teknik baru menyelesaikan sistem persamaan …
TRANSCRIPT
1
TEKNIK BARU MENYELESAIKAN SISTEM PERSAMAAN DIFERENSIAL
LINEAR ORDE SATU NONHOMOGEN
Yon Hendri1*
, Asmara Karma2, Musraini
2
1Mahasiswa Program S1 Matematika
2Dosen JurusanMatematika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau
Kampus Binawidya Pekanbaru (28293), Indonesia
ABSTRACT
This paper discusses a tecnique to solve a system of first order nonhomogeneous linear
differential equations with constants-coefficient by writing it in a matrix form. Then
order nonhomogeneous linear differential equations are formed which have coefficients
involving matrix coefficient that have been formed and solved using variation of
parameter method, hance the general solution is obtained from the differential equations
discussed. This solution is focused only for and .
Keywords: general solutions, system of linear differential equations, variation of
parameter method.
ABSTRAK
Artikel ini membahas teknik mendapatkan solusi sistem persamaan diferensial linear
orde satu nonhomogen koefesien konstanta dengan terlebih dahulu menyatakan system
tersebut dalam bentuk matriks. Selanjutnya dibentuk persamaan diferensial linear
nonhomogen orde n yang koefisiennya melibatkan koefisien matriks yang sudah
dibentuk dan diselesaikan dengan metode variasi parameter, sehingga diperoleh solusi
umum dari persamaan diferensial yang didiskusikan. Pembahasan makalah ini
difokuskan untuk kasus dan .
Kata kunci: metode variasi parameter, sistem persamaan diferensial linear, solusi
umum.
1. PENDAHULUAN
Persamaan diferensial adalah salah satu bidang studi matematika yang banyak
dikembangkan baik dalam matematika murni maupun matematika terapan. Dibidang
matematika murni diteliti tentang ekstensi dan ketunggalan solusi persamaan
diferensial, sedangkan di dalam matematika terapan dicarakan teknik mendapatkan
solusinya, sehingga dapat menjawab persoalan yang dimodelkan oleh persamaan
diferensial tersebut.
Pembahasan solusi persamaan diferensial linear yang berbentuk sistem persamaan
tersebut yang banyak didiskusikan dalam buku teks diantaranya adalah metode matriks
2
eksponensial dan metode Fulmer [1, h. 307]. Pada artikel ini dibahas teknik lain dalam
menyelesaikan sistem n persamaan diferensial linear koefisien konstanta nonhomogen
yang merupakan pembahasan detail dari artikel Jwamer K. H. F dan Rashid A. M [2],
dengan judul ’’ New Technique For Solving System of Order Linear Differential
Equations’’. Dalam pembahasan artikel ini difokuskan untuk kasus dan .
2. SISTEM PERSAMAAN DIFERENSIAL LINEAR ORDE SATU
NONHOMOGEN DAN METODE VARIASI PARAMETER
Pada bagian ini dibahas bentuk normal sistem persamaan diferensial linear orde satu
nonhomogen, penyelesaian sistem persamaan diferensial linear orde satu nonhomogen
dan metode variasi parameter.
2.1 Bentuk Normal Pada Sistem Persamaan Diferensial Linear Orde Satu.
Bentuk normal sistem persamaan diferensial linear orde satu nonhomogen dapat
ditulis, diabawah ini. [3, h. 510].
,
)(
)(
)(
2211
222221212
112121111
tfxaxaxadt
dx
tfxaxaxadt
dx
tfxaxaxadt
dx
nnnnnnn
nn
nn
untuk adalah fungsi terhadap . Juga
merupakan fungsi terhadap dengan , merupakan
konstanta. Sistem persamaan diferensial pada persamaan (1) dapat ditulis dalam bentuk
sebuah matriks,
),(tfAXdt
dX (2)
dengan
,,,, 21
T
n
dt
dx
dt
dx
dt
dx
dt
dX
nnnn
n
n
aaa
aaa
aaa
A
21
22221
11211
,
dan untuk
)).(,),(),(()( 21 tftftftf n
Bentuk sebuah persamaan diferensial linear orde-n dapat dibentuk menjadi
sistem persamaan diferensial linear orde satu,ditulis
n
n
dt
xd1
1
n
n
dt
xd
dt
dx (3)
(1)
3
Persamaan (2) dan persamaan (3) berhubungan sebagai berikut.
,dt
dx2
2
dt
xd ,
2
2
n
n
dt
xd,
dan
,1
1
n
n
dt
xd (4)
persamaan (4) diperoleh
,1
dt
dx
dt
dx,2
2
2
dt
dx
td
xd, ,1
1
1
dt
dx
td
xd n
n
n
(5)
dan
n
n
dt
xd
dt
dxn (6)
Selanjutnya dengan menggunakan persamaan (4) dan (5) dapat di transformasikan
persamaan (5) berikut :
dt
dxn (7)
Persamaan (7) adalah sistem persamaan diferensial linear orde satu nonhomogen.
