TKS 4003 Matematika II
Persamaan Diferensial
β Linier Homogen & Non Homogen Tk. n β (Differential: Linier Homogen & Non Homogen Orde n) Dr. AZ Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Brawijaya
Pendahuluan Bentuk umum PD linier orde n adalah : π
πβπ
+ β― + ππβπ π πβ² + ππ π π = π(π)
(1) Untuk PD yang tidak dapat dinyatakan dalam bentuk seperti Pers. (1), dikatakan PD non linier. Jika F(x) pada persamaan PD Linier orde n sama dengan nol (F(x) = 0), maka disebut PD homogen atau PD tereduksi atau PD komplementer. Jika F(x) β 0, maka disebut PD lengkap atau PD non homogen. ππ π π
+ ππ π π
1
Pendahuluan (lanjutan) Jika a0(x), a1(x), ..., an(x) adalah konstanta, maka disebut PD Linier dengan koefisien konstanta. Jika a0(x), a1(x), ..., an(x) bukan berupa konstanta, maka disebut PD Linier koefisien variabel. π
π π
π π
π
π π
Bentuk π
π , π
ππ , β¦ , π
ππ , dapat dituliskan dengan lambang Dy, D2y, ..., Dny, dengan D, D2, ..., Dn, disebut operator diferensial atau operator D. Sehingga persamaan PD Linier orde n dapat dinyatakan sebagai :
Pendahuluan (lanjutan) ππ π π
π
+ ππ π π
πβπ
+ β― + ππβπ π π + ππ π π = π(π)
(2)
atau : π½ π π = π(π) (3) dengan π½ π = ππ π π π + ππ π π πβπ + β― + ππβπ π π + ππ π dan disebut operator suku banyak dalam D.
2
Teorema Dasar Untuk menyelesaikan PD linier berbentuk : π½ π π = π(π), dengan π(π) β π (4) Jika dimisalkan Yc(x) adalah solusi umum PD homogen dari ο(D)y = 0, maka penyelesaian umum PD linier adalah dengan menjumlahkan penyelesaian umum PD homogen dan penyelesaian khusus, yaitu : y = Yc(x) + Yp(x) (5)
Teorema Dasar (lanjutan) Contoh : Solusi umum PD homogen : ππ β ππ + π π = π adalah : π = ππ ππ + ππ ππ dan solusi khusus PD : ππ β ππ + π π = πππ adalah : πππ + ππ + π maka solusi umum PD lengkap/non ππ β ππ + π π = πππ adalah :
homogen
dari
π = ππ ππ + ππ ππ + πππ + ππ + π
3
Ketakbebasan Linier Himpunan n fungsi y1(x), y2(x), β¦, yn(x), dikatakan tak bebas linier pada suatu selang, jika ada n konstanta c1, c2, β¦, cn yang tidak semua nol, sehingga berlaku : c1 y1 (x) + c2 y2(x) + β¦ + cn yn(x) = 0 (6) Jika tidak, maka himpunan fungsi tersebut dikatakan bebas linier.
Ketakbebasan Linier (lanjutan) Contoh : 1. Tak bebas linier 2e3x, 5e3x, e-4x adalah tak bebas linier pada suatu selang, karena dapat ditentukan konstanta c1, c2, c3 yang tidak semua nol, sehingga : ππ ππππ + ππ ππππ + ππ ππβππ = π dengan : c1 = -5, c2 = 2, c3 = 0
4
Ketakbebasan Linier (lanjutan) 2. Bebas linier ex, xex adalah bebas linier pada suatu selang, karena : ππ ππ + ππ πππ = π hanya jika : c1 = 0, c2 = 0
Determinan Wronski (lanjutan) Himpunan fungsi y1(x), y2(x), ..., yn(x), yang mempunyai turunan adalah bebas linier pada suatu selang jika determinan : πΎ ππ , ππ , β¦ , ππ
ππ (π) ππ (π) ππ β² (π) ππ β² (π) = β¦ β¦ ππ πβπ (π) ππ πβπ (π)
β¦ ππ (π) β¦ ππ β² (π) β π β¦ β¦ β¦ ππ πβπ (π)
(7)
Pers. (7) dinamakan dengan determinan Wronski.
