Minggu, 22 Maret 2015

Penyelesaian Persamaan Diferensial : Eksak dan Tak Eksak

PD Eksak
Persamaan Diferensial Eksak adalah suatu PD tingkat satu dan berpangkat satu yang berbentuk
M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0 … (i)
serta jika memenuhi
\frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial N(x,y)}{\partial x}
Contoh :
  1. y dx + x dy = 0
    misal : M(x, y) = y \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = 1
    N(x, y) = x \Rightarrow \frac{\partial N(x,y)}{\partial x}  = 1
    karena \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial N(x,y)}{\partial x} , maka PD diatas merupakan PD eksak.
  2. (2xy + ln x) dx + x2 dy = 0
    misal : M(x, y) = 2xy + ln x \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = 2x
    N(x, y) = x2 \Rightarrow \frac{\partial N(x,y)}{\partial x}  = 2x
    karena \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial N(x,y)}{\partial x} , maka PD diatas merupakan PD eksak.
  3. (x – y) dx + (x + y) dy = 0
    misal : M(x, y) = x – y \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = -1
    N(x, y) = x + y \Rightarrow \frac{\partial N(x,y)}{\partial x}  = 1
    karena \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  \neq \frac{\partial N(x,y)}{\partial x} , maka PD diatas bukan merupakan PD eksak.
Jika F adalah suatu fungsi dua peubah yang mempunyai derivative parsial tingkat satu yang kontinyu dalam suatu domain D, maka diferensial total fungsi F yaitu dF didefinisikan oleh
dF(x) = \frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  dx + \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  dy, \forall (x, y) \epsilon D
Misal penyelesain umum PD (i) adalah F(x, y) = C dengan C adalah konstanta sebarang, maka
dF(x, y) = 0, sedemikian sehingga
\frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  dx + \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  dy = 0 … (ii)
dari PD (i) dan pers (ii), diperoleh
(a) \frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  = M(x, y)
(b) \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = N(x, y)
Sehingga solusi PD Eksak berbentuk F(x, y) = C. Berdasarkan hal tersebut, dapat dicari solusi PD sebagai berikut :
(a) \frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  = M(x, y)
F(x, y) = \int^x  M(x, y) dx + g(y)
NOTE : bentuk \int^x  adalah integral terhadap x, dimana y dipandang sebagai konstanta dan g(y) konstanta integral yang harus dicari.
\frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial}{\partial y}  [\int^x  M(x, y) dx] + g'(y)
Karena \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = N(x, y) maka
\frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial}{\partial y}  [\int^x  M(x, y) dx] + g'(y) = N(x, y)
g'(y) = N(x, y) – \frac{\partial}{\partial y}  [\int^x  M(x, y) dx]
karena g'(y) merupakan fungsi dengan peubah y saja maka setelah disederhanakan merupakan fungsi dari y atau konstanta. Dengan kata lain g(y) dapat dicari
(b) \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = N(x, y)
Integralkan kedua ruas terhadap variabel y, diperoleh
F(x, y) = \int^y  N(x, y) dy + f(x)
turunkan kedua ruas dengan turunan parsial terhadap x
\frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  = \frac{\partial}{\partial x}  [\int^y  N(x, y) dy] + f'(x)
karena \frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  = M(x, y) maka
\frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  = \frac{\partial}{\partial x}  [\int^y  N(x, y) dy] + f'(x) = M(x, y)
f'(x) = M(x, y) – \frac{\partial}{\partial x}  [\int^y  N(x, y) dy]
Contoh :
  1. Cari solusi dari PD (x + y) dx + (x – y) dy = 0
    Penyelesaian :
    Cek terlebih dahulu apakah PD diatas adalah PD eksak.
    misal : M(x , y) = x + y \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = 1
    N(x , y) = x – y \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial x}  = 1
    karena \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial N(x,y)}{\partial x} , maka PD tesebut adalah PD eksak.
