Persamaan Diferensial Orde II

  Program Perkuliahan Dasar Umum Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Pe r sa m a a n D ife r e n sia l Or de I I

  PDB Orde

  II PDB Orde

  II Bent uk um um : y

  ″ + p(x)y′ + g(x)y = r(x)

  p( x) , g( x) disebut koefisien j ika r( x) = 0, m aka

  Persam aan Differensial diat as disebut hom ogen, sebaliknya disebut non hom ogen.

  Persam aan Differensial Biasa linier orde dua hom ogen dengan koefisien konst an, m em iliki bent uk um um :

  

y ″+ ay′ + by = 0 dim ana a, b m erupakan konst ant a sebarang. Solusi Homogen Solusi Homogen

  Diket ahui

  y ″+ ay′ + by = 0 rx

  Misalkan y= e

  2 Persam aannya berubah m enj adi r + ar + b = 0, sebuah persam aan kuadrat .

  Jadi kem ungkinan akarnya ada 3 yait u:

  1. Akar real berbeda ( r ,r ; dim ana rr )

  1

  2

  1

  2 r1 x r2 x

  Mem iliki solusi basis y = e dan y = e dan

  1

  2

  m em punyai solusi um um

  r1 x r2 x y = C e + C e

  1

  2 Solusi Homogen Solusi Homogen

  2. Akar real kem bar ( r ,r ; dim ana r = r = r )

  1

  2

  1

  2 r x r x

  Mem iliki solusi basis y = e dan y = x e dan

  1

  2

  m em punyai solusi um um

  r x r x y = C e + C x e

  1

  2

  3.Akar kom pleks koj ugat e ( r = u + wi, r = u – wi)

  1

  2

ux

  Mem iliki solusi basis y = e cos wx; dan

  1 ux y = e sin wx dan m em punyai solusi um um

  2 ux y = e ( C cos wx + C sin wx )

  1

  2 Contoh soal Contoh soal

  1. y + 5y + 6y = 0 ″ ′

  Persam aan karakt erist iknya: ( r + 2 ) ( r + 3 ) = 0

  r = - 2 at au r = - 3

  1

  2

  • - 2 x - 3x

  m aka solusinya : y = C e + C e

  1

  2 2. y

  ″ + 6y′ + 9y = 0 Persam aan karakt erist iknya: ( r + 3 ) ( r + 3 ) = 0

  r = r = - 3

  1

  2

  • - 3x - 3x

  m aka solusinya : y = C e + C x e

  1

  2 3. y

  ″ + 4y = 0

  2 Persam aan karakt erist iknya: r + 4 = 0 ± − 4 . 1 .

  4 2 i = ± r =

  12

  2

Latihan

  Latihan

  1. y’’ – 3y’- 4y= 0 2. y’’ – 9y= 0 3. y’’+ 4y= 0 4. y’’+ 2y’= 0 5. y’’ – 4y’+ 4y= 0 6. y’’ + 3y’ – 4y= 0 7. y’’+ 9y= 0 8. y’’+ y’ = 0 9. y’’ – 4y= 0, y= 4, y’= 0 bila x= 0 10. y’’ – 5y’+ 6y= 0, y= 1, y’= 0 bila x= 0

  • y

  Dim ana y

  1. Met ode koefisien t ak t ent u

  p

  = solusi P D non hom ogen Menent ukan y

  y p

  = solusi P D hom ogen

  h

  p

  Persamaan Persamaan

  h

  Solusi t ot al : y = y

  dengan r( x) ≠ 0

  y ″ + p(x)y′ + g(x)y = r(x)

  Bent uk um um :

  Differensial Differensial non non homogen homogen

  2. Met ode variasi param et er

  Metode Metode koefisien koefisien tak tak tentu tentu

  pilihlah y

  p

  yang serupa dengan r( x) , lalu subst it usikan ke dalam persam aan.

  r(x) y p r(x) = e mx y p = A e mx r(x) = X n y p = A n

  X n + A n-1

  X n-1 +…….+A 1 X + A r(x) = sin wx y p = A cos wx + B sin wx r(x) =cos wx y p = A cos wx + B sin wx r(x) = e ux sin wx y p = e ux (A cos wx + B sin wx ) R(x) =e ux cos wx y p = e ux (A cos wx + B sin wx )

Ct t : Solusi Parsial t idak boleh m uncul pada solusi hom ogennya.

  Jika hal ini t erj adi, kalikan solusi khususnya dengan fakt or x at au x 2

sehingga t idak m em uat lagi solusi hom ogennya.

  Contoh Contoh

  • - x

  1. y” – 3y’ + 2y = e Jawab:

  Persam aan karakt erist iknya:

  2 r – 3 r + 2 = 0

  Ù ( r – 2) ( r – 1) = 0

  Sehingga didapat r = 2 dan r = 1

  1

  2 2x x

  Jadi solusi hom ogennya adalah y = C e + C e

  h

  1

  2

  • - x

  Unt uk y dipilih y = A e

  p p

  • - x - x

  y ’ = - A e

  y ” = A e

  p p Ù

  Kem udian m asukan ke PD di at as:

  • - x - x - x - x - x - x

  A e + 3 A e + 2 A e = e

  6 A e = e A = 1/ 6

  Ù Ù

  Jadi solusi um um PD di at as adalah

  2x x - x y = C e + C e + 1/ 6 e

  1

  2 Contoh Contoh

  2. y” – 3y’ + 2y = cos x Jawab:

  Persam aan karakt erist iknya:

  2

  ( r – 2) ( r – 1) = 0

  r – 3 r + 2 = 0 Ù

  Sehingga didapat r = 2 dan r = 1

  1

  2 2x x

  Jadi solusi hom ogennya adalah y = C e + C e

  h

  1

  2 Unt uk y dipilih y = A cos x + B sin x p p

y ’ = - A sinx + B cos x y ” = - A cos x – B sin x

p

  Ù p

  Kem udian m asukan ke PD di at as:

  ( - A cos x – B sin x) –3( - A sin x + B cos x) + 2( A cos x + B sin x) = cos x ( - A- 3B+ 2A) cos x + ( - B+ 3A+ 2B) sin x= cos x Ù

  ( - 3B + A) cos x + ( 3A+ B) sin x= cos x - 3B + A = 1 dan 3A+ B= 0 Ù

  Contoh (no. 2 Lanjutan ) Contoh (no. 2 Lanjutan )

  Didapat A = 1/ 10 dan B = - 3/ 10

  Jadi solusi um um PD di at as adalah

  2x x

  y = C e + C e + ( 1/ 10) cos x – ( 3/ 10) sin x

  1

  2

  • - x

  3. y” – 3y’ + 2y = e + cos x Jawab:

  Dari cont oh 1 dan 2 didapat , solusi um um nya adalah

  2x x - x

  y = C e + C e + ( 1/ 6) e + ( 1/ 10) cos x – ( 3/ 10) sin x

  1

  2 Contoh Contoh x

  4. y” – 3y’ + 2y = e , y( 0) = 1, y’( 0) = - 1 Jawab:

  Persam aan karakt erist iknya:

  2 r – 3 r + 2 = 0

  Ù ( r – 2) ( r – 1) = 0

  Sehingga didapat r = 2 dan r = 1

  1

  2 2x x

  Jadi solusi hom ogennya adalah y = C e + C e

  h

  1

  2 x

  Unt uk y dipilih y = A x e

  p p x x x x y ’ = A e + A x e y ” = 2A e + A x e p p

  Ù

  Kem udian m asukan ke PD di at as:

