan differensial merupakan persamaan yang menghubungkan suatu besaran dengan perubahannya. Persamaan differensial mempunyai banyak ragam dan jenis mulai dari yang mudah diselesaikan hingga yang sulit diselesaikan, mulai dari yang sederhana sampai yang sangat kompleks. Dalam hal ini, metode numerik dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan differensial dengan menggunakan bantuan komputer sebagai alat hitung, ketika metode analitik sulit digunakan. Pada beberapa bentuk persamaan differensial, khususnya pada persamaan differensial non-linear, penyelesaian analitik sulit sekali dilakukan sehingga metode numerik dapat menjadi penyelesaian yang disarankan. Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan differensial, antara lain: metode Euler, metode pendekatan dengan deret Taylor, metode Runge-Kutta, dan metode-
I.
Pendahuluan Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda atau material. Ilmu perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari suatu benda ke benda lainnya, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu.[1] Masalah backward, berkaitan dengan persamaan panas yang mengacu pada masalah pencarian distribusi temperatur awal dari masalah forward. Suatu persamaan panas balik (backward 1
Perubahan variabel π‘ menjadi π‘ β π memberikan persamaan dari masalah backward π£ π₯, π‘ = π’ π₯, π β π‘ d sebagai berikut :[5]
metode prediktor-korektor seperti metode Adam Moulton. Hanya saja metodemetode pendekatan ini menyebabkan penyelesaian yang dihasilkan bukanlah penyelesaian umum dari persamaan differensial, tetapi penyelesaian khusus dengan nilai awal dan nilai batas yang ditentukan. Permasalahan persamaan differensial ini merupakan permasalahan yang banyak ditemui ketika analisa yang dilakukan tergantung pada waktu dan nilainya mengalami perubahan-perubahan berdasarkan waktu. Hampir banyak model matematis di dalam ilmu teknik menggunakan pernyataan dalam persamaan differensial.[3]
π£π‘ β π£π£π₯π₯ = 0, π₯ β β¦, π‘ β 0, π πβ¦ π£ π₯, 0 = π£0 π₯ , π₯ β β¦
2.2
Metode Beda Hingga Jika π’ = π’(π₯) diekspansikan menurut deret Taylor, maka: π
π’ π₯ + β = π’ π₯ + β ππ₯ π’ π₯ + β 2 π2
2! π π₯ 2
,π‘ > 0 πβ¦ π’ π₯, 0 = π’0 π₯ , π₯ β β¦
π
β 2 π2
π’ π₯ β β― (2.48) Beberapa skema numerik dari metode Beda Hingga, yaitu: 1. Beda Hingga Maju Dari Persamaan (2.47),maka didapatkan : π π’ π₯+β βπ’ π₯ =β π’ π₯ +β― ππ₯ ππ’ π’ π₯+β βπ’ π₯ = +π β (2.49) ππ₯ β 2! π π₯ 2
β¦β¦β¦β¦β¦ 1
Persamaan (2.49) disebut persamaan beda hingga maju. Jika menggunakan notasi beda hingga dengan π’ π₯ = πβ , persamaan (2.49) menjadi : ππ’ π’π+1 β π’π = ππ₯ ββ
dimana π’ π₯, π‘ adalah temperatur dan π’0 π₯ adalah distribusi temperatur awal. adalah suatu domain (daerah asal), π adalah sebuah konstanta panas. Masalah tersebut biasanya disebut dengan masalah forward dalam konteks persamaan aliran panas. Masalah backward berkaitan dengan persamaan panas yang mengacu pada masalah pencarian distribusi temperatur awal dari masalah forward. Seperti yang telah diketahui bahwa distribusi temperatur akhir π£0 π₯ pada waktu π diberikan oleh : π’π‘ β π£π’π₯π₯ = 0, π₯ β β¦, π‘ β 0, π π’π₯
πβ¦ π’ π₯, 0 = π’0 π₯ , π₯ β β¦
π’ π₯ + β― (2.47)
π’ π₯ β β = π’ π₯ β β ππ₯ π’ π₯ +
2.1 Persamaan Panas Balik (Backward Heat Equation) Masalah aliran panas yang mengalir pada sebuah medium konduktor menempati sebuah daerah, misal , tidak bergantung pada fluks panas di sepanjang batasan daerah yang diformulasikan dalam persamaan berikut : π’π‘ β π£π’π₯π₯ = 0, π₯ β β¦, π‘ > 0 π’π₯
β¦β¦β¦β¦β¦ 3
π’π₯
2.Beda Hingga Mundur Dari persamaan (2.48), maka didapatkan : π π’ π₯ββ βπ’ π₯ =β π’ π₯ +β― ππ₯ ππ’ π’ π₯ββ βπ’ π₯ = +π β (2.50) ππ₯ β
Persamaan (2.50) disebut persamaan beda β¦ β¦ β¦ β¦ β¦ 2 hingga mundur. Jika menggunakan notasi beda hingga dengan π’ π₯ = πβ , persamaan (2.50) menjadi : 2
ππ’ π’π β π’πβ1 = ββ ππ‘
Metode yang dilakukan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini diurutkan dalam beberapa langkah, yaitu: 3.1 Studi Literatur Dalam tahap ini dilakukan analisa permasalahan yang akan dibahas, yaitu persamaan panas balik (backward heat equation). Selain itu, dalam tahap ini juga dipelajari mengenai teori-teori terkait yang akan digunakan dalam pembahasan pada tahap berikutnya. 3.2 Mencari penyelesaian dari persamaan panas balik (backward heat equation) menggunakan metode Beda (2.52) Hingga Maju Tahap ini meliputi pencarian penyelesaian numerik dari persamaan panas balik (backward heat equation) dengan menggunakan metode Beda hingga Maju.