5
Determinan Wronski (lanjutan) Contoh : Tentukan determinan Wronski (Wronskian) fungsi berikut : a. {sin 3x, cos 3x} πΎ π =
π¬π’π§ ππ π ππ¨π¬ ππ
ππ¨π¬ ππ = βπ π¬π’π§π ππ β π ππ¨π¬ π ππ = βπ βπ π¬π’π§ ππ
b. {x, x2, x3} π πΎ π = π π
ππ ππ π
ππ π π π π π πππ = πππ + π + ππ β π β ππ β ππ = ππ ππ
Prinsip Superposisi Jika y1(x), y2(x), ..., yn(x) adalah n penyelesaian bebas linier dari PD linier orde n, π½ π π = π, maka solusi umumnya : y = c1 y1(x) + c2 y2(x) + β¦ + cn yn(x) dengan : c1 , c2 , β¦ , cn = konstanta
6
Prinsip Superposisi (lanjutan) Contoh : Jika y1(x) dan y2(x) adalah solusi PD homogen : yβ + P(x)yβ + Q(x)y = 0, maka kombinasi linier c1 y1(x) + c2 y2(x) juga merupakan solusi PD. Bukti : y1(x) dan y2(x) solusi yβ + Pyβ + Qy = 0, maka : y1β + Py1β + Qy1 = 0 dan y2β + Py2β + Qy2 = 0
Prinsip Superposisi (lanjutan) Dari solusi y = c1 y1 + c2 y2, maka : yβ = c1 y1β + c2 y2β yβ = c1 y1β + c2 y2β Substitusi ke PD diperoleh : yβ + P(x)yβ + Q(x)y = 0 c1 y1β + c2 y2β + P(c1 y1β + c2 y2β) + Q(c1 y1 + c2 y2) = 0 c1 y1β + c2 y2β + c1 Py1β + c2 P y2β + c1 Qy1 + c2 Qy2 = 0 c1 (y1β + Py1β + Qy1 ) + c2 (y2β + P y2β + Qy2) = 0 c1 (0) + c2 (0) = 0
7
PD linier homogen orde n PD linier homogen orde n dengan koefisien konstan mempunyai bentuk umum : ππ π π + ππβπ π πβπ + β― + ππ πβ² + ππ π = π, ππ β π (8) Jika y1, y2, ..., yn adalah penyelesaian khusus PD linier homogen, maka kombinasi liniernya juga merupakan penyelesaian PD tersebut yang dapat dirumuskan : π = ππ ππ + ππ ππ +β¦+ππ ππ = ππ=π ππ ππ , ππ , ππ , β¦., ππ = konstanta
PD linier homogen orde n (lanjutan) Penyelesain PD linier homogen orde n dengan substitusi y = erx, sehingga didapatkan persamaan karakteristik : ππ ππ + ππβπ ππβπ + β― + ππ π + ππ = π (9) Untuk selanjutnya dengan teknik faktorisasi dapat ditentukan akar-akar persamaan karakteristik, yaitu : ππ ππ + ππβπ ππβπ + β― + ππ π + ππ = π βΉ ππ π β ππ π β ππ β¦ π β ππ = π
(10)
8
PD linier homogen orde n (lanjutan) Akar-akar persamaan karakteristik pada Pers. (10) dapat bernilai sama atau disebut akar rangkap (multiplicity). Dua kasus akar rangkap untuk solusi PD linier homogen orde n : Kasus I : jika akar rangkap adalah r = bilangan riil, terdapat k penyelesaian bebas linier. k solusi bebas linier : πππ , π πππ , β¦ , ππβπ πππ ; π β₯ π
Solusi umumnya : π = ππ πππ + ππ π πππ + β¦ + ππ ππβπ πππ ; ππ =
konstanta ke-k