  x x x x x x x x

  2Ae + Axe – 3 ( Ae + Axe ) + 2 Axe = e

  • A e = e

  Ù

  A = - 1

  Ù 2x x x

  Jadi solusi um um PD di at as adalah y = C e + C e – xe

  1

  2

  • C

  • x e
    • C
    • C

  • – e
  • xe
    • C
    • 2 e

  • x e
  • + 2

  x

  y = – e 2x

  = 2 Jadi solusi khusus PD di at as adalah

  2

  = - 1, dan C

  1

  Didapat C

  

x

  x

  x

  e

  2

  2x

  1

  e

  2 y’ = 2C

  1

  x Ö Ö 0= 2C

  x

  e

  2

  2x

  e

  1

  2 y = C

  1

  Kit a punya y( 0) = 1 dan y’( 0) = - 1 1= C

  Contoh Contoh

  x

  Latihan Latihan

  1. y’’ – 3y’- 4y= 3x

  2

  2. y’’ – 9y= x+ 2 3. y’’ – 3y’ – 4y= e 2x

  4. y’’+ 4y= 2 sin x 5. y’’ – 3y’- 4y= e

  • - x

  6. y’’+ 4y= 2 cos 2x 7. y’’+ 2y’= 3x

  2

  • + 2
  • + 2
  • + 3x

  8. y’’ – 4y’+ 4y= e 2x

  9. y’’ + 3y’ – 4y= 3x

  2

  10. y’’+ 9y= sin 3x+ e 2x

  11. y’’+ y’ = e x

  12. y’’ – 4y= 4 sin x, y= 4, y’= 0 bila x= 0 13. y’’ – 5y’+ 6y= 2e x

  , y= 1, y’= 0 bila x= 0 Metode Variasi Parameter Metode Variasi Parameter

  Met ode ini digunakan unt uk m em ecahkan persam aan- persam aan yang t idak dapat diselesaikan dengan m enggunakan m et ode koefisien t ak t ent u. Persam aan Differensial orde dua non hom ogen

  y+ a y+ b y = r( x)

  m em iliki solusi t ot al : y = y + y

  h p

  m isal y = u y + v y dim ana u = u( x) ; v = v( x)

  p

  1

  2

  m aka y = u y + u y ’ + v y ’ + v y

  ′ ′ ′ p

  1

  1

  2

  2

  pilih u dan v sehingga :

  uy + vy = 0 ……………….( * )

  1

  2 Metode Variasi Parameter Metode Variasi Parameter y= u y+ v yp

  1

  2 y= uy+ u y+ vy+ vyp

  1

  1

  2

  2 Subst it usikan y , y ’ , y

  ″ ke dalam persam aan awal

  p p p

  sehingga di dapat kan :

  uy+ u y+ vy+ vy+ a ( u y+ v y) +

  1

  1

  2

  2

  1

  2 b ( u y + v y ) = r( x)

  1

  2 u ( y + a y + b y ) + v ( y + a y + b y ) + u y

  ″ ′ ″ ′ ′ ′

  1

  1

  1

  2

  2

  2

  1

  • + vy= r ( x)

  2 uy+ vy= r ( x) …………….( * * )

  1

  2

  

Metode Variasi Parameter

Metode Variasi Parameter

  Elem inasi ( * ) dan ( * * ) di peroleh :

  uy + vy = 0

  1

  2 u y + v y = r ( x)

  ′ ′ ′ ′

  1

  2

  dengan at uran cram er diperoleh

  y y 2 1 r ( x ) y ' 2 y r ( x ) y ' r ( x ) 2 1 y r ( x ) 1

  = ⇒ = − u ' u dx v ' = ⇒ v = dx

  ∫ ∫ y y 1 2 W y y 1 2 W y ' y ' 1 2 y ' y ' 1 2 y y 1 2 Ket erangan: W = y y 1 ' ' 2 Contoh Contoh

  1. y” + y = t an x Jawab:

  Persam aan karakt erist iknya:

