Modifikasi Metode Newton-Steffensen Bebas Turunan
Modifikasi Metode Newton-Steffensen
Bebas Turunan
1,2 M. Nizam M.Y1 Jurusan Matematika, Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sultan Syarif Kasim Riau
2 Mahasiswa Program Studi Magister Matematika, FMIPA Universitas Riau
Kampus BinaWidya, Pekanbaru, 28293
Jl. HR. Soebrantas No. 155 Simpang Baru, Panam, Pekanbaru, 28293
e-mail : nizam_ys86@yahoo.com
Abstrak
Makalah ini mengembangkan metode Newton-Steffensen dengan melibatkan interpolasiLagrange dan selisih terbagi untuk menghilangkan fungsi turunan dan meningkatkan orde konvergensi.
Berdasarkan hasil penelitian ini diperoleh bahwa hasil modifikasi menghasilkan orde konvergensi lima
1
4
dengan efficiency index . Simulasi numerik menunjukkan keefektifan dan performa metode
5 1,4953 baru dalam menyelesaikan persamaan nonlinier.
Kata kunci: Interpolasi, Newton-Steffensen, Orde Konvergensi, Persamaan Nonlinear.
Abstract
This paper develops Newton-Steffensen method involving Lagrange interpolation and the divideddifference to eliminate the derivative function and increase the order of convergence. Based of this
1
5 1,4953
Simulation numerical are given to illustrate the efiiciency and performance of the new methods in solving
nonlinier equations.4
research is showed that the modified produce five-order convergence with efficiency index .
Keywords: Interpolation, Newton-Steffensen, Nonlinear Equations, Order of Convergence,
1. Pendahuluan
Penyelesaian persamaan nonlinear adalah permasalahan yang sangat penting dalam
analisis numerik, karena sebagian besar tidak dapat diselesaikan dengan metode analitik.
Untuk itu, diperlukan sebuah teknik penyelesaian yang bisa digunakan untuk menyelesaikannya
yaitu metode numerik.Salah satu permasalahan dalam persamaan nonlinear adalah menentukan akar-akar
persamaan ' ( ) . Banyak metode iterasi yang bisa digunakan dalam menyelesaikan
f x npermasalahan tersebut, tetapi metode iterasi yang sering digunakan adalah metode Newton
Raphson yang ditulisf ( x )
n x x (1) n 1 n
' ( )
f x
nMetode ini memiliki konvergensi kuadratik. Untuk mempercepat kekonvergenannya
metode Newton banyak mengalami modifikasi.Weerakon & Fernando (2000) dengan aturan
trapesium, Ozban (2004) aturan titik tengah, Kanwar (2006) dengan mengevaluasi fungsi, dan
Jisheng, et.al (2007) dengan melibatkan rata-rata aritmatik.Selanjutnya, jika fungsi pada Persamaan (1) diaproksimasi dengan selisih maju f ' ( x ) n berikut:
( ( )) ( ) f x f x f x n n f ' ( x ) n f ( x ) n
Maka akan diperoleh
2
f ( x ) n x x (2) n
1 n
f ( x f ( x )) f ( x ) n n Metode ini dikenal dengan metode Steffensen. Sharma (2005) memodifikasi metode
Steffensen dengan melibatkan kembali turunanan fungsi ( ) dan metode Newton, yang
f ' x ( ) ditulis2
f ( x ) n x x (3) n
1 n
f ' ( x )( f ( x ) f ( y )) n n dengan f ( x ) n y x n n
' ( ) f x n
Metode ini dikenal dengan metode Newton Steffensen dengan orde konvergensi kubik. Dalam
makalah ini, metode yang dikemukan oleh Sharma akan dimodifikasi menggunakan interpolasi
langrange yang bebas turunan.2. Metodologi Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah studi pustaka dengan mempelajari
lilteratur-literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan dengan langkah-langkah yang
digunakan sebagai berikut : x z
1. Mendefenisikan kembali Persamaan (3) dengan mengganti dengan , sehingga
1
n n dapat ditulis
2
f ( x )
n
z x n nf ' ( x )( f ( x ) f ( y ))
n n
2. Selanjutnya, metode Newton pada Persamaan (1) didefeniskan kembali dengan mengganti
x dengan z , yang ditulis n nf ( z )
n x z n1 n
f ' ( z )
n' ( )
3. Fungsi f x diaproksimasi menggunakan interpolasi lagrange orde dua. Selanjutnya,
n hasilnya disubstitusikan ke persamaan pada langkah 2.