PD linier homogen orde n (lanjutan) Kasus II : jika akar rangkap adalah r = bilangan kompleks (r = ο‘ E iο’), terdapat k penyelesaian bebas linier. k solusi bebas linier : ππΆπ ππ¨π¬ π·π, πππΆπ ππ¨π¬ π·π, β¦ , ππβπ ππΆπ ππ¨π¬ π·π ππΆπ π¬π’π§ π·π, πππΆπ π¬π’π§ π·π, β¦ , ππβπ ππΆπ π¬π’π§ π·π
Solusi umumnya : π = πππ ππ ππ¨π¬ π·π + ππ π¬π’π§ π·π + π ππ ππ¨π¬ π·π + ππ π¬π’π§ π·π + β― + ππβπ ππβπ ππ¨π¬ π·π + ππ π¬π’π§ π·π
9
PD linier homogen orde n (lanjutan) Contoh 1 : π(π) β ππ π + ππβ²β²β² β πβ²β² = π Penyelesaian : Persamaan karakteristik : ππ β πππ + πππ β ππ = π Akar-akar persamaan karakteristik : ππ = ππ = π, ππ = ππ = ππ = π Solusi bebas linier : πππ , ππππ , ππ , πππ , ππ ππ Solusi umum : π = ππ + ππ π + ππ + ππ π + ππ ππ ππ
PD linier homogen orde n (lanjutan) Contoh 2 : π(π) β ππβ²β²β² + πππβ²β² β πππβ² + ππ = π Penyelesaian : Persamaan karakteristik : ππ β πππ + ππππ β πππ + ππ = π Akar-akar persamaan karakteristik : ππ = ππ = π + ππ, ππ = ππ = π β ππ Solusi bebas linier : ππ ππ¨π¬ ππ, πππ ππ¨π¬ ππ, ππ π¬π’π§ ππ, πππ π¬π’π§ ππ Solusi umum : π = ππ ππ ππ¨π¬ ππ + ππ πππ ππ¨π¬ ππ + ππ ππ π¬π’π§ ππ + ππ πππ π¬π’π§ ππ
10
PD linier homogen orde n(lanjutan) Latihan : 1. πβ²β²β² β πβ² = π 2. π(π) β ππβ²β² + ππ = π 3. πβ²β²β² β ππβ²β² + ππβ² β π = π 4. π(π) + ππβ²β² + ππβ²β² + ππβ² + π = π 5. π(π) β π = π, π π = π, πβ² π = π, πβ²β² π = βπ, πβ²β²β² π = π 6. πβ²β²β² β ππβ²β² + ππβ² β ππ = π, π π = π, πβ² π = π, πβ²β² π = π
PD linier non homogen orde n Prosedur umum penyelesaian PD linier non homogen adalah : Langkah I : menentukan solusi umum PD linier homogen, yh(x) Langkah II : menentukan solusi umum PD linier non homogen, yp(x) Langkah III : menentukan solusi umum PD, y = yh(x) + yp(x)
11
PD linier non homogen orde n (lanjutan)
Contoh : Tentukan solusi umum PD berikut : yββ + y = 1 Langkah I : solusi umum PD linier homogen. yββ + y = 0 Solusi umum : yh = c1 cos x + c2 sin x Langkah II : solusi umum PD linier non homogen. yββ + y = 1 Solusi umum : yp = 1 Langkah III : Solusi umum PD : y = c1 cos x + c2 sin x + 1
PD linier non homogen orde n (lanjutan)
Metode Koefisien Tak Tentu Pada awalnya metode ini diterapkan pada PD linier non homogen orde 2 yang berbentuk : ayββ + byβ + cy = r(x), a, b, c = konstanta Untuk selanjutnya metode ini juga berlaku untuk orde yang lebih tinggi (orde n). Kuncinya adalah yp merupakan suatu ekspresi yang mirip dengan r(x), dimana terdapat koefisienkoefisien yang tidak diketahui yang dapat ditentukan dengan mensubstitusikan yp pada persamaan.