3. Beda Hingga Pusat Jika persamaan (2.47) dikurangi dengan persamaan (2.48), maka didapatkan : ππ’ π’ π₯ + β β π’ π₯ β β = 2β ππ₯ + β― (2.51) ππ’ π’ π₯ + β β π’ π₯ β β = 2β +β― ππ₯ ππ’ π’ π₯ + β β π’ π₯ β β = + π β2 ππ₯ 2β Persamaan (2.52) disebut persamaan beda hingga tengah untuk turunan parsial pertama.Jika menggunakan notasi beda hingga dengan π’ π₯ = πβ , maka persamaan (2.52) menjadi: ππ’ π’π+1 β π’πβ1 = 2ββ ππ₯ Jika persamaan(2.47) ditambahkan dengan persamaan (2.48) maka didapatkan:
3.3 Melakukan simulasi dengan Matlab Setelah dilakukan pendiskritisasian, pada tahap ini dilakukan simulasi dengan menggunakan software MATLAB sehingga dapat menampilkan hasil iterasi pada persamaan panas balik (backward heat equation) tersebut.
π’ π₯ + β + π’ π₯ β β = 2π’ π₯ + π2 π’
β2 π π₯ 2 + β―(2.53) π’ π₯ + β β 2π’ π₯ + π’ π₯ β β π2 π’ 2 =β +β― ππ₯ 2 2 π’ π₯+β β2π’ π₯ +π’ π₯ββ π π’ β π π₯ 2 (2.54) β2
3.4
Analisa hasil simulasi Pada tahap ini dilakukan analisa dari hasil simulasi yang telah diperoleh dari tahap sebelumnya. Dimana yang dianalisa adalah proses penyelesaian persamaan panas balik tersebut.
Persamaan (2.54) disebut persamaan beda hingga tengah untuk turunan parsial kedua. Jika menggunakan notasi beda hingga dengan π’ π₯ = πβ , maka persamaan (2.54) menjadi : π2π’ ππ₯2
=
3.5
Kesimpulan dan Saran Pada tahap akhir ini dilakukan penarikan kesimpulan dari hasil pembahasan sebelumnya. Selanjutnya diberikan saran untuk perbaikan pada penelitian selanjutnya.
π’ π+1 β2π’ π +π’ πβ1 ββ 2
Diantara beberapa skema metode beda hingga, digunakan metode beda ππ’ hingga maju untuk pendiskritan ππ₯ dan metode beda hingga pusat untuk
IV.
π2 π’
Bab ini menjelaskan bagaimana mengimplementasikan metode Beda Hingga Maju dalam menyelesaikan
pendiskritanπ π₯ 2 .[7] III.
Perhitungan dan Pembahasan
Metodologi Penelitian 3
persamaan panas balik (backward heat equation). Model dari persamaan backward ini akan didiskritisasi, sampai akhirnya diperoleh sebuah matriks, selanjutnya akan dijalankan dengan program matlab.