4. Hasil yang diperoleh pada langkah 3 yang masih memuat fungsi turunan diaproksimasi
kembali menggunakan selisih terbagi, yaitu f ' ( x ) f [ x , w ] n n n f ( w ) f ( x )
n n
w x
n n Pada langkah ini akan diperoleh metode iterasi baru.
5. Menentukan orde konvergensi dan indeks efisiensi untuk metode iterasi yang diperoleh
pada langkah 3.3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Modifikasi Metode Newton-Steffensen
Berdasarkan Persamaan (1) dan (3), didefenisikan kembali metode Newton dengan mengganti x dengan z , sehingga dapat ditulis n n
( )
f z
n x z (4) n
1 n
f ' ( z )
n dengan2
( ) f x n z x n n f ' ( x )( f ( x ) f ( y )) n n
Selanjutnya, fungsi f ' ( z ) pada persamaan (4) diaproksimasi menggunakan n interpolasi Lagrange orde dua. Sehingga diperoleh
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) f z f x f z f y f y f x n n n n n n f ' ( z )
(5) n z x z y y x
n n n n n n
Persamaan (5) dapat ditulis kembali dalam bentuk f ' ( z ) f [ x , z ] f [ y , z ] f [ x , y ] (6)
n n n n n n n dengan f ( z ) f ( x )
n n f [ x , z ] (6a)
n n z x
n n
( ) ( ) f z f y n n f [ y , z ] (6b) n n z y
n n f ( y ) f ( x )
n n f [ x , y ]
(6c) n n y x
n n
Dengan mensubstitusikan Persamaan (6) ke Persamaan (4), maka diperoleh persamaan berikut ( ) f z n x z (7) n
1 n
f [ x , z ] f [ y , z ] f [ x , y ] n n n n n n dengan f ( x ) n y x n n
' ( ) f x n
2
f ( x ) n z x n n f ' ( x )( f ( x ) f ( y )) n n
Oleh karena, pada Persamaan (7) untuk mengevaluasinya masih melibatkan fungsi turunan f ' ( x ) . Maka f ' ( x ) akan diakprosimasi menggunakan selisih terbagi berikut : n n f ' ( x ) f [ x , w ] (8)
n n n f ( w ) f ( x )
n n
w x
n n f ( w ) f ( x )
n n
f ( x ) n
( ) dengan w x f x . n n n
( ) f z n x z (9a) n
1 n
f [ x , z ] f [ y , z ] f [ x , y ] n n n n n n f ( x ) n
(9b) y x n n f [ x , w ] n n
2
( ) f x n
(9c) z x n n f [ x , w ]( f ( x ) f ( y )) n n n n
Persamaan (9) merupakan modifikasi metode Newton-Steffensen bebas turunan dengan melibatkan empat evaluasi fungsi.
3.2. Orde Konvergensi
Teorema 1. Asumsikan bahwa fungsi f memiliki turunan dan f memiliki akar penyelesaian I . Jika titik awal x cukup dekat dengan , maka metode iterasi pada Persamaan (9) memiliki orde konvergensi berikut :
4
c
5
6
2
2
(10) e 2 ( c 1 ) e O ( e ) n
1 1 n n
c
1
dengan e x .
n n
Bukti : Misalkan adalah akar dari ) , maka ( ) , kemudian f (x f
x e dan, diasumsikan ' ( ) , maka dengan menggunakan deret Taylor diperoleh
f n n
2
3
4
5
f ( x ) f ' ( )( c e c e c e c e ( e ) (11) n
1 n 2 n 3 n 4 n n
dan
2
2
2
3
2
4
5
f ( x ) f ' ( )( c e 2 c c e ( 2 c c c ) e ( e ) (12) n
1 n
1 2 n n
3 2 n n
Oleh karena w x f ( x ) , maka diperoleh n n n
2
3
4
5
w ( 1 c ) e c e c e c e ( e ) n
1 n 2 n 3 n 4 n n
Selanjutnya, dengan menggunakan ekspansi deret Taylor diperoleh
2
2
2
2
3
2
f ( w ) f ' ( ) ( c c c 3 c c ) e ( c c ) e ( c 3 c c c c n
2
1
1 2 n
1 1 n
3
3
1
3
1
2
2
3
3
2
4 2 ) (
5
1
2
1
3 2 n
2
3
1
2
3
1
4
2
8 c c c c c e c c c c c c c c
2
4
5
1
2
3
n n
3 c c c ) e ( e ) (13)
2
2
2
f ( w ) f ( x ) c e ( 3 c c c c ) e n n
1 n
1
2
2 1 n
(14) sehingga
2
2
2
[ , ] ( 2 ) (
3 3 ) (15)
f x w c c c c e c c c c c c e
n n1
2
1 2 n
2
3
1
3
1 2 n
Selanjutnya, substitusikan Persamaan (15) ke Persamaan (9b) sehingga diperoleh ( ) f x n y x n n f [ x , w ] n n
2
2
c
2
2 c
2
2 c 2 c
3
2
3
2
2
c e c c c 3 c e (16)
2 n
1
3
2 3 n
2
c c c c
1
1
1
1
Selanjutnya, mengunakan ekspansi deret Taylor untuk Persaman (16) akan diperoleh
2
2
2
2
2
2 c
3
2
(17) n
1
2 2 n
2
3
1
3
1
2
3 1 n
c
1
Substitusikan Persamaan (11), (12), (15), dan (17) ke Persamaan (9c), sehingga diperoleh
2
f ( x ) n z x n n f [ x , w ]( f ( x ) f ( y )) n n n n
2
2
3
3
2
2
c c3 c c
4
2
2
2
2
e e (18) n n
2
3
2
c
1 c c c
1
1
1
Persamaan (18) diekspansi menggunakan deret Taylor akan diperoleh
2
3
3
2
2 c
2 3 c c
4
2
2
2
( ) (19) f z c e e n
2 n n
2
c c
1 c
1
1
[ , ], [ , ] [ , ]
Selanjutnya, untuk memperoleh f x z f y z , dan f x y . Substitusikan
n n n n n nPersamaan (11), (16), (17), (18), dan (19) ke Persamaan (6a-6c) sehingga diperoleh
3
3
4
4
c c
3
2 c 2 c
4
2
2
2
2
(20) f [ x , z ] c c e e e
1
2
n n n n n
2
3
2
c
1 c c c
1
1
1
2
4
4
2 c
2
2 c 2 c
4
2
2
2
f [ y , z ] c c e e (21) n n1 2 n n
3
2
c c c1
1
1
3
3
2 c c
2 c c
3
2
3
2
2
[ , ] 3 (22) f x y c c e c c c c c e n n
1 2 n
1
2
3
2 3 n
2
c c
1 1 c
1
Substitusikan Persamaan (18) - (22) ke Persamaan (9a), sehingga diperoleh f ( z )
n
x z n 1 n
[ , ] [ , ] [ , ]
f x z f y z f x yn n n n n n
4
2
4
2 c 4 c
2 c
5
6
2
2
2
(23)
e O ( e ) n n
2
3
4
c c c
1
1
1
Oleh karena maka diperoleh x e n
1 n
1
4
c
5
6
2
2
e 2 ( c 1 ) e O ( e ) n
1 1 n n
c
1
Definisi 1 Misalkan p adalah banyak evaluasi fungsi yang dibutuhkan oleh suatu
metode. Efisiensi dari metode tersebut dihitung dengan konsep efisiensi indeks yang
didefinisikan dengan , dimana q adalah orde konvergensi dari metode tersebut.Berdasarkan hasil yang diperoleh metode iterasi Persamaan (9) memiliki orde
konvergensi lima dan empat evaluasi fungsi, sehingga metode ini memiliki indeks efisiensi
1
4 5 1,4953
3.2. Simulasi Numerik
Simulasi numerik dilakukan untuk menguji performa metode iterasi yang diperoleh pada
Persamaan (9). Simulasi dilakukan pada beberapa fungsi yang dipilih dengan mengambil
xtebakan sedekat mungkin dengan akar persamaan mengunakan software MAPLE 13
dengan ketelitian 800 digits. Adapun fungsi yang diambil adalah sebagai berikut :2
2
f ( x ) sin ( x ) x 1 1 , 4044916482
15
1
x
2
f ( x ) sin( x ) e ln( x 1 ) , 0000000000
00
2
f ( x ) cos( x ) x , 7390851332
15
3
1
2
x ( ) ( 1 ) f x e 2 , 0000000000
00
2
2 Untuk memperlihatkan akar persamaan dari fungsi-fungsi di atas dapat dilihat pada
Gambar 1 berikut :
(a) (b)
(c) (d)