  2 r + 1 = 0

  Ù r = ± i

  Jadi solusi hom ogennya adalah y = C cos x + C sin x

  h

  1

  2 Unt uk y dipilih y = u y + v y dengan p p

  1

  2

  y = cos x

  y = sin x

  1

  1

  2

  1

  2

  2

  2

  y’ = - sin x = cos x+ sin x = 1

  y’ = cos x

  1

  2 2

  x sin − x x x 1 cos sin tan

  = − xx dx dx (sec cos )

  = − = − dx u dx

  = − ∫ ∫ ∫

  ∫ x cos cos x

  1

  • − =

  • sin tan sec ln + − =
  • − =
  • − + =
  • 9 = 0

  Jadi solusi um um dari persam aan diferensial di at as

  − + + − = ( ) x x x cos tan sec ln

  ( ) x x x x x x x y p cos sin cos sin cos tan sec ln

  Sedangkan, Jadi solusi non hom ogen didapat

  − cos =

  = dx x sin x

  ∫ = dx x x v

  1 tan cos ∫

  dx x dx x cos sec

  ∫ ∫

  ) ) x x x

  

Lanjutan

Lanjutan

  ( (

  Contoh Contoh

  ( ) C x x x x x C y cos tan sec ln sin cos 2 1

  • v y

  y

  W= y

  1 y’

  2

  1 y’

  2

  = 3 cos

  2

  3x+ 3 sin

  2

  3x = 3

  1

  2

  = - 3 sin 3x y

  2

  = 3 cos 3x Sehingga diperoleh

  ∫ − = dx x x u

  3 3 sec 3 sin 2

  ∫ − = dx x x

  3 tan 3 sec

  3

  1 x

  3 sec

  9

  = sin 3x

  y

  1 − =

  1

  Contoh Contoh

  2. y” + 9y = sec

  2 3x

  Jawab: Persam aan karakt erist iknya:

  Ù r

  2

  r = ± 3 i

  Jadi solusi hom ogennya adalah y

  h

  = C

  cos 3x + C

  = cos 3x

  2

  sin 3x Unt uk y

  p

  dipilih y

  p

  = u y

  1

  2

  dengan

  y

  1

  • – y’

  • =

  1 3 cos 3 sec

  • − =

  9

  1

  Jadi solusi um um dari persam aan diferensial di at as

  ( ) x x x y p

  3 sin 3 tan 3 sec ln

  9

  1

  9

  1

  ( ) C x x x x x C y

  3 sin 3 tan 3 sec ln

  9

  1

  9

  9

  3 sin 3 tan 3 sec ln

  ( ) x x x x x y p

  Sedangkan, Jadi solusi non hom ogen didapat

  Contoh Contoh

  ( (

  

Lanjutan

Lanjutan

  ) )

  ∫ = dx x x v

  3 3 sec 3 cos 2

  ∫ = dx x 3 sec

  3

  1 x x

  3 tan 3 sec ln

  9

  1

  • − =

  1 3 sin 3 cos 2 1

  • − + =
Latihan Latihan

  1. y” + y = cosec x cot x 2. y” + y = cot x x e 3. y” – 3 y’ + 2y =

  e

  1 − 2 x e 4. y” + 4 y’ + 4 y =

  • x

  2 x 5. y” + 4 y = 3 cosec 2x

  6. y” + 4 y = 3 cosec x 7. 4 y” + y = 2 sec (x/2) x e 8. y” – 2y’ + y =

  1 x

  • 2

Program Perkuliahan Dasar Umum Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Pe n ggu n a a n PD Or de

  I I Pe n ggu n a a n PD Or de

  I I

  Penerapan dalam Rangkaian Listrik

Penerapan dalam Rangkaian Listrik

  Perhat ikan suat u rangkaian ( gam bar sam ping) dengan sebuah t ahanan ( R ohm ) , dan sebuah kum paran ( L Henry) dan sebuah kapasit or ( C farad) dalam rangkaian seri dengan sum ber gaya elekt rom ot if yang m enyediakan suat u volt ase

  E( t ) volt pada saat t . Hukum Kirchhoff

  unt uk kasus ini, m uat an Q pada kapasit or, diukur dalam coulom b, m em enuhi

  2 d Q dQ

  1

  • L R Q = E t

  ( )

  2 dt dt C

  ( (

  Lanjutan Lanjutan

  ) ) dt dQ

  I =

  , diukur dalam am pere, m em enuhi Arus persam aan yang diperoleh dengan pendiferensialan persam aan di at as t erhadap t , yait u

  ( ) E t

  I C dt dI R dt

  I d L '

  

1

  2

  2 = + +

Contoh Contoh

  Tent ukan m uat an Q dan arus I sebagai fungsi dari wakt u t dari suat u rangkaian RLC dengan R = 16 ohm , L = 0,02

  • - 4

  henry, C = 2 x 10 farad dan E = 12 Volt dengan diasum sikan saat awal arus dan m uat annya adalah nol ( pada wakt u saklar S dit ut up)

  Ja w a b

  Dari hukum kirchhoff, t ent ang rangkaian RLC didapat

  12 At au bisa disederhanakan

  16 Q ' 5000 Q = + + ,

  • Q " 800 Q ' 250000 Q = 600

Contoh Contoh

  Persam aan karakt erist iknya adalah 2

  r 800 r 250000 = + +

  Diperoleh akar – akar persam aannya :

  r 400 300 i = − ±

  Solusi hom ogen :

  • +

    Q = e C cos 300 t C sin 300 t

  − 400 t h ( 1 2 )

  Dengan m enggunakan m et ode koefisien t ak t ent u, dengan m engam bil Q = A, di dapat

  p3 Q = p 2 , 4 x

  

10

Jadi solusi um um nya adalah − 3 − 400 t

  =

Q 2 , 4 x 10 e C cos 300 t C sin 300 t

  ( 1 2 )

Rangkaian Rangkaian RLC RLC

  3 −

  

= =

  I t 300 sin ( 2 ) ' ) ( 400

  Q t e t t

  Dengan pendiferensialan diperoleh dan Jadi solusi khususnya adalah

  − = x C

  2 −

  10 4 ,

  − = x C 3 1

  10 2 ,

  ( )

  2

  3

  Dengan m em asukkan syarat awal Q( 0) = 0 dan I ( 0) = 0 m aka diperoleh

  − −

  10 400 3

  2

  • − =

  3 300 cos 4 , 2 4 ,

  

Q t t e

t 300 sin 2 ,

  [ ]

Latihan Latihan

  1. Hit unglah kuat arus yang m engalir dalam suat u rangkaian RLC dengan nilai R = 100 ohm , L = 0,1

  • - 3

  henry, C = 10 farad yang dihubungkan dengan sum ber t egangan E( t ) = 155 sin 377 t dengan diasum sikan pada saat awal arus dan m uat annya adalah nol.

  2. Tent ukan m uat an Q sebagai fungsi dari wakt u t yang

  6

  m engalir dalam suat u rangkaian RC dengan R = 10

  • - 6

  ohm , C = 10 farad dan sum ber t egangannya konst an dengan E = 1 Volt dan diasum sikan saat awal m uat annya adalah nol.

Latihan Latihan

  3. Hit unglah m uat an dan kuat arus I yang m engalir dalam suat u rangkaian RLC dengan nilai R = 1000 ohm , L =

  • 6

  3,5 henry, C = 2 x 10 farad yang dihubungkan dengan sum ber t egangan E( t ) = 120 sin 377t dengan diasum sikan pada saat awal arus dan m uat annya adalah nol.

  4. Tent ukan kuat arus I sebagai fungsi dari w akt u t yang

  • 2

  m engalir dalam suat u rangkaian LC dengan L = 10

  • 7

  Henry, C = 10 farad dan sum ber t egangannya konst an dengan E = 20 Volt dan diasum sikan saat awal m uat an dan arusnya adalah nol.