Draft Modul Matematika Geodesi Draft Modul Matematika Geodesi
UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK GEODESI
Jalan Grafika No. 2, Sendowo, Yogyakarta
Buku 2 : RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Minggu ke-1)
MATEMATIKA GEODESI
Semester III / 2 SKS / TKGD2302
Oleh:
1. Ir. Parseno, MT.
2. Ir. Nurrohmat Widjajanti, MT., Ph.D.
3. Dwi Lestari, ST., ME.
4. Ir. Sri Narni, MT.
Didanai dengan Dana BOPTN P3-UGM
Tahun Anggaran 2013
Nopember 2013
LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN PENYUSUNAN MODUL PEMBELAJARAN BPOPTN – 2013
1 a. Buku I Rencana Kegiatan Pembelajaran Mingguan (RKPM)
b. Matakuliah
Matematika Geodesi
c. Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika
d. Semester/SKS/Kode
III/3 SKS/TKGD2302
e. Prasyarat
Sistem Acuan Geodetik
f. Status matakuliah
Wajib
2 Dosen Pengampu I
a. Nama lengkap dan gelar Ir. Parseno, MT.
b. Pangkat, Golongan, NIP Penata Tk.I, III.d., 1956 10 08 1983 03 1 001
c. Jabatan Fungsional
Lektor
d. Jurusan, Fak, Univ. Teknik Geodesi, Fakultas Teknik, UGM
3 Dosen Pengampu II
a. Nama lengkap dan gelar Ir. Nurrohmat Widjajanti, M.T., Ph.D.
b. Pangkat, Golongan, NIP Pembina, IV.a., 1969 10 21 1994 03 2 003
c. Jabatan Fungsional
Lektor Kepala
d. Jurusan, Fak, Univ. Teknik Geodesi, Fakultas Teknik, UGM
4 Dosen Pengampu III
a. Nama lengkap dan gelar Dwi Lestari, ST.,ME.
b. Pangkat, Golongan, NIP Asisten Ahli, III.a., 1975 08 30 1999 03 2 002
c. Jabatan Fungsional
Lektor
d. Jurusan, Fak, Univ. Teknik Geodesi, Fakultas Teknik, UGM
5 Dosen Pengampu IV
a. Nama lengkap dan gelar Ir. Sri Narni, MT.
b. Pangkat, Golongan, NIP Penata Muda, III.c., 1950 10 09 1977 02 2 001
c. Jabatan Fungsional
Lektor
d. Jurusan, Fak, Univ. Teknik Geodesi, Fakultas Teknik, UGM Disetujui : Yogyakarta, 20 November2013
Ketua Jurusan Teknik Geodesi Koordinator Dosen Pengampu Ketua PS T. Geodesi dan Geomatika
Ir. Djurdjani, MSP., M.Eng., Ph.D. Ir. Parseno, MT. NIP 1958 08 20 1985 02 1 001 NIP 1956 10 08 1983 03 1 001
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN PRAKATA DAFTAR ISI MODUL 1
: Pendahuluan dan Review Aljabar Vektor MODUL 2
: Sistem Koordinat Vektor MODUL 3
: Aplikasi Vektor dalam Geometri Analitik MODUL 4
: Diferensial Vektor MODUL 5
: Medan Skalar dan Medan Vektor MODUL 6
: Geometri Diferensial MODUL 7
: Geometri Diferensial MODUL 8
: Tes Sumatif 1 (UTS) MODUL 9
: Geometri Diferensial MODUL 10
: Geometri Diferensial MODUL 11
: Segitiga Bola MODUL 12
: Geometri Segitiga Bola MODUL 13
: Geometri Segitiga Bola MODUL 14
: Aplikasi Segitiga Bola MODUL 15
: Aplikasi Segitiga Bola MODUL 16
: Tes Sumatif 2 (UAS)
PRAKATA
Matematika Gedesi adalah matakuliah wajib di semester III pada program studi Teknik Geodesi dan Geomatika, Jurusan Teknik Geodesi Fakultas Tekik UGM. Matakuliah ini diselenggarakan sebagai salah satu pendukung kompetensi yang harus dicapai lulusan program S1 Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika.
Keberhasilan pencapaian kompetensi yang diharapkan pada program studi ini sangat ditentukan oleh proses kegiatan pembelajaran. Dalam rangka menuju ke cita-cita program studi tersebut disusunlah Bahan Ajar untuk matakuliah Matematika Geodesi. Buku ini diharapkan dapat digunakan sebagai acuan oleh pengampu matakuliah Matematika Geodesi dalam menyampaikan perkuliahan maupun oleh mahasiswa yang mengambil matakuliah ini.
Dengan selesainya pembuatan buku bahan ajar Matematika Geodesi ini, penyusun menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Ketua P3 UGM atas biaya yang dialokasikan guna penyusunan buku ini.
2. Ketua Jurusan Teknik Geodesi atas kepercayaan yang diberikan untuk menyusun buku ini.
3. Tim MONEV atas masukan-masukan guna perbaikan dalam penyusunan buku RPKPS an Bahan Ajar. Selanjutnya harapan penyusun semoga buku ini dapat membantu pengampu matakuliah Matematika Geodesi dalam menyampaiakan materi di kelas dan membantu mahasiswa dalam memahami isi matakuliah Matematika Geodesi.
Yogyakarta, 20 November 2013 Koordinator Dosen Pengampu
Ir Parseno, MT. NIP 1956 10 08 1983 03 1 001
TINJAUAN MATAKULIAH
Matematika Geodesi III/3 SKS/TKGD2302/Wajib
DESKRIPSI MATAKULIAH
Matakuliah ini menjelaskan dasar-dasar matematika yang digunakan dalam ilmu Geodesi, meliputi aljabar vektor, diferensial vektor, geometri diferensial, medan skalar dan medan vektor, serta ilmu ukur segitiga bola.
KEGUNAAN MATAKULIAH BAGI MAHASISWA
Matakuliah ini berguna bagi mahasiswa terutama dalam mempelajari bentuk bumi terkait dengan medan gayaberat bumi, penentuan konstanta fisik bumi, dan karakteristik dari garis untuing-unting (plumb line) terhadap bidang- bidang equipotensial. Matakuliah lain yang didasari oleh matakuliah ini adalah Proyeksi Peta. Pengetahuan tentang kelengkungan garis, kelengkungan normal pada bidang-bidang irisan sangat mendukung dalam memahami transformasi data ukuran pada bidang lengkung ke bidang datar (bidang peta). Dengan memiliki bekal materi pada matakuliah Matematika Geodesi diharapkan mahasiswa akan lebih mudah dalam mempelajari matakuliah lanjutan yang terkait dengan Matematika Geodesi.
TUJUAN PEMBELAJARAN
Mahasiswa mampu menyelesaikan persoalan-persoalan hitungan dalam aljabar vektor dan hitungan diferensial pada vektor, dapat menerapkan hitungan vektor untuk menyelesaikan persoalan pada kurva dan luasan (geometri diferensial) serta mampu menyelesaikan persoalan-persoalan hitungan dalam ilmu segitiga bola untuk mendukung tercapainya kompetensi dalam pengolahan data geosapasial.
SUSUNAN URUTAN BAHAN AJAR
BAB I : PENDAHULUAN DAN RIVIEW ALJABAR VEKTOR
a. Penggunaan Vektor dan Segitiga Bola
b. Pengertian Vektor, Jenis dan Sifat-sifat Vektor
c. Letak Relatif 2 Vektor (Dependent dan Indepent Linear).
d. Letak Relatif 3 Vektor (Asas Koplanaritas).
e. Dalil-dalil dalam R2 (2-dimensi) dan R3 (3-dimensi).
BAB II : SISTEM KOORDINAT VEKTOR
a. Komponen Vektor dalam Bidang dan Ruang
b. Vektor Satuan
c. Operasi Vektor Penjumlahan, Selisih dan Perkalian dengan Skalar
d. Operasi Vektor : Dot Product dan Cross Product
e. Operasi Vektor : Perkalian 3 Vektor
BAB III : APLIKASI VEKTOR DALAM GEOMETRI ANALITIK
a. Persamaan Garis AB
b. Persamaan Garis melalui A Sejajar Vektor b
c. Persamaan Garis/Bidang melalui A Tegak Lurus Vektor b
d. Persamaan Bidang melalui A // b dan // c
e. Menentukan Jarak Titik ke Garis atau Bidang
f. Persamaan Bidang Tertentu oleh 3 Vektor
g. Sudut antara Dua Bidang
BAB IV : DIFERENSIAL VEKTOR
a. Fungsi Satu Perubah
b. Fungsi Lebih dari Satu Perubah
BAB V : MEDAN SKALAR DAN MEDAN VEKTOR BAB V : MEDAN SKALAR DAN MEDAN VEKTOR
b. Gradien
c. Divergensi
BAB VI : GEOMETRI DIFERENSIAL
a. Kurva dalam Ruang
b. Vektor Singgung
c. Vektor Binormal pada Kurva
BAB VII : GEOMETRI DIFERENSIAL
a. Kelengkungan dan Puntiran pada Kurva
b. Sifat-sifat Kurva
BAB VIII : UJIAN TENGAH SEMESTER (Tes Sumatif 1)
BAB IX : GEOMETRI DIFERENSIAL
a. Luasan atau Permukaan dan Garis
b. Besaran Fundamental Orde I dan Orde II
BAB X : GEOMETRI DIFERENSIAL
a. Kelengkungan Utama Gauss
b. Sifat-sifat Developable
c. Sifat Titik pada Luasan
BAB XI : SEGITIGA BOLA
a. Pengertian dan Terbentuknya Segitiga Bola
b. Istilah dalam Segitiga Bola
BAB XII : GEOMETRI SEGITIGA BOLA
a. Syarat Hitungan pada Segitiga Bola
b. Jenis Segitiga Bola
c. Hitungan pada Segitiga Bola Siku (Aturan Napier)
BAB XIII : GEOMETRI SEGITIGA BOLA
a. Hitungan pada Segitiga Bola Kutub
b. Hitungan pada Segitiga Bola Kwadran
c. Hitungan pada Segitiga Bola Sembarang (Aturan Sinus dan Cosinus)
BAB XIV : APLIKASI SEGITIGA BOLA
a. Pelayaran melalui Lingkaran Besar
b. Penentuan Arah Garis antara Dua Tempat
BAB XV : APLIKASI SEGITIGA BOLA
a. Aplikasi Segitiga Bola pada Astronomi
b. Bola Langit
c. SK Langit
BAB XVI : UJIAN AKHIR SEMESTER (Tes Sumatif 2) PETUNJUK PENGGUNAAN BAHAN AJAR
Buku Bahan Ajar ini digunakan sebagai pedoman baik bagi dosen pengampu maupun mahasiswa. Materi pembelajaran pada matakuliah ini tersusun dala 16 bab. Setiap bab adalah materi untuk satu kali pertemuan. Dengan buku ini diharapkan mahasiswa dapat mengetahui materi-materi dalam satu pertemuan, sehingga dapat mempersiapkan materi sebelum kuliah.
Agar supaya mahasiswa dapat lebih memahami mengenai materi yang disampaikan setiap kali pertemuan, dalam buku ini dilengkapi dengan pertanyaan- pertanyaan ataupun soal latihan hitungan. Penyelesaian soal-soal latihan pada setiap akhir pertemuan digunakan sebagai tolok ukur keberhasilan dalam proses pembelajaran.
Supaya proses pembelajaran matakuliah Matematika Geodesi dapat berjalan lancar, maka mahasiswa wajib:
1. Membaca/ mempelajari daftar pustaka yang diwajibkan dan dianjurkan.
2. Mengerjakan latihan/tugas yang diberikan oleh dosen pengasuh, baik berkelompok maupun mandiri.
3. Aktif bertanya, menjawab pertanyaan maupun menyampaikan pendapatnya pada saat sesi diskusi di setiap pertemuan kuliah.
UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK GEODESI
Jalan Grafika No. 2, Sendowo, Yogyakarta
Buku 2 : RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Minggu ke-1 )
MATEMATIKA GEODESI
Semester III / 2 SKS / TKGD2302
Oleh:
1. Ir. Parseno, MT.
2. Ir. Nurrohmat Widjajanti, MT., Ph.D.
3. Dwi Lestari, ST., ME.
4. Ir. Sri Narni, MT.
Didanai dengan Dana BOPTN P3-UGM Tahun Anggaran 2013
November 2013
BAB I PENDAHULUAN DAN REVIEW ALJABAR LINIER
I.1. Pendahuluan
Bagian ini dimaksudkan untuk memberi gambaran kepada mahasiswa tentang lingkup pembelajaran matakuliah Matematika Geodesi secara keseluruhan serta keterkaitanya dengan bidang geodesi dan bidang lain khususnya kalkulus. Pada bab I, akan dibahas materi tentang: penggunaan vektor dan segitiga bola dalam bidang geodesi. Selanjutnya akan di-review mengenai pengertian vektor, jenis vektor dan sifat-sifatnya, letak relatif 2 vektor (dependent dan indepent linear ), serta dalil-dalil dalam R2 (2-dimensi) dan R3 (3-dimensi).
I.1.1. Deskripsi Singkat
Vektor adalah besaran yang memiliki besar/nilai dan arah. Dalam penerapannya beberapa vektor dapat digabung dengan operasi aljabar. Letak relatif dari 2 buah vektor atau satu vektor terhadap vektor lainya dapat menunjukan hubungan linier yang disebut hubungan gayut (dependen) atau hubungan tak gayut (independen). Sedangkan hubungan linier tiga buah vektor dapat digunakan untuk menjelaskan azas koplanaritas yaitu suatu azas yang menunjukan bahwa ketiga vektor tersebut terletak pada satu bidang atau tidak.
I.1.2. Manfaat
Mahasiswa dapat memahami arti pentingnya medan vektor dan segitiga bola dalam kerangka konsep model bumi teoritik atau model bumi matematis. Pengetahuan tentang azas kolinieritas dan koplanaritas, sangat mendukung dalam mempelajari matakuliah Fotogrametri. Di dalam Fotogrametri dipelajari pembentukan bayangan tiga dimensi dari sepasang foto udara/citra yang bertampalan. Dengan rekonstruksi bayangan tiga dimensi secara analitik azas kolinier dan koplanaritas diterapkan. Selanjutnya dapat diproses foto ortogonal yang selanjutnya dapat digunakan sebagai peta.
I.1.3. Relevansi
Bab I ini mempunyai maksud memperkenalkan mahasiswa tentang ruang lingkup geodesi secara umum dalam kaitannya dengan disiplin ilmu lainnya, sehingga mahasiswa mendapat gambaran disiplin ilmu yang menjadi dasar ilmu geodesi dan disiplin ilmu penunjangnya. Dari uraian manfaat jelas bahwa pengetahuan letak relatif dari dua atau lebih vektor memiliki hubungan yang kuat, yaitu sebagai jembatan antara pengetahuan matematika dengan ilmu geodesi khususnya bidang fotogrametri.
I.1.4. Learning Outcome
Setelah mengikuti kuliah pertemuan ke-1, mahasiswa akan dapat:
1. Menjelaskan tentang ruang lingkup Matematika Geodesi.
2. Menjelaskan pengertian dan jenis vektor.
3. Menjelaskan letak vektor dan dalil-dalil yang berlaku.
I.2. Penyajian
I.2.1. Penggunaan Vektor dan Segitiga Bola
Dalam bidang geodesi vektor banyak digunakan untk menguraikan kondisi atau fenomena alam misalnya fenomena yang terkait dengan hukum fisika sperti gravitasi bumi, gaya-gaya yang bekerja di permukaan bumi yang berpengaruh pada gaya gravitasi bumi. Gaya pembangkit pasang-surut bumi atau pasang-surut laut.
Segitiga bola digunakan untuk menjelaskan kedudukan bumi secara relatif terhadap planet lain dalam sistem tata surya atau sistem koordinat langit. Segitiga bola juga digunakan untuk menjelaskan hubungan antara tempat yang satu dan tempat yang lain di permukaan bumi dalam sistem toposentris maupun dalam sistem geosentris.
I.2.2. Pengertian Vektor dan Skalar
Vektor didefinisikan sebagai suatu besaran yang mempunyai arah, misalnya kecepatan, gaya, pergeseran, percepatan dll, sedangkan skalar adalah Vektor didefinisikan sebagai suatu besaran yang mempunyai arah, misalnya kecepatan, gaya, pergeseran, percepatan dll, sedangkan skalar adalah
Tabel 1. Perbedaan vektor dan skalar skalar
vektor - Besaran tanpa arah
- Besaran yang mempunyai arah - Contoh: luas, panjang, tinggi, suhu, - Contoh:
gaya, kecepatan, dll
percepatan, pergeseran/translasi, dll - Penulisan simbol: huruf kecil atau - Penulisan simbol: huruf kecil atau besar tanpa strip di bawah, misal: a,
besar dengan strip di bawah, misal
a, P, DF atau cara tulis lain dengan - Operasi pada skalar mengikuti
b, D, M
tanda panah di atas atau di bawah aturan pada aljabar dasar
huruf - Ada aturan tentang aljabar vektor
Lambang vektor:
Vektor PQ = PQ P = pangkal Q = ujung
a Besar vektor PQ = magnitude = |PQ|
Besar vektor a = magnitude a = | a |
Vektor PQ bisa ditulis PQ , PQ , PQ , PQ
I.2.3. Jenis-jenis Vektor
Beberapa jenis vektor yaitu: Vektor bebas: boleh dipindah asal sejajar dan sama besar
Contoh:
Vektor meluncur: boleh digeser sepanjang garis kerja Vektor terikat tetap: titik pangkal tetap, atau biasa disebut dengan vektor letak
Vektor nol = 0 : vektor yang besarnya nol (arah tak tentu) Vektor satuan (unit vector): vektor yang panjangnya/besarnya/magnitudenya =
1 satuan Vektor lawan : adalah vektor yang sama besarnya, arah berlawanan
|a| = |-a|
-a
Dua buah vektor a dan b dikatakan sama apabila: - Sama panjang - Sejajar - Sama arahnya
a=b a ≠b a≠b
I.2.4. Operasi Vektor (Secara Grafis)
Operasi yang dimaksud disini adalah operasi-operasi aljabar seperti pada bilangan skalar, yaitu penjumlahan, pengurangan dan perkalian.
a. Penjumlahan
a +b
a +b
b+a
Sehingga pada penjumlahan vektor berlaku sifat komutatif : a + b = b + a
0 b (a + b) + c
a + (b + c) b+c
a+b
Sifat asosiatif juga berlaku pada penjumlahan vektor :
f = ?? (a + b) + c = a + (b + c)
c a+b+c+d=0
b. Pengurangan
-a
a a+b=c c-a=b
dapat ditafsirkan sebagai c + (- a) = b
c. Perkalian dengan skalar
Jika m adalah suatu skalar dan a adalah suatu vektor, maka:
ma=b , dengan a // b dan |b| = |m| |a| ma=b , dengan a // b dan |b| = |m| |a|
Contoh:
c b=½a
b d c=¾a d=-¼a
I.2.5. Sifat-sifat Vektor
Beberapa sifat vektor dapat dinyatakan sebagai berikut:
8. Kombinasi linear
a p=ma q=nb
----------------- + r=p+q=ma+nb
r merupakan kombinasi linear a dan b s=ma+nb+pc+td s merupakan kombinasi linear dari a, b, c, dan d
I.2.6. Letak Relatif 2 Vektor (Dependent dan Indepent Linear)
Di dalam suatu bidang dua buah vektor apat dikatakan sebagai linearly dependent atau linearly independent.
1. Dependent linear
a // b , dengan kata lain b dapat dinyatakan dengan a atau sebaliknya. Misalkan: b =m a
a // b,a dan b saling dependent linear atau a dan b berbeda hanya dari
perkalian konstan m (kolinear)
2. Independent linear
a tidak sejajar b , dengan kata lain a dan b saling independen linear (non
kolinear).
Jika a dan b dua vektor bukan nol yang tidak saling sejajar, vektor c dalam
bidang (R2) diperoleh dengan memilih m dan n yang tepat.
c=ma+nb
ma
b nb
I.2.7. Letak Relatif 3 Vektor (Asas Koplanaritas)
Jika dua bidang α dan β sejajar, vektor a , b , c akan sejajar dengan suatu bidang (koplanar), atau vektor a , b , c saling dependent linear.
atau
a , b , c sejajar dengan suatu arah bidang yang memuat vektor (koplanar), a , b ,
c saling dependent linear.
sebaliknya bidang α tidak sejajar bidang
β, disebut independent linear
p , q , dan r : tidak ada bidang q
β sejajar ketiganya
(nonkoplanar) Tiga buah vektor nonkoplanar a , b , c menjadi basis untuk R3, dan vektor d
dalam ruang dapat diperoleh dengan menentukann h, m, n yang tepat pada:
d =h a +m b +n c
nc
b mb
ha
I.2.8. Dalil-dalil dalam R2 (2-dimensi) dan R3 (3-dimensi)
Dalil 1 :
Bila a dan b sejajar, maka selalu dapat ditemukan skalar m sehingga:
b =m a
Dalil 2 :
Dalam bidang (R2) sembarang vektor c selalu dapat dituliskan sebagai
kombinasi linear dari dua vektor yang tidak saling sejajar (independent linear ).
Dalil 3 :
Dalam ruang (R3), sembarang vektor d selalu dapat ditulis sebagai
kombinasi linier 3 vektor yang nonkoplanar (independent linear). Dalil 4 : Dalam bidang, 3 vektor atau lebih selalu dependent linear. Dalil 5 : Dalam ruang, 4 vektor atau lebih selalu dependent linear.
I.3. Penutup
I.3.1. Rangkuman
Dalam pokok bahasan ini mahasiswa dihantarkan untuk memahami penggunaan vektor dan segitiga bola terutama terkait dengan disiplin geodesi. Dasar dasar operasi vektor, sifat-sifat dalam operasi vektor dan azas kolinieritas serta azas koplanaritas menjadi inti pembahasan. Sedangkan yang terkait dengan segitiga bola akan dibahas lebih detil mulai pada pertemuan ke-12 sampai pertemuan ke-15.
I.3.2. Tes Formatif
1. Tentukan 3 buah vektor a, b, c sembarang dan tidak saling sejajar. Lakukan operasi berikut secara grafis:
2. Jika a dan b adalah sisi-sisi jajaran genjang (parallelogram), tentukan
vektor-vektor yang membentuk dua sisi lainnya dan diagonalnya.
3. Buktikan bahwa pada penjumlahan vektor berlaku hukum asosiatif.
4. Buktikan bahwa pada perkalian vektor dengan skalar berlaku hukum distributif.
5. Tanto bersepeda ke arah Utara sejauh 3 km, kemudian berbelok ke arah Tenggara sejauh 5 km. Gambarkan arah pergerakan Tanto dan berapa resultan pergerakannya?
6. Tunjukan vektor-vektor yang independent dan dependent linear pada contoh bangun bidang dan ruang berikut ini:
I.3.3. Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik Kriteria
Skor
Lingkup matematika
Dapat geodesi
Tidak mampu
secara runtut Perkembangan
sebagian
Dapat penentuan dimensi
Tidak mampu
Dapat
menjelaskan bumi
menjelaskan
menjelaskan
secara runtut Peran data gayaberat
sebagian
Dapat di bidang geodesi
Tidak mampu
secara runtut
I.3.4. Tindak Lanjut
Bagi mahasiswa yang termasuk dalam katagori dengan nilai skor kurang dari 2 dianjurkan untuk membaca sumber pustaka terkait lebih intensif dibandingkan dengan kelompok mahasiswa yang memiliki katagori dengan skor
2.
I.3.5. Sumber Pustaka
Narni, S. dan Muryamto, R., 1999, Matematika Geodesi, Jurusan Teknik Geodesi, Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta. Stein, F.M., Ph.D., 1963, An Introduction to Vector Analysis, Harper and Row Publishers, New York. Strang, G. dan K. Borre, 1997, Linear Algebra, Geodesy, and GPS, Wellesley- Cambridge Press, USA.
UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK GEODESI
Jalan Grafika No. 2, Sendowo, Yogyakarta
Buku 2 : RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Minggu ke-2 )
MATEMATIKA GEODESI
Semester III / 2 SKS / TKGD2302
Oleh:
1. Ir. Parseno, MT.
2. Ir. Nurrohmat Widjajanti, MT., Ph.D.
3. Dwi Lestari, ST., ME.
4. Ir. Sri Narni, MT.
Didanai dengan Dana BOPTN P3-UGM Tahun Anggaran 2013
November 2013
BAB II SISTEM KOORDINAT VEKTOR
II.1. Pendahuluan
II.1.1. Deskripsi Singkat
Sistem koordinat pada dasarnya digunakan untuk mengetahui posisi (lokasi) suatu titik dibandingkan dengan posisi (lokasi) titik lainya. Pada umumnya elemen-elemen penentu posisi menggunakan angka-angka koordinat yang diletakan pada sistem sumbu-sumb koordinat. Pengertian sistem koordinat vektor tidak jauh berbeda dengan sistem-sistem koordinat lainnya, hanya saja pemahaman elemen-elemen koordinat menjadi menjadi komponen-komponen vektor posisi dari suatu titik.
II.1.2. Manfaat
Pengetahuan tentang sistem koordinat vektor sangat bermanfaat dalam mempelajari penentuan posisi di permukaan bumi menggunakan space teknologi.
II.1.3. Relevansi
Di bidang geodesi teknologi penentuan posisi di permukaan bumi menjadi bagian penting dalam mempelajari bentuk, ukuran serta dinamika bumi. Analisis yang terkait dengan perubahan atau pergeseran posisi sering disajikan dalam vektor posisi.
II.1.4. Learning Outcome
Setelah mengikuti kuliah pertemuan ke-2, mahasiswa akan dapat:
1. Menjelaskan komponen vektor dalam ruang.
2. Menghitung vektor satuan.
3. Menerapkan operasi vektor dalam hitungan.
II.2. Penyajian
II.2.1. Komponen Vektor dalam Bidang dan Ruang
a. V ektor letak Suatu titik dalam ruang dapat ditentukan letaknya dengan vektor letaknya (position vector).
Bila O (titik pangkal) sudah ditentukan, maka letak
suatu titik P dapat ditentukan dengan vektor OP = p yang berpangkal di O dan berujung di P, maka
vektor letak ini harus berjenis vektor terikat.
b. Sistem koordinat R2
Dalam bidang ditentukan titik
pangkal O dan sepasang vektor basis
yang independent linear: u 1 dan u 2 .
C Titik B ditandai oleh vektor letak b =
OB, maka menurut dalil 2, b akan
dapat ditulis sebagai kombinasi linier
u 1 dan u 2 .
Contoh : b =2 u 1 +3 u 2
Dalam hal ini titik B lalu diberi koordinat B(2, 3), periksa koordinat C dan
D. Sistem koordinat yang timbul disebut cartesius (yang umum).
Apabila u 1 tegak lurus u 2 , maka didapat sistem koordinat cartesius
orthogonal.
Yang biasa digunakan di geodesi adalah sistem koordinat cartesius
ortonormal, yaitu u 1 tegak lurus u 2 dan magnitude u 1 = magnitude u 2 .
Sistem ini juga disebut koordinat tegak dan vektor basisnya biasa diberi nama: i (pada arah sumbu x) dan j (pada arah sumbu y).
Secara umum, vektor letak suatu titik P juga akan diberi koordinat, sama dengan koordinat P.
Dalam gambar di atas, B ditandai oleh b =2 u 1 +3 u 2 lalu ditulis b = (2,3) yang dianggap sebagai bentuk singkat penulisan b =2 u 1 +3 u 2 .
Bilangan 2 dan 3 disebut koordinat = komponen skalar vektor b. Dalam sistem koordinat tegak, a = OA = (4, -2) artinya a = 4i - 2j yang akan menunjuk titik A(4, -2).
c. Sistem koordinat R3
Dalam ruang dapat ditentukan pangkal O dan 3 vektor independen linear
u 1 , u 2 , u 3 sebagai basis dan setiap titik akan ditandai dengan vektor
letaknya.
a Titik A ditentukan oleh:
a = OA = a 1 u 1 +a 2 u 2 +a 3 u 3 = (a 1 ,a 2 ,a 3 ) u
2 maka koordinat A ialah A(a
1 ,a 2 ,a 3 )
II.2.2. Vektor Satuan
Dalam R2: Dalam R3:
jj jj
Dalam R2: vektor posisi suatu titik P (p 1 ,p 2 ) ditulis p = p 1 i+p 2 j
2 |p|= 2 p
Dalam R3: vektor posisi suatu titik A (a 1 ,a 2 ,a 3 )
ditulis a =a 1 i +a 2 j +a 3 k
2 2 |a|= 2 a
Vektor satuan
a = μ a =a/|a|
II.2.3. Operasi Vektor Penjumlahan, Selisih dan Perkalian dengan Skalar
Jika a =a 1 i +a 2 j +a 3 k dan b =b 1 i +b 2 j +b 3 k
Penjumlahan:
a + b = (a 1 +b 1 ) i + (a 2 +b 2 ) j + (a 3 +b 3 )k = (a 1 +b 1 ,a 2 +b 2 ,a 3 +b 3 )
Selisih:
a - b = (a 1 -b 1 ) i + (a 2 -b 2 ) j + (a 3 -b 3 )k = (a 1 -b 1, a 2 -b 2, a 3 -b 3 )
Perkalian dengan skalar:
m a = (m a 1 ) i + (m a 2 ) j + (m a 3 )k=(m a 1 ,m a 2 ,m a 3 )
Perhatikan:
b AB = b - a
a = (a 1 ,a 2 ,a 3 )
b = (b 1 ,b 2 ,b 3 )
a sehingga b – a = (b 1 –a 1 ,b 2 –a 2 ,b 3 –a 3 )
2 2 |AB| = jarak = |b – a| = 2 ( b
II.2.3. Operasi Vektor: Dot Product dan Cross Product
Pada materi sebelumnya telah dibahas perkalian vektor dengan suatu skalar. Pada pokok bahasan ini akan dibahas perkalian vektor dengan vektor. Hasil kali dua buah vektor dibedakan menjadi hasil kali titik (dot product) dan hasil kali silang (cross product).
Hasil kali titik (dot atau scalar product)
Hasil kali titik dua buah vektor a dan b didefinisikan sebagai:
a b a b cos
dimana θ adalah sudut terkecil yang dibentuk oleh vektor a dan b. Secara geometrik, hasil kali titik adalah panjang vektor a dikalikan panjang dari proyeksi vektor b di a atau panjang proyeksi a di b dikalikan panjang vektor b.
a . b = |a| |b| cos θ = |OA| |OB| cos θ = |OA| |OB o | = panjang a kali panjang proyeksi b pada a
a . b = |OB| |OA| cos θ = |OB| |OA o | = |b| |a| cos θ =b.a
Sifat –sifat yang berlaku pada hasil kali titik:
1. a . b = b . a , sifat komutatif
2. a . (b + c) = a . b + a . c , sifat distributif (a + b) . c = a . c + b . c
3. m (a . b) = (ma) . b = a . (mb)
4. jika a tegak lurus b maka a . b = 0
5. a . 0 = |a||0| cos θ=0
2 6. a . a = |a||a| cos 0 = |a| 1/2 sehingga |a| = (a . a)
7. i . j = i . k = j . k = 0
8. i . i = j . j = k . k = 1
Misal a = a 1 i+a 2 j+a 3 k dan b = b 1 i+b 2 j+b 3 k
a . b = (a 1 i).(b 1 i) + (a 1 i).(b 2 j) + (a 1 i).(b 3 k) + (a 2 j).(b 1 i) + … (silahkan dijabarkan sendiri…)
a.b=a 1 b 1 +a 2 b 2 +a 3 b 3
Sudut antara 2 arah : cos
Contoh 1: p = (2, 4, 1) dan q = (6, -3, 0) p . q = 2 . 6 + 4 . (-3) + 1 . 0 = 0 artinya p tegak lurus q
Jadi jika a . b = 0 , maka a = 0 atau b = 0 atau θ = 90º
2 2 a.a = a 2
1 a 1 +a 2 a 2 +a 3 a 3 =a 1 +a 2 +a 3
Contoh 2: Diketahui: a = 2i + j + 3k
b = i – 4k
c = 3i – j + 2k
Soal Latihan Hitunglah:
a. a . b dan b . a
b. |a| , |b|, |c|
c. |a + b|, |a + c|
d. (a – b) . c
e. 3a . 2c dan 6(a . c) e. 3a . 2c dan 6(a . c)
g. Sudut yang terbentuk oleh a dan b
h. Vektor satuan pada arah a
i. Komponen vektor b pada a Latihan ini dikerjakan/didiskusikan di kelas.
II.2.3. Operasi Vektor: Perkalian 3 Vektor
Hasil kali silang dua buah vektor a dan b ditulis sebagai:
a b c Hasil kali silang berupa vektor (vektor c ) yang tegak lurus terhadap vektor
a dan vektor b (orientasi tangan kanan). Magnitude dari vektor c dapat ditulis dengan persamaan berikut: |c| = |a| |b| sin θ Dengan kata lain vektor c tegak lurus pada bidang yang tertentu oleh a dan
b seperti ditunjukkan pada gambar berikut:
c=axb a
c=axb
Arti geometris: |a x b| = |a| |b| sin θ
B C = |OA| |OB| sin θ
b = |OA||BB o |
θ = luas OACB O
a = luas jajaran genjang yang tertentu oleh a dan b
Akibatnya luas Δ OAB = ½ |a x b| R
Luas segitiga yang tertentu oleh dua vektor Secara umum dapat ditulis :
θ Luas ΔPQR = ½ |PQ x PR|
PQ
= ½ |PQ| |PR| sin θ
Sifat-sifat hasil kali silang:
a. Jika a // b maka a x b = 0, khususnya a x a = 0
b. a x b = - b x a
c. a x (b + c) = a x b + a x c (a + b) x c = a x c + b x c
d. m ( a x b) = (ma) x b = a x (mb)
e. a x b = 0 , maka a = 0, atau b = 0, atau a // b
f. i x j = |i| |j| sin 90º k = 1.1k = k, j x k = i, k x i =j
g. i x i = j x j = k x k = 0
jika a = a 1 i +a 2 j+a 3 k b=b 1 i +b 2 j+b 3 k
a x b = silahkan dijabarkan berdasar sifat-sifat di atas
Perkalian tiga buah vektor dapat dilakukan dengan mengikuti langkah-langkah perkalian pada dua vektor, namun perlu diperhatikan beberapa hal berikut:
a. a . b . c
= tidak berarti
b. (a x b) . c
= tidak berarti
c. (a . b) c = m c
= hasil berupa vektor
d. a ( b . c) = a m
= hasil berupa vektor
e. (a x b) . c = a x b . c = hasil berupa skalar hasil kali triple skalar
f. a . (b x c) = a . b x c = hasil berupa skalar
g. (a x b) x c
= hasil berupa vektor
hasil kali triple vektor
h. a x (b x c)
= hasil berupa vektor
Hasil kali triple skalar axb.c
C o a x b = L …vektor luas OADB
c B θ dengan |L| = luas OADB axb.c=L.c
= |L||c| cos θ
= |L| OC
OC o = proyeksi c ke L = tinggi c di atas bidang OADB
a x b . c = luas OADB x tinggi C adalah volume parallel epipedum yang tertentu oleh a, b, c
Jika a = a 1 i+a 2 j+a 3 k b=b 1 i+b 2 j+b 3 k
c=c 1 i+c 2 j+c 3 k
b 2 b 3 b 3 b 1 b 1 b 2 c=c 1 i+c 2 j+c 3 k
----------------------------------------------------- . (perkalian dot)
II.3. Penutup
II.3.1. Rangkuman
Vektor satuan digunakan sebagai skala dalam menentukan posisi dalam sistem koordinat vektor. Apabila suatu vektor akan dinyatakan terhadap vektor lainya, maka diperlukan vektor satuan untuk menyatakannya. Terkait dengan sifat-sifat orthogonalism pada sumbu-sumbu kordinat maka diperlukan pengetahuan tentang hasil perkalian operasi vektor. Di dalam operasi vektor diagonal ada dua perkalian yang berbeda yaitu operasi perkalian titik (dot) dan operasi perkalian silang (cross). Beberapa karakteristik khusus operasi perkalian vektor terkait pada sistem koordinat perlu dipahami.
II.3.2. Tes Formatif
1. Tentukan titik D supaya ABCD menyusun sebuah jajaran genjang, dimana A(4,4,1); B(2,1,5); C(6,8,0)
2. Diketahui p = 3i – 2j + k ; q = 2i – 4j – 3k ; r = -i + 2j + 2k
a. Tentukan magnitude dari p ; p + q - r ; 2p – 3q + r
b. Tentukan vektor satuan p, q dan r
3. Jika r 1 = 2i – j + k ; r 2 = i + 3j – 2k ; r 3 = -2i + j – 3k dan r 4 = 3i + 2j + 5k. Tentukan skalar h, m, n, sehingga r 4 = hr 1 + mr 2 + nr 3 .
Tunjukan bahwa dot product dapat digunakan untuk merumuskan aturan cosines pada segitiga.
4. Jika c tegak lurus a dan b, buktikan bahwa c juga tegak lurus terhadap:
5. Tentukan sudut antara a = 3i + 2j – 2k dan b = 2i – 3j + k
6. Tentukan nilai m sehingga a = 2i + mj + k tegak lurus b = 4i – 2j – 2k
7. Tentukan panjang proyeksi vektor a = i – 2j + k pada b = 4i - 4j + 7k
8. Diketahui a = 3i – j +2k, b = 2i +j – k, dan c = i – 2j + 2k , tentukan: 8. Diketahui a = 3i – j +2k, b = 2i +j – k, dan c = i – 2j + 2k , tentukan:
b. Luas segitiga tertentu oleh a, b, dan c
9. Tentukan vektor satuan yang tegak lurus bidang yang tertentu oleh:
a = 2i – 3 j + k dan b = i + 3j + 2k Tunjukan bahwa cross product dapat digunakan untuk merumuskan aturan sinus pada segitiga.
II.3.3. Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik Kriteria
Skor
Dapat komponen vektor
Menjelaskan
Tidak mampu
Dapat
menjelaskan dalam ruang 2 dan 3
menjelaskan
menjelaskan
secara runtut Menghitung vektor
sebagian
Dapat satuan
Tidak dapat
hitingan tetapi
hitingan dan
hasilnya benar Penerapan operasi
hasilnya salah
Dapat vektor
Tidak dapat
seluruh operasi vektor
II.3.4. Tindak Lanjut
Bagi mahasiswa yang termasuk dalam katagori dengan nilai skor kurang dari 2 dianjurkan untuk membaca sumber pustaka terkait dan melakukan latihan mengerjakan soal lebih intensif dibandingkan dengan kelompok mahasiswa yang memiliki katagori dengan skor 2.
II.3.5. Sumber Pustaka
Narni, S. dan Muryamto, R., 1999, Matematika Geodesi, Jurusan Teknik Geodesi, Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta. Stein, F.M., Ph.D., 1963, An Introduction to Vector Analysis, Harper and Row Publishers, New York. Strang, G. dan K. Borre, 1997, Linear Algebra, Geodesy, and GPS, Wellesley- Cambridge Press, USA.
UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK GEODESI
Jalan Grafika No. 2, Sendowo, Yogyakarta
Buku 2 : RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Minggu ke-3 )
MATEMATIKA GEODESI
Semester III / 2 SKS / TKGD2302
Oleh:
1. Ir. Parseno, MT.
2. Ir. Nurrohmat Widjajanti, MT., Ph.D.
3. Dwi Lestari, ST., ME.
4. Ir. Sri Narni, MT.
Didanai dengan Dana BOPTN P3-UGM Tahun Anggaran 2013
November 2013
BAB III APLIKASI VEKTOR DALAM GEOMETRI ANALITIK
III.1. Pendahuluan
Di dalam geometri analitik antara lain dipelajari tentang persamaan suatu garis atau bidang jika diketahui beberapa syarat. Aplikasi vektor dalam geometri analitik dimaksudkan agar mahasiswa dapat menerapkan operasi vektor untuk mencari atau menyelesaikan persoalan-persoalan yang berkaitan dengan persamaan garis dan bidang.
III.1.1. Deskripsi Singkat
Pada pokok bahasan ini akan dipelajari beberapa persamaan garis dan bidang yang dapat ditentukan oleh vektor-vektor tertentu seperti misalnya persamaan garis melalui satu atau beberapa titik, persamaan garis atau bidang melalui satu atau beberapa titik dan sejajar vektor lain, persamaan garis atau bidang melalui satu titik dan tegak lurus vektor lain, dan persamaan bidang yang tertentu oleh tiga buah vektor, serta jarak titik ke garis atau bidang.
III.1.2. Manfaat
Dengan mempelajari aplikasi vektor dalam geometri analitik mahasiswa mendapat wawasan bahwa ada benang merah antara matakuliah matematika dengan konsep-konsep penentuan posisi serta konsep geometri analitik yang diterapkan pada peralatan survei dan pemetaan.
III.1.3. Relevansi
. Terkait bidang geodesi, persoalan membuat garis tegak lurus terhadap bidang, garis tegak lurus garis dan garis sejajar garis adalah hal terpenting terutama pada konsep peralatan alat-alat ukur survei pemetaan.
III.1.4. Learning Outcomes
Setelah mengikuti kuliah pertemuan ke-3, mahasiswa akan dapat:
1. Menerapkan aplikasi hitungan vektor pada geometri analitik untuk
mencari persamaan garis.
2. Menerapkan aplikasi hitungan vektor pada geometri analitik untuk
mencari persamaan bidang.
III.2. Penyajian
III.2.1. Persamaan Garis AB
Bila diketahui: OR = r = (x, y, z) = xi + yj + zk = vektor letak titik R, bergerak (R 3 ) = (x,y) = xi + yj = vektor letak titik R, bergerak (R 2 )
OA = a = (a 3
1 ,a 2 ,a 3 )=a 1 i+a 2 j+a 3 k = vektor letak titik A, tetap (R )
1 = (a ,a 2 ) =a 1 i+a 2 j k = vektor letak titik A, tetap (R 2 )
maka dapat ditentukan:
R Misalkan AR = λ AB
O Apabila λ dijalankan, r = (1 – λ) a + λ b memberikan persamaan garis g
(AB). Penjabaran ke persamaan skalarnya: r–a= λ(b – a) dalam R 3 menjadi:
(x – a 1 ,y–a 2 ,z–a 3 )= λ(b 1 –a 1 ,b 2 –a 2 ,b 3 –a 3 )
λ(b 1 –a 1 ), =( λ(b 2 –a 2 ), λ(b 3 –a 3 )) λ(b 1 –a 1 ), =( λ(b 2 –a 2 ), λ(b 3 –a 3 ))
persamaan skalar dengan
y–a 2 = λ(b 2 –a 2 )
parameter λ
z–a 3 = λ(b 3 –a 3 ) Eliminasi λ menghasilkan:
2 x a 1 y a 2 x X A y dalam R Y menjadi
(biasanya ditulis
III.2.2. Persamaan Garis melalui A Sejajar Vektor b
Pada gambar ditunjukkan bahwa a dan b adalah dua buah vektor terikat pada
g titik O sehingga berlaku:
r = OR = OA + AR
r =a+ λb
Untuk λ berubah, maka persamaan menyatakan O
b persamaan garis g, melalui A, sejajar b
atau (r – a) x b = 0
Dalam R 3 : r–a= λb
(x – a 1 ,y–a 2 ,z–a 3 )=( λb 1 , λb 2 , λb 3 ) x a 1 y a 2 z a 3
b 1 ,b 2 ,b 3 disebut bilangan arah
b disebut vektor arah Dalam R 2 :
2 atau b ( y a
2 /b 1 biasa dikenal dengan gradient (m) b
III.2.3. Persamaan Garis/Bidang melalui A Tegak Lurus Vektor b OO
Pada gambar di atas, dalam R2 , garis g melalui A, tegak lurus vektor b dan dalam R3 bidang melalui A tegak lurus vektor b
Bentuk persamaannya adalah:
(r – a) . b = 0
Bentuk persamaan skalarnya adalah:
b 1 (x – a 1 )+b 2 (y – a 2 )+b 3 (z – a 3 )=0
III.2.4. Persamaan Bidang melalui A // b dan // c
Pada bidang β : t = λb + μc
A α Titik R pada bidang α, sehingga:
OR = OA + AR
r=a+t O
maka: r = a + λb + μc
Bentuk skalar persamaannya adalah: [r – a, b, c] = 0, atau
Sedangkan bentuk khusus persamaan di atas adalah: Sedangkan bentuk khusus persamaan di atas adalah:
yaitu persamaan bidang melalui O, // b dan c (ingat jika tiga buah vektor a,
b, c dependent linear, maka ada bidang yang sejajar ketiganya, atau parallel epipedum collaps ).
III.2.5. Menentukan Jarak Titik ke Garis atau Bidang
b r . b = k, merupakan persamaan garis (R 2 ) atau bidang (R 3 ) yang tegak lurus b,
berjarak
dari O.
Bila disusun vektor satuan arah b, μ= maka persamaan menjadi:
r. μ = p (Persamaan Hess (Normal))
merupakan persamaan garis dalam R2 atau bidang dalam R3 yang tegak lurus μ, dan berjarak p dari O.
Jarak titik-garis Titik A dengan vektor a, garis g dengan persamaan Hess r. μ = p atau
r. μ–p=0 maka jarak (A, g) = |a . μ – p| Jarak titik-bidang
Titik A dengan vektor a, bidang α dengan persamaan Hess r . μ – p = 0 maka jarak (A, α) = |a . μ – p|
III.2.6. Jarak Garis ke Garis
Berikut adalah uraian untuk menentukan jarak antara dua garis yaitu garis
g ke garis h. Jika dipilih titik A dan B pada garis g dan titik C dan D pada garis h, maka berlaku:
AB x CD = vektor yang tegak lurus garis g dan h
Vektor satuan yang tegak lurus garis g dan garis h adalah: AB x CD
AB x CD
Jika diambil sembarang titik pada garis g, misalnya titik A dan titik C sembarang titik pada garis h maka jarak garis g ke garis h dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Jarak (g, h) = lGHl = lAC . l
III.2.7. Sudut antara Dua Garis dan Sudut antara Dua Bidang
a. Sudut antara dua garis g dan h
Sudut (g, h) = , dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Perhatikan pada gambar di atas: Pilih A, B pada garis g dan C, D pada h.
b. Sudut antara dua bidang dan
Perhatikan pada gambar disamping:
nm Pilih vektor normal n pada bidang .
Pilih vektor normal m pada bidang .
Sudut antara bidang dan bidang = sudut (n, m) = , dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Cos = n.m /l n ll m l
c. Sudut antara garis g dan bidang
Tentukan normal pada bidang , yaitu vektor b, Sudut antara garis g dan bidang , dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Sudut (g, )
= /2 – sudut (g, b) = 90 – sudut (g, b)
III.2.Persamaan Bidang Tertentu oleh 3 Vektor
Jika:
r 1 =x 1 i+y 1 j+z 1 k r 2 =x 2 i+y 2 j+z 2 k
r P =x i+y j+z k 1 ,P 2 ,P 3 , tidak terletak 3 3 3 3 pada satu garis lurus.
Merupakan vektor posisi titik P 1 (x 1 ,y 1 ,z 1 ), P 2 (x 2 ,y 2 ,z 2 ), dan P 3 (x 3 ,
y 3 ,z 3 ), serta P 1 ,P 2 ,P 3 tidak terletak satu garis lurus.
Jika: r = x i + y j + z k merupakan vektor posisi sembarang titik di P (x, y, z) pada bidang maka:
P 1 P 2 =r 2 –r 1 , P 1 P 3 =r 3 –r 1 , berada dalam satu bidang. P 1 P =r–r 1 Sehinga:
III.3. Penutup
III.3.1. Rangkuman
Vektor dapat diterapkan untuk menentukan persamaan garis, bidang, jarak antara dua garis, jarak titik ke garis dan sudut antara dua garis pada geometri analitik.
III.3.2. Tes Formatif
5. Tentukan titik D supaya ABCD menyusun sebuah jajaran genjang, dimana A(4,4,1); B(2,1,5); C(6,8,0)
6. Diketahui p = 3i – 2j + k ; q = 2i – 4j – 3k ; r = -i + 2j + 2k
c. Tentukan magnitude dari p ; p + q - r ; 2p – 3q + r
d. Tentukan vektor satuan p, q dan r
7. Jika r 1 = 2i – j + k ; r 2 = i + 3j – 2k ; r 3 = -2i + j – 3k dan r 4 = 3i + 2j + 5k.
Tentukan skalar h, m, n, sehingga r 4 = hr 1 + mr 2 + nr 3
8. Jika u = 2i + j + 2k adalah vektor letak titik A dan v = 3i -j + 4k adalah
vektor letak titik B, tentukan vektor letak titik B, tentukan
b. Persamaan bidang yang melalui B dan tegak lurus vektor AB
c. Apabila w = 2i + j + k adalah vektor letak C, tentukan persamaan bidang yang melalui C sejajar B dan sejajar A
d. Jarak titik X(1,-2,1) terhadap bidang yang melalui B dan tegak lurus vektor AB
III.3.3. Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik
Kriteria
Skor
Menerapkan hitungan Tidak mampu
Dapat vektor untuk mencari
Dapat
menerapkan persamaan garis
menerapkan
menerapkan
dengan benar Menerapkan hitungan Tidak mampu
sebagian
Dapat vektor untuk mencari
Dapat
menerapkan persamaan bidang
dengan benar
III.3.4. Tindak lanjut
Bagi mahasiswa yang termasuk dalam katagori dengan nilai skor kurang dari 2 dianjurkan untuk membaca sumber pustaka terkait lebih intensif dibandingkan dengan kelompok mahasiswa yang memiliki katagori dengan skor
III.3.5. Sumber Pustaka: Davis, H.F., 1961, Introduction to Vector Analysis, Allyn and Bacon, Inc., Boston. Narni, S. dan Muryamto, R., 1999, Matematika Geodesi, Jurusan Teknik Geodesi,
Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta. Spiegel, M.R., 1959, Vector Analysis and an Introduction to Tensor Analysis, Schaum Publishing Co., NewYork, USA. Stein, F.M., Ph.D., 1963, An Introduction to Vector Analysis, Harper and Row Publishers, New York. Strang, G. dan K. Borre, 1997, Linear Algebra, Geodesy, and GPS, Wellesley- Cambridge Press, USA.
UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK GEODESI
Jalan Grafika No. 2, Sendowo, Yogyakarta
Buku 2 : RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Minggu ke-4 )
MATEMATIKA GEODESI
Semester III / 2 SKS / TKGD2302
Oleh:
1. Ir. Parseno, MT.
2. Ir. Nurrohmat Widjajanti, MT., Ph.D.
3. Dwi Lestari, ST., ME.
4. Ir. Sri Narni, MT.
Didanai dengan Dana BOPTN P3-UGM Tahun Anggaran 2013
November 2013
BAB IV DIFERENSIAL VEKTOR
IV.1. Pendahuluan
Pada bab IV akan didiskusikan mengenai penerapan kaidah-kaidah diferensial pada vektor. Hal ini dimaksudkan untuk memberi pemahaman dan kecakapan dalam mengurai persoalan vektor dengan diferensial.
IV.1.1. Deskripsi Singkat
Pada bagian ini akan dibahas tentang fungsi dengan beberapa perubah bebas, difernsial vektor dan sifat-sifat dari derivatif vektor.
IV.1.2. Manfaat
Mahasiswa akan dapat menjelaskan dan menerapkan kaidah-kaidah diferensial dalam menyelesaikan persoalan-persoalan vektor fungsi dengan beberapa perubah bebas.
IV.1.3. Relevansi
Dalam mengurai persoalan-persoalan geodesi sering dijumpai persoalan- persoalan yang harus diselesaikan dengan menggunakan vektor fungsi. Oleh karena itu, materi ini memberi wawasan tentang penerapan kaidah diferensial dalam vektor fungsi menjadi sangat bermanfaat.
IV.1.4. Learning Outcome
Setelah mengikuti kuliah pertemuan ke-4, mahasiswa akan dapat:
1. Melakukan hitungan diferensial pada vektor fungsi satu perubah.
2. Melakukan hitungan diferensial pada vektor fungsi dua perubah.
3. Melakukan hitungan diferensial pada vektor fungsi dengan beberapa
perubah bebas.
IV.2. Penyajian
IV.2.1. Fungsi dengan Perubah Bebas
Diketahui pada persamaan skalar : y = f(x), mempunyai arti:
f : x ( x merupakan perubah bebas) menghasilkan y (tak bebas). Contoh : y = f(x) = sin x 1 perubah bebas z = f(x, y) = cos (x+y) 2 perubah bebas Vektor v berubah sebagai fungsi suatu perubah t, dapat ditulis V = v(t). Jika V = (v 1 , v 2 ,v 3 ) maka V = v(t) berarti masing-masing komponen merupakan fungsi dari t, dan ditulis:
V=(v 1 (t), v 2 (t), v 3 (t))
Contoh: v = (cos t, sin t, sin 2t) Jika V(t) merupakan suatu vektor yang bergantung pada variable skalar tunggal t, maka:
v(t+ v v ( t t ) v ( t ) Δt)
Derivatif v ke t , ditulis dv/dt, didefinisikan sebagai:
lim lim
dt t 0 t t 0 t
atau dapat ditulis:
berupa vektor dt
dt
Hasil pendiferensialan berupa vektor dan dapat didiferensialkan lagi ke t:
2 d 3 v d v dt 2
dst. Kejadian khusus:
; dt 3
Jika v merupakan vektor letak titik, ditulis r: R 3 : r = (x, y, z)
R 2 : r = (x, y)
dan r = r(u), maka:
R 3 : r = (x(u), y(u), z(u)) R 2 : r = (x(u), y(u))
r = r(u) menyatakan suatu kurva (R 2 maupun R 3 ).
dr/du
r(u) = OP
Δr = PQ jika
Δu → 0 maka Q → P,
Δr/Δu → dr r’ = dr/du = vektor singgung pada kurva γ di titik P.
r(u+
Δu)
Jika perubahnya adalah panjang busur kurva itu sendiri, sehingga r = r(s), maka : r’(s) = dr/ds = t = vektor singgung satuan, atau
t = r’/|r’| → |t| = 1 Contoh dalam Fisika:
Jika perubah t : waktu, r = r(t) merupakan persamaan gerak titik, r’(t) = v(t) : adalah vektor kecepatan, r’’(t) = v’(t) = a(t) : adalah vektor percepatan titik.
Vektor kecepatan akan menyinggung kurva lintasan.
Sifat-sifat derivatif vektor:
Jika u, v, w merupakan vektor fungsi dan φ adalah skalar fungsi dengan perubah skalar t:
1. a 0 ; a vektor tetap dt
2. ( u ) v
dt dt dt
3. ( u ) v v
dt
dt
dt
4. ( u ) v u
dt
dt dt
7. u ( v w ) u ( v ) u ( w ) ( v w )
Hati-hati dengan urutan operasinya!
Pada vektor letak v = (v 1 ,v 2 ,v 3 )=v 1 i+v 2 j+v 3 k
Jika v = v(t) maka:
dt Ingat da/dt = 0 Maka:
IV.2.2. Fungsi Lebih dari Satu Perubah
Jika v = (v 1 ,v 2 ,v 3 ), sedang v 1 ,v 2 ,v 3 merupakan fungsi dua perubah s, t, maka v adalah fungsi s,t.
v = v(s, t) = (v 1 (s, t), v 2 (s, t), v 3 (s, t))
Derivatif parsial v ke s dan t adalah: v v v v
1 , 2 , 3 s s s ds
, , dst untuk derivatif orde yang lebih tinggi disusun dengan t t t dt
cara sama. Jika vektor letak r merupakan fungsi 2 perubah r = r (s, t), maka tempat
kedudukan titiknya berupa luasan dalam ruang.
Jika a = a (x, y, z) → d a
2 2 a a Jika a memiliki derivatif parsial orde dua atau lebih,
Contoh latihan:
1. 2 a = (2x y–x ) i + (e – ysinx) j + (x cosy) k
2 4 xy
2 2 2 2 3 3 a a a a a a a a Carilah
IV.3. Penutup
IV.3.1. Rangkuman
Kaidah-kaidah diferensial yang dipelajari dalam matakuliah kalkulus berlaku juga dalam menyelesaikan problem diferensiasi dalam vektor fungsi.
IV.3.2. Tes Formatif
1. v = (2, t 2 , 1/t) tentukan dv/dt !
2. r = sin t i + cos t j + t k = (sin t, cos t, t)
v Carilah: dr/dt , d 2 r/dt 2 , | dr/dt| , | d 2 r/dt 2 |
3. Persamaan gerak suatu titik sepanjang kurva dalam bentuk parameter: x=e -t , y = 2 cos 3t ; z = 2 sin 3t
Tentukan magnitude dari kecepatan dan percepatan pada saat t = 1.
4. Sebuah titik bergerak sepanjang kurva x = 2t 2 ,y=t 2 – 4t , z = 3t –
5 Carilah komponen kecepatan dan percepatannya pada saat t = 1
dalam arah i – 3j + 2k
5. Persamaan gerak titik diberikan dengan r = (x, y, z) = (2 cos t, sin t, 4)
Carilah vektor normal pada kurva pada saat t = π/4
2 6. Jika a = 5t 3 i+tj–t k dan b = sin t i – cos t j, carilah:
a. d/dt(a . b)
b. d/dt (a x b)
c. d/dt (a . a)
7. Tentukan persamaan garis singgung dan garis normal di titik φ= π/3 pada kurva r = (x, y) = (φ cosφ, sin2φ).
IV.3.3. Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik Kriteria
Skor
Dapat fungsi satu perubah
Diferensial vektor
Tidak dapat
keseluruhan Diferensial vektor
sebagian
Dapat fungsi dua perubah
Tidak dapat
keseluruhan Diferensial vektor
sebagian
Dapat fungsi beberapa
Tidak dapat
Dapat
melakukan perubah
IV.3.4. Tindak Lanjut
Bagi mahasiswa yang termasuk dalam katagori dengan nilai skor kurang dari 2 dianjurkan untuk membaca sumber pustaka terkait lebih intensif dibandingkan dengan kelompok mahasiswa yang memiliki katagori dengan skor
IV.3.5. Sumber Pustaka
Narni, S. dan Muryamto, R., 1999, Matematika Geodesi, Jurusan Teknik Geodesi, Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta. Spiegel, M.R., 1959, Vector Analysis and an Introduction to Tensor Analysis, Schaum Publishing Co., NewYork, USA. Stein, F.M., Ph.D., 1963, An Introduction to Vector Analysis, Harper and Row Publishers, New York.
UNIVERSITAS GADJAH MADA FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK GEODESI
Jalan Grafika No. 2, Sendowo, Yogyakarta
Buku 2 : RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Minggu ke-5 )
MATEMATIKA GEODESI
Semester III / 2 SKS / TKGD2302
Oleh:
1. Ir. Parseno, MT.
2. Ir. Nurrohmat Widjajanti, MT., Ph.D.
3. Dwi Lestari, ST., ME.
4. Ir. Sri Narni, MT.
Didanai dengan Dana BOPTN P3-UGM Tahun Anggaran 2013
November 2013
MODUL V MEDAN VEKTOR DAN MEDAN SKALAR
V.1. Pendahuluan
Bagian ini dimaksudkan untuk memberi gambaran kepada mahasiswa tentang salah satu aplikasi diferensial vektor untuk menentukan medan vektor dan medan skalar.
V.1.1. Deskripsi Singkat
Pada bab V, akan dibahas materi tentang pengertian medan vektor dan medan skalar, gradien, derivatif berarah, divergensi, dan curl (rotor) serta penggunaan beberapa operator gabungan dan sifat-sifat dari operator operator tersebut.
V.1.2. Manfaat
Mahasiswa dapat memahami aplikasi diferensial vektor pada medan vektor dan medan skalar, dapat menjelaskan rumus-rumus yang digunakan dan sifat-sifat dari beberapa operator yang dijelaskan. Selanjutnya dapat melakukan hitungan vektor normal suatu luasan, sudut yang terbentuk antara dua luasan, derivatif berarah suatu luasan, menentukan persamaan garis singgung luasan, persamaan bidang normal dan hitungan menggunakan operator gabungan.
V.1.3. Relevansi
Bab V ini mempunyai maksud menjelaskan kepada mahasiswa tentang aplikasi diferensial vektor pada medan vektor dan medan skalar dan dapat menerapkannya pada matakuliah-matakuliah selanjutnya yang relevan, yaitu Proyeksi Peta, Geodesi Fisis dan Analisis Deformasi.
V.1.4. Learning Outcome
Setelah mengikuti kuliah pertemuan ke-5, mahasiswa akan dapat:
1. Menjelaskan tentang pengertian medan skalar dan medan vektor
2. Menjelaskan pengertian gradien, divergensi dan curl.
3. Menggunakan rumus gradien untuk hitungan vektor normal dan derivatif berarah suatu luasan.
4. Melakukan hitungan dengan divergensi dan curl.
5. Menjelaskan penggunaan operator gabungan dan sifat-sifatnya.
6. Menyelesaikan hitungan menggunakan operator gabungan.
V.2. Penyajian
V.2.1. Medan Vektor dan Medan Skalar
Jika suatu vektor v merupakan fungsi 3 perubah yang juga berupa koordinat titik dalam ruang:
v = v (x,y,z)
= (v 1 (x,y,z), v 2 (x,y,z), v 3 (x,y,z))
Berarti v merupakan fungsi r (vektor letak titik). Satu titik dalam ruang dikaitkan dengan satu v, dan ditulis:
v = v (r) Ruang seperti ini dinamai medan vektor. Contoh medan vektor antara lain medan magnet, medan gaya potensial, medan kecepatan arus. Sebaliknya ada pula skalar φ yang menjadi fungsi dari r:
φ = φ (r) = φ (x,y,z) Pada setiap titik ruang terkait satu skalar φ, ruangnya disebut medan skalar. Contoh medan skalar antara lain medan suhu, medan tekanan (barometer), medan