Persamaan Diferensial: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Persamaan diferensial

Pertumbuhan/peluruhan eksponensial
dy/dt = ky → y = y0ekt
Waktu paruh
k = ln 2 / t½
Hukum pendinginan Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Faktor integrasi
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Tangki pencampuran
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integral

Aturan pangkat
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integral tentu
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integral umum
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Luas daerah antara kurva
∫ab (f − g) dx

Metode

  1. Tulis ulang integran sebagai jumlah suku-suku sederhana bila memungkinkan.
  2. Terapkan aturan pangkat: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), dan integral standar untuk ex, 1/x, sin, dan cos.
  3. Gunakan substitusi saat Anda melihat suatu fungsi bersama turunannya.
  4. Untuk integral tentu, hitung F(b) − F(a).

Turunan

Aturan pangkat
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Aturan perkalian
(uv)′ = u′v + uv′
Aturan hasil bagi
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Aturan rantai
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Turunan umum
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metode

  1. Kenali strukturnya: jumlah, hasil kali, hasil bagi, atau komposisi.
  2. Terapkan aturan pangkat pada setiap pangkat x.
  3. Gunakan aturan hasil kali, hasil bagi, atau rantai bila diperlukan.
  4. Sederhanakan, dan hitung nilainya di titik tersebut jika diminta.

Metode numerik

Bisection
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolasi linear
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Kaidah trapesium
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Kaidah Simpson (n genap)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Batas galat trapesium
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metode

  1. Untuk akar: periksa pergantian tanda pada bisection, atau hitung f dan f′ untuk Newton, dan pertahankan enam angka atau lebih pada tabel iterasi.
  2. Untuk nilai tabel: interpolasikan secara linear di antara dua titik yang bertetangga.
  3. Untuk integral: cari h = (b − a)/n, daftarkan f di setiap simpul, terapkan bobot (1, 2, …, 2, 1 untuk trapesium; 1, 4, 2, …, 4, 1 untuk Simpson dengan n genap) dan kalikan dengan h/2 atau h/3.
  4. Untuk PD: melangkahlah dari t₀ dengan yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) atau kemiringan rata-rata (Heun), satu baris per langkah, sampai mencapai t yang diminta.

2Soal latihan

1.Persamaan diferensialSedang
t (min)T (°C)44Ta​68 °C184 °C

Sebuah komponen baja tempa bersuhu 300 °C dibiarkan mendingin di bengkel bersuhu 20 °C. Setelah 44 menit suhunya 68 °C. Benda tersebut mengikuti hukum pendinginan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Berapa lama setelah awal, t, yang diperlukan untuk mencapai 184 °C?

T0 = 300 °CTa = 20 °CT(44) = 68 °CT = 184 °C
t = min
2.Persamaan diferensialSulit
tyK = 10y(0,25) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + y′ + 16,25y = 162,5 untuk t ≥ 0, dimulai dari keadaan diam: y(0) = 0, y′(0) = 0. Cari y(0,25); sudut dalam radian.

y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.IntegralSedang
xy03

Hitung I = ∫03 e−0,5x dx.

f(x) = e−0,5x[0, 3]
I =
4.IntegralSulit
xy1y = 3xy = 3x²

Daerah di antara garis y = 3x dan parabola y = 3x² diputar mengelilingi sumbu x. Cari volume V benda padat itu.

y = 3xy = 3x²
V =
5.TurunanSedang
xyx = 2

Misalkan f(x) = x·sin(2x), dengan x dalam radian. Tentukan f′(2).

f(x) = x·sin(2x)x = 2 rad
f′(2) =
6.TurunanSulit
xy

Misalkan f(x) = x3 − 6x2 + 5. Tentukan koordinat x x dari minimum lokal.

f(x) = x3 − 6x2 + 5
x =
7.Metode numerikSedang

Kaidah trapesium dipakai untuk ∫12 1/x dx. Galatnya paling besar (b − a)³·M/(12n²) dengan M = maks|f″| pada [1, 2]. Carilah jumlah pita terkecil n yang menjamin galat di bawah 0,0005.

f(x) = 1/x[a, b] = [1, 2]ε = 0,0005
n =
8.Metode numerikSulit
00,050,10,150,200,10,2ty(0, 0)

Pakai metode Heun (Euler yang diperbaiki) dengan h = 0,1 untuk y′ = e−ty, y(0) = 0 untuk menaksir y2 ≈ y(0,2).

y′ = e−tyy(0) = 0h = 0,1
y2 =

3Larutan

1.Persamaan diferensial

Jawaban: t = 13,35 min

Persamaan diferensial orde satu: dy/dt = k·y memiliki penyelesaian y = y₀·ekt (pertumbuhan untuk k > 0, peluruhan untuk k < 0); waktu paruh T memberikan k = ln 2/T. Hukum pendinginan Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), memberikan T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Persamaan linear y′ + p(x)·y = q(x) diselesaikan dengan faktor integrasi μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, sehingga μy = ∫μq dx + C.

Konstanta pendinginan

k = ln(280/48)/44 = 0,04008 min⁻¹

Waktu untuk mencapai target

t = ln(280/164)/0,04008 = 13,35 min

Jawaban

t = 13,35 min
2.Persamaan diferensial

Jawaban: y(0.25) = 4,304

Persamaan linear orde dua: untuk y″ + b·y′ + c·y = 0 coba y = ert: ini memberi persamaan karakteristik r² + b·r + c = 0. Dua akar real r₁ ≠ r₂ memberi y = A·er₁t + B·er₂t (redaman lebih); akar ganda r memberi y = (A + Bt)·ert (redaman kritis); akar kompleks −α ± jω memberi y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (redaman kurang, berosilasi). Nilai awal y(0) dan y′(0) menentukan A dan B. Ditulis sebagai y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn adalah frekuensi alami dan ζ rasio redaman: ζ < 1 berosilasi. Dengan masukan konstan, y″ + by′ + cy = c·K, penyelesaiannya adalah nilai tunak K ditambah respons bebas.

Nilai tunak dan akar-akar

yss = 10, r = −0,5 ± 4j

Konstanta dari nilai awal

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25

Hitung nilainya

y(0,25) = 10·(1 − e−0,125(cos 1 + 0,125·sin 1)) = 4,304

Jawaban

y(0,25) = 4,304
3.Integral

Jawaban: I = 1,554

Integral tentu: ∫ₐᵇ f(x) dx adalah luas bertanda antara grafik dan sumbu x dari a ke b. Cari antiturunan F (dengan F′ = f) dan hitung F(b) − F(a). Aturan pangkat: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Luas antara dua kurva adalah ∫(atas − bawah) dx.

Antiturunan

F(x) = e−0,5x/(−0,5)

Substitusikan batasnya

I = (e−1,5 − 1)/(−0,5) = (0,2231 − 1)/(−0,5) = 1,554

Jawaban

I = 1,554
4.Integral

Jawaban: V = 3,77

Volume benda putar: memutar daerah di bawah y = f(x) dari x = a sampai x = b mengelilingi sumbu x menghasilkan benda padat yang penampangnya di x berupa cakram berjari-jari f(x). Menjumlahkan cakram-cakram itu memberi V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Bila daerah terletak di antara kurva luar R(x) dan kurva dalam r(x), setiap irisan berupa cincin (washer): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Kuadratkan jari-jari sebelum Anda menguranginya.

Titik potong

3x = 3x² → x = 0, x = 1

Metode cincin (washer)

V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx

Integralkan

V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77

Jawaban

V = 3,77
5.Turunan

Jawaban: f′(2) = −3,371

Diferensial: turunan f′(x) adalah kemiringan grafik di x. Aturan pangkat: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Aturan perkalian: (uv)′ = u′v + uv′. Aturan rantai: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Di mana f′(x) = 0, grafik memiliki garis singgung mendatar: maksimum, minimum, atau titik pelana.

Aturan perkalian dan rantai

f′(x) = sin(2x) + 2x·cos(2x)

Substitusikan

f′(2) = −0,7568 + 4·(−0,6536) = −3,371

Jawaban

f′(2) = −3,371
6.Turunan

Jawaban: x = 4

Diferensial: turunan f′(x) adalah kemiringan grafik di x. Aturan pangkat: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Aturan perkalian: (uv)′ = u′v + uv′. Aturan rantai: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Di mana f′(x) = 0, grafik memiliki garis singgung mendatar: maksimum, minimum, atau titik pelana.

Turunan

f′(x) = 3x2 − 12x = 3·(x2 − 4x)

Selesaikan f′(x) = 0

x = 0 atau x = 4

Mana yang mana

f″(x) = 6x − 12: negatif di maksimum, positif di minimum.

f″(0) = −12, f″(4) = 12
x = 4

Jawaban

x = 4
7.Metode numerik

Jawaban: n = 19

Integrasi numerik: bagi [a, b] menjadi n pita selebar h = (b − a)/n dengan simpul x₀ … xₙ. Kaidah trapesium: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Kaidah Simpson (n genap): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Galat trapesium mengecil seperti h² (batas (b − a)h²·M/12 dengan M = maks|f″|), Simpson seperti h⁴, jadi Simpson biasanya jauh lebih akurat untuk simpul yang sama.

Batas turunan kedua

M = 2/1³ = 2

Selesaikan untuk n

n² > 1·2/(12·0,0005) = 333,3
n > 18,26 → n = 19

Jawaban

n = 19
8.Metode numerik

Jawaban: y2 = 0,1971

Penyelesaian numerik y′ = f(t, y): metode Euler melangkah menurut kemiringan di awal setiap langkah: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Metode Heun (Euler yang diperbaiki) merata-ratakan kemiringan di awal dan pada prediksi Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Metode Runge–Kutta klasik (RK4) menggabungkan empat kemiringan: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Galat global Euler sebanding dengan h, Heun dengan h², RK4 dengan h⁴.

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁00010,990050,099502510,10,09950250,9900990,9610750,197061

Langkah Heun

y₁ = 0 + (0,1/2)(1 + 0,99005) = 0,0995025
y₂ = 0,0995025 + (0,1/2)(0,990099 + 0,961075) = 0,197061
00,050,10,150,200,10,2ty

Grafik

y2 = 0,1971

Jawaban

y2 = 0,1971

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations