Solusi Persamaan Diferensial Biasa dengan Metode Runge-Kutta Orde Lima Fardinahi STKIP YPUP Makassar, [email protected] ABSTRAK, Penelitian ini merupakan studi literatur dengan menggunakan metode numerik yang digunakan untuk menentukan solusi persamaan diferensial biasa i dengan bentuk y ' f x, y dengan suatu nilai awal yx0 y0 yang diberikan. Metode numerik yang digunakan yaitu metode RungeKutta Orde Lima. Prinsip kerja dari metode tersebut pada dasarnya adalah menyelesaikan persamaan diferensial biasa dengan menentukan himpunan titik-titik x, y dimana untuk menentukan sebuah titik maka kita menggunakan satu titik sebelumnya. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa metode Runge-Kutta Orde Lima dapat dignakan untuk menentukan solusi persamaan diferensial biasa dan memiliki tingkat ketelitian yang relatif tinggi Kata Kunci: Persamaan diferensial biasa, metode RungeKutta, Masalah nilai awal 1. PENDAHULUAN Persamaan diferensial merupakan mata kuliah yang cukup strategis karena berkaitan dengan bagian-bagian sentral dalam matematika seperti dalam analisis, aljabar, geometri dan bagain sental lain yang akan sangat berperan dalam pengenalan konsep maupun pemecahan masalah yang berkaitan dengan dunia nyata. Solusi persamaan diferensial dapat ditentukan dengan menggunakan dua metode yaitu metode analitik dan metode numerik. Metode analitik memberikan solusi sejati yaitu solusi yang memiliki galat (error) sama dengan nol sedangkan dengan metode numerik kita memperoleh solusi yang menghampiri solusi sejati. Namun solusi hampiran dapat dibuat seteliti yang kita inginkan. Sayangnya, metode analitik hanya unggul untuk sejumlah persoalan yang terbatas, yaitu persoalan yang memiliki tafsiran geometri sederhana. Bila metode analitik tidak dapat lagi diterapkan, maka solusi persoalan dapat dicari dengan menggunakan metode numerik. Metode tersebut diantaranya adalah metode Euler, metode Deret Taylor, dan metode Runge-Kutta. Metode Runge-Kutta merupakan metode yang lebih praktis dari pada metode deret Taylor karena dengan metode Runge-Kutta kita tidak perlu mencari turunan fungsi yang lebih tinggi. Kita hanya mengevaluasi fungsi pada titik terpilih untuk setiap selang langkah. Sedangkan dari segi ketelitian, hasil yang diperoleh dari metode Runge-Kutta lebih teliti dibandingkan metode Euler. Tingkat ketelitian dari metode ini dipengaruhi oleh ordenya. Semakin besar ordenya maka semakin teliti hasil yang diperoleh.. 2. TINJAUAN PUSTAKA Metode Runge-Kutta Orde Lima merupakan metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan masalah persamaan diferensial yang berbentuk masalah nilai awal. Masalahnilaiawaladalahpersamaandiferensial yang berkaitandengannilaiawal (nilaiawaladalahsyaratbatas di satutitik)yang berbentuk y ' f x, y dengan sebuah nilai awal yx0 y0 , dengan fungsi f bergantung pada x dan y , (Talib, 2003:4) Pada umumnya metode numerik diturunkan berdasarkan penghampiran fungsi ke dalam bentuk polinom. Alat utama untuk membuat polinom hampiran adalah Deret Taylor.Misalkan f kontinu pada selang tertutup a, b dan f 1 , f 2 , menyatakan turunan pertama, kedua, dan seterusnya yang juga kontinu pada selang tersebut. Misalkan x r a, b , maka untuk nilai xr 1 disekitar xr dengan x r 1 a, b , f xr 1 dengan r 0,1,2,, n dapat diperluas (diekspansi) ke dalam deret Taylor sebagai berikut: 30 JURNAL MSA VOL. 5 NO. 1 ED. JAN-JUNI 2017 f xr 1 f xr xr 1 xr f 1x xr 1 xr 2 f 2x xr 1 xr n f n x 1! r r 2! n! Jika dimisalkan xr 1 xr h , maka dapat juga ditulis sebagai berikut: h h2 f xr 1 f xr f 1 xr f 1! 2! 2 xr h n n! r f xr 1 2 xr h n n! dengan h xr 1 xr dan r 0,1,2,, n Selanjutnya persamaan (4.1) disamakan dengan deret Taylor orde enam yaitu: f n xr Selanjutnya jika f xr 1 y r 1 maka deret Taylor tersebut dapat ditulis: h h2 yr 1 yr f 1 xr f 1! 2! x p5h, yr q51k1h q52k2h k6 f r q53k3h q54 k4 h q55k5h f n xr h 1 h 2 2 h3 f xr , yr f xr , yr f 1! 2! 3! h5 5 h6 6 f xr , yr f xr , yr 5! 6! yr 1 yr h4 f 4! 4 xr , yr f f dy x y dx f 1 xr , y r Ketelitian suatu metode numerik diselidiki dengan cara menentukan galat. Misalkan a menyatakan nilai dari hasil metode numerik dan a menyatakan nilai dari hasil metode analitik, maka galat (ɛ) mutlak didefinisikan sebagai f 2 xr , y r 2 f 2 f dy 2 f 2 y x dx y 2 x 2 f 3 xr , y r f 4 xr , yr a a .(Paduppai, 2006:6) 3. METODOLOGI Langkah-langkah penentuan solusi persamaan diferensial dengan metode runge-kutta dilakukan sebagai berikut: menentukan formula dari Metode Runge-Kutta Orde Lima, menyelesaikan masalah nilai awal dengan Metode Runge-Kutta Orde Lima dan metode analitik serta menentukan galat Metode Runge-Kutta Orde Lima. 4 f 4 f dy 4 y dy 4 3 6 2 2 4 x x y dx x y dx f 5 xr , yr 2 4 5 f 5 f dy 5 y dy 5 4 10 3 2 54 x x y dx x y dx 2 5 f dy 5 f dy 5 f dy 5 2 3 x y dx xy 4 dx y 5 dx 3 10 4 5 Dengan mensubtitusi f 1 , f 2 , f 3 , f 4 , f 5 ke deret Taylor orde enam, diperoleh: f f dy x y dx 2 3 2 2 2 h f f dy f dy 2 6 x 2 y x dx y 2 dx 2 h4 3 f 3 f dy 3 y dy 3 f 3 3 3 2 2 24 x x y dx xy dx y 3 yr 1 yr h f xr , yr Diberikan bentuk umum persamaan metode Runge-Kutta Orde Lima yaitu: (4.1) dimana: k1 f xr , y r h2 2 3 dy dx h5 4 f 4 f 4 3 4 120 x x y 2 3 4 dy 4 y dy 4 f dy 4 f dy 6 2 2 4 4 3 dx x y dx xy dx y dx h6 5 f 5 f dy 5 4 5 720 x x y dx k 2 f xr p1h, y r q11k1h k3 f xr p2 h, yr q21k1h q22 k 2 h k5 f xr p4 h, yr q41k1h q42k 2 h q43k3 h q44k 4 h 2 2 4 f dy 4 f dy xy 3 dx y 4 dx 4. PEMBAHASAN k 4 f xr p3 h, yr q31k1h q32k 2 h q33k3 h dy dx 3 f 3 f dy 3 y dy 3 f dy 3 3 3 x 3 x 2 y dx xy 2 dx y dx 3 4 31 xr , yr Jika f fungsi sebarang, maka diperoleh: (Paduppai, 2006:3-4) yr 1 yr a1k1 a2 k2 a3 k3 a4 k4 a5 k5 a6 k6 h 3 2 3 5 y dy 5 f dy 10 2 3 3 2 x y dx x y dx 4 5 5 5 f dy f dy 5 4 5 xy dx y dx 10 (4.2) 3 JURNAL MSA VOL. 5 NO. 1 ED. JAN-JUNI 2017 Selanjutnya menentukan nilai-nilai a1 , a2 , a3 , a4 , a5 , a6 , p1 , p2 , p3 , p4 , p5 , q11 , q21 , q22 , q31 k6 f xr , yr p5 f xr , yr p1 h q11 y x y f xr , yr h h q53 f xr , yr p2 h y x q21 f xr , yr h q22 f xr , yr y y q52 q32 , q33 , q41 , q42 , q43 , q44 , q51 , q52 , q53 , q54 , q55 dengan menyamakan persamaan (4.1) dengan k1 , k 2 , k3 , k 4 , k5 , k6 pada deret Taylor persamaan (4.2). dengan: k 2 f xr , y r p1 h q11 f xr , y r h x y k3 f xr , yr p2 h q21 f xr , yr h q22 f xr , yr h x y y 2 2 2 h f xr , yr q11 q22 2 f xr , yr h2 x y y k4 f xr , yr p3 h q31 f xr , yr h x y q32 y f xr , yr p1 x h q11 y 2 2 2 h q11q22 2 f xr , yr h 2 xy y k5 f xr , yr p4 h h q41 f xr , yr h x y f xr , yr p1 h q11 y x y f xr , yr p2 h y x q21 f xr , yr h q22 f xr , yr y y 2 2 2 h p1q22 h q11q22 2 f xr , yr h 2 h xy y f xr , yr h h q43 q44 q31 q33 f xr , yr p3 h y x f xr , yr h q32 f xr , yr h y y q32 p1 2 2 2 h q32 q11 2 f xr , yr h 2 xy y 2 2 2 f xr , yr h q33 p2 h q32 q21 2 f xr , yr h 2 y xy y 2 q32 q22 2 f xr , yr h 2 y q33 q22 p1 3 3 h 3 q33q22 q11 3 f xr , y r h 3 h 2 xy y 2 2 2 h q32 q11 2 f xr , yr h 2 xy y 2 2 f xr , yr h q33 p2 h y xy 2 2 2 f x , y h q q f xr , yr r r 32 22 y 2 y 2 3 3 3 h2 q33 q22 p1 h q33q22 q11 3 f xr , yr h3 h 2 xy y q55 f xr , yr p4 y q32 q21 f xr , yr p2 h y x q21 f xr , yr h q22 f xr , yr y y h p1q22 q32 p1 q33 f xr , yr h h q33 q42 2 2 2 h q11q22 2 f xr , yr h 2 h xy y q54 f xr , yr p3 h y x q31 f xr , yr h q32 f xr , yr h y y h p1q22 k1 f xr , y r p1 q22 h q51 f xr , yr h x y 2 2 h q41 f xr , yr h q42 f xr , yr h q42 p1 h x y y xy q42 2 f xr , yr h2 y 2 q43 2 2 2 f xr , yr h q43 p2 h q43q21 2 f xr , yr h 2 y xy y q43q22 2 f xr , yr y 2 h2 q43 q22 p1 3 3 3 h q43q22 q11 3 f xr , yr h3 2 xy y f xr , yr h q44 y 2 2 2 2 p3 h q44 q31 2 f xr , yr h2 q44 q31 2 f xr , yr h 2 xy y y q44 q44 q32 2 f xr , yr y 2 h2 q44 q32 p1 q44 q33 q33q22 p1 3 3 3 h q q q f xr , yr h3 44 32 11 xy 2 y 3 2 f xr , yr h2 y 2 4 4 4 h q q q q f xr , y r h 4 h 44 33 22 11 3 4 xy y 32 JURNAL MSA VOL. 5 NO. 1 ED. JAN-JUNI 2017 Subtitusi nilai pada k1 , k 2 , k3 , k 4 , k5 , k6 persamaan (4.1) dan selanjutnya berdasarkan persamaan (4.2) diperoleh: a1 a2 a3 a4 a5 a6 1 a2 p1 a3 p2 a4 p3 a5 p4 a6 p5 1 2 a2 q11 a3q21 a3q22 a4 q31 a4 q32 a5q41 a5q42 a5q43 a5q44 a6 q51 a6 q52 1 a6 q53 a6 q54 a6 q55 2 a3q22 p1 a4 q32 p1 a4 q33 p2 a5q42 p1 a5q43 p2 a5q44 p3 a6 q52 p1 a6 q53 p2 1 a6 q54 p3 a6 q55 p4 6 a3q22 q11 a4 q32 q11 a4 q33q21 a4 q33q22 a5q42 q11 a5q43q21 a5q43q22 a5q44 q31 a5q44 q32 a5q44 q33 a6 q52 q11 a6 q53q21 a6 q53q22 a6 q54q31 a6 q54q32 a6q54q33 1 a6 q55q41 a6 q55q42 a6 q55q43 a6 q55q44 6 a4 q33q22 p1 a5q43q22 p1 a5q44q32 p1 a5q44q33 p2 a5q44 q33 p2 a6 q53q22 p1 a6 a6 q54 q32 p1 q54 q33 p2 a6 q54 q33 p2 a6 q55 q42 p1 1 a6 q55 q43 p2 a6 q55 q44 p3 24 a4 q33q22 q11 a5q43q22q11 a5q44q32q11 a5q44q33q21 a5q44q33q22 a6q54q32q11 a6 q54 q33q11 a6 q54 q33q22 a6q53q22q11 a6q55q42q11 a6 q55q43q21 a6 q55q43q22 a6 q55q44 q32 a6 q55q44 q33 1 24 a5q44 q33q22 p1 a6 q54 q33q22 p1 a6 q55q43q22 p1 1 a6 q55q44 q32 p1 a6 q55q44 q33 p2 120 a5q44 q33q22 q11 a6 q54 q33q22 q11 a6 q55q43q22 q11 a6 q55q44 q32 q11 a6 q55q44 q33q21 a6 q55q44 q33q22 1 120 1 a6 q55q44 q33q22 p1 720 1 a6 q55 q44 q33q22 q11 720 33 Hasil yang diperoleh di atas menyebabkan solusi yang tak hingga banyaknya, namun metode Runge-Kutta Orde Lima yang biasa dipakai yaitu: yr 1 yr 1 7k1 3 2k3 12k4 32k5 7k6 h 90 dengan: k1 f xr , y r 1 1 k 2 f xr h, y r h k1 4 4 1 1 1 k 3 f xr h, y r h k1 h k 2 4 8 8 1 1 k 4 f xr h, y r hk2 h k 3 2 2 3 3 9 k 5 f xr h, y r hk1 h k 4 4 16 16 3 2 12 12 8 k 6 f xr h, y r hk1 hk2 hk3 hk4 h k 5 7 7 7 7 7 dimana r 0,1,2,, n dan h xr 1 xr Simulasi Selesaikan persamaan y' x 1 y 3 y x 1 2 3 dengan nilai awal y1 0.40825 dan nilai h 0,1 Penyelesaian: Metode analitik y' x 1 y 3 y x 1 2 3 dapat diubah menjadi x 1 y 3 dy y dx x 1 2 (1) x 1 y 3 dy y dx x 1 2 : 3 3 diperoleh y 3 x 1 dy y 2 dx x 1 2 3 (2) Misalkan z y 2 diperoleh dz 2 y 3 dy dx Maka persamaan (2) menjadi x 1 1 dz z 2 dx x 1 2 3 dx y3 JURNAL MSA VOL. 5 NO. 1 ED. JAN-JUNI 2017 dz 2 z 3 x 1 dx x 1 Misalkan z uv diperoleh subtitusi pada (3) dz dv du u v dx dx dx persamaan u dv du 2uv 3 v x 1 dx dx x 1 u dv 2uv du 3 v x 1 dx x 1 dx (3) diperoleh 3 3 Jadi solusi khusus dari y ' y x 1 y x 1 adalah y 2 • Untuk x1 x0 h 1 0.1 1.1 maka y • (4) dv 2v dv 2v diperoleh dv 2dx 0 maka dx x 1 dx x 1 v x 1 1 2 v dv x 1 dx • • 2 y u0 v • y du x 1 dx Dari 3 2 du x 1dx diketahui y x 1 Dengan menggunakan rumus: yr 1 yr 1 2 x xc 2 z uv maka z 1 x 2 x c x 12 2 2 1 7k1 3 2k3 12k4 32k5 7k6 h 90 dengan: Karena z y 2 diperoleh y 2 1 x 2 x c x 12 Subtitusi nilai awal y1 0.40825 maka 0.40825 x 1 y 3 y x 1 2 y' x 13 y 3 f x, y du x 1dx 2 1 0.22664 19.46880 Metode Runge-Kutta Orde Lima dx u 1 0.24689 16.40625 Untuk x6 x5 h 1.5 0.1 1.6 maka du du 3 x 1 diperoleh v x 13 dx dx x 12 du x 13 1 0.27008 13.70880 Untuk x5 x4 h 1.4 0.1 1.5 maka diperoleh v x 1 selanjutnyadaripersamaan (4) diperoleh: 1 0.29686 11.34705 Untuk x4 x3 h 1.3 0.1 1.4 maka y ln v 2 ln x 1 atau ln v ln x 12 1 0.32804 9.29280 Untuk x3 x2 h 1.2 0.1 1.3 maka y • 1 0.36469 7.51905 Untuk x2 x1 h 1.1 0.1 1.2 maka y du dv 2v 3 u x 1 v dx x 1 dx 2 1 2 x 2 x x 1 2 1 2 2 1 1 c 1 1 2 3 2 6 c 2 6 4c 2 6 6 4c atau 4c 0 , diperoleh c 0 k1 f xr , y r 1 1 k 2 f xr h, y r h k1 4 4 1 1 1 k 3 f xr h, y r h k1 h k 2 4 8 8 1 1 k 4 f xr h, y r hk2 h k 3 2 2 3 3 9 k 5 f xr h, y r hk1 h k 4 4 16 16 3 2 12 12 8 k 6 f xr h, y r hk1 hk2 hk3 hk4 h k 5 7 7 7 7 7 34 JURNAL MSA VOL. 5 NO. 1 ED. JAN-JUNI 2017 Dengan nilai r 0,1,2,, n dan h xr 1 xr Untuk xr 1 x01 x1 1.0 diperoleh k1 f x0 , y0 f 1.0 , 0.40825 1.0 13 0.408253 0.40825 -0.47629 1.0 1 2 1 1 k2 f x0 0.1 , y0 0.1 -0.47629 4 4 1 1 f 1.0 0.1 ,0.40825 0.1 -0.47629 4 4 f 1.02500 , 0.39634 1.02500 13 0.39634 3 0.39634 -0.45422 2 1.02500 1 1 1 x0 4 0.1 , y0 8 0.1 -0.47629 k3 f 1 0.1 -0.45422 8 1 1 1.0 4 0.1 , 0.40825 8 0.1 f -0.47629 1 0.1 -0.45422 8 f 1.02500 , 0.39662 1.02500 13 0.396623 2 0.39662 1.02500 1 -0.25904 - 0.19586 -0.45490 1 1 x0 0.1 , y0 0.1 -0.45422 2 2 k4 f 0.1 -0.45490 1 1 1.0 0.1 , 0.40825 0.1 -0.45422 2 2 f 0.1 -0.45490 f 1.05000 , 0.38547 1.05000 13 0.38547 3 2 0.38547 1.05000 1 -0.24672 - 0.18803 -0.43475 3 2 12 x0 0.1, y0 7 0.1 -0.47629 7 0.1 -0.45422 7 0.1 k6 f -0.45490 12 0.1 -0.43475 8 0.1 -0.45984 7 7 3 2 12 1.0 0.1, 0.40825 0.1 -0.47629 0.1 -0.45422 0.1 -0.4549 f 7 7 7 f 1.10000 , 0.35968 3 3 1.10000 1 0.35968 2 0.35968 1.10000 1 -0.21546- 0.17127 -0.38673 Jadi y01 y1 y0 1 7k1 3 2k3 12k4 