2.2 Penyelesaian Sistem Persamaan Diferensial Linear Orde Satu Nonhomogen. Permasalahan yang muncul pada sistem persamaan diferensial linear orde satu
nonhomogen pada persamaan (2).
dt
dX
adalah menentukan fungsi-fungsi sehingga sistem persamaan
diferensial linear tersebut terpenuhi. Langkah pertama untuk menyelesaikan persamaan
(2), ditentukan penyelesaian sistem persamaan diferensial homogennya
dt
dX
sehingga diperoleh sebagai himpunan fundamentalnya.
Teorema 1.[3, h. 532]. Jika adalah vektor penyelesaian persamaan diferensial
nonhomogen persamaan(2) dan himpunan fundamentalnya pada
penyelesaian homogen persamaan
,Axdt
dX
dengan nccc ,, 21 adalah konstanta.
4
1. Maka fungsi vektor dari n
k
kkc1
adalah solusi persamaan diferensial
nonhomogen pada persamaan (2) untuk sebarang
2. solusi persamaan diferensial linear nonhomogen pada persamaan (2) dari n
k
kkc1
0 untuk nccc ,, 21 sebarang.
Teorema 2[3, h. 537].Jika adalah matriks fundamental sistem persamaan diferensial
linear orde satu homogenya ,AXdt
dxpada maka didefinisikan dengan
Dimana adalah penyelesaian sistem persamaan diferensial
),(tFAXdt
dx
2.3 Metode Variasi Parameter
Misalkan persamaan diferensial linear nonhomogen orde dua dibawah ini
(8)
dengan fungsi , dan kontinu pada interval terbuka, maka penyelesaian secara
homogennya adalah
(9)
dan adalah solusi bebas linear persamaan homogennya, maka solusi
umumnya
(10)
penggantian konstanta dan merupakan konstan dengan fungsi dan
yang harus ditentukan, maka solusi partikular dari persamaan diferensial
nonhomogen mempunyai bentuk :
(11)
Untuk menentukan fungsi dan diperlukan dua syarat,yaitu :
1. Fungsi dan harus memenuhi persamaan (11)
2. Syarat sebarang, yang memenuhi
(12)
persamaan (11) diturunkan terhadap , maka diperoleh
atau
(13)
Jika persamaan (13) diturunkan terhadap , maka akan diperoleh
(14)
subtitusikan persamaan (11), (13) dan (14) ke persamaan (8), maka diperoleh
,
,
karena , maka
(15)
5
Persamaan (12) dan (15) sistem persamaan linear untuk fungsi yang tidak diketahui
dan , penyelesaian diperoleh dengan aturan Cramer, sehingga menjadi
dan
dengan , merupakan Wronskians. dan adalah solusi
bebas linear dari persamaan homogen yang terkait. Hasilnya disubtitusikan pada
persamaan (11), diperoleh solusi partikular dari persamaan nonhomogen pada
persamaan (8), yaitu
3. TEKNIK BARU MENYELESAIKAN SISTEM PERSAMAAN
DIFERENSIAL LINEAR ORDE SATU NONHOMOGEN
Pada bagian ini diperoleh teknik baru untuk menyelesaikan sistem persamaan
diferensial linear orde satu nonhomogen.
Untuk kasus
Berdasarkan persamaan (1) bentuk sistem dua persamaan diferensial linear orde satu
nonhomogen ini ditulis :
(16)
dengan dan adalah fungsi kontinu pada interval I. Persamaan (16) dapat
disusun dalam bentuk matriks
(17)
Dari persamaan (17) dapat menentukan dan sehingga memenuhi persamaan (17)
tersebut. Pada penyelesaian teknik ini persamaan (17) dibentuk menjadi sebuah
persamaan diferensial linear orde dua nonhomogen, sebagai berikut :
(18)
dengan , cara membentuk persamaan (18) sebagai
berikut. Persamaan (17) dapat diperoleh,
, (19)
dengan menurunkan ruas kiri dan kanan persamaan (19) terhadap , diperoleh
(20)
Persamaan (17) diperoleh juga
(21) subtitusikan persamaan (21) kepersamaan (20), maka akan diperoleh
(22)
Persamaan (19) dapat dibentuk menjadi
subtitusikan kepersamaan (22), maka diperoleh
6
dengan , sedangkan dan
. Maka terbukti bahwa bentuk persamaan (17) dapat
dibentuk menjadi sebuah persamaan diferensial linear orde dua nonhomogen. Pada
persamaan (18), yaitu.
Misalkan persamaan (18) ditulis konstanta maka
diperoleh.
(23)
Selanjutnya persamaan (23) dapat diselesaikan dengan metode variasi parameter.
Misalkan dan adalah penyelesaian persamaan diferensial homogennya pada
persamaan (23) maka diperoleh penyelesaian umumnya.
(24)
dengan dan adalah konstanta, penyelesaian khususnya. Misalkan dan
adalah fungsi variabel , sehingga terbentuklah penyelesaiannya.
(25)
jika persamaan (25) diturunkan terhadap t, maka akan diperoleh
(26)
dengan menentukan syarat pada persamaan (26).
(27)
diperoleh
(28)
jika persamaan (28) diturunkan terhadap t, maka akan diperoleh
(29)
subtitusikan persamaan (25), (28) dan (29) kepersamaan (23), maka akan diperoleh
atau
sehingga diperoleh
Dari persamaan (27) dan (30) diperoleh
dan
subtitusikan persamaan (31) kepersamaan (25), maka dapat dibentuk penyelesaian
umumnya
Persamaan (16) didapatkan
7
atau
dengan
.
Untuk kasus
Proposisi 1 [2]. Misalkan sistem persamaan diferensial linear orde satu nonhomogen,
adalah
(32)
dengan dan adalah fungsi kontinu. Jika atau
maka sistem tiga persamaan diferensial linear orde satu
nonhomogen pada persamaan (32) dapat dibentuk menjadi sebuah persamaan
diferensial linear orde tiga nonhomogen
dengan nilai dari,
Bukti
Jika diasumsikan atau Persamaan (32)
dapat diperoleh bentuk sebuah matriks. Misalkan matriks
Persamaan (32), dapat diperoleh , maka diperoleh
turunan keduanya (33)
jika persamaan (33) diturunkan terhadap t, maka akan diperoleh
(34)
jika persamaan (32) diturunkan terhadap t, maka akan diperoleh
(35)
dan
(36)
subtitusikan persamaan (35) dan (36) ke persamaan (34), maka akan diperoleh
,
oleh karena itu diperoleh
selain itu dari persamaan (32) didapatkan juga
,
subtitusikan ke persamaan (36), maka akan diperoleh
8
dengan , akan diperoleh
dari persamaan (32) dapat diperoleh maka
dan untuk
dapat diperoleh
dengan
maka akan membentuk sebuah persamaan diferensial linear orde tiga nonhomogen
atau
Terbukti bahwa persamaan (32) dapat dibentuk sebuah persamaan diferensial linear
orde tiga nonhomogen.
3. CONTOH SOAL UNTUK KASUS
Diberikan
,2
1334' tyxx
,22' tyxy
9
(40)
Penyelesaian
.
22
13
12
34'
'
t
t
y
x
y
x
(37)
Dari persamaan (37) diperoleh
(38)
jika persamaan (38) diturunkan terhadap t, maka akan diperoleh
(39)
Persamaan (37) juga diperoleh
jika persamaan (40) disubtitusikan ke persamaan (39), maka akan diperoleh
,
untuk nilai dapat diperoleh dari persamaan (38)
(41)
Persamaan (41) merupakan persamaan diferensial linear orde dua nonhomogen, dengan
menggunakan metode variasi parameter untuk memperoleh solusi umumnya, persamaan
(38) dapat diperoleh penyelesaian umum homogennya
dan ,
(42)
. (43)
Gunakan persamaan (31), maka akan diperoleh
,),(
)()(
21
21 dt
yyW
tgytv
dan
,),(
)()(
21
12 dt
yyW
tgytv
dengan Wrongskiannya dapat diperoleh
,
dan
10
(44)
Dari persamaan (42) dan (44) diperoleh penyelesaian umum sistem persamaan
diferensial
jika diturunkan terhadap , maka akan diperoleh
untuk memperoleh nilai subtitusikan dan pada persamaan (38) dengan dan
sebarang,
dapat diperoleh
DAFTAR PUSTAKA
[1] Cullen, C. G. 1990. Linear Algebra and Differential Equations, second Edition,
University Of Pittsburgh. Springer: New York.
[2] Jwamer, K. H .F & Rashid, A. M. 2012. New Technique For Solving System Of First
Order Linear Differential Equations. Journal Applied Mathematical Sciences, 64: 3177-
3183. [3] Ross, S. L. 1984. Differential Equations, Thirt Edition. University Of New Hamphirs:
New York.
[4] Stewart, J. 2011. Kalkulus. Terj. dari Calculus, Edisi Lima Buku dua, oleh Sungkono,
C. Penerbit Salemba Teknika: Jakarta.