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
tyy(0) = 4y(2) = ?

Selesaikan y″ + 6y′ + 8y = 0 dengan y(0) = 4 dan y′(0) = 1. Cari y(2).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = 1
y(2) =
2.Persamaan diferensialSulit
xy13(1, 3)y(3) = ?

Selesaikan masalah nilai awal y′ + 3y/x = x untuk x > 0, dengan y(1) = 3. Cari y(3).

y′ + 3y/x = xy(1) = 3
y(3) =
3.IntegralSedang
xy1y = x·cos x

Hitung I = ∫₀1 x·cos x dx (x dalam radian).

∫₀1 x·cos x dx
I =
4.IntegralSulit
xy2y = xy = 0,5x²

Daerah di antara garis y = x dan parabola y = 0,5x² diputar mengelilingi sumbu x. Cari volume V benda padat itu.

y = xy = 0,5x²
V =
5.TurunanSedang
xyx = 1

Misalkan f(x) = x·sin(3x), dengan x dalam radian. Tentukan f′(1).

f(x) = x·sin(3x)x = 1 rad
f′(1) =
6.TurunanSulit
xyx = 2

Garis singgung f(x) = 3x2 − 3x di x = 2 memotong sumbu y di y = b. Tentukan b.

f(x) = 3x2 − 3xx = 2
b =
7.Metode numerikSedang

Kaidah trapesium dipakai untuk ∫02 x³ dx. Galatnya paling besar (b − a)³·M/(12n²) dengan M = maks|f″| pada [0, 2]. Carilah jumlah pita terkecil n yang menjamin galat di bawah 0,001.

f(x) = x³[a, b] = [0, 2]ε = 0,001
n =
8.Metode numerikSulit
00,20,411,5ty(0, 1)

Pakai metode Euler dengan h = 0,1 untuk y′ = t + y, y(0) = 1 untuk menaksir y5 ≈ y(0,5).

y′ = t + yy(0) = 1h = 0,1
y5 =

3Larutan

1.Persamaan diferensial

Jawaban: y(2) = 0,1542

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.

Akar karakteristik

(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

Konstanta dari nilai awal

A + B = 4, −2A − 4B = 1
A = 8,5, B = −4,5

Hitung nilainya

y(2) = 8,5·e−4 + (−4,5)·e−8 = 0,1542

Jawaban

y(2) = 0,1542
2.Persamaan diferensial

Jawaban: y(3) = 1,904

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.

Faktor integrasi

μ = e∫3/x dx = x3

Integralkan

(x3y)′ = x4 → x3y = 1x5/5 + C

Kondisi awal

3 = 1/5 + C → C = 2,8

Hitung nilainya

y(3) = (1·35/5 + 2,8)/33 = 1,904

Jawaban

y(3) = 1,904
3.Integral

Jawaban: I = 0,3818

Integrasi parsial: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dari aturan perkalian. Pilih u sebagai faktor yang menjadi lebih sederhana saat diturunkan (pangkat x, atau ln x), dan dv sebagai faktor yang dapat Anda integralkan (eˣ, sin x, cos x, atau x bila u = ln x). Untuk integral tentu, hitung u·v pada kedua batas: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Faktor x² memerlukan dua putaran.

Pilih u dan dv

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Antiturunan

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limit

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818

Jawaban

I = 0,3818
4.Integral

Jawaban: V = 3,351

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

1x = 0,5x² → x = 0, x = 2

Metode cincin (washer)

V = π∫₀2 ((1x)² − (0,5x²)²) dx

Integralkan

V = π(1·2³/3 − 0,25·2⁵/5) = π·1,067 = 3,351

Jawaban

V = 3,351
5.Turunan

Jawaban: f′(1) = −2,829

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(3x) + 3x·cos(3x)

Substitusikan

f′(1) = 0,1411 + 3·(−0,99) = −2,829

Jawaban

f′(1) = −2,829
6.Turunan

Jawaban: b = −12

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.

Titik dan kemiringan

f(2) = 6
f′(x) = 6x − 3 → f′(2) = 9

Garis singgung di x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 6 − 9·2 = −12

Jawaban

b = −12
7.Metode numerik

Jawaban: n = 90

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 = 6·2 = 12

Selesaikan untuk n

n² > 8·12/(12·0,001) = 8000
n > 89,44 → n = 90

Jawaban

n = 90
8.Metode numerik

Jawaban: y5 = 1,721

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.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00111,110,11,11,21,2220,21,221,421,36230,31,3621,6621,528240,41,52821,92821,72102

Langkah Euler

y₁ = 1 + 0,1·(1) = 1,1
y₂ = 1,1 + 0,1·(1,2) = 1,22
y₃ = 1,22 + 0,1·(1,42) = 1,362
y₄ = 1,362 + 0,1·(1,662) = 1,5282
y₅ = 1,5282 + 0,1·(1,9282) = 1,72102
00,20,411,5ty

Grafik

y5 = 1,721

Jawaban

y5 = 1,721

Nilai eksaknya adalah y(0,5) = 1,797443.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations