METODE NEWTON TERMODIFIKASI UNTUK PENCARIAN AKAR PERSAMAAN NONLINEAR

Transkripsi

1 METODE NEWTON TERMODIFIKASI UNTUK PENCARIAN AKAR PERSAMAAN NONLINEAR Tugas Akhir Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Matematika Disusun Oleh: Juliani Sihotang NIM: PROGRAM STUDI MATEMATIKA, JURUSAN MATEMATIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2017 i

2 A MODIFIED NEWTON S METHOD FOR FINDING ROOTS OF NONLINEAR EQUATIONS FINAL ASSIGNMENT Presented as a Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the Degree of Sarjana Sains Mathematics Study Program Written by: Juliani Sihotang Student ID: MATHEMATICS STUDY PROGRAM, DEPARTMENT OF MATHEMATICS FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2017 ii

3

4

5 HALAMAN PERSEMBAHAN Memperoleh hikmat sungguh jauh melebihi memperoleh emas, dan mendapat pengertian jauh lebih berharga dari pada mendapat perak ~ Amsal 16:16 ~ Tugas akhir ini ku persembahkan untuk: Tuhan Yesus Kristus Ayahku, Kiman Sihotang Ibuku, Lasmaria Pandiangan Orang-orang terkasih v

6

7 ABSTRAK Metode Newton termodifikasi adalah suatu metode pencarian akar dari fungsi dengan satu variabel bebas yang didasarkan pada prinsip iterasi metode Newton standar. Metode Newton (baik yang versi standar ataupun yang termodifikasi) adalah suatu iterasi pendekatan fungsi tak linear dengan hampiran linear. Metode Newton termodifikasi lebih cepat konvergen dibandingkan dengan metode Newton standar. Sebagai catatan, tingkat konvergensi metode Newton termodifikasi dan metode Newton standar secara berturut-turut adalah dan 2. Metode Newton termodifikasi relatif sederhana dan robust. Hasil percobaan menunjukkan bahwa jumlah iterasi dari metode Newton termodifikasi lebih sedikit bila dibandingkan dengan metode Newton standar. Akan tetapi, satu kali iterasi metode Newton termodifikasi membutuhkan waktu lebih lama, karena metode Newton termodifikasi melakukan proses perhitungan yang lebih banyak. Masalah aliran steady air dangkal telah diselesaikan dengan menggunakan metode Newton termodifikasi. Dalam hal memecahkan masalah pencarian akar, terlihat bahwa metode Newton termodifikasi lebih baik dari pada metode biseksi dan metode Newton standar. Metode Newton termodifikasi memberikan cara alternatif untuk mendapatkan akar fungsi nonlinear. vii

8 ABSTRACT Modified Newton s method is a root finding method of a function with one independent variable, based on the principal of standard Newton s method iteration. The Newton s method (either the standard version or modified) iteration is an approximation of nonlinear function by linear function. The modified Newton s method converges faster compared to the standard Newton s method. As a note, the convergence order of the modified Newton s method and standard Newton s method are and 2 respectively. Modified Newton s method is relatively simple and robust. Numerical examples show that the iteration number of the modified Newton s method is less than standard Newton s method. However, one iteration of the modified Newton s method needs more time, because the process of this method does more calculations. The steady flow problem has been solved using the modified Newton s method. In terms of solving the problem of finding roots, it appears that the modified Newton's method is better than the bisection method and standard Newton s method. The modified Newton s method give an alternative way to get the roots of a nonlinear function. viii

9

10 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat yang diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Matematika, Universitas Sanata Dharma. Banyak tantangan dalam proses penulisan tugas akhir ini, namun dengan penyertaan Tuhan serta dukungan dari berbagai pihak akhirnya tugas akhir ini dapat diselesaikan. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, sekaligus selaku dosen pembimbing yang dengan sabar dan penuh antusias dalam membimbing selama proses penulisan tugas akhir ini. 2. Bapak Y. G Hartono, S.Si., M.Sc., Ph.D. selaku Kepala Program Studi Matematika. 3. Bapak dan Ibu Dosen Program Studi Matematika yang telah memberikan ilmu yang sangat bermanfaat bagi penulis. 4. Kedua orang tuaku, Kiman Sihotang dan Lasmaria Pandiangan, serta kedua kakakku Romauli Sihotang, Priskila Sihotang, dan adikku Legina Sihotang yang selalu mendukungku dengan penuh kasih dan memberikan masukkan positif kepadaku. 5. Saudara dan saudariku komsel Area Sanata Dharma yang telah memberikan semangat dan dukungan kepadaku dengan penuh kasih. x

11

12 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN JUDUL DALAM BAHASA INGGRIS... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PERSEMBAHAN... v HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA... vi ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... ix KATA PENGANTAR... x DAFTAR ISI... xii BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Rumusan Masalah... 4 C. Batasan Masalah... 4 D. Tujuan Penulisan... 4 E. Metode Penulisan... 4 F. Manfaat Penulisan... 5 xii

13 G. Sistematika Penulisan... 5 BAB II LANDASAN TEORI... 7 A. Metode Newton... 7 B. Tingkat Konvergensi Metode Newton C. Analisis Galat Metode Newton D. Persamaan Diferensial E. Integral F. Deret Taylor dan Deret Maclaurin G. Konvergensi Deret Taylor BAB III METODE NEWTON TERMODIFIKASI DAN CONTOH PENERAPANNYA DALAM BIDANG DINAMIKA FLUIDA A. Metode Newton Termodifikasi B. Aliran Steady Air Dangkal C. Hasil Numeris BAB IV KONVERGENSI METODE NEWTON TERMODIFIKASI A. Konvergensi Metode Newton Termodifikasi B. Percobaan dengan Variasi Tebakan Awal BAB V PENUTUP A. Kesimpulan B. Saran xiii

14 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiv

15 BAB I PENDAHULUAN Dalam bab ini akan dijelaskan latar belakang, rumusan dan pembatasan masalah, tujuan penulisan, metode penulisan, manfaat penulisan, serta sistema- tika penulisan tugas akhir ini. A. Latar Belakang Masalah di dunia nyata dapat dimodelkan ke dalam suatu persamaan atau sistem persamaan matematika. Penyelesaiannya dapat berupa penyelesaian analitis maupun bukan analitis. Untuk penyelesaian analitis, model matematika diselesaikan menggunakan teori dan analisa matematika yang telah ada sedemikian rupa sehingga hasil yang diperoleh adalah penyelesaian eksak. Sedangkan untuk penyelesaian bukan analitis, penyelesaian dari model matematika tersebut diperoleh dengan menggunakan metode pendekatan yang dikembangkan untuk menangani model matematika tersebut sedemikian rupa sehingga penyelesaian yang diperoleh adalah penyelesaian pendekatan. Dengan demikian, penyelesaian tersebut bukan penyelesaian eksak. Metode pendekatan tersebut selanjutnya disebut metode numerik. Metode numerik adalah suatu teknik penyelesaian yang diformulasikan secara matematis dengan cara operasi hitungan atau aritmatika dan dilakukan 1

16 2 secara iteratif dengan bantuan komputer atau secara manual. Analisis suatu masalah yang didekati dengan menggunakan metode numerik umumnya melibatkan angka-angka dalam jumlah banyak dan melewati proses perhitungan matematika yang cukup rumit. Dalam analisis numerik, metode Newton standar yang juga dikenal sebagai metode Newton-Raphson merupakan salah satu metode yang dikenal untuk mencari hampiran terhadap akar fungsi real. Metode Newton standar yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah metode untuk mencari akar persamaan nonlinear f(x) = 0 dengan satu titik x 0 sebagai kondisi awalnya dan fungsi f(x) mempunyai turunan pertama. Metode ini dianggap lebih mudah dari metode biseksi karena metode ini menggunakan pendekatan satu titik sebagai titik awal. Semakin dekat titik awal yang kita pilih dengan akar sebenarnya, maka metode Newton standar semakin cepat konvergen ke akarnya. Metode Newton standar dapat dijelaskan secara geometris seperti tampak pada Gambar 1 dan penjabarannya sebagai berikut. Dimulai dengan menetukan x 0 sebagai titik awal, kemudian menarik garis lurus (misal garis l) yang menyinggung grafik fungsi f di titik (x 0, f(x 0 )). Garis l memotong sumbu x dititik x 1. Setelah itu diulangi langkah sebelumnya tapi sekarang x 1 dianggap sebagai titik awalnya. Dengan mengulang langkah ini akan diperoleh titik-titik x 0, x 1, x 2, x 3,, x n dengan x n adalah bilangan real yang merupakan akar atau mendekati akar sebenarnya.

