Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial

Presentasi berjudul: "Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial"— Transcript presentasi:

1 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Next ANALITIK vs NUMERIK Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial

2 = f{t,x(t)}, x(0) = x0 f{t,x(t)} = - 2x(t), x(0) = 10
Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Carilah solusi x(t) dari persamaan differensial biasa (Ordinary Differential Equation, ODE) order pertama: dx(t) = f{t,x(t)}, x(0) = x0 dt jika diketahui: f{t,x(t)} = - 2x(t), x(0) = 10 Istilah-istilah: “order” “keadaan awal” (initial condition) peubah bebas t peubah terikat x x(t) > x

3 ∫ ∫ Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial = - 2 x(t) dt = - 2 dt x(t)
Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Penyelesaian ANALITIK dx(t) = - 2 x(t) dt = dt x(t) ∫ ∫

4 x(t + Dt) = x(t)+Dt(dx(t)/dt)+ Error x(0 + Dt) = x(0)+Dt f{t,x(0)}
Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Penyelesaian NUMERIK Deret EULER: x(t + Dt) = x(t)+Dt(dx(t)/dt)+(½)Dt2(d2x(t)/dt2) + (1/6)Dt3(d3x(t)/dt3) + (1/n!)Dtn(dnx(t)/dtn) Metode Numerik Order Pertama: x(t + Dt) = x(t)+Dt(dx(t)/dt)+ Error mulai pada t = 0, dihitung: x(0 + Dt) = x(0)+Dt f{t,x(0)} dan seterusnya

5 NUMERIK Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial = - 2 x(t), x(0) = 10 dt
LANJUTAN Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Penyelesaian NUMERIK Contoh Kasus: dx(t) = - 2 x(t), x(0) = 10 dt Penyelesaian secara numerik, Order Pertama, Dt = 0.1: t = 0, x(Dt) = x(0) + Dt(dx(0)/dt) = x(0) + Dt( -2 x(0)) = (-2)(10) x(0.1) = 8 t = 0.1, x(0.2) = x(0.1) + Dt(dx(0.1)/dt) = (-2)(8) = dst.

6 NUMERIK 1. Memperbanyak interval N atau memperkecil Dt
Penyelesaian NUMERIK UPAYA BAKU MEMPERKECIL ERROR Dalam berbagai metode NUMERIK ada setidaknya 2 (dua) langkah baku untuk memperkecil galat (ERROR), yaitu: 1. Memperbanyak interval N atau memperkecil Dt 2. Memperbaiki metode Kebanyakan program numerik menggunakan sedikitnya 2 (dua) macam metode yang berbeda, menggunakan selisih hasil keduanya sebagai estimasi ERROR, dan terus memperbanyak N/memperkecil Dt sampai selisih hasil keduanya lebih kecil dari suatu angka yang masih ditolerir.

7 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Next ANALITIK vs NUMERIK Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Second Order Numerical Method Ordinary Differential Equation

8 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Carilah solusi x(t) dari persamaan differensial biasa (Ordinary Differential Equation, ODE) order pertama: dx(t) = x(t), x(0) = x0 dt Deret EULER: x(t + Dt) = x(t)+Dt(dx(t)/dt)+(½)Dt2(d2x(t)/dt2) + (1/6)Dt3(d3x(t)/dt3) + (1/n!)Dtn(dnx(t)/dtn) Second Order Numerical Method

9 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Metode Numerik Order Pertama: x(t + Dt) = x(t)+Dt(dx(t)/dt)+ Error Metode Numerik Order Kedua: x(t + Dt) = x(t)+Dt(dx(t)/dt) + (½)(Dt)2(d2x(t)/dt2) + Error x'(t)= dx(t)/dt dan x''(t) = d2x(t)/dt2 x(t + Dt) = x(t)+Dt[x'(t)] + (½)(Dt)2[x''(t)] x(t) diketahui, x'(t) dihitung dari f{t,x(t)}, bagaimana menghitung x''(t)??? ESTIMASI x''(t)

10 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Metode Numerik Order Kedua (lanjutan): ESTIMASI x''(t) “FORWARD DIFFERENCE” x(t) diketahui, x'(t) dihitung dari f{t,x(t)}, dengan metode order pertama, dihitung estimasi x(t+Dt): Ex(t + Dt) = x(t)+Dt[x'(t)] lalu dihitung estimasi x'(t+Dt): Ex'(t + Dt) = f{t+Dt,Ex(t+Dt)} dengan demikian ESTIMASI x”(t) dapat dihitung: Ex”(t) = [Ex'(t+Dt) – x'(t)]/Dt

11 Ex”(t) = [Ex'(t+Dt) – x'(t)]/Dt
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Metode Numerik Order Kedua (lanjutan): Setelah ESTIMASI x''(t) diketahui, maka selanjutnya dapat dihitung x(t + Dt): x(t + Dt) = x(t)+Dt[x'(t)] + (½)(Dt)2[Ex''(t)] ESTIMASI x”(t): Ex”(t) = [Ex'(t+Dt) – x'(t)]/Dt sehingga: x(t + Dt) = x(t)+Dt[x'(t)] + (½)(Dt)2[Ex'(t+Dt) – x'(t)]/Dt jadi: x(t + Dt) = x(t)+(½Dt)[x'(t) + Ex'(t+Dt)] dengan Ex'(t+Dt) = f{t+Dt,Ex(t+Dt)} dan Ex(t+Dt) = x(t)+Dt[x'(t)]

12 x'(t) = f{t,x(t)} = -2 x(t), x(0)= 10
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Metode Numerik Order Kedua (lanjutan): Kembali ke contoh kasus: x'(t) = f{t,x(t)} = -2 x(t), x(0)= 10 Misalnya Dt = 0,1 Pada t = 0: x'(0) = - 2 x(0) = (-2)*10 = -20 Ex(0+Dt) = x(0)+Dt[x'(0)] = 10 +(0,1)(-20) Ex(0,1) = 8 Ex'(0+Dt) = f{0+Dt,Ex(0+Dt)} = - 2 Ex(Dt) Ex'(0,1) = -16 x(t + Dt) = x(t)+(½Dt)[x'(t) + Ex'(t+Dt)] x(0,1) = x(0)+(½)(0,1))[x'(0) + Ex'(0,1)] = 10 + (½)(0,1))[(-20) + (-16)] = 8,2

13 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Selanjutnya Pada t = 0,1: x'(0,1) = - 2 x(0,1) = (-2)*8,2 = -16,4 Ex(0,1+Dt) = x(0,1)+Dt[x'(0,1)] = 8,2 +(0,1)(-16,4) Ex(0,2) = 6,56 Ex'(0,1+Dt) = f{0,1+Dt,Ex(0,1+Dt)} = - 2 Ex(0,2) = - 2 (6,56) Ex'(0,2) = - 13,12 x(t + Dt) = x(t)+(½Dt)[x'(t) + Ex'(t+Dt)] x(0,2) = x(0,1)+(½)(0,1))[x'(0,1) + Ex'(0,2)] = 8,2 + (½)(0,1)[(-16,4) + (-13,12)] = 6,274 dan seterusnya

14 ta = t akhir perhitungan
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial ERROR dan TOLERANSI Pada umumnya Metode Numerik digunakan ketika Solusi Analitik TIDAK DIKETAHUI, dengan demikian ERROR yang sesungguhnya juga tidak diketahui. Oleh sebab itu biasa diterapkan ALGORITMA sebagai berikut: 1. Tetapkan suatu batas toleransi, e, sebuah angka yang cukup kecil, misalnya e = 10-6. 2. Tetapkan step-size awal: Dt = ta/N ta = t akhir perhitungan N = jumlah interval

15 ERROR dan TOLERANSI (lanjutan.........)
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial ERROR dan TOLERANSI (lanjutan ) 3. Hitung solusi untuk t = Dt dengan suatu metode numerik, misalnya Metode A, sehingga diperoleh xA(Dt) 4. Hitung lagi solusi untuk dengan metode numerik lain yang lebih baik dari Metode A, misalnya Metode B, sehingga diperoleh xB(Dt). 5. Hitung selisih Eest = |xB(Dt) – xA(Dt)| sebagai estimasi ERROR. 6. Jika Eest > e , maka step-size diperkecil, yang baru = Dt /n, n = bilangan bulat > 1, misalnya 2, 10, dst., lalu kembali ke langkah 3

16 ERROR dan TOLERANSI (lanjutan.........)
Second Order Numerical Method Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial ERROR dan TOLERANSI (lanjutan ) Catatan: Agar tidak terjadi infinite loop dari langkah 3 sampai langkah 6, maka step-size harus dibatasi jangan lebih kecil dari e. Jika terjadi demikian berarti toleransi-nya terlalu kecil. Program gagal, kembali ke langkah 1. 6. Jika Eest < e , berarti xB(Dt) adalah solusi untuk t = Dt maka lanjut hitung solusi untuk t = 2Dt dengan kembali menggunakan langkah 3 tanpa mengubah Dt. 7. Begitu seterusnya diulangi sampai t = ta.

17 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial
Next ANALITIK vs NUMERIK Kasus 3 Mencari SOLUSI-Persamaan Differensial Higher-OrderDifferential Equation Ordinary Differential Equation dan Tugas 3