Studi Kasus : 1 Misal : π = 100 1 β= 10 π = 10 1 ππ 100 . 10 π= 2= = 10 1 β 100
Diskritisasi Model : π’π‘ β π£π’π₯π₯ = 0, π₯ β β¦, π‘ β 0, π π’π₯
πβ¦ π’ π₯, 0 = π’0 π₯ , π₯ β β¦
β¦ β¦ β¦ β¦ β¦ 2 Pada saat π₯ = 0, maka : π +1 π π π π0 = ππβ1 + 1 β 2π π0 + ππ1
ππ‘ β πππ₯π₯ = 0 , π₯ π 0,1 , π‘ > 0 ππ‘ = πππ₯π₯
Kondisi batas pada π₯ = 0 yaitu : π π π1 β πβ1 =0 2h π π π1 = πβ1 Maka menjadi : π +1 π π π0 = 2ππ1 + 1 β 2π π0 Pada saat π₯ = 1, maka : π +1 π π π π10 = ππ9 + 1 β 2π π10 + ππ11
Syarat awal : ππ₯ 0, π‘ = 0, π‘ > 0 ππ₯ 1, π‘ = 0, π‘ > 0 Syarat batas : π π₯, 0 = π₯ 1 β π₯ ; π₯ π 0,1 ππ‘ β πππ₯π₯ = 0, π₯π 0,1 , π‘ > 0 ππ‘ = πππ₯π₯ ππ π2π = π 2 ππ‘ ππ₯ π +1
ππ
π
π
βππ
π
π
β2π +π
Kondisi batas pada π₯ = 1 yaitu : π π π11 β π9 =0 2h π π π11 = π9 Maka menjadi : π +1 π π π10 = 2ππ9 + 1 β 2π π10 Karena batas dari x adalah (0,1), maka nilai x terdiri atas : 0 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,3 ; 0,4 ; 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8 ; 0,9 ; 1. Syarat batas : π π₯, 0 = π₯ 1 β π₯ ππ0 = π₯π 1 β π₯π Untuk π₯ = 0 β π = 0 β π00 = 0 1β0 = 0 π₯ = 0,1 β π = 1 β π10 = 0,1 1 β 0,1 = 0,09 π₯ = 0,2 β π = 2 β π20 = 0,2 1 β 0,2 = 0,16 π₯ = 0,3 β π = 3 β π30 = 0,3 1 β 0,3 = 0,21 π₯ = 0,4 β π = 4 β π40 = 0,4 1 β 0,4 = 0,24
π
= π π+1 β 2π πβ1 π dengan : π₯π = πβ , π = 0,1,2, β¦ , π π‘π = ππ π +1
ππ
, π = 0,1,2, β¦ , π ππ π π π = 2 ππ+1 β 2ππ + ππ β1 β π
, πππ ππ π =
+ ππ π +1
π
π
π
ππ β2 π
ππ = πππ+1 β 2πππ + πππβ1 + ππ π +1 π π π ππ = πππβ1 + 1 β 2π ππ + πππ+1 Syarat awal : ο· ππ₯ 0, π‘ = 0, π‘ > 0 π
ο·
π
ππ π β ππβ1 = π+1 =0 ππ₯ 2h π π ππ+1 = ππ β1 π π π’ππ‘π’π π = 0 β π1 = πβ1 ππ₯ 1, π‘ = 0, π‘ > 0 π
π
ππ+1 = ππ β1 4
π₯ = 0,5 β π = 5 β π50 = 0,5 1 β 0,5 = 0,25 π₯ = 0,6 β π = 6 β π60 = 0,6 1 β 0,6 = 0,24 π₯ = 0,7 β π = 7 β π70 = 0,7 1 β 0,7 = 0,21 π₯ = 0,8 β π = 8 β π80 = 0,8 1 β 0,8 = 0,16 π₯ = 0,9 β π = 9 β π90 = 0,9 1 β 0,9 = 0,09 0 = π₯ = 1 β π = 10 β π10 1 1β1 = 0 π +1 π π π ππ = πππβ1 + 1 β 2π ππ + πππ+1 dan nilai r = 10 π +1 π π π = 0 βΉ π0 = 2ππ1 + 1 β 2π π0 π π = 20π1 + (β19)π0 π=1βΉ π +1 π π π π1 = ππ0 + 1 β 2π π1 + ππ2 π π = 10π0 + β19 π1 π + 10π2 π=2βΉ π +1 π π π π2 = ππ1 + 1 β 2π π2 + ππ3 = π π π 10π1 + β19 π2 + 10π3 π=3βΉ π +1 π π π π3 = ππ2 + 1 β 2π π3 + ππ4 π π = 10π2 + β19 π3 π + 10π4 π=4βΉ π +1 π π π π4 = ππ3 + 1 β 2π π4 + ππ5 π π = 10π3 + β19 π4 π + 10π5 π=5βΉ π +1 π π π π5 = ππ4 + 1 β 2π π5 + ππ6 π π = 10π4 + β19 π5 π + 10π6 π=6βΉ π +1 π π π π6 = ππ5 + 1 β 2π π6 + ππ7 π π = 10π5 + β19 π6 π + 10π7 π=7βΉ π +1 π π π π7 = ππ6 + 1 β 2π π7 + ππ8 π π = 10π6 + β19 π7 π + 10π8 π=8βΉ
π +1
π8
π
π
π
