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
=
Contoh :
-
y dx + x dy = 0
misal : M(x, y) = y = 1
N(x, y) = x = 1
karena = , maka PD diatas merupakan PD eksak.
-
(2xy + ln x) dx + x2 dy = 0
misal : M(x, y) = 2xy + ln x = 2x
N(x, y) = x2 = 2x
karena = , maka PD diatas merupakan PD eksak.
-
(x – y) dx + (x + y) dy = 0
misal : M(x, y) = x – y = -1
N(x, y) = x + y = 1
karena , 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) = dx + dy, (x, y) D
Misal penyelesain umum PD (i) adalah F(x, y) = C dengan C adalah konstanta sebarang, maka
dF(x, y) = 0, sedemikian sehingga
dx + dy = 0 … (ii)
dari PD (i) dan pers (ii), diperoleh
(a) = M(x, y)
(b) = N(x, y)
Sehingga solusi PD Eksak berbentuk F(x, y) = C. Berdasarkan hal tersebut, dapat dicari solusi PD sebagai berikut :
(a) = M(x, y)
F(x, y) = M(x, y) dx + g(y)
NOTE : bentuk adalah integral terhadap x, dimana y dipandang sebagai konstanta dan g(y) konstanta integral yang harus dicari.
= [ M(x, y) dx] + g'(y)
Karena = N(x, y) maka
= [ M(x, y) dx] + g'(y) = N(x, y)
g'(y) = N(x, y) – [ 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) = N(x, y)
Integralkan kedua ruas terhadap variabel y, diperoleh
F(x, y) = N(x, y) dy + f(x)
turunkan kedua ruas dengan turunan parsial terhadap x
= [ N(x, y) dy] + f'(x)
karena = M(x, y) maka
= [ N(x, y) dy] + f'(x) = M(x, y)
f'(x) = M(x, y) – [ N(x, y) dy]
Contoh :
-
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 = 1
N(x , y) = x – y = 1
karena = , maka PD tesebut adalah PD eksak.
Untuk mencari solusinya, kita akan menggunakan
F(x, y) = M(x, y) dx + g(y)
= (x + y) dx + g(y)
= x2 + xy + g(y)
cari g'(y)
= [ M(x, y) dx] + g'(y)
= [ x2 + xy] + g'(y)
= x + g'(y)
karena = N(x, y), maka
x + g'(y) = N(x, y)
x + g'(y) = x – y
g'(y) = -y
g'(y) = -y
g(y) = y2
jadi solusi umumnya : x2 + xy – y2 = c1
x2 + 2xy – y2 = C, dengan C = 2c1
-
PD : xy’ + y + 4 = 0
Penyelesaian :
x + y + 4 = 0
x dy + (y + 4) dx = 0
misal : M(x , y) = y + 4 = 1
N(x , y) = x = 1
karena = , maka PD tesebut adalah PD eksak.
Untuk mencari solusinya, kita akan menggunakan
F(x, y) = N(x, y) dy + g(x)
= x dy + g(x)
= xy + g(x)
cari g'(x)
= [ N(x, y) dy] + g'(x)
= [xy] + g'(x)
= y + g'(x)
karena = N(x, y), maka
y + g'(x) = M(x, y)
y + g'(x) = y + 4
g'(x) = 4
g'(x) = 4
g(x) = 4x
jadi solusi umumnya : xy + 4x = C
y dx + x dy = 0
misal : M(x, y) = y = 1
N(x, y) = x = 1
karena = , maka PD diatas merupakan PD eksak.
(2xy + ln x) dx + x2 dy = 0
misal : M(x, y) = 2xy + ln x = 2x
N(x, y) = x2 = 2x
karena = , maka PD diatas merupakan PD eksak.
(x – y) dx + (x + y) dy = 0
misal : M(x, y) = x – y = -1
N(x, y) = x + y = 1
karena , maka PD diatas bukan merupakan PD eksak.
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 = 1
N(x , y) = x – y = 1
karena = , maka PD tesebut adalah PD eksak.
Untuk mencari solusinya, kita akan menggunakan
F(x, y) = M(x, y) dx + g(y)
= (x + y) dx + g(y)
= x2 + xy + g(y)
cari g'(y)
= [ M(x, y) dx] + g'(y)
= [ x2 + xy] + g'(y)
= x + g'(y)
karena = N(x, y), maka
x + g'(y) = N(x, y)
x + g'(y) = x – y
g'(y) = -y
g'(y) = -y
g(y) = y2
jadi solusi umumnya : x2 + xy – y2 = c1
x2 + 2xy – y2 = C, dengan C = 2c1
PD : xy’ + y + 4 = 0
Penyelesaian :
x + y + 4 = 0
x dy + (y + 4) dx = 0
misal : M(x , y) = y + 4 = 1
N(x , y) = x = 1
karena = , maka PD tesebut adalah PD eksak.