17 3 Gambar 1.1: Ilustrasi iterasi metode Newton standar. Misalkan fungsi f mempunyai turunan pertama f. Barisan x 0, x 1, x 2, diperoleh dari iterasi x n+1 = x n f(x n) f, untuk n = 0,1,2 (1) (x n ) Metode Newton standar di atas mempunyai tingkat konvergensi dua (kua- dratik).dalam perkembangannya, pada tahun 2014, metode ini telah dimodifikasi sehingga diperoleh metode dengan tingkat konvergensi lebih tinggi yang disebut metode Newton termodifikasi. Iterasi untuk metode Newton termodifikasi adalah: x f(x k ) k = x k f ( 1 2 [x k 1 + x k 1 ]), (2) f(x k ) x k+1 = x k f [ 1 2 (x k + x k )] (3) dengan x k adalah iterasi ke-k, untuk k = 1,2,3,.

18 4 Penelitian ini akan membandingkan hasil perhitungan yang diperoleh dari metode Newton standar dengan metode Newton termodifikasi. B. Rumusan Masalah Perumusan masalah yang akan dibicarakan pada tugas akhir ini adalah: 1. Bagaimana cara mengonstruksi metode Newton standar? 2. Bagaimana cara mengonstruksi metode Newton termodifikasi? 3. Bagaimana menerapkan metode Newton termodifikasi dalam masalah dinamika fluida? C. Batasan Masalah Pembahasan masalah dalam tugas akhir ini akan dibatasi pada metode Newton standar dan metode Newton termodifikasi untuk mencari akar real suatu persamaan. D. Tujuan Penulisan Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk memodifikasi metode Newton standar sehingga menghasilkan metode numeris yang lebih akurat. E. Metode Penulisan Metode yang digunakan penulis dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Metode studi pustaka, yaitu dengan membaca dan mempelajari buku-buku atau jurnal-jurnal yang berkaitan dengan metode Newton standar, dan

19 5 2. Simulasi numeris, yaitu dengan menggunakan komputer, akan dicari akar real suatu persamaan. F. Manfaat Penulisan Manfaat yang dapat diperoleh dari penulisan tugas akhir ini adalah kita dapat mengetahui suatu metode yang mirip dengan metode Newton standar yang disebut metode Newton termodifikasi yang hasilnya lebih akurat daripada hasil dari metode Newton standar. G. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah B. Rumusan Masalah C. Batasan Masalah D. Tujuan Penulisan E. Metode Penulisan F. Manfaat Penulisan G. Sistematika Penulisan BAB II LANDASAN TEORI A. Metode Newton B. Tingkat Konvergensi Metode Newton C. Analisis Galat Metode Newton

20 6 D. Persamaan Diferensial E. Integral F. Deret Taylor dan Deret Maclaurin G. Konvergensi Deret Taylor BAB III METODE NEWTON TERMODIFIKASI DAN CONTOH PENERAPANNYA DALAM BIDANG DINAMIKA FLUIDA A. Metode Newton Termodifikasi B. Aliran Steady Air Dangkal C. Hasil Numeris BAB IV KONVERGENSI METODE NEWTON TERMODIFIKASI A. Konvergensi Metode Newton Termodifikasi B. Percobaan dengan Variasi Tebakan Awal BAB V PENUTUP A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA

21 BAB II LANDASAN TEORI Landasan teori tugas akhir ditulis dalam bab ini. Landasan teori tersebut meliputi: metode Newton, konvergensi metode Newton, analisis galat metode Newton standar, persamaan diferensial, integral, deret Taylor dan deret Maclaurin, dan konvergensi deret Taylor. A. Metode Newton Pada bagian ini dibahas mengenai metode Newton standar yang meliputi definisi dan contoh dari metode Newton standar tersebut. Definisi 2.1 Metode Newton standar adalah salah satu metode numerik yang dapat digunakan untuk menentukan akar (solusi) dari suatu persamaan f(x) = 0. Dengan f dapat dideferensialkan sehingga grafik y = f(x) mempunyai sebuah garis singgung pada setiap titik. Jika dapat ditentukan hampiran pertama x 1 untuk sebuah akar r yang diperoleh dengan cara menerka atau dari sketsa kasar grafik f, maka hampiran x 2 yang lebih mendekati akar r diperoleh dari perpotongan garis singgung di (x 1, f(x 1 )) dengan sumbu x. Dengan menggunakan x 2 sebagai sebuah hampiran, maka dapat ditentukan hampiran x 3 yang lebih mendekati lagi dan seterusnya. Proses tersebut dapat dirumuskan dengan mengingat persamaan garis singgung di (x 1, f(x 1 )) adalah 7

22 8 y f(x 1 ) = f (x 1 )(x x 1 ) dan titik potong sumbu x di x 2 dapat ditentukan dengan y = 0 dan f(x 1 ) 0 maka diperoleh atau 0 f(x 1 ) = f (x 1 )(x x 1 ), x 2 = x 1 f(x 1) f (x 1 ). Lalu x 2 digunakan untuk hampiran kedua untuk menghampiri r, yang akan menghasilkan hampiran ketiga. Jika terus mengulang proses iterasi maka akan diperoleh barisan x 1, x 2, x 3,. Umumnya, jika hampiran ke-n adalah x n dan f(x n ) 0, maka diperoleh skema untuk metode Newton standar yaitu dengan n = 0,1,2,3,. x n+1 = x n f(x n) f (x n ), Untuk menghentikan proses iterasi, misalkan toleransi kesalahan ε > 0 sehingga x n x n 1 < ε atau f(x n ) < ε. Contoh 2.1 Gunakan metode Newton standar untuk menentukan akar real r dari f(x) = x 4 + 3x 3 4x 2 1 dengan ketelitian sampai lima tempat desimal (dengan ε = ). Penyelesaian : Misal x 0 =1 sebagai hampiran pertama untuk r. Dipandang f(x) = x 4 + 3x 3 4x 2 1, maka turunan pertamanya adalah

23 9 f (x) = 4x 3 + 9x 2 8x. Menggunakan rumus iterasi Newton standar diperoleh x n+1 = x n f(x n) f (x n ), x n+1 = x n x n 4 + 3x n 3 4x n 2 1 4x n 3 + 9x n 2 8x n. Hasil iterasi Newton standar untuk n = 0, 1, 2, 3, 4 adalah sebagai berikut: Untuk n = 0, maka sehingga Untuk n = 1, maka x 1 = (1) 3 4(1) 2 1 4(1) 3 + 9(1) 2 8(1) = 1.2, f(1.2) = = sehingga Untuk n = 2, maka x 2 = 1.2 (1.2)4 + 3(1.2) 3 4(1.2) 2 1 4(1.2) 3 + 9(1.2) 2 8(1.2) = , f( ) = = x 3 = ( )4 + 3( ) 3 4( ) 2 1 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) sehingga Untuk n = 3, maka f( ) = = = ,

