Kalkulus Variasi. Persamaan Euler, Masalah Kalkulus Variasi Berkendala, Syarat Batas. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB.

dokumen-dokumen yang mirip
Kalkulus Variasi. Masalah Kalkulus Variasi, Fungsional Objektif, Variasi, Syarat Perlu Optimalitas. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB

Masalah Kalkulus Variasi, Fungsional Objektif, Variasi, Syarat Perlu Optimalitas

Kontrol Optimum. Prinsip Maksimum Pontryagin. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB. Februari 2014

Kalkulus Variasi. Syarat Cukup, Masalah Kalkulus Variasi dengan Horizon Takhingga. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB.

Kontrol Optimum. Syarat Transversalitas, Current-valued Hamiltonian. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB. Februari 2014

Kontrol Optimum. MKO dengan Mixed Constraints dan Pure State Constraints. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB. Februari 2014

Kontrol Optimum. MKO dengan Horizon Takhingga, Syarat Cukup. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB. Februari 2014

Kontrol Optimum. MKO dengan Kendala pada Peubah Kontrol. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB. Februari 2017

Persamaan Diferensial Biasa

Persamaan Diferensial Biasa

Kuliah Pengantar Kontrol Optimum dan Metode Numeriknya dalam Scilab

Kalkulus Multivariabel I

PENYELESAIAN PERSAMAAN DIFFERENSIAL ORDE 1 - I

BAB 2 PERSAMAAN DIFFERENSIAL BIASA

PERSAMAAN DIFERENSIAL LINIER NON HOMOGEN

PERSAMAAN DIFERENSIAL I PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA

Persamaan diferensial adalah suatu persamaan yang memuat satu atau lebih turunan fungsi yang tidak diketahui.

Ringkasan Kalkulus 2, Untuk dipakai di ITB 1. Integral Lipat Dua Atas Daerah Persegipanjang

KALKULUS MULTIVARIABEL II

BAB II PENGANTAR SOLUSI PERSOALAN FISIKA MENURUT PENDEKATAN ANALITIK DAN NUMERIK

MATEMATIKA TEKNIK 2 S1-TEKNIK ELEKTRO. Mohamad Sidiq

Kalkulus Multivariabel I

Persamaan Diferensial: Pengertian, Asal Mula dan Penyelesaian

FUNGSI-FUNGSI INVERS

Fakultas Teknik UNY Jurusan Pendidikan Teknik Otomotif INTEGRASI FUNGSI. 0 a b X A. b A = f (X) dx a. Penyusun : Martubi, M.Pd., M.T.

digunakan untuk menyelesaikan integral seperti 3

perpindahan, kita peroleh persamaan differensial berikut :

Kalkulus Multivariabel I

BAB 2 LANDASAN TEORI. ahli matematika lainnya di Kerala School membuat penemuan-penemuan (yang

BAB I DASAR-DASAR PEMODELAN MATEMATIKA DENGAN PERSAMAAN DIFERENSIAL

MA1201 KALKULUS 2A (Kelas 10) Bab 7: Teknik Pengintegral

PERSAMAAN DIFFERENSIAL LINIER

Kalkulus 2. Teknik Pengintegralan ke - 3. Tim Pengajar Kalkulus ITK. Institut Teknologi Kalimantan. Januari 2018

TEKNIK PENGINTEGRALAN

DIKTAT KALKULUS MULTIVARIABEL I

Kalkulus Variasi. Pendahuluan, Model Matematika, Keterkontrolan. Toni Bakhtiar. Departemen Matematika IPB. Februari 2014

HUBUNGAN ANTARA DIFFERENSIAL DAN INTEGRAL

PENGGUNAAN METODE DEKOMPOSISI ADOMIAN UNTUK MENYELESAIKAN PERMASALAHAN PADA KALKULUS VARIASI ABSTRACT

PERSAMAAN DIFFERENSIAL ORDE I. Nurdinintya Athari

Matematika I: APLIKASI TURUNAN. Dadang Amir Hamzah. Dadang Amir Hamzah Matematika I Semester I / 70

MA1201 KALKULUS 2A Do maths and you see the world

Kalkulus Multivariabel I

Catatan Kuliah KALKULUS II BAB V. INTEGRAL

MAT332 Kontrol Optimum

1. Akar-akar persamaan 2x² + px - q² = 0 adalah p dan q, p - q = 6. Nilai pq =... A. 6 B. -2 C. -4 Kunci : E Penyelesaian : D. -6 E.