, (b) , ( )Gambar 1 : Grafik fungsi (a) f ( x ) f ( x ) (c) f x dan (d) f ( x )
1
2
3
4 Selanjutnya, hasil simulasi numerik untuk jumlah iterasi yang diperoleh untuk beberapa
metode yaitu Metode Newton (NW), Metode Steffensen (MS), Metode Newton-Steffensen
(MNS), dan Metode Modifikasi Newton-Steffensen (MMNS) dapat dilihat pada Tabel 1 berikut
ini : Tabel 1 : Perbandingan Jumlah Iterasi Beberapa Metode IterasiJumlah Iterasi f (x ) x
MN MS MNS MMNS
1,0
10
10
6
4 f ( x )
1
0,7
11
13
7
5 f ( x )
2
2,0
9
10
5
3 f ( x )
3
2.5
10
10
6
4 ( ) f x
4 Berdasarkan Tabel 1 terlihat bahwa modifikasi metode Newton-Steffensen bebas
turunan memliki iterasi yang lebih sedikit dibandingkan metode yang lainnya. Selain dengan
melihat jumlah iterasi performa metode iterasi juga dapat dilihat dengan menggunakan
Computational of Convergence, yaitu perhitungan metode orde konvergensi secara numerik. f ( x ) Definisi 2. Misalkan adalah akar dari persamaan dan misalkan
, ,
x x x adalah tiga hasil iterasi berturut-turut yang cukup dekat ke akar , maka orde
1
1
n n n konvergensi secara komputasi (COC) dapat diaproksimasikan dengan rumus ln ( x ) /( x )
1
n n COC
(24) ln ( x ) /( x )
1
n n Tabel 2 di bawah ini menunjukkan perbandingan nilai orde konvergensi yang diperoleh dari perhitungan COC.
Tabel 2 : Perbandingan COC Beberapa Metode Iterasi
Jumlah Iterasi
f (x ) xMN MS MNS MMNS
1,0 1,9999999999 1,9999999999 3,0000000000 4,9999999999 f ( x )
1
0,7 1,9999999999 2,0000000000 2,9999999999 4,9999999999 f ( x )
2
2,0 2,0000000000 1,9999999999 3,0000000000 4,9999999999 f ( x )
3
2.5 2,0000000000 1,9999999999 2,9999999999 4,9999999999 ( ) f x
4 Berdasarkan Tabel 2 terlihat bahwa MN dan MS memiliki konvergensi kuadratik, MNS memiliki konvergensi kubik, dan MMNS memiliki konvergensi lima.
4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pambasan Metode Modifikasi Newton-Steffensen (MMNS) memiliki
1
4 orde konvergensi lima dan indeks efesiensi 5 1,4953 . Ini lebih besar jika dibandingan
1
1
2
2 dengan Metode Newton (MN) yaitu 2 1,4142 , Metode Steffensen (MS) yaitu 2 1,4142 ,
1
3 dan Metode Newton Steffensen (MNS) yaitu 3 1,4422 .
Sehingga dapat disimpulkan bahwa MMNS lebih efektif dan metode yang digunakan lebih efisien dalam menyelesaikan persamaan nonlinear.
Referensi [1]
F. Soelaymani. 2011. Efficient Sixth Order Nonlinear Solvers Free from Deriva-tive. World Applied
Sciences Journal. 13 : 2503 – 2508.
[2] Jisheng,K., et.al. 2007. Third- Order Modification of Newton’s Method. Journal Computational and
Applied Mathematics. 205 : 1 – 5.Kanwar, V. 2006. A Family of Third Orde Multipoint Methods for Solving Nonlinear Equations. 2006. [3] Applied Mathematics and Computation. 176 : 409 – 413.
[4] Liu, Z., Q. Zheng, and P. Zhao. 2010. A Variant of Steffensen’ Method of Fourth-Order
Convergence and Its Apliactions. Applied Mathematic and Computation. 216 : 1978- – 1983.
[5] Ozban, A.Y. 2004. Some New Variants of Newton’s Method. Applied Mathematic Letters. 13 : 87 –
93. Sharma, J.R. 2005. A Composite Third Order Newton Steffensen Method for Solving Nonlinear [6] Equations. Applied Mathematic and Computation. 169 : 242 – 246.
[7] W. Gautschi, Numerical Analysis, 2nd Ed, Birkhauser, New York, 2012.
[8] Weerakon, S. And Ferrnando, T.G.I. 2000. A Variant of Newton’s Methods with Accelered Third-
Order Convergence. Applied Mathematics Letters. 13 : 87 – 93.