Belajar Matematika Online

Google Penelusuran Khusus
Tampilkan postingan dengan label PD Tingkat 1. Tampilkan semua postingan
Tampilkan postingan dengan label PD Tingkat 1. Tampilkan semua postingan

Persamaan Diferensial Riccati

PD Riccati merupakan salah satu PD khusus yang dapat diubah ke PD Linier Tingkat 1 sama seperti PD Bernoulli, juga dapat diubah ke PD Linier Tingkat 1. Secara khusus kita telah membahasnya pada Persamaan Diferensial Orde Satu Bernoulli. Adapun bentuk umum PD Riccati adalah sebagai berikut.
$\frac{dy}{dx}=P(x)y^2+Q(x)y+R(x)$
Jika $R(x)=0$, maka PD menjadi PD Bernoulli. Jika $R(x) \neq 0$ maka PD tersebut diubah ke PD Linier Tingkat 1 dengan cara berikut ini.
  1. Ambil satu penyelesaian khusus $y=u(x) $ (biasanya dalam soal sudah diketahui). Karena itu, dipunyai $\frac{dy}{dx}=P(x)u^2+Q(x)u+R(x)$.
  2. Substitusikan $y=u+ \frac{1}{z}$ dengan derivatifnya $\frac{dy}{dx} = \frac{du}{dx} - \frac{1}{z^2} \frac{dz}{dx}$ ke persamaan diferensial Riccati, maka diperoleh:
$\frac{dz}{dx}+[2uP(x)+Q(x)]z=-P(x)$
Contoh: Selesaikan persamaan $\frac{dy}{dx}=-2-y+y^2$ dengan $y=2$ adalah penyelesaian khususnya!

Penyelesaian: Sudah jelas bahwa persamaan tersebut termasuk dalam PD Riccati, kita nyatakan dalam bentuk yang ekuivalen sebagai berikut.

$ \begin{align} & \frac{dy}{dx} =-2-y+y^2 \\ \Leftrightarrow & \frac{dy}{dx} =y^2-y-2  \end{align} $

Dari bentuk terakhir di atas maka diketahui $P(x)=1$, $Q(x)= -1$ dan $R(x)=-2$. Dari soal diketahui bahwa $u(x)=2$. Dengan menggunakan transformasi $y=u+ \frac{1}{z} \Leftrightarrow y=2+ \frac{1}{z}$ maka persamaan direduksi menjadi:

$ \begin{align} \frac{dz}{dx}+[2uP(x)+Q(x)]z &= -P(x) \\ \Leftrightarrow  \frac{dz}{dx}+[2(2)(1)-1]z &= -1 \\ \Leftrightarrow \frac{dz}{dx}+3z &= -1 \end{align}$

Bentuk terakhir ini adalah PD linier tingkat 1 yang telah dibahas pada tulisan Persamaan Diferensial Linier Tingkat 1 dengan Faktor integrasi:

$ \begin{align} e^{ \int 3  \ dx} &= e^{3x}  \end{align} $.

Sehingga penyelesaian dari $ \frac{dz}{dx}+3z = -1$ adalah:

$ \begin{align} z &= \frac{1}{e^{3x}}( \int (-1)e^{3x} \ dx) \\ &= e^{-3x}(- \int e^{3x} \ dx) \\ &=e^{-3x}(- \frac{1}{3}e^{3x}+k) \\ \Leftrightarrow \frac{1}{y-2} &= ke^{-3x}-\frac{1}{3} \\ \Leftrightarrow y-2 &= \frac{1}{ke^{-3x}-\frac{1}{3}} \\ \Leftrightarrow y &= 2+\frac{1}{ke^{-3x}- \frac{1}{3}} \end{align} $

Jadi, $y=2+ \frac{1}{ke^{-3x}- \frac{1}{3}}$ adalah penyelesaian dari $\frac{dy}{dx}=-2-y+y^2$.
    

Persamaan Diferensial Orde Satu Bernoulli

PD Bernoulli memiliki bentuk umum 
$\frac{dy}{dx}+p(x)y=r(x)y^n \ \ ; \ n \neq 0$
Untuk $n \neq 1$, kita dapat mentransformasi bentuk tersebut menjadi PD Linier Tingkat 1 dengan menggunakan transformasi $z=y^{-n+1} $. Dari sini diketahui:
$\frac{dz}{dx}=(-n+1)y^{-n} \frac{dy}{dx} \Leftrightarrow \frac{dy}{dx} = \frac{y^n}{1-n} \frac{dz}{dx} $

Jika $\frac{dy}{dx}+p(x)y=r(x)y^n$ dikalikan dengan $(1-n)y^{-n} $ maka diperoleh:
$\frac{dz}{dx}+(1-n)p(x)z=(1-n)r(x) $
Contoh: Selesaikan persamaan $2xy \frac{dy}{dx}-y^2=x^2$

Penyelesaian: Untuk memperjelas bahwa persamaan tersebut termasuk dalam PD Bernoulli, kita nyatakan dalam bentuk yang ekuivalen sebagai berikut.

$ \begin{align} & 2xy \frac{dy}{dx}-y^2=x^2 \\ \Leftrightarrow & \frac{dy}{dx} - \frac{y^2}{2xy} = \frac{x^2}{2xy} \\ \Leftrightarrow & \frac{dy}{dx} - \frac{1}{2x} y = \frac{x}{2} y^{-1} \end{align} $

Dari bentuk terakhir di atas, diketahui $p(x)=- \frac{1}{2x} $, $ r (x)= \frac{x}{2}$ dan $n=-1$. (Dengan menggunakan transformasi $z=y^{-n+1}=y^{-(-1)+1}=y^2$ dan mengalikan $(1-n)y^{-n+1}=2y^2$ di kedua ruas PD Bernoulli di atas) Maka diperoleh:

$ \begin{align} \frac{dz}{dx}+(1-n)p(x)z &=(1-n)r(x) \\ \Leftrightarrow \frac{dz}{dx}+(1-(-1))(- \frac{1}{2x})z &=(1-(-1)) \frac{x}{2} \\ \Leftrightarrow \frac{dz}{dx}+2(- \frac{1}{2x})z &=2 ( \frac{x}{2}) \\ \Leftrightarrow \frac{dz}{dx} - \frac{1}{x}z &= x \end{align}$

Bentuk terakhir ini adalah PD linier tingkat 1 yang telah dibahas pada tulisan Persamaan Diferensial Linier Tingkat 1 dengan Faktor integrasi:

$ \begin{align} e^{ \int - \frac{1}{x}  \ dx} &= e^{-ln(x)} \\ &= e^{ln (x^{-1})} \\ &= x^{-1} \\ &= \frac{1}{x} \end{align} $.

Sehingga penyelesaian dari $ \frac{dz}{dx} - \frac{1}{x} z=x$ adalah:

$ \begin{align} z &= \frac{1}{ \frac{1}{x}}( \int x( \frac{1}{x}) \ dx)  \\ &= x ( \int 1 \ dx) \\ &= x (x+k) \\ &= x^2+kx \end{align} $

Jadi, 
$y^2=x^2+kx \Leftrightarrow y= \sqrt{x^2+kx} $

Persamaan Diferensial Linier Tingkat 1

Pengertian PD Linier Tingkat 1


Suatu persamaan diferensial tingkat 1 dikatakan linier dalam y jika tidak dapat memuat hasil kali, pangkat atau kombinasi non linier lainnya dari y atau y'. Bentuk umum dari PD linier tingkat (order) 1 diberikan sebagai berikut.
$y'+p(x)y=f(x) $
Cara Menyelesaikan PD Linier Tingkat 1

Jika $p(x)=0$ maka dapat diselesaikan dengan integrasi langsung, sedangkan jika $f(x)=0$ maka persamaan adalah  PD terpisahkan, yakni:

$\begin{align} y'+p(x)y &=0 \\ y' &= -p(x)y \\ \frac{dy}{dx} &= -p(x) \ dx \\ \frac{1}{y} \ dy &= -p(x) \ dx \\ \int \frac{1}{y} \ dy &= \int -p(x) \ dx \\  ln (y) &= - \int p(x) \ dx \\ y &= e^{- \int p(x) \  dx } \end{align}$

Jika $p(x) \neq 0$ dan $f(x) \neq 0$, untuk menentukan solusi PD linier tingkat 1 tersebut adalah sebagai berikut.

Misal $u(x)$ adalah suatu fungsi dalam x.

$\begin{align} y'+p(x)y=f(x) \\ \iff u(y'+py) &= uf \\ \iff uy'+upy' &= uf \\ \iff uy'+u'y-u'y+upy &= uf \\ \iff (uy)' - (u'y-upy) &= uf \\ \iff \frac{d(uy)}{dx} - y'(u'-up) &= uf \end{align} $

Agar bentuk di atas dapat menggunakan integrasi di kedua ruas, kita harus mencari $u(x)$ dengan memberikan ketentuan bahwa $u'-up=0$, sehingga:

$\begin{align} \frac{d(uy)}{dx} &= uf \\ d(uy) &= uf \ dx \\ \int d(uy) &= \int uf \ dx \\ uy &= \int uf \ dx \\ y &= \frac{1}{u} \int uf \ dx \end{align}$ 

Ini bisa terjadi jika $u(x)=e^{ \int p(x) \ dx} $ sehingga $u'(x)-u(x)p(x)=0$.

Selanjutnya $u(x)$ disebut faktor integrasi PD Linier Tingkat 1.

Contoh Soal Penyelesaian PD Linier Tingkat 1 dengan Faktor Integrasi

Selesaikan $dy/dx + y tan (x) = sec (x) $ !

Penyelesaian:
Diketahui $p(x)=tan (x)$ maka faktor integrasinya adalah:
$\begin{align} u(x) &= e^{ \int tan (x) \ dx} \\ &= e^{-ln (cos (x))} \\ &= sec (x) \end {align}$.

Jadi,
$\begin{align} y &= \frac{1}{u(x)} \int u(x)f(x) \ dx \\ &= \frac{1}{sec(x)} \int sec (x) \ sec (x) \ dx \\ &= \frac{1}{sec (x)} \int sec^2 (x) \ dx \\ &= \frac{1}{sec (x)} (tan (x)+k) \\ y &= sin (x)+k \ cos(x) \end{align}$.

k suatu bilangan konstan.

Persamaan Diferensial Tingkat 1

Kita telah membahas pengertian persamaan diferensial, bagaimana membentuk persamaan diferensial, dan apa yang dimaksud dengan solusi persamaan diferensial pada tulisan Pengantar Persamaan Diferensial.

Ada persamaan diferensial biasa yang hanya menggunakan satu variabel bebas dan persamaan diferensial parsial yang sudah menggunakan lebih dari satu variabel bebas. Dari persamaan-persamaan diferensial tersebut ada yang bersifat linier dan tidak linier. Silahkan baca Pengertian Persamaan Diferensial Biasa, Linier, dan Tak Linier.

Jika dilihat dari persamaannya, suatu variabel tak bebasnya terturunkan 1 kali maka itu PD tingkat 1, jika terturunkan 2 kali maka disebut PD tingkat 2, dst.

Ketika membahas masalah persamaan dalam matematika, maka yang jadi inti pembahasannya adalah menemukan solusi dari persamaan tersebut. Ada persamaan yang bisa diselesaikan secara eksak dan tidak bisa diselesaikan secara eksak sehingga penyeleaaian persamaan tersebut menggunakan metode numerik. Maka dalam pembahasan materi Persamaan Diferensial pada blog ini, hanyalah materi-materi yang bisa diselesaikan secara eksak. Adapun jika ada yang menggunakan metode numerik, itu sebagai tambahan saja. Semoga dapat bermanfaat bagi kita semua.

Persamaan diferensial tingkat (orde) 1 yanga dibahas di sini adalah:
  • PD Linier Tingkat (Orde) 1
  • PD Tingkat Satu Khusus Diubah ke PD Linier Tingkat 1 yang meliputi PD Bernouli, PD Riccati
  • PD Tingkat 1 (Linier atau Tak-Linier) dengan Variabel Terpisah
  • PD Reduksi Terpisahkan (PD Homogen)
  • PD dengan M(x,y) dan N(x,y) Linier tetapi Tidak Homogen
  • PD Eksak
  • PD Tak Eksak
Itilah materi-materi yang insya Allah dibahas dalam blog ini, saya akan memberi label PD Tingkat 1 sehingga para pembaca bisa mememukan secara cepat materi-materi yang telah ditulis. Demikian tulisan kami ini, semoga bermanfaat.

Bacaan selanjutnya Persamaan Diferensial Tingkat 2.

Search for "Differential Equations"
Copyright © Matematika Ku Bisa. All rights reserved. Template by CB. Theme Framework: Responsive Design
Kirim Pesan atau Soal
×
_

Hai, Kamu bisa kirim pesan atau PR Matematikamu ke Admin, di sini! Jangan lupa like halaman admin ya, terima kasih!