24 10 x 4 = ( )4 + 3( ) 3 4( ) 2 1 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) sehingga Untuk n = 4, maka f( ) = = x 5 = ( )4 + 3( ) 3 4( ) 2 1 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) sehingga f( ) = = = , = , Setelah melewati empat langkah, akan dijumpai lima digit pertama yang sama, dengan x n x n 1 < ε. Jadi akar yang diperoleh adalah x = dengan jumlah iterasi sebanyak 4 kali. B. Tingkat Konvergensi Metode Newton Akan dibahas tentang konvergensi dari metode Newton standar dan akan ditunjukkan tingkat konvergensinya. Definisi 2.2 Misalkan p 0, p 1, p 2, merupakan barisan yang konvergen ke- p, dan e n = p p n untuk n = 0,1,2,. Jika terdapat suatu bilangan R > 0 dan konstanta C 0 sedemikian sehingga: p p n+1 lim n p p n R = lim e n+1 n e n R = C, maka R disebut tingkat konvergensi dari barisan itu.

25 11 Catatan: Jika R = 1, maka barisan disebut konvergen secara linear. Jika R > 1, maka barisan disebut konvergen secara superlinear. Jika R = 2, maka barisan disebut konvergen secara kuadratik. Jika R = 3, maka barisan disebut konvergen secara kubik. Misalkan x 0, x 1, x 2, mendekati x, maka a. Tingkat konvergensinya paling tidak adalah linear. Jika berlaku x n+1 x C x n x, untuk suatu 0 < C < 1 dan suatu bilangan bulat N dengan n N. b. Tingkat konvergensi paling tidak adalah superlinear. Jika terdapat barisan {p n } 0 dan bilangan bulat N dengan n N sehingga berlaku x n+1 x p n x n x. c. Tingkat konvergensi paling tidak adalah kuadratik. Jika terdapat bilangan bulat N dengan n N dan konstanta positif C (tidak harus < 1) sehingga berlaku x n+1 x C x n x 2. Barisan {x k } k=0 dapat dipandang sebagai suatu barisan yang memenuhi Definisi 2.2. Misalkan x r akar sesungguhnya dari persamaan tak linear f(x), maka barisan itu konvergen ke x r.

26 12 C. Analisis Galat Metode Newton Bagaimanakah galat metode Newton standar berubah dari satu langkah ke langkah berikutnya?. Pada penurunan rumus turunan numeris dengan deret Taylor, rumus galat dalam penurunan rumus turunan numeris tersebut dapat langsung diperoleh. Tetapi dengan polinom interpolasi harus dicari rumus galat tersebut dengan bantuan deret Taylor. Contoh 2.2 Tentukan rumus galat dan tingkat keakuratan dari rumus metode Newton standar : Penyelesaian: x n+1 = x n f(x n) f (x n ) Misalkan e n = r x n dengan r adalah akar eksak dan x n adalah hampiran r pada langkah ke- n. maka: Dengan deret Taylor menghasilkan : e n+1 = r x n+1, = r (x n f(x n) f (x n ) ), = r x n + f(x n) f (x n ), = e n + f(x n) f (x n ), = e nf (x n ) + f(x n ). f (x n )

27 13 0 = f(r) = f(x n + e n ), = f(x n ) + e n f (x n ) + e n 2 f (x n) 2! = f(x n ) + e n f (x n ) + e n 2 f (ξ n) 2! + f(r) = f(x n ) + e n f (x n ) 2 + e f (ξ n) n, 2 + untuk x n ξ r diperoleh f(x n ) + e n f (x n ) = 1 2 e n 2 f (ξ n ). Dari persamaan e nf (x n )+f(x n ) f (x n ) untuk x n yang cukup dekat dengan r. dan f(x n ) + e n f (x n ) = 1 2 e n 2 f (ξ n ) menjadi e n+1 = f 2 (ξ n )e n 2f (x n ) f 2 (r)e n 2f (r) = Ce n 2, Karena e n+1 Ce n 2. Disimpulkan bahwa metode Newton standar konvergen secara kuadratik untuk x n yang cukup dekat dengan r. Dengan kata lain, tingkat keakuratan metode Newton standar adalah tingkat dua. D. Persamaan Diferensial Berikut ini dibahas tentang persamaan diferensial. Persamaan diferensial yang dibahas meliputi definisi dan contoh persamaan diferensial, persamaan diferensial biasa, persamaan diferensial parsial, kelinearan suatu persamaan diferensial, dan aturan rantai.

28 14 Definisi 2.4 Persamaan diferensial merupakan persamaan yang melibatkan variabelvariabel tak bebas dan turunan-turunannya terhadap variabel-variabel bebas. Contoh 2.3 Persamaan di bawah ini merupakan contoh persamaan diferensial: Definisi 2.5 dy dx = 0, (2.4) d 5 4 x dt (dx dt ) = cos (t), (2.5) u s + u t = 0, (2.6) 2 s x s y s = 0. (2.7) z2 Persamaan diferensial biasa adalah persamaan diferensial yang melibatkan turunan dari satu atau lebih variabel tak bebas terhadap satu variabel bebas. Contoh 2.4 Persamaan (2.4) dan (2.5) merupakan persamaan diferensial biasa. Pada persamaan (2.4) variabel x adalah suatu variabel bebas, dan variabel y adalah variabel tak bebas. Pada persamaan (2.5), variabel t adalah variabel bebas, dengan x adalah variabel tak bebasnya.

29 15 Definisi 2.6 Persamaan diferensial parsial merupakan persamaan diferensial yang melibatkan turunan parsial dari satu atau lebih variabel tak bebas terhadap lebih dari satu variabel bebas. Contoh 2.5 Persamaan (2.6) dan (2.7) merupakan persamaan diferensial parsial. Pada persamaan (2.6), variabel s dan t adalah variabel bebas dan u adalah variabel tak bebasnya. Pada persamaan (2.7) terdapat tiga variabel bebas yaitu x, y, dan z dengan s adalah variabel tak bebasnya. Definisi 2.7 Orde dari persamaan diferensial adalah tingkat tertinggi dari turunan yang terkandung dalam persamaan diferensial. Contoh 2.6 Persamaan diferensial biasa (2.4) adalah persamaan diferensial orde pertama, karena tingkat tertinggi dari turunan pada persamaan tersebut adalah satu. Persamaan (2.5) adalah persamaan diferensial biasa orde kelima. Persamaan (2.6) termasuk persamaan diferensial parsial orde pertama. Persamaan (2.7) merupakan persamaan diferensial parsial orde kedua.

30 16 Definisi 2.8 Suatu persamaan diferensial biasa orde ke- n F(x, y, y, y,, y (n) ) = 0, dikatakan linear jika F merupakan suatu fungsi linear dari variabel y, y, y,, y (n) ; definisi yang sama juga berlaku untuk persamaan diferensial parsial. Secara umum persamaan diferensial biasa linear orde n dituliskan sebagai a 0 (x)y (n) + a 1 (x)y (n 1) + + a n (x)y = b(x), (2.8) dengan a 0 tidak sama dengan nol. Di sini y = dy dx, y = d2 y dx 2,, yn = dn y dx n. Contoh 2.7 Persamaan diferensial biasa berikut keduanya linear. Pada kedua persamaan berikut, variabel y adalah variabel tak bebas. Perhatikan bahwa y dan turunanturunannya terjadi dengan pangkat satu saja dan tidak ada perkalian dari y dan atau turunan dari y: d 2 y dx dy dx + 5y = 0, (2.9) d 3 y dx 3 + d2 y dy 5x4 + 2x4 dx2 dx = 6x. (2.10) Definisi 2.8 Suatu persamaan diferensial biasa yang tidak memiliki bentuk (2.8) dinamakan persamaan diferensial biasa tak linear.

31 17 Contoh 2.7 Persamaan diferensial biasa berikut semuanya tak linear: d 4 y dx dy dx + 6y3 = 0, (2.11) d 4 5 y dx (dy dx ) + 8y = 0, (2.12) d 2 y dy + 9y dx2 dx + 7y = 0. (2.13) Persamaan (2.11) tak linear karena variabel tak bebas y terdapat pada orde kedua dalam bentuk 6y 3. Persamaan (2.12) juga tak linear karena terdapat bentuk 4 ( dy dx )5 yang melibatkan pangkat lima pada turunan pertama. Persamaan (2.13) tak linear karena pada bentuk 9y dy melibatkan perkalian terhadap variabel bebas dan turunan pertamanya. dx Definisi 2.9 Aturan rantai merupakan cara yang digunakan untuk mendiferensialkan fungsi komposisi. Aturan rantai kasus 1 Misal y = f(u) dan u = g(x). Jika g dan f adalah fungsi yang terdiferensial, maka secara tidak langsung y adalah fungsi terdiferensial dari x dan dy dx = dy du du dx.

32 18 Aturan rantai kasus 2 Andaikan z = f(x, y) adalah fungsi dari x dan y yang terdiferensial, dengan x = g(t) dan y = h(t) keduanya fungsi dari t yang terdiferensial. Maka z adalah fungsi dari t yang terdiferensial dan dz dt = z dx x dt + z dy y dt. E. Integral Pada bagian ini dibahas mengenai integral yang meliputi definisi dan contoh dari integral tertentu dan tak tentu. Definisi 2.10 Jika diberikan suatu fungsi f(x) pada suatu interval I dan berlaku F (x) = f(x), untuk suatu F(x), maka F(x) adalah suatu anti turunan dari f(x). Dengan kata lain F (x) = f(x). Contoh 2.8 Carilah suatu anti turunan dari f(x) = 5x 2 pada (, ). Penyelesaian: Fungsi F(x) = 5x 3 bukan anti turunannya karena turunan 5x 3 adalah 15x 2. Tetapi hal ini menyarankan F(x) = 5 3 x3, yang memenuhi F (x) = 5 3 3x2 = 5x 2. Dengan demikian, suatu anti turunan dari f adalah 5 3 x3.

33 19 Anti turunan dinotasikan dengan dx. Notasi tersebut menunjukkan anti turunan terhadap x. Anti turunan biasanya disebut integral tak tentu. Teorema 2.1 Bukti: Jika r adalah sebarang bilangan rasional kecuali -1, maka Untuk membuktikan x r dx = xr+1 r C. f(x)dx = F(x) + C, cukup dengan membuktikan Dalam hal ini, Teorema terbukti. D x [F(x) + C] = f(x). D x [ xr+1 r C] = 1 r + 1 (r + 1)xr = x r. Integral Tentu Perhatikan Gambar 2.1 berikut ini. untuk mengaproksimasi luas dibawah kurva y = f(x) pada selang [a, b], dilakukan dengan cara aproksimasi yaitu dengan membagi interval [a, b] menjadi n subinterval.

34 20 y y = f(x) a b x Gambar 2.1: Ilustrasi fungsi satu variabel. Subinterval tersebut memiliki panjang yang sama yaitu b a n untuk n > 0. Setelah membagi interval menjadi n subinterval kemudian menghitung total jumlah luasan dari masing-masing persegi panjang yang dibentuk oleh masing-masing subinterval tersebut. Hal ini diperoleh dengan memilih x 0, x 1,, x n dengan a = x 0, b = x n, dan x i x i 1 = b a n, untuk i = 1,2,, n. Andaikan panjang masing-masing subinterval yaitu b a maka x = x i x i 1. n dinotasikan dengan x,

35 21 y y = f(x) A 1 A 2 A n a = x 0 x 1 x 2 x u i x n = b x Gambar 2.2: Ilustrasi pendekatan integral menggunakan jumlahan Riemann. Luas daerah dibawah kurva diaproksimasikan dengan total luas daerah yang dibentuk oleh masing-masing subinterval, aproksimasi luas di bawah kurva adalah A 1 + A A n. Artinya total luas tersebut dapat ditulis f(u 1 ) x + f(u 2 ) x + + f(u n ) x = f(u i ) x n i=1 yang disebut jumlahan Riemann fungsi f pada interval [a,b], sebagai pendekatan luas daerah di bawah kurva y = f(x) dan diatas sumbu x. Disini, u i [x i 1, x i ]. Semakin banyak subinterval yang digunakan, artinya x 0 maka semakin baik pula aproksimasi luasan tersebut dan semakin dekat dengan luasan yang sebenarnya. Dengan demikian, Luas daerah = lim x 0 f(u i ) x. i

36 22 Definisi 2.11 Andaikan f fungsi yang terdefinisi pada [a, b]. Integral tentu f dari a sampai b a b dinotasikan f(x) dx, adalah b f(x)dx a = lim x 0 f(u i ) x. i F. Deret Taylor dan Deret Maclaurin contohnya. Pada subbab ini dibahas mengenai deret Taylor dan deret Maclaurin beserta Definisi 2.12 Misalkan f adalah suatu fungsi yang mempunyai turunan-turunan dari semua tingkat pada interval tertentu dengan a adalah suatu titik interior. Maka deret Taylor yang diberikan oleh f di sekitar x = a adalah: f(k) (a) k! k=0 (x a) k = f(a) + f (a)(x a) + f (a) 2! Deret Maclaurin yang diberikan oleh f adalah: f(k) (0) k! k=0 x k = f(0) + f (0)x + f (0) 2! yaitu deret Taylor yang diberikan oleh f di sekitar x = 0. (x a) f(n) (a) (x a) n +. n! x f(n) (0) x n +, n! Contoh 2.9 Tentukan deret Taylor yang diberikan oleh f(x) = e 2x di sekitar a = 0.

37 23 Penyelesaian: Diperoleh hasil: f(x) = e 2x, Akan dicari nilai f(0), f (0), f (0), f (0),. sehingga diperoleh: f(0) = 1, f (0) = 2, f (0) = 4, f (0) = 8, f (x) = 2e 2x, f (x) = 4e 2x, f (x) = 8e 2x, Maka deret Taylor yang diberikan oleh f(x) = e 2x saat a = 0adalah: f(0) + f (0)x + f (0) 2! x 2 + f (0) 3!. = 1 + 2x + 2x x3 + x f(n) (0) x n + n! G. Konvergensi Deret Taylor Deret Taylor dapat digunakan untuk mengetahui kekonvergenan suatu fungsi. Hal ini dapat dilihat dengan teorema berikut.

38 24 Teorema 2.2 Teorema Taylor Jika f dan turunan-turunan pertama hingga ke-n f, f,, f (n) kontinu pada interval tertutup antara a dan b, dan f (n) terdiferensial pada interval terbuka antara a dan b, maka terdapat bilangan c antara a dan b sedemikian sehingga: Bukti: f(b) = f(a) + f (a)(b a) + f (a) 2! + f(n+1) (c) (n + 1)! (b a)n+1. (b a) f(n) (a) (b a) n n! Untuk membuktikan teorema Taylor maka akan diasumsikan bahwa a < b. Dipandang polinomial Taylor berbentuk sebagai berikut: p n (x) = f(a) + f (a)(x a) + f (a) 2! (x a) fn (a) (x a) n, n! dan turunan pertama n-nya sesuai dengan fungsi f dan turunan pertama n-nya pada x = a. Hal ini tidak mengubah kesesuaian tersebut jika ditambahkan suku lain dari bentuk M(x a) n+1, dengan M adalah suatu konstana, karena suku tersebut dan turunan pertama n-nya semua sama dengan nol pada x = a. Lalu, didefinisikan fungsi baru yaitu: φ n (x) = P n (x) + M(x a) n+1, dengan turunan pertama n-nya masih sesuai dengan fungsi f dan turunan pertama n-nya pada x = a. Sekarang akan dipilih suatu nilai tertentu dari M yang membuat kurva y = φ n (x) sesuai dengan kurva asli y = f(x) pada x = b, yaitu:

39 25 f(b) = P n (b) + M(b a) n+1, atau M = f(b) P n (b) (b a) n+1, (2.14) dengan M didefinisikan oleh persamaan (2.14), maka fungsi: F(x) = f(x) φ n (x), yang merupakan selisih antara fungsi asli f dan fungsi aproksimasi φ n (x) untuk setiap x di [a, b]. Selanjutnya akan digunakan teorema Rolle. Pertama, karena F(a) = F(b) = 0 dan F dan F keduanya kontinu pada [a, b], maka F (c 1 ) = 0, untuk c 1 di (a, b). Lalu, karena F (a) = F (c 1 ) = 0 dan F dan F keduanya kontinu pada [a, c 1 ], maka F (c 2 ) = 0, untuk c 2 di (a, c 1 ). Terlihat bahwa teorema Rolle berhasil diaplikasikan pada F, F,, F (n 1) yaitu: c 3 pada (a, c 2 ) sedemikian sehingga F (c 3 ) = 0, c 4 pada (a, c 3 ) sedemikian sehingga F (4) (c 4 ) = 0, c n pada (a, c n 1 ) sedemikian sehingga F (n) (c n ) = 0. Karena F (n) kontinu pada [a, c n ] dan terdiferensial pada (a, c n ), dan F (n) (a) = F (n) (c n ) = 0, bahwa teorema Rolle mengimplikasikan bahwa terdapat suatu bilangan c n+1 pada (a, c n ) sedemikian sehingga F (n+1) (c n+1 ) = 0. (2.15)

40 26 Jika diturunkan F(x) = f(x) P n (x) M(x a) n+1 total dari n + 1 kali, maka diperoleh: F (n+1) (x) = f (n+1) (x) 0 (n + 1)! M. (2.16) Berdasarkan persamaan (2.15) dan (2.16), diperoleh: M = f(n+1) (c) (n + 1)!, dengan c = c n+1 pada (a, b). (2.17) Dan berdasarkan persamaan (2.14) dan (2.17), diperoleh: Teorema terbukti. f(b) = P n (b) + f(n+1) (c) (n + 1)! (b a)n+1. Ketika menggunakan teorema Taylor, maka akan diasumsikan a tetap dan b adalah variabel bebas. Rumus Taylor mudah digunakan saat mengganti b dengan x. Rumus dibawah ini merupakan versi dari teorema Taylor setelah mengubah b dengan x. Rumus Taylor Jika f mempunyai turunan-turunan dari semua tingkat pada interval terbuka I yang memuat a, maka untuk setiap bilangan bulat positif n dan untuk setiap x di I, f(x) = f(a) + f (a)(x a) + f (a) (x a) 2 + 2! + f(n) (a) (x a) n + R n! n (x), (2.18) dimana

41 27 R n (x) = f(n+1) (c) (n + 1)! (x a)n+1, (2.19) untuk c antara a dan x. Ketika teorema Taylor dinyatakan seperti di atas, hal ini mengatakan bahwa untuk setiap x I, maka: f(x) = P n (x) + R n (x). Fungsi R n (x) ditentukan oleh nilai dari (n + 1) turunan ke f (n+1) di titik c yang bergantung pada kedua a dan x, dan terletak diantara mereka. Persamaan (2.14) disebut rumus Taylor. Fungsi R n (x) disebut suku galat untuk aproksimasi f oleh P n (x) terhadap interval I. Definisi 2.13 Jika R n (x) 0, n untuk semua x I maka deret Taylor yang dibangun oleh f saat x = a pada interval I, ditulis sebagai berikut: f(x) = f(k) (a) (x a) k. k! k=0 R n (x) dapat diperkirakan dengan tanpa mengetahui nilai c, untuk mengetahuinya dapat dilihat contoh sebagai berikut. Contoh 2.10 Tunjukan bahwa deret Taylor yang dibangun oleh f(x) = e 2x saat x = 0 konvergen ke f(x) untuk setiap x R. Penyelesaian:

42 28 Fungsi f(x) mempunyai turunan dari semua orde sepanjang interval I = (, ). Persamaan (2.14) dan (2.15) dengan f(x) = e 2x dan x = 0, maka: dan untuk c antara 0 dan x. e 2x = 1 + 2x + 4 2! x n x n + R n! n (x), R n (x) = e2c (n + 1)! xn+1, Karena e 2x adalah fungsi naik, maka e 2x berada diantara e 0 = 1 dan e 2x. Ketika nilai x < 0 maka nilai c < 0 dan e 2c < 1. Ketika nilai x = 0 maka nilai e 2x = 1 dan R n (x) = 0. Ketika nilai x > 0 maka c > 0 dan e 2c < e 2x. Maka saat x 0, dan saat x > 0. Karena R n (x) R n (x) < e 2x x n+1 (n + 1)!, x n+1 (n + 1)!, lim (n + 1)! = 0, n x n+1 untuk setiap x, lim n R n (x) = 0 dan deret konvergensi untuk setiap x, maka: e 2x = 2k x k k=0 k! = 1 + 2x + 4 2! x k x k + (2.20) k!

43 BAB III METODE NEWTON TERMODIFIKASI DAN CONTOH PENERAPANNYA DALAM BIDANG DINAMIKA FLUIDA Dalam bab ini akan dijelaskan metode Newton termodifikasi, konvergensi metode Newton termodifikasi, karakteristik persamaan gelombang air dangkal, dan hasil numeris yang digunakan untuk menyelesaikan masalah yang terkait dengan persamaan gelombang air dangkal. A. Metode Newton Termodifikasi Pada bagian ini dibahas mengenai metode Newton termodifikasi yang meliputi definisi dan contoh dari metode Newton termodifikasi tersebut. Definisi 3.1 Metode Newton termodifikasi adalah suatu metode pencarian akar yang didasarkan pada prinsip iterasi metode Newton standar, yaitu pendekatan fungsi tak linear f(x) dengan hampiran linear. Skema Newton termodifikasi diperoleh dengan mempertinggi tingkat keakuratan metode Newton standar dengan memperhatikan fungsi tak linear yang akan ditentukan akarnya. Dengan menetukan x 0 sebagai titik awal, kemudian menarik garis lurus yang menyinggung grafik fungsi f di titik (x 0, f(x 0 )). Garis tersebut memotong sumbu x di titik x 1. Setelah itu diulangi langkah sebelumnya tetapi sekarang x 1 dianggap 29

44 30 sebagai titik awalnya, kemudian menarik garis lurus yang menyinggung garik fungsi f di titik (x 1, f(x 1 )). Garis tersebut memotong sumbu x dititik x 1. f(x) f(x 0 ) r x 2 x 1 x 1 x 0 x 1 2 (x 1 + x 1 ) Keterangan: f(x)dinyatakan saat x 0 danx 1. f (x) dinyatakan saat(x 0 = x 0 ) dan 1 2 (x 1 + x 1 ). Gambar 3.1: Gambar dari metode Newton termodifikasi. Diambil titik tengah antara x 1 dan x 1 sehingga didapat 1 2 (x 1 + x 1 ). Dengan 1 (x x 1 ) sebagai titik awal, kemudian menarik garis lurus yang menyinggung grafik fungsi f di titik ( 1 (x x 1 ), f( 1 (x x 1 ))). Garis tersebut memotong sumbu x dititik x 2. Dengan mengulang langkah ini akan diperoleh titik-titik x 0, x 1, x 1, 1 2 (x 1 + x 1 ), x 2,, r dengan r adalah bilangan real yang merupakan akar atau mendekati akar sebenarnya.

45 31 Iterasi awal untuk menentukan x 1 adalah skema Newton standar. Tetapi untuk menentukan x 2 turunan fungsi tidak dinyatakan saat x 1. Sebaliknya, estimasi yang ada dari turunan yang digunakan untuk menentukan nilai tengah, yaitu x 1 dan turunannya dinyatakan saat 1 2 (x 1 + x 1 ). Langkah untuk menetukan nilai tengah x 1 disebut langkah predictor, sedangkan langkah untuk menentukan nilai selanjutnya dari x, x 2, (menggunakan turunan dinyatakan saat 1 2 (x 1 + x 1 )) yang disebut langkah corrector. Metode Newton untuk menentukan akar (solusi) dari suatu persamaan nonlinear f(x) = 0 lebih sederhana dan tingkat kecepatan menuju kekonvergenan lebih cepat. Dengan menggunakan fungsi dan turunan pertama dari fungsi itu, metode Newton dapat menghasilkan barisan dari aproksimasi yang konvergen secara kuadratik untuk akar (solusi) persamaan. Informasi turunan ini, dikombinasikan dengan pengamatan bahwa jika f(x) adalah fungsi kuadrat dengan akar (solusi) r, maka r dapat diperoleh dengan cara berikut, yaitu r = x 0 f(x 0 ) f ( 1 2 [x 0 + r]). (3.1) Dipandang suatu aturan predictor-corrector dengan bentuk di bawah ini: x 0 = x 0 f(x 0) f 0, (3.2) x 1 = x 0 f(x 0 ) f ( 1 2 [x 0 + x 0 ]), (3.3)

46 32 dengan f 0 merupakan pendekatan ketika di titik x 0. Langkah awal predictor itu merupakan langkah dasar metode Newton untuk mengestimasi turunan, sementara langkah corrector diperoleh dari hubungan implisit pada persamaan (3.1). Pilih k = 1, x f(x k ) k = x k f ( 1 2 [x k 1 + x k 1 ]), (3.4) x k+1 = x k f(x k ) f ( 1 2 [x k + x k ]). (3.5) Persamaan di atas digunakan ulang dalam persamaan (3.4) dari turunan yang dihitung dalam iterasi sebelumnya sehingga aturan khusus dari langkah predictorcorrector hanya membutuhkan satu fungsi dan satu nilai turunan. Iterasi yang diperumum, diperoleh dari bentuk persamaan (3.4) dan (3.5) di atas merupakan iterasi umum. Telah dibahas sebelumnya, bahwa aturan predictorcorrector dengan langkah predictor didasarkan pada turunan yang dihitung dalam iterasi sebelumnya, dan langkah corrector diperoleh dari relasi implisit. Kelebihan dari skema di atas adalah menyisipkan dari fungsi dan nilai turunan, dengan menyatakan bahwa fungsi dan turunannya diperoleh dari nilai x yang berbeda (lihat Gambar 3.1). Untuk melakukan iterasi pada dasarnya membutuhkan dua nilai awal, yaitu x 0 dan x 0. Setelah itu gunakan langkah corrector pada persamaan (3.3). Diketahui perkiraan awal x 0 pada akar, terdapat dua metode yang jelas untuk memperoleh nilai kedua dari x 0 kedua yaitu: x 0 diperoleh dari dengan metode Newton yaitu x 0 = x 0 f(x 0 ) f, atau 0

47 33 Himpunan sederhana x 0 = x 0 dengan langkah bentuk corrector pada persamaan (3.3) mengurangi metode Newton untuk memperoleh nilai x 1. Pada dua pilihan di atas ternyata efektif, dan selanjutnya x 0 = x 0. Metode Newton termodifikasi secara umum akan diuji dengan secara berikut: x 1 = x 0 Diikuti oleh (untuk k 1) x 0 = x 0, (3.6) f(x 0 ) f ( 1 2 [x 0 + x 0 ]) = x 0 f(x 0) f (x 0 ). (3.7) x f(x k ) k = x k f ( 1 2 [x k 1 + x k 1 ]), (3.8) x k+1 = x k f(x k ) f ( 1 2 [x k + x k ]). (3.9) Langkah-langkah dalam prosedur metode Newton termodifikasi diilustrasikan pada Gambar 3.1, dengan langkah-langkah yang ditampilkan untuk menentukan x 2. Kunci utama dari metode Newton termodifikasi dapat dilihat pada Gambar 3.1, yaitu: 1. Nilai x 2 dihitung dari x 1 menggunakan f(x 1 ) dan nilai dari turunan saat 1 2 (x 1 + x 1 ) (adalah nilai hampiran dari turunan yang digunakan untuk menghitung ketika x 1 ), dan 2. x 3 dapat diperoleh dengan cara nilai turunan yang sama ini digunakan kembali pada berikutnya yaitu langkah predictor.

48 34 Contoh 3.1 Dengan menggunakan metode Newton termodifikasi tentukan akar penyelesaian persamaan f(x) = 0, dengan f(x) = x 4 + 3x 3 4x 2 1 dengan x 0 = 1 dan ε = Penyelesaian: Diketahui x 0 = 1 dan ε = Dipandang maka turunan pertamanya adalah f(x) = x 4 + 3x 3 4x 2 1 f (x) = 4x 3 + 9x 2 8x. Hasil iterasi metode Newton termodifikasi persamaan (3.6)-(3.9) untuk k = 0, 1, 2, 3,4 adalah sebagai berikut: dengan Untuk k = 0, maka dan turunan pertamanya adalah Dengan demikian diperoleh x 0 = x 0 = 1, x 1 = x 0 f(x 0) f (x 0 ), f(x 0 ) = f(1) = (1) 3 4(1) 2 1 = 1, f (x 0 ) = f (1) = 4(1) 3 + 9(1) 2 8(1) = 5. dan x 1 = = 6 5 = 1.2, f(1.2) = =

49 35 Untuk k = 1, maka x f(x 1 ) 1 = x 1 f ( 1, 2 [x 0 + x 0 ]) dengan f(x 1 ) = f(1.2) = (1.2) 4 + 3(1.2) 3 4(1.2) 2 1 = , maka turunan pertamanya adalah f ( 1 2 [x 0 + x 0 ]) = f ( 1 [1 + 1]) = f (1) 2 diperoleh f (1) = 4(1) 3 + 9(1) 2 8(1) = 5. x 1 = 1.2 ( ) = , 5 sehingga f ( 1 2 [x 1 + x 1 ]) = f ( 1 [ ]) = f ( ) 2 f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = Dengan demikian diperoleh x 2 = x 1 f(x 1 ) f ( 1 2 [x 1 + x 1 ]), x 2 = = , dan f( ) = =

50 36 Untuk k = 2, maka x f(x 2 ) 2 = x 2 f ( 1, 2 [x 1 + x 1 ]) dengan f(x 2 ) = f( ) = ( ) 4 + 3( ) 3 4( ) 2 1 = , dan turunan pertamanya adalah f ( 1 2 [x 1 + x 1 ]) = f ( 1 2 [ ]) = f ( ), Diperoleh sehingga f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = x 2 = = , f ( 1 2 [x 2 + x 2 ]) = f ( 1 2 [ ]) = f ( ), f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = Dengan demikian diperoleh x 3 = x 2 f(x 2 ) f ( 1 2 [x 2 + x 2 ]), x 3 = = ,

51 37 dan f( ) = = Untuk k = 3, maka x f(x 3 ) 3 = x 3 f ( 1, 2 [x 2 + x 2 ]) dengan f(x 3 ) = f( ) = ( ) 4 + 3( ) 3 4( ) 2 1 = , dan turunan pertamanya adalah f ( 1 2 [x 2 + x 2 ]) = ( 1 2 [ ]) = f ( ), f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = Diperoleh x 3 = = , sehingga f ( 1 2 [x 3 + x 3 ]) = f ( 1 2 [ ]) = f ( ), f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = Dengan demikian diperoleh x 4 = x 3 f(x 3 ) f ( 1 2 [x 3 + x 3 ]),

52 38 x 4 = = , dan f( ) = = Untuk k = 4, maka x f(x 4 ) 4 = x 4 f ( 1, 2 [x 3 + x 3 ]) dengan f(x 4 ) = f( ) = ( ) 4 + 3( ) 3 4( ) 2 1 = dan turunan pertamanya adalah f ( 1 2 [x 3 + x 3 ]) = ( 1 [ ]) = f ( ) 2 f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = Diperoleh x 4 = = , sehingga f ( 1 2 [x 4 + x 4 ]) = f ( 1 2 [ ]) = f ( ), f ( ) = 4( ) 3 + 9( ) 2 8( ) = Dengan demikian diperoleh x 5 = x 4 f(x 4 ) f ( 1 2 [x 4 + x 4 ]),

53 39 x 5 = = Jadi akar penyelesaiannya adalah x = dengan jumlah iterasi sebanyak 4 kali. B. Aliran Steady Air Dangkal Persamaan (gelombang) air dangkal diklasifikasikan dari gerak fluida. Sebagai contoh, aliran dapat digolongkan sebagai aliran steady dan unsteady, satu dimensi, dua dimensi, tiga dimensi, serta seragam dan tidak seragam. Aliran disebut steady bila kondisi alirannya yaitu kecepatan, tekanan, densitas tidak berubah terhadap waktu. Aliran dimana kondisi alirannya berubah terhadap waktu disebut aliran unsteady. Aliran air yang konstan di dalam sebuah pipa bersifat unsteady, akan tetapi pada saat katup alirannya sedang dibuka atau sedang ditutup, maka aliran itu tidak unsteady. Sebuah aliran mungkin saja dianggap steady oleh pengamat yang satu, tetapi dianggap tidak steady oleh pengamat yang lain. Sebagai contoh, aliran di sebelah hulu sebuah pilar jembatan tampak steady oleh pengamat yang berdiri di jembatan, tetapi tampak tidak steady oleh pengamat yang berada di sebuah perahu. Penggolongan air sebagai aliran steady atau bukan sering didasarkan pada pertimbangan kemudahan semata. Sebagai contoh, penjalaran gelombang di permukaan danau jelas unsteady. Walaupun begitu, gerak air akibat gelombang dianggap tidak terlalu berperan dalam pengangkutan polutan di danau itu sehingga dalam model yang digunakan untuk mempelajari perpindahan polutan gerak gelombang boleh diabaikan, sehingga aliran air di situ dianggap steady.

54 40 Pendekatan seperti ini terutama diterapkan pada aliran-aliran turbulen, yang hampir selalu dijumpai dalam dunia rekayasa. Disini, kondisi unsteady berlaku untuk fluktuasi-fluktuasi dalam aliran yang ditinjau dalam skala waktu yang sangat pendek. Misalkan terdapat aliran air dangkal seperti pada Gambar 3.2. h(x,t) h c h 0 u(x,t) z(x) Gambar 3.2: Gambaran umum aliran steady dengan topografi gundukan parabolik. Misalkan x adalah ruang titik, t adalah waktu u = u(x, t) adalah kecepatan, h = h(x, t) adalah kedalaman air, z = z(x) adalah ketinggian permukaan tanah. Persamaan air dangkal yang bersesuaian dengan Gambar 3.2 adalah :

55 41 h t + (hu) x = 0, (hu) t + (hu gh2 ) x = ghz x. (3.10) Dengan asumsi bahwa turunan u dan h mulus, penjabaran persamaan kedua di atas menjadi : (hu) t + (hu gh2 ) x + ghz x = 0, maka persamaan tersebut dapat ditulis ulang menjadi u t h + uh t + (hu 2 ) x (gh2 ) x + ghz x = 0, atau u t h + uh t + h x u 2 + u x 2 h g(hh) x + ghz x = 0, atau u t h + uh t + h x u 2 + (uu x + uu x )h g(hh x + hh x ) + ghz x = 0, atau u t h + uh t + h x u 2 + (2uu x )h g(2hh x) + ghz x = 0, atau u t h + uh t + h x u 2 + (2uu x )h + ghh x + ghz x = 0, atau u t h + uh t + u(uh x ) + 2u x uh + ghh x + ghz x = 0. Substitusikan h t = (hu) x pada persamaan yang di atas, diperoleh u t h + u( (hu) x ) + u(uh x ) + 2u x uh + ghh x + ghz x = 0, atau u t h + u( h x u u x h) + u(uh x ) + 2u x uh + ghh x + ghz x = 0,

56 42 atau u t h u(uh x ) u(u x h) + u(uh x ) + 2u x uh + ghh x + ghz x = 0, atau u t h + uu x h + ghh x + ghz x = 0, atau h(u t + uu x + gh x + gz x ) = 0, atau h(u t + uu x + g(h x + z x )) = 0, atau h(u t + uu x + g(h + z) x ) = 0, atau u t + uu x + g(h + z) x = 0. Karena alirannya diasumsikan steady, kedalaman air dan kecepatan aliran tidak berubah terhadap waktu, berarti u t = 0 dan h t = 0, maka persamaan air dangkal menjadi : (uh) x = 0, uu x + g(h + z) x = 0. Setelah diintegralkan, persamaan air dangkal dapat ditulis kembali menjadi : uh = q, 1 2 u2 + g(h + z) = c, (3.11) untuk q dan c adalah konstan. Sistem (3.11) berlaku untuk semua domain. Di tempat yang jauh(x ± ), dasar ketinggian, kedalaman air dan kecepatan aliran berturut-turut adalah z(x, 0) = 0, h(x, t) = h 0 dan u(x, t) = u 0. Dengan demikian untuk semua domain, jelas bahwa :

57 43 uh = u 0 h 0, (3.12) dan u2 + g(h + z) = u g(h 0 + 0) = u gh 0. (3.13) Jika u dieliminasi dari persamaan (3.13) dengan menggunakan persamaan (3.12), maka diperoleh : 2 u 0 2 h 0 2 u = u 0h 0 h, 2h 2 + g(h + z) = u gh 0. Menggunakan bilangan Froude, yaitu F 0 = u 0 / gh 0, maka diperoleh : atau atau atau 1 [ u 0 gh 0 2h 2 + g(h + z)] = 1 [ u 2 0 gh gh 0], 2 h 0 2 u h 0 2h 2 + gh + gz = u gh 0, gh 0 gh 0 gh 0 2gh 0 gh 0 u h 0 2gh 0 h 2 + h + z = u 0 + 1, h 0 h 0 2gh F 0 h 0 2 h 2 + h + z = F 0 h 0 h Dengan dimisalkan y = h/h 0 dan C = z/h 0, persamaan terakhir disederhanakan menjadi : F (1 y ) 2 + y + C = F ,

58 44 atau y 2 [ F (1 y ) 2 + y + C] = y 2 [ F ], atau F y3 + Cy 2 = ( F ) y2, 2 atau 2 2 F y3 + Cy 2 F 0 2 y2 y 2 = 0, sehingga y 3 + (C 1 2 F 0 2 1) y F 0 2 = 0. (3.13) Jika persamaan kubik tersebut diselesaikan untuk semua titik, maka akan diperoleh deskripsi permukaan air dari aliran yang steady, dengan kedalaman air dihitung menggunakan h = yh 0. Kecepatan air dihitung menggunakan formula u = u 0 h 0 /h. Metode penyelesaian akar memainkan peran penting dalam memecahkan persamaan (3.13) dalam menentukan nilai dari kedalaman air di semua ruang titik. C. Hasil Numeris Pada bagian ini, akan disajikan hasil numeris dari uji kasus metode penyelesaian akar untuk menyelesaikan masalah aliran steady. Masalah tersebut diberikan sebagai berikut. Dipandang ruang domain [0,25]. Topografinya adalah :

59 (x 10) 2 z(x) = { 0 jika 8 x 12, lainnya. Diambil persamaan (3.13), yaitu y 3 + (C 1 2 F 0 2 1) y F 0 2 = 0. Percepataan gravitasi g = 9.81, galat toleransi untuk solusi eksak adalah 10 15, F 0 = u 0 gh 0, C = z h 0, h = yh 0. Perhitungan dilakukan dengan menggukan aplikasi MATLAB pada komputer. Dimisalkan u 0 = 1 dan h 0 = 2. Domain ruang [0,25] didiskritkan menggunakan panjang langkah seragam. Panjang langkah adalah 0.1. Tabel 3.1 Perbandingan antara metode biseksi, metode Newton standar dan metode Newton termodifikasi untuk menyelesaikan masalah aliran steady. Banyaknya Iterasi Kedalaman air (h) Ketinggian permukaan tanah (z) Metode Biseksi Metode Newton Termodifikasi Metode Newton Standar Hasil numerik diringkas dalam Tabel 3.1. Ruang titik yang diuji dengan menggunakan aplikasi MATLAB yaitu x = 10. Dengan mengamati metode Newton termodifikasi, hanya membutuhkan 4 iterasi untuk menyelesaikan masalah tersebut, dengan kedalaman air (h) yaitu dan ketinggian permukaan tanah (z) yaitu , yang mana banyaknya iterasi dengan metode Newton standar yaitu 6 iterasi, dengan kedalaman air (h) yaitu dan ketinggian permukaan tanah (z) yaitu

60 Jelas bahwa dalam hal banyaknya iterasi, metode Newton termodifikasi lebih baik daripada metode biseksi dan metode Newton standar. Perhatikan bahwa semua metode ini menghasilkan solusi yang sama, tetapi banyaknya iterasinya bervariasi seperti yang ditampilkan dalam Tabel 3.1.

61 BAB IV KONVERGENSI METODE NEWTON TERMODIFIKASI Pada bagian ini akan dibahas tentang konvergensi metode Newton termodifikasi dan percobaan dengan variasi tebakan awal. A. Konvergensi Metode Newton Termodifikasi Metode Newton standar mempunyai orde kekonvergenan 2 yaitu konvergen kuadratik, untuk akar sederhana. Metode Newton standar dapat dimodifikasi sehingga orde kekonvergenannya dapat ditingkatkan. Akan diperlihatkan hubungan antara suatu fungsi yang memenuhi beberapa asumsi tentang nilai fungsi dan nilai fungsi-fungsi turunan di sekitar akar sebenarnya, dengan kekonvergenan serta tentang derajat kekonvergenan. Asumsi yang digunakan adalah : 1. Fungsi f dapat diturunkan beberapa kali (sampai m kali, m> 2). 2. Fungsi f mempunyai akar sederhana pada x = a. 3. Tebakan awal x 0 cukup dekat ke a sehingga iterasi dijamin konvergen. Metode Newton termodifikasi memberikan penyelesaian dari persamaan f(x) = 0 konvergen dengan orde R = Hal ini telah dibuktikan oleh McDougall dan Waterspoon (2014). 47

62 48 B. Percobaan dengan Variasi Tebakan Awal Untuk mengetahui seberapa cepat proses iterasi yang dilakukan oleh metode Newton termodifikasi bila dibandingkan dengan metode Newton standar maka akan dilakukan percobaan. Percobaan dilakukan menggunakan program MATLAB. Dari hasil percobaan dapat diketahui akar penyelesaian dan jumlah iterasi yang dilakukan oleh kedua metode. Berikut merupakan perbandingan hasil iterasi simulasi numeris untuk metode Newton termodifikasi dengan metode Newton standar. Tabel 4.1. Uji kasus penyelesaian persamaan f(x) = x 2 1 = 0 dengan error (galat) Nilai Metode Newton Standar Metode Newton Termodifikasi awal Akar Akar Eror Iterasi Akar Akar Eror Iterasi Numeris Eksak Numeris Numeris eksak Numeris E E

63 49 Nilai Metode Newton Standar Metode Newton Termodifikasi awal Akar Akar Eror Iterasi Akar Akar Eror Iterasi Numeris Eksak Numeris Numeris eksak Numeris E Tabel 4.1 menunjukkan hasil simulasi akar persamaan f(x) = x 2 1 = 0. Dapat dilihat bahwa perbandingan hasil iterasi simulasi numeris menggunakan metode Newton Standar dan metode Newton termodifikasi. Percobaan yang dilakukan dengan data random yang berupa tebakan awal, yaitu -3, -9, -2. Dari Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa akar numeris, akar eksak dari metode Newton standar dan metode Newton termodifikasi. Ketika tebakan awal yang diambil adalah -3, maka banyaknya iterasi yang diperoleh dengan menggunakan metode Newton standar yaitu 5 kali iterasi, sedangkan dengan metode Newton termodifikasi yaitu

64 50 4 kali iterasi. Ketika tebakan awal yang diambil adalah -9, maka banyaknya iterasi yang diperoleh dengan menggunakan metode Newton standar yaitu 7 kali iterasi, sedangkan dengan metode Newton termodifikasi yaitu 6 kali iterasi. Ketika tebakan awal yang diambil adalah 2, maka banyaknya iterasi yang diperoleh dengan menggunakan metode Newton standar yaitu 5 kali iterasi, sedangkan dengan metode Newton termodifikasi yaitu 4 kali iterasi. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa proses iterasi dengan menggunakan metode Newton termodifikasi lebih cepat dibandingkan metode Newton standar.

65 BAB V PENUTUP Pada bab ini diberikan kesimpulan dan saran atas pembahasan bab-bab sebelumnya sarta saran untuk penelitian selanjutnya. A. Kesimpulan Dari pembahasan dalam tugas akhir ini dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Metode Newton termodifikasi membutuhkan jumlah iterasi lebih sedikit, namun waktu perhitungan lebih lama. Ini berarti dalam satu kali iterasi, metode Newton termodifikasi membutuhkan lebih banyak perhitungan. 2. Metode Newton standar dan metode Newton termodifikasi dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah aliran air dangkal yang steady. 3. Metode Newton termodifikasi secara komputasi telah menunjukkan bahwa dibutuhkan hanya beberapa iterasi untuk konvergen ke solusi yang tepat untuk galat toleransi yang ditetapkan. 4. Dari banyaknya iterasi yang dibutuhkan untuk menyelesaikan persamaan nonlinear dari akar-akar tersebut, metode Newton termodifikasi lebih baik daripada metode Newton standar dan metode biseksi. 51