= ππ7 + 1 β 2π π8 + ππ9 π π = 10π7 + β19 π8 π + 10π9 π=9βΉ π +1 π π π π9 = ππ8 + 1 β 2π π9 + ππ10 π π = 10π8 + β19 π9 π + 10π10 π = 10 βΉ π +1 π π π10 = 2ππ9 + 1 β 2π π10 π π = 20π9 + β19 π10 Maka matriks yang bisa dibentuk yaitu sebagai berikut : π’0 π+1 π’1 π’2 π’3 π’4 π’5 = π’6 π’7 π’8 π’9 π’10 β19 20 10 β19 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 π’0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 π’1 β19 10 0 0 0 0 0 0 0 π’2 10 β19 10 0 0 0 0 0 0 π’3 0 10 β19 10 0 0 0 0 0 π’4 0 0 10 β19 10 0 0 0 0 π’5 0 0 0 10 β19 10 0 0 0 π’6 0 0 0 0 10 β19 10 0 0 π’7 0 0 0 0 0 10 β19 10 0 π’8 0 0 0 0 0 0 10 β19 10 π’9 0 0 0 0 0 0 0 20 β19 π’10
M-file dari penyelesaian persamaan panas balik tersebut adalah sebagai berikut : clear all; clc; %make an matrix N=input('iterasi yang diinginkan'); M=11; A=zeros(M); x=[0:0.1:1]; i=0;j=0; while i+2<=M&&j+2<=M i=i+1; j=j+1; if i==1 A(i,j+1)=20; else if j==9 A(i+1,j)=20; else
5
π
A(i+1,j)=10; A(i,j+1)=10;
[2].
end end end i=i-i;j=j-j; while i+1<=M&&j+1<=M i=i+1;j=j+1; A(i,j)=-19; end v0=randn(M,1); for i=1:M u0(i)=x(i)*(1-x(i)); end a=[0:1:N]; for j=1:N u1(j,:)=(A*u0')'; u0=u1(j,:); end plot(a,u1(1,:),'*-') plot(a,u1(2,:),'*-') plot(a,u1(3,:),'*-') plot(a,u1(4,:),'*-') plot(a,u1(5,:),'*-') plot(a,u1(6,:),'*-') plot(a,u1(7,:),'*-') plot(a,u1(8,:),'*-') plot(a,u1(9,:),'*-') plot(a,u1(10,:),'*-')
[3].
[4]. [5].
[6].
[7].
[8].
V. Kesimpulan dan Saran 1. Persamaan panas balik tersebut bisa diselesaikan dengan menggunakan salah satu metode numerik yaitu metode Beda Hingga Maju, hal ini karena waktu yang dihitung adalah waktu yang berjalan ke depan, oleh sebab itu digunakan metode Beda Hingga Maju. 2. Dari pendiskritisasian dengan metode Beda Hingga Maju, telah dihasilkan sebuah matriks. 3. Matriks yang dihasilkan akan disimulasikan dengan menggunakan program Matlab. 4. Hasil simulasi berupa grafik-grafik yang bentuknya berubah-ubah menurut iterasi yang dimasukkan.
VI. [1].
Daftar Pustaka Boulton, Lyonelle,et al. 2011. On the Stability of Forward-Backward Heat Equation. Heriot-Watt University Press. United Kingdom.
6
Hetrick, Beth MC, et al. 2008. Regularization of Backward Heat Equation Via Heatlets. Electronics Journal of Differential Equation. Vil 2008 (2008). Pp. 1-8. Jonathan Goodman, et al. 2010. The Backward Equation. Mathematics in Finance Program. Courant Institute of Mathematical Sciences, NYU. Luknanto, Djoko. 2011. Metode Numerik. UGM. Ternat, Fabien, et al. 2011. Two Stable Methods with Numerical Experiments for Solving the Backward Heat Equation. Elsevier BV. Smith, G.D. 1985. Numerical Solution of Partial Differential Equations : Finite Difference Methods. Oxford Applied Mathematics and Computing Science Series. Sofiyanti, W. 2010. Deteksi Gangguan Konduksi Panas pada Batang Logam Menggunakan Metode Ensemble Kalman Filter. Tugas Akhir. Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Xiao-liang, Cheng, et al. 2010. Iterative Methods for a ForwardBackward Heat Equation in Two Dimension. Applied Mathematic J. Chinese Univ. Vol 25, No. 1.