12
PD linier non homogen orde n (lanjutan)
Aturan untuk metode koefisien tak tentu : 1. Aturan Dasar : jika r(x) adalah salah satu fungsi yang ada dalam Tabel 1, pilih fungsi yp yang bersesuaian dan tentukan koefisien tak tentunya dengan mensubstitusikan yp pada persamaan. 2. Aturan Modifikasi : jika r(x) sama dengan solusi PD homogen, kalikan yp yang bersesuaian dalam Tabel 1 dengan x (atau x2, jika r(x) sama dengan solusi akar ganda PD homogen).
PD linier non homogen orde n (lanjutan)
c. Aturan Penjumlahan : jika r(x) adalah jumlah fungsifungsi yang terdapat dalam Tabel 1 kolom pertama, yp adalah jumlah fungsi pada baris yang bersesuaian. Tabel 1. Metode koefisien tak tentu Suku-suku dalam r(x)
Pilihan untuk yp
keο§x
Ceο§x
Kxn (n = 0, 1, β¦)
Knen + Kn-1en-1 + β¦ + K1x + K0
kcos ο·x atau ksin ο·x
Kcos ο·x + Msin ο·x
13
1. Aturan Dasar Contoh : Selesaikan PD linier non homogen berikut : yββ + 4y = 8x2 Langkah I : solusi umum PD linier homogen. yββ + 4y = 0 Persamaan karakteristik : m2 + 4 = 0 Akar-akar persamaan karakteristik : m1 = 2i, m2 = -2i Solusi umum : yh = Acos 2x + Bsin 2x
1. Aturan Dasar (lanjutan) Langkah II : solusi umum PD linier non homogen. yββ + 4y = 8x2 f(x) = 8x2, sehingga dari Tabel 1 diperoleh : yp = K2x2 + K1x + K0 ypβ = 2K2x + K1 ypββ = 2K2 substitusi yp, ypβ, ypββ ke persamaan diperoleh : 2K2 + 4(K2x2 + K1x + K0) = 8x2 dengan menyamakan koefisien-koefisien yang berpangkat sama diperoleh :
14
1. Aturan Dasar (lanjutan) 4K2 = 8 4K1 = 0 2K2 + 4K0 = 0 diperoleh konstanta : K2 = 2, K1 = 0, K0 = -1 solusi umum PD non homogen : yp = 2x2-1 Langkah III : solusi PD linier non homogen : y = yh(x) + yp(x) = Acos 2x + Bsin 2x + 2x2-1
2. Aturan Modifikasi Contoh : Selesaikan PD linier non homogen berikut : yββ-3yβ + 2y = ex Langkah I : solusi umum PD linier homogen. yββ-3yβ + 2y = 0 Persamaan karakteristik : m2-3m + 2 = 0 Akar-akar persamaan karakteristik : m1 = 1, m2 = 2 Solusi umum : yh = c1ex + c2e2x
15
2. Aturan Modifikasi (lanjutan) Langkah II : solusi umum PD linier non homogen. yββ-3yβ + 2y = ex f(x) = ex, sehingga dari Tabel 1 diperoleh : yp = cex karena f(x) = ex adalah solusi PD homogen pada Langkah I, maka sesuai Aturan Modifikasi : yp = cxex ypβ = cex + cxex ypββ = 2cex + cxex substitusi yp, ypβ, ypββ ke persamaan diperoleh : 2cex + cxex-3(cex + cxex) + 2(cxex) = ex
2. Aturan Modifikasi (lanjutan) dengan menyamakan koefisien-koefisien yang berpangkat sama diperoleh konstanta : c = -1 solusi umum PD non homogen : yp = -xex Langkah III : solusi PD linier non homogen : y = yh(x) + yp(x) = c1ex + c2e2x-xex