    Untuk mencari solusinya, kita akan menggunakan
    F(x, y) = \int^x  M(x, y) dx + g(y)
    \int^x  (x + y) dx + g(y)
    \frac{1}{2}  x2 + xy + g(y)
    cari g'(y)
    \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial}{\partial y}  [\int^x  M(x, y) dx] + g'(y)
    \frac{\partial}{\partial y}  [\frac{1}{2}  x2 + xy] + g'(y)
    = x + g'(y)
    karena \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = N(x, y), maka
    x + g'(y) = N(x, y)
    x + g'(y) = x – y
    g'(y) = -y
    \int  g'(y) = \int  -y
    g(y) = -\frac{1}{2}  y2
    jadi solusi umumnya : \frac{1}{2}  x2 + xy – \frac{1}{2}  y2 = c1
    x2 + 2xy – y2 = C, dengan C = 2c1
  2. PD : xy’ + y + 4 = 0
    Penyelesaian :
    \frac{dy}{dx}  + y + 4 = 0
    x dy + (y + 4) dx = 0
    misal : M(x , y) = y + 4 \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = 1
    N(x , y) = x \Rightarrow \frac{\partial M(x,y)}{\partial x}  = 1
    karena \frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  = \frac{\partial N(x,y)}{\partial x} , maka PD tesebut adalah PD eksak.
    Untuk mencari solusinya, kita akan menggunakan
    F(x, y) = \int^y  N(x, y) dy + g(x)
    \int^y  x dy + g(x)
    = xy + g(x)
    cari g'(x)
    \frac{\partial F(x,y)}{\partial x}  = \frac{\partial}{\partial x}  [\int^x  N(x, y) dy] + g'(x)
    \frac{\partial}{\partial x}  [xy] + g'(x)
    = y + g'(x)
    karena \frac{\partial F(x,y)}{\partial y}  = N(x, y), maka
    y + g'(x) = M(x, y)
    y + g'(x) = y + 4
    g'(x) = 4
    \int  g'(x) = \int  4
    g(x) = 4x
    jadi solusi umumnya : xy + 4x = C

PD Tidak Eksak (Faktor Integral)

Persamaan Diferensial Tidak Eksak adalah suatu PD tingkat satu dan berpangkat satu yang berbentuk
M(x, y) dx + N(x, y) dy = 0 … (i)
dan memenuhi syarat
\frac{\partial M(x,y)}{\partial y}  \neq \frac{\partial N(x,y)}{\partial x}
Penyelesaian PD tidak eksak dapat diperoleh dengan dengan mengalikan PD (i) dengan suatu fungsi u yang disebut Faktor Integral (FI), sehingga diperoleh PD eksak yaitu
u M(x, y) dx + u N(x, y) dy = 0 … (ii)
karena PD sudah berbentuk eksak, maka memenuhi
\frac{\partial (uM)}{\partial y}  = \frac{\partial (uN)}{\partial x}
\frac{\partial M}{\partial y}  + M \frac{\partial u}{\partial y}  = u \frac{\partial N}{\partial x}  + N \frac{\partial u}{\partial y}
u (\frac{\partial M}{\partial y}  – \frac{\partial N}{\partial x} ) = – (M \frac{\partial u}{\partial y}  – N \frac{\partial u}{\partial y} )
RUMUS UMUM FAKTOR INTEGRAL
u(x, y) = \frac{-(M \frac{\partial u}{\partial y}-N \frac{\partial u}{\partial x})}{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}
Secara umum Faktor Integral terdiri dari tiga kasus yaitu
(a) FI u sebagai fungsi x saja
karena u sebagai fungsi x saja, maka
\frac{\partial u}{\partial x}  = \frac{du}{dx}  dan \frac{\partial u}{\partial y}  = 0
Oleh karena itu, Rumus Umum Faktor Integral diatas dapat ditulis
u(x) = \frac{N \frac{du}{dx}}{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}
\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}  dx = Q \frac{du}{u(x)}
\frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}{Q}  dx = \frac{du}{u(x)}
\int \frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}{Q}  dx = \int \frac{du}{u(x)}
\int \frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}{Q}  dx = ln u
u(x) = e^{\int \frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x} dy}{Q}}
u(x) = e^{\int h(x) dx}
dengan h(x) = \frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}{Q}
(b) FI u sebagai fungsi y saja
karena u sebagai fungsi y saja, maka
\frac{\partial u}{\partial x}  = 0 dan \frac{\partial u}{\partial y}  = \frac{du}{dy}
Oleh karena itu, Rumus Umum Faktor Integral diatas dapat ditulis
u(y) = \frac{-M \frac{du}{dy}}{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}
\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}  dy = -M \frac{du}{u(y)}
\frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x})}{M}  dy = \frac{du}{u(y)}
\int \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x})}{M}  dy = \int \frac{du}{u(y)}
\int \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x})}{M}  dy = ln u