KALKULUS MULTIVARIABEL II

METODE DEKOMPOSISI ADOMIAN UNTUK MENYELESAIKAN PERMASALAHAN NILAI BATAS PADA PERSAMAAN DIFERENSIAL PARSIAL NONLINEAR ABSTRACT

KONSEP DASAR PERSAMAAN DIFERENSIAL

Catatan Kuliah MA1123 KALKULUS ELEMENTER I BAB III. TURUNAN

Persamaan Di erensial Orde-2

Selanjutnya didefinisikan fungsional objektif yang diperbesar (augmented) J ( u ) sebagai:

MA1201 MATEMATIKA 2A Hendra Gunawan

Kalkulus 2. Teknik Pengintegralan ke - 2. Tim Pengajar Kalkulus ITK. Institut Teknologi Kalimantan. Januari 2018

Integral Tak Tentu. Modul 1 PENDAHULUAN

INTERGRAL INTEGRAL TAK TENTU INTEGRAL SUBSTITUSI MENU

Hendra Gunawan. 5 Maret 2014

Barisan dan Deret Agus Yodi Gunawan

DIKTAT KALKULUS MULTIVARIABEL I

KALKULUS MULTIVARIABEL II

Kalkulus 2. Teknik Pengintegralan ke - 1. Tim Pengajar Kalkulus ITK. Institut Teknologi Kalimantan. Januari 2018

Keep running VEKTOR. 3/8/2007 Fisika I 1

MA1201 KALKULUS 2A (Kelas 10) Bab 7: Teknik Pengintegral

PD Orde 2 Lecture 3. Rudy Dikairono

Matematika Teknik Dasar-2 10 Aplikasi Integral - 1. Sebrian Mirdeklis Beselly Putra Teknik Pengairan Universitas Brawijaya

: Pramitha Surya Noerdyah NIM : A. Integral. ʃ f(x) dx =F(x) + c

Fungsi F disebut anti turunan (integral tak tentu) dari fungsi f pada himpunan D jika. F (x) = f(x) dx dan f (x) dinamakan integran.

Persamaan Diferensial

Pembahasan Soal SIMAK UI 2012 SELEKSI MASUK UNIVERSITAS INDONESIA. Disertai TRIK SUPERKILAT dan LOGIKA PRAKTIS. Matematika IPA

Pertemuan 1 dan 2 KONSEP DASAR PERSAMAAN DIFERENSIAL

16. INTEGRAL. A. Integral Tak Tentu 1. dx = x + c 2. a dx = a dx = ax + c. 3. x n dx = + c. cos ax + c. 4. sin ax dx = 1 a. 5.

Universitas Indonusa Esa Unggul Fakultas Ilmu Komputer Teknik Informatika. Persamaan Diferensial Orde II

II LANDASAN TEORI. ii. Constant returns to scale, yaitu situasi di mana output meningkat sama banyaknya dengan porsi peningkatan input

PENYELESAIAN PERSAMAAN DIFFERENSIAL ORDE 1 - II

dy = f(x,y) = p(x) q(y), dx dy = p(x) dx,

BAB I PERSAMAAN DIFERENSIAL LINIER ORDE I

Pertemuan Minggu ke Bidang Singgung, Hampiran 2. Maksimum dan Minimum 3. Metode Lagrange

BAB: TEKNIK PENGINTEGRALAN Topik: Metode Substitusi

log2 PEMBAHASAN SOAL TRY OUT = = 2 1 = 27 8 = 19 Jawaban : C = = = 2( 15 10) Jawaban : B . 4. log3 1 2 (1) .

MACLAURIN S SERIES. Ghifari Eka

TURUNAN. Bogor, Departemen Matematika FMIPA-IPB. (Departemen Matematika FMIPA-IPB) Kalkulus: Turunan Bogor, / 50

BAB I PENDAHULUAN. keadaan dari suatu sistem. Dalam aplikasinya, suatu sistem kontrol memiliki tujuan

MAKALAH MATEMATIKA DASAR TURUNAN (DIFERENSIAL)

TERAPAN INTEGRAL. Bogor, Departemen Matematika FMIPA IPB. (Departemen Matematika FMIPA IPB) Kalkulus I Bogor, / 22

Persamaan Diferensial Biasa. Rippi Maya

Kalkulus II. Institut Teknologi Kalimantan

BAB II LANDASAN TEORI

PDP linear orde 2 Agus Yodi Gunawan

Kuliah PD. Gaya yang bekerj a pada suatu massa sama dengan laju perubahan momentum terhadap waktu.

BAB II PERSAMAAN DIFERENSIAL ORDE SATU

TEKNIK PENGINTEGRALAN

Department of Mathematics FMIPAUNS

INTEGRAL (ANTI DIFERENSIAL) Tito Adi Dewanto S.TP

LUAS DAERAH DI BAWAH KURVA SUATU FUNGSI

UJI KONVERGENSI. Januari Tim Dosen Kalkulus 2 TPB ITK

Persamaan Diferensial

Senin, 18 JUNI 2001 Waktu : 2,5 jam

Soal-Soal dan Pembahasan SNMPTN Matematika IPA Tahun Pelajaran 2010/2011 Tanggal Ujian: 01 Juni 2011

Pertemuan : 7 Materi : Integral Garis dan Teorema Dasar Integral Garis Bab III. Integral Kalkulus Dari Vektor

Pertemuan Minggu ke Keterdiferensialan 2. Derivatif berarah dan gradien 3. Aturan rantai

Transkripsi:

Kalkulus Variasi Persamaan Euler, Masalah Kalkulus Variasi Berkendala, Syarat Batas Toni Bakhtiar Departemen Matematika IPB Februari 214 tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 1 / 85

Outline Persamaan Euler 1 Bentuk diperumum 2 Bentuk khusus Masalah kalkulus variasi berkendala 1 Metode lagrange, metode substitusi 2 Kendala titik 3 Kendala persamaan diferensial 4 Kendala isoperimetrik Syarat batas tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 2 / 85

Persamaan Euler Bentuk Baku (Dari slide sebelumnya): Misalkan J(ε) = T f (x + εh, ẋ + εḣ, t) dt. Penguraian Taylor memberikan J(ε) T (f + εhf x + εḣfẋ ) dt = T f dt + ε T (hf x + ḣfẋ ) dt = J(x) + εδj(x). J(ε) identik dengan J(x) jika dan hanya jika δj(x) =. Akibatnya, δj(x) = T (hf x + ḣfẋ ) dt = T (f x d dt f ẋ )h dt = (dengan integral parsial) f x d dt f ẋ =. (Persamaan Euler) Persamaan Euler kadang kala ditulis dalam bentuk integral: fx dt = fẋ. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 3 / 85

Persamaan Euler Diperumum Fungsi f berpeubah banyak Diberikan fungsional objektif J(x) = T f (x, ẋ, t) dt dengan x = (x 1, x 2,..., x n ) dan ẋ = (ẋ 1, ẋ 2,..., ẋ n ). Persamaan Euler: f xi d dt f ẋ i =, i = 1, 2,..., n. Ilustrasi Misalkan f = f (x 1, x 2, ẋ 1, ẋ 2, t). Didefinisikan fungsional J(ε) = T f (x 1 + ε 1 h 1, ẋ 1 + ε 1 ḣ 1, x 2 + ε 2 h 2, ẋ 2 + ε 2 ḣ 2, t) dt. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 4 / 85