16
3. Aturan Penjumlahan Contoh : Selesaikan PD linier non homogen berikut : yββ-2yβ + y = ex + x Langkah I : solusi umum PD linier homogen. yββ-2yβ + y = 0 Persamaan karakteristik : m2-2m + 1 = 0 Akar-akar persamaan karakteristik : m1 = m2 = 1 Solusi umum : yh = c1ex + c2e2x
3. Aturan Penjumlahan (lanjutan) Langkah II : solusi umum PD linier non homogen. yββ-2yβ + y = ex + x f(x) = ex + x, sehingga dari Tabel 1 diperoleh : yp = c1ex + c2x + c3 suku pada f(x) = ex adalah solusi ganda PD homogen, maka solusi umum PD menjadi : yp = c1x2ex + c2x + c3 ypβ = 2c1xex + c1x2ex + c2 ypββ = 2c1ex + 2c1xex + 2c1xex + c1x2ex
17
3. Aturan Penjumlahan (lanjutan) substitusi yp, ypβ, ypββ ke persamaan diperoleh : 2c1ex + 4c1xex + c1x2ex-2(2c1xex + c1x2ex + c2) + c1x2ex + c2x + c3 = ex + x β 2c1ex + c2x-2c2 + c3 = ex + x dengan menyamakan koefisien-koefisien yang berpangkat sama diperoleh konstanta : c1 = Β½, c2 = 1, c3 = 2 solusi umum PD non homogen : yp = c1x2ex + c2x + c3 = Β½x2ex + x + 2
3. Aturan Penjumlahan (lanjutan) Langkah III : solusi PD linier non homogen : y = yh(x) + yp(x) = c1ex + c2e2x + Β½x2ex + x + 2
18
Contoh Soal (lanjutan) Tentukan penyelesaian PD berikut : yββ + 2yβ + 5y = 16ex + sin 2x Penyelesaian : Langkah 1. Menentukan solusi PD homogen yββ + 2yβ + 5y = 0 Persamaan karakteristik : m2 + 2m + 5 = 0 Akar-akar persamaan karakteristik : m1 =-1 + 2i, m2 =-1-2i Solusi umum : yh = e-x(Acos 2x + Bsin 2x)
Contoh Soal (lanjutan) Langkah 2. Menentukan solusi PD non homogen yββ + 2yβ + 5y = 16ex + sin 2x f(x) = 16ex + sin 2x, sesuai Tabel 1 : yp = cex + Kcos 2x + Msin 2x Substitusi yp, ypβ, ypββ ke persamaan diperoleh : 8cex + (-4K + 4M + 5K)cos 2x + (-4K-4M + 5M)sin 2x = 16ex + sin 2x dengan menyamakan koefisien-koefisien yang berpangkat sama diperoleh konstanta : c = 2, K = -4/17, M = 1/17
19
Contoh Soal (lanjutan) c = 2, K = -4/17, M = 1/17 solusi umum PD non homogen : ππ = πππ + π²ππ¨π¬ ππ + π΄π¬π’π§ ππ π π = πππ β ππ¨π¬ ππ + π¬π’π§ ππ ππ ππ
Langkah 3. Menentukan solusi PD : π = ππ π + ππ π = πβπ π¨ππ¨π¬ ππ + π©π¬π’π§ ππ + πππ β
π π ππ¨π¬ ππ + π¬π’π§ ππ ππ ππ
Latihan Tentukan penyelesaian PD berikut : 1. πβ²β² + ππβ² = π 2. πβ²β² + πβ² β ππ = π β ππ 3. πβ²β² β πβ² β ππ = πππ 4. πβ²β² + π = πππ + π 5. πβ²β² + πβ² = ππ, π π = π, πβ² π = π 6. πβ²β² + πβ² β ππ = ππ, π π = π, πβ² π = π
20
Terima kasih dan
Semoga Lancar Studinya!
21