u(y) = e^{-\int (\frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}) dy}{M}}
u(y) = e^{-\int h(y) dy}
dengan h(y) = \frac{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}{M}
(c) FI u sebagai fungsi x dan y
andaikan FI : u = u(x, y)
misal bentuk peubah x, y = v
maka FI : u = u(v)
\frac{\partial u}{\partial x}  = \frac{\partial u}{\partial v}  \frac{\partial v}{\partial x}  … (iii)
\frac{\partial u}{\partial y}  = \frac{\partial u}{\partial v}  \frac{\partial v}{\partial y}  … (iv)
\frac{\partial u}{\partial y}  = \frac{du}{dv}  … (v)
Jika pers (iii), (iv) dan (v) disubstitusikan ke RUMUS UMUM FAKTOR INTEGRAL, maka
u(x, y) = \frac{-(M \frac{\partial u}{\partial y}-N \frac{\partial u}{\partial x})}{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}
u(v) = \frac{-(M (\frac{\partial u}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial y})-N )\frac{\partial u}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial x}))}{\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x}}
-(\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x})  u(v) = \frac{\partial u}{\partial v} (M \frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x})
-(\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x})  \partial v = \frac{\partial u}{u(v)} (M \frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x})
\frac{du}{u}  = \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}- \frac{\partial N}{\partial x}) dv}{M\frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x}}
\int  \frac{du}{u}  = \int  \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}- \frac{\partial N}{\partial x}) dv}{M\frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x}}
ln u = \int  \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}- \frac{\partial N}{\partial x}) dv}{M\frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x}}
Jadi, FI : u(v) = e^{h(v) dv}
dengan h(v) = \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}- \frac{\partial N}{\partial x}) dv}{M\frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x}}
Contoh :
Tentukan Faktor Integral dan penyelesain PD dibawah ini :
  1. (4 xy + 3y2 – x) dx + x(x + 2y) dy = 0
    Penyelesaian :
    misal : M(x, y) = 4 xy + 3y2 – x
    N(x, y) = x(x + 2y)
    \frac{\partial M}{\partial y}  = 4x + 6y
    \frac{\partial N}{\partial x}  = 2x + 2y
    Jadi, \frac{\partial M}{\partial y}  \neq \frac{\partial N}{\partial y}
    \frac{1}{N} (\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial y})  = \frac{2(x+2y)}{x(x+2y)}
    \frac{2}{x}  [fungsi dari x saja]
    maka FI adalah e^{\int \frac{2}{x} dx}  = e^{ln \quad x^2}  = x2
    sehingga diperoleh PD eksak adalah
    x2 (4 xy + 3y2 – x) dx + x3 (x + 2y) dy = 0
    \frac{\partial F}{\partial y}  dx + \frac{\partial G}{\partial x}  dy = 0
    Karena PD diatas sudah berbentuk PD eksak, sehingga untuk mencari solusinya digunakan Penyelesaian PD Eksak.
    ambil \frac{\partial F}{\partial y}  = x2 (4 xy + 3y2 – x)
    = 4x3y + 3x2y2 – x3
    F(x, y) = \int^x (4x3y + 3x2y2 – x3) dx + g(y)
    = x4y + x3y2 – \frac{1}{4} x4 + g(y)
    \frac{\partial F}{\partial y}  = x4 + 2x3y + g'(y)
    karena \frac{\partial F}{\partial y}  = G(x, y), sehingga
    x4 + 2x3y + g'(y) = x3 (x + 2y)
    x4 + 2x3y + g'(y) = x4 + 2x3y
    g'(y) = 0
    g(y) = C
    solusi PD : x4y + x3y2 – \frac{1}{4} x4 + C
  2. y(x + y + 1) dx + x(x + 3y + 2) dy = 0
    Penyelesaian :
    misal : M(x, y) = xy + y2 + y
    N(x, y) = x2 + 3xy + 2x
    \frac{\partial M}{\partial y}  = x + 2y + 1
    \frac{\partial N}{\partial x}  = 2x + 3y + 2
    Jadi, \frac{\partial M}{\partial y}  \neq \frac{\partial N}{\partial y}
    \frac{1}{M} (\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial y})  = \frac{-(x+y+1)}{y(x+y+1))}
    -\frac{1}{y}  [fungsi dari y saja]
    maka FI adalah e^{\int -\frac{1}{y} dy}  = e^{ln \quad y}  = y
    sehingga diperoleh PD eksak adalah
    y2(x + y + 1) dx + xy(x + 3y + 2) dy = 0
    \frac{\partial F}{\partial y}  dx + \frac{\partial G}{\partial x}  dy = 0
    Karena PD diatas sudah berbentuk PD eksak, sehingga untuk mencari solusinya digunakan Penyelesaian PD Eksak.