Persamaan Euler Diperumum Fungsi f berpeubah banyak Penguraian Taylor memberikan J(ε) T (f + ε 1h 1 f x1 + ε 1 ḣ 1 fẋ1 + ε 2 h 2 f x2 + ε 2 ḣ 2 fẋ2 ) dt = T f dt + ε T 1 (h T 1f x1 + ḣ 1 fẋ1 ) dt + ε 2 (h 2f x2 + ḣ 2 fẋ2 ) dt = J(x) + ε 1 δj(x 1 ) + ε 2 δj(x 2 ). J(ε) = J(x) jika dan hanya jika δj(x 1 ) = dan δj(x 2 ) =. Jadi, Example Tentukan ekstremum dari J(x) = f x1 d dt f ẋ 1 =, f x2 d dt f ẋ 2 =. 1 (ẋ 2 1 + ẋ 2 2 + e t ) dt, x 1 () = 1, x 1 (1) = 11, x 2 () = 2, x 2 (1) = 6. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 5 / 85

Persamaan Euler Diperumum Fungsi f memuat turunan ke-n Diberikan fungsional objektif J(x) = T f (x, ẋ, ẍ,..., x (n), t) dt dengan x (i) () = x (i) dan x (i) (T ) = x (i) T. Syarat perlu δj(x) = memberikan T ( ) hf x + ḣfẋ + ḧfẍ + + h (n) f x (n) Integral parsial suku kedua integran: T T ḣfẋ dt = h d dt f ẋ dt. dt =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 6 / 85

Persamaan Euler Diperumum Fungsi f memuat turunan ke-n Integral parsial suku ketiga integran: T ḧfẍ dt = Integral parsial suku ke-n integran: T h d 2 dt 2 f ẍ dt. T h (n) f x (n) dt = ( 1) n T h d n dt n f x (n) dt. Syarat perlu δj(x) = menjadi T h (f x ddt f ẋ + d 2 dt 2 f ẍ + ( 1) n d n ) dt n f x (n) dt =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 7 / 85

Persamaan Euler Diperumum Fungsi f memuat turunan ke-n Example Persamaan Euler-Poisson: f x d dt f ẋ + d 2 Tentukan ekstremum dari J(x) = dt 2 f ẍ + ( 1) n d n dt n f x (n) =. 1 (ẍ 2 + ẋ + at) dt, x() =, ẋ() = 1, x(1) = 1, ẋ(1) = 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 8 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f tidak memuat x Diberikan fungsional objektif sehingga diperoleh f x =. Persamaan Euler: Example Tentukan ekstremum dari J(x) = T f (ẋ, t) dt, d dt f ẋ = fẋẋ ẍ + fẋt =. J(x) = 1 (tẋ + ẋ 2 ) dt, x() =, x(1) = 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 9 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f memuat ẋ saja Diberikan fungsional objektif J(x) = T f (ẋ) dt, sehingga diperoleh f x =. Persamaan Euler: d dt f ẋ = fẋẋ ẍ = Example (Masalah Lintasan Terpendek) Tentukan ekstremum dari J(y) = fẋẋ = atau ẍ =. a 1 + ẏ 2 dx, y() =, y(a) = b. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 1 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f Tidak Memuat t Diberikan fungsional objektif Persamaan Euler: J(x) = T f (x, ẋ) dt. f x d dt f ẋ = f x (fẋx ẋ + fẋẋ ẍ) = f x ẋ fẋx ẋ 2 fẋẋ ẍẋ = d dt (f ẋf ẋ ) =. Diperoleh persamaan Beltrami: f ẋfẋ = k. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 11 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f Tidak Memuat t Example (Brachistochrone Problem) Tentukan ekstremum dari J(x) = 1 1 + ẏ 2 y y() =, y(1) = 1. Solution (Brachistochrone Problem) Diperoleh 1 + ẏ f (y, ẏ) = 2, fẏ (y, ẏ) = y dx, ẏ y(1 + ẏ 2 ). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 12 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Solution (Brachistochrone Problem) Persamaan Beltrami f ẋfẋ = k memberikan 1 y(1 + ẏ 2 ) = k 1 y(1 + ẏ 2 ) = k 2 k 2 ẏ = y 1 y dy = dx. k 2 y y x = k 2 y dy. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 13 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Solution (Brachistochrone Problem) Diperoleh persamaan sikloid (lihat bukti di halaman berikut) x = ( k 2 y y 2 1 2 k 2 arcsin 1 2y ) + k 3. k 2 Nilai awal memberikan = π 4 k 2 + k 3 1 = k 2 1 1 2 k 2 arcsin Diperoleh k 2 = 1.1458 dan k 3 = π 4 k 2, sehingga (1 2k2 ) + k 3. x = ( 1.1458y y 2 1.1458 2 arcsin 1 2y ) + 1.1458π 1.1458 4. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 14 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Brachistochrone Path (please rotate 9 clockwise) x 1..8.6.4.2...2.4.6.8 1. y tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 15 / 85