Untuk mencari solusinya, kita akan menggunakan
F(x, y) = N(x, y) dy + g(x)
= x dy + g(x)
= xy + g(x)
cari g'(x)
= [ N(x, y) dy] + g'(x)
= [xy] + g'(x)
= y + g'(x)
karena = N(x, y), maka
y + g'(x) = M(x, y)
y + g'(x) = y + 4
g'(x) = 4
g'(x) = 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
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
=
u + M = u + N
u ( – ) = – (M – N )
RUMUS UMUM FAKTOR INTEGRAL
u(x, y) =
Secara umum Faktor Integral terdiri dari tiga kasus yaitu
(a) FI u sebagai fungsi x saja
karena u sebagai fungsi x saja, maka
= dan = 0
Oleh karena itu, Rumus Umum Faktor Integral diatas dapat ditulis
u(x) =
dx = Q
dx =
dx =
dx = ln u
u(x) =
u(x) =
dengan h(x) =
(b) FI u sebagai fungsi y saja
karena u sebagai fungsi y saja, maka
= 0 dan =
Oleh karena itu, Rumus Umum Faktor Integral diatas dapat ditulis
u(y) =
dy = -M
dy =
dy =
dy = ln u
u(y) =
u(y) =
dengan h(y) =
(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)
= … (iii)
= … (iv)
= … (v)
Jika pers (iii), (iv) dan (v) disubstitusikan ke RUMUS UMUM FAKTOR INTEGRAL, maka
u(x, y) =
u(v) =
u(v) =
=
=
=
ln u =
Jadi, FI : u(v) =
dengan h(v) =
Contoh :
Tentukan Faktor Integral dan penyelesain PD dibawah ini :
- (4 xy + 3y2 – x) dx + x(x + 2y) dy = 0Penyelesaian :misal : M(x, y) = 4 xy + 3y2 – xN(x, y) = x(x + 2y)= 4x + 6y= 2x + 2yJadi,== [fungsi dari x saja]maka FI adalah = = x2sehingga diperoleh PD eksak adalahx2 (4 xy + 3y2 – x) dx + x3 (x + 2y) dy = 0dx + dy = 0Karena PD diatas sudah berbentuk PD eksak, sehingga untuk mencari solusinya digunakan Penyelesaian PD Eksak.ambil = x2 (4 xy + 3y2 – x)= 4x3y + 3x2y2 – x3F(x, y) = (4x3y + 3x2y2 – x3) dx + g(y)= x4y + x3y2 – x4 + g(y)= x4 + 2x3y + g'(y)karena = G(x, y), sehinggax4 + 2x3y + g'(y) = x3 (x + 2y)x4 + 2x3y + g'(y) = x4 + 2x3yg'(y) = 0g(y) = Csolusi PD : x4y + x3y2 – x4 + C
- y(x + y + 1) dx + x(x + 3y + 2) dy = 0Penyelesaian :misal : M(x, y) = xy + y2 + yN(x, y) = x2 + 3xy + 2x= x + 2y + 1= 2x + 3y + 2Jadi,== [fungsi dari y saja]maka FI adalah = = ysehingga diperoleh PD eksak adalahy2(x + y + 1) dx + xy(x + 3y + 2) dy = 0dx + dy = 0Karena PD diatas sudah berbentuk PD eksak, sehingga untuk mencari solusinya digunakan Penyelesaian PD Eksak.ambil = y2(x + y + 1)= xy2 + y3 + y2F(x, y) = (xy2 + y3 + y2) dx + g(y)= x2y2 + xy3 + xy2 + g(y)= x2y + 3xy2 + 2xy + g'(y)karena = G(x, y), sehinggax2y + 3xy2 + 2xy + g'(y) = xy(x + 3y + 2)x2y + 3xy2 + 2xy + g'(y) = x2y + 3xy2 + 2xyg'(y) = 0g(y) = Csolusi PD : x2y2 + xy3 + xy2 + C
- (2x3y2 – y) dx + (2x2y3 – x) dy = 0Penyelesaian :misal : M(x, y) = 2x3y2 – yN(x, y) = 2x2y3 – x= 4x3y – 1= 4xy3 – 1Jadi,– = (4x3y – 1) – (4xy3 – 1)= 4xy(x2 – y2)ambil :v = xy = y dan = xM = x(2x3y2 – y)N = y(2x2y3 – x)makaM – N= (2x4y2 – xy) – (2x2y4 – xy)= 2x2y2(x2 – y2)== dv= dv [fungsi x dan y]maka FI adalah u(x, y) ===sehingga diperoleh PD eksak adalah(2x3y2 – y) dx + (2x2y3 – x) dy = 0dx + dy = 0Karena PD diatas sudah berbentuk PD eksak, sehingga untuk mencari solusinya digunakan Penyelesaian PD Eksak.ambil = (2x3y2 – y)= 2x –F(x, y) = (2x – ) dx + g(y)= x2 + + g(y)= + g'(y)karena = G(x, y), sehingga+ g'(y) = (2x2y3 – x)+ g'(y) = 2y –g'(y) = 2yg(y) = y2solusi PD : x2 + + y2 = 0
No comments:
Post a Comment