    ambil \frac{\partial F}{\partial y}  = y2(x + y + 1)
    = xy2 + y3 + y2
    F(x, y) = \int^x (xy2 + y3 + y2) dx + g(y)
    \frac{1}{2} x2y2 + xy3 + xy2 + g(y)
    \frac{\partial F}{\partial y}  = x2y + 3xy2 + 2xy + g'(y)
    karena \frac{\partial F}{\partial y}  = G(x, y), sehingga
    x2y + 3xy2 + 2xy + g'(y) = xy(x + 3y + 2)
    x2y + 3xy2 + 2xy + g'(y) = x2y + 3xy2 + 2xy
    g'(y) = 0
    g(y) = C
    solusi PD : \frac{1}{2} x2y2 + xy3 + xy2 + C
  3. (2x3y2 – y) dx + (2x2y3 – x) dy = 0
    Penyelesaian :
    misal : M(x, y) = 2x3y2 – y
    N(x, y) = 2x2y3 – x
    \frac{\partial M}{\partial y}  = 4x3y – 1
    \frac{\partial N}{\partial x}  = 4xy3 – 1
    Jadi, \frac{\partial M}{\partial y}  \neq \frac{\partial N}{\partial y}
    \frac{\partial M}{\partial y}  – \frac{\partial N}{\partial x}  = (4x3y – 1) – (4xy3 – 1)
    = 4xy(x2 – y2)
    ambil :
    v = xy \Rightarrow \frac{\partial v}{\partial x}  = y dan \frac{\partial v}{\partial y}  = x
    \frac{\partial v}{\partial y}  = x(2x3y2 – y)
    \frac{\partial v}{\partial x}  = y(2x2y3 – x)
    maka
    \frac{\partial v}{\partial y}  – N \frac{\partial v}{\partial x}
    = (2x4y2 – xy) – (2x2y4 – xy)
    = 2x2y2(x2 – y2)
    \frac{du}{u}  = \frac{-(\frac{\partial M}{\partial y}- \frac{\partial N}{\partial x}) dv}{M\frac{\partial v}{\partial y}-N \frac{\partial v}{\partial x}}
    \frac{-4xy(x^2-y^2)}{2x^2y^2(x^2-y^2)}  dv
    -\frac{2}{xy}  dv [fungsi x dan y]
    maka FI adalah u(x, y) = e^{\int -\frac{2}{xy} dxy}
    e^{-2.ln \quad xy}
    \frac{1}{x^2y^2}
    sehingga diperoleh PD eksak adalah
    \frac{1}{x^2y^2}  (2x3y2 – y) dx + \frac{1}{x^2y^2}  (2x2y3 – x) dy = 0
    \frac{\partial F}{\partial y}  dx + \frac{\partial G}{\partial x}  dy = 0
    Karena PD diatas sudah berbentuk PD eksak, sehingga untuk mencari solusinya digunakan Penyelesaian PD Eksak.
    ambil \frac{\partial F}{\partial y}  = \frac{1}{x^2y^2}  (2x3y2 – y)
    = 2x – \frac{1}{x^2y}
    F(x, y) = \int^x (2x – \frac{1}{x^2y} ) dx + g(y)
    = x2 + \frac{1}{xy}  + g(y)
    \frac{\partial F}{\partial y}  = -\frac{1}{xy^2}  + g'(y)
    karena \frac{\partial F}{\partial y}  = G(x, y), sehingga
    -\frac{1}{xy^2}  + g'(y) = \frac{1}{x^2y^2}  (2x2y3 – x)
    -\frac{1}{xy^2}  + g'(y) = 2y – \frac{1}{xy^2}
    g'(y) = 2y
    g(y) = y2
    solusi PD : x2 + \frac{1}{xy}  + y2 = 0

Tidak ada komentar:

Posting Komentar