Bukti Integral Kontribusi Dwilaras Athina (G54122) I = = = = y k y dy y k y y y dy y dy ky y 2 y ( 12 k)2 (y 12 k)2 dy = = y a2 (y a) 2 dy, a := 1 2 k u + a du, u := y a. a2 u2 tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 16 / 85

Bukti Integral I = u a2 u 2 du } {{ } I 1 + a a2 u du. }{{ 2 } I 2 Dengan integral fungsi trigonometri invers diperoleh I 2 = a arcsin u a = a arcsin y a a Selanjutnya, = 1 2 k arcsin ( 1 2y k ) + C 2. I 1 = 1 1 2 dt, t := a 2 u 2 t = t + C 1 = a 2 u 2 + C 1 = a 2 (y a) 2 + C 1 = 2ay y 2 + C 1 = ky y 2 + C 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 17 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Another try... Solution (Brachistochrone Problem) Pengintegralan kedua ruas memberikan y k 2 y dy = dx. Misalkan y = k 2 sin 2 θ, diperoleh dy = 2k 2 sin θ cos θ dθ sehingga 2k 2 sin 2 θ dθ = dx k 2 (1 cos 2θ) dθ = dx k 2 (θ 1 2 sin 2θ) + k 3 = x. Nilai awal y() = membuat θ = dan k 3 =, sehingga solusi diberikan secara parametrik: x(θ) = k 2 (θ 1 2 sin 2θ) y(θ) = k 2 sin 2 θ. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 18 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Solution (Brachistochrone Problem) Koefisien k 2 diperoleh dengan menggunakan nilai akhir y(1) = 1, yaitu k 2 (θ 1 2 sin 2θ) = 1 k 2 sin 2 θ = 1 sehingga diperoleh k 2 = 1.1458. Solusi masalah brachistochrone diberikan oleh persamaan parametrik x(θ) = 1.1458(θ 1 2 sin 2θ) y(θ) = 1.1458 sin 2 θ. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 19 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f Tidak Memuat t Example (Minimum Surface Area) Tentukan ekstremum dari Solution min J = 2π y(x 1 ) = y 1, y(x 2 ) = y 2. x2 Persamaan Euler dengan f (y, ẏ) = y 1 + ẏ 2 x 1 y 1 + ẏ 2 dx f y d dt f ẏ = [ ] 1 + ẏ 2 d yẏ =. dt 1 + ẏ 2 tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 2 / 85

Solution Slamet Nuridin (G541366) menjabarkan: [ ] 1 + ẏ 2 = d yẏ dt 1 + ẏ 2 1 + ẏ 2 = (ẏ 2 + yÿ) 1 + ẏ 2 y ẏ 2 ÿ 1+ẏ 2 1 + ẏ 2 1 + ẏ 2 = (ẏ 2 + yÿ)(1 + ẏ 2 ) yẏ 2 ÿ 1 + ẏ 2 (1 + ẏ 2 ) 2 = ẏ 2 + ẏ 4 + yÿ + yẏ 2 ÿ yẏ 2 ÿ 1 + 2ẏ 2 + ẏ 4 = ẏ 2 + ẏ 4 + yÿ. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 21 / 85

Solution Diperoleh persamaan diferensial taklinear berikut yÿ ẏ 2 = 1. Misalkan u = ẏ/y sehingga didapatkan u = ÿy ẏ 2 y 2 = 1 y 2 dan kemudian Jadi ü = 2ẏ = 2u u. y 3 ü + 2u u = u + u 2 = k 2. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 22 / 85