32k5 7k6 h 90 0.40825- 0.04503 0.36322 Dengan cara yang sama diperoleh hasil seperti dalam tabel 4.1. Tabel 4.1 Hasil metode Runge-Kutta Orde Lima r x Hasil analitik R-K orde lima galat R-K 1 1.0 0.40825 - - 2 1.1 0.36469 0.36322 0.00147 3 1.2 0.32804 0.32573 0.00231 4 1.3 0.29686 0.29410 0.00276 5 1.4 0.27008 0.26710 0.00298 6 1.5 0.24689 0.24383 0.00306 7 1.6 0.22664 0.22360 0.00304 Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa metode Runge-Kutta Orde Lima memiliki galat yang relatif kecil yang menunjukkan bahwa tingkat ketelitian metode Runge-Kutta Orde Lima tinggi. 5. KESIMPULAN 3 3 9 k 5 f x0 0.1, y 0 0.1- 0.47629 0.1- 0.43475 4 16 16 Dari uraian pembahasan tersebut, dapat 3 3 simpulkan bawah 1.0 0.1 ,0.40825 0.1 4 16 f 1. Untuk menyelesaikan solusi persamaan -0.47629 9 0.1 -0.43475 diferensial biasa, rumus untuk metode Runge16 Kutta Orde Lima yang biasa dipakai adalah: f 1.07500 , 0.39272 1.07500 13 0.392723 2 0.39272 1.07500 1 -0.27057 - 0.18926 -0.45984 35 yr 1 yr dengan: 1 7k1 3 2k3 12k 4 32k5 7k6 h 90 JURNAL MSA VOL. 5 NO. 1 ED. JAN-JUNI 2017 k1 f xr , y r 1 1 k 2 f xr h, y r h k1 4 4 1 1 1 k 3 f xr h, y r h k1 h k 2 4 8 8 1 1 k 4 f xr h, y r hk2 h k 3 2 2 3 3 9 k 5 f xr h, y r hk1 h k 4 4 16 16 3 2 12 xr h, yr 7 hk1 7 hk2 7 hk3 k6 f 12 hk 8 h k 4 5 7 7 dengan h xr 1 xr dan r 0,1,2,, n 2. Solusi persamaan diferensial biasa dengan menggunakan metode Runge-Kutta Orde Lima memiliki tingkat ketelitian yang tinggi. 6. DAFTAR PUSTAKA Fachruddin, Imam. MetodeNumerik 1. http: //is.its-sby. edu/ subjects/ numerical _methods /Irfan_Metode_Numerik.pdf. (diakses tanggal 4 Juni 2009). Fardinah. 2009. Skipsi Solusi Persamaan Diferensial Biasa Dengan Metode RungeKutta Orde Lima Dan Metode Euler. Makassar: Jurusan Matematika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Makassar. Finizio N & Ladas G. 1988. Persamaan Diferensial Biasa dengan Penerapan Moderen. Jakarta: Erlangga. Gunawan, Hendra. Analisis Numerik Lanjut. http: //personal. fmipa.itb. ac.id /hgunawan/files/2007/11. (diakses tanggal 4 juni 2009). Paduppai, Darwing. 2004. Metode Numerik. Makassar: Jurusan Matematika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Makassar. Santosa, Widiarti dan Pamuntjak R.J. 1994. Persamaan Diferensial Biasa. Jakarta: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi. Talib, Ahmad. 2004. Masalah Syarat Batas. Jurusan Matematika FMIPA UNM. Wahyuddin. 1987. Metode Analisis Numerik. Bandung: Tarsito. 36