Solution Selanjutnya u = k 2 u 2 u k 2 u 2 = 1 du k 2 u 2 = dx 1 2k ln u k u + k = x + c 1 ln u k u + k = 2kx + c 2 u k u + k = ce 2kx u(x) = k + kce 2kx ce 2kx 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 23 / 85

Karena maka u = 2k2 ce 2kx (ce 2kx 1) (k + kce 2kx )( 2kce 2kx ) (ce 2kx 1) 2 = 2kce 2kx [k(ce 2kx 1) (k + kce 2kx )] (ce 2kx 1) 2 = 4k2 ce 2kx (ce 2kx 1) 2 = 1 y 2, 1 y = 2k ce kx ce 2kx 1 y(x) = ce 2kx 1 2k ce. kx Misal diberikan nilai awal y() = 5 dan y(2) = 1 maka c 1 2k c = 5 ce 4k 1 2k ce 2k = 1 sehingga diperoleh c =.954 dan k = 1.33 7. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 24 / 85

.954e y(x) = 2(1.33 7)x 1 2( 1.33 7).954e 1.33 7x. y 1 8 6 4 2 1 1 2 3 4 x tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 25 / 85

Problem Dari contoh soal terakhir dan dari slide sebelumnya, masalah minimum surface area memiliki solusi berbentuk y(x) = ce 2kx 1 2k ce, ( kx x + C2 y(x) = C 1 cosh Tunjukkan bahwa kedua solusi di atas ekuivalen. C 1 ). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 26 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f Tidak Memuat ẋ Diberikan fungsional objektif J(x) = T Persamaan Euler: f (x, t) dt. f x d dt f ẋ = f x = yang merupakan persamaan aljabar biasa sehingga tidak memiliki free parameter (koefisien integrasi). Example Seorang pengusaha ingin memaksimumkan fungsional pendapatan T R(x) dt dengan R(x) = xp(x) dan p(x) = ax + b (fungsi permintaan). Tentukan tingkat produksi optimal x (t). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 27 / 85

Persamaan Euler Example Seorang pengusaha ingin memaksimumkan fungsional keuntungan T π(x) dt dengan π(x) = xp(x) (ax 2 + bx + c). Tentukan tingkat produksi optimal x (t). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 28 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Fungsi f Linear terhadap ẋ Diberikan fungsional objektif J(x) = T Persamaan Euler: f (x, t) dt dengan f (x, ẋ, t) = a(x, t) + b(x, t)ẋ. f x d dt f ẋ = a x + b x ẋ db dt =. Karena d dt b(x, t) = b x ẋ + b t b t = b x ẋ db dt, maka diperoleh kondisi a x b t =, yang merupakan persamaan aljabar biasa. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 29 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler Example Jika J(x) = T (x 2 + 3xtẋ) dt maka persamaan Euler memberikan Example 2x 3x = x. Diberikan fungsional J(x) = T (px (ax 2 + bx + c + dẋ)) dt. Definisikan a(x, t) = px ax 2 bx c = ax 2 + (p b)x c, b(x, t) = d. Persamaan Euler memberikan a x b t = 2ax + p b = x = p b 2a. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 3 / 85

Persamaan Euler: Ringkasan Problem (Degenerate Case) Tentukan ekstremum dari J = 1 ((t 2 + 3x 2 )ẋ + 2tx) dt, x() = 1, x(1) = 2. Kasus Persamaan Euler f (x 1,..., x n, ẋ 1,..., ẋ n, t) f xi d dt f ẋ i =, i = 1,..., n. f (x, ẋ, ẍ,..., x (n), t) f x + n k=1( 1) i d k f dt k x (k) = f (ẋ, t) fẋẋ ẍ + fẋt = f (ẋ) fẋẋ ẍ = f (x, ẋ) f ẋfẋ = k f (x, t) f x = f = a(x, t) + b(x, t)ẋ a x b t = tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 31 / 85

MKV Berkendala Kendala titik dan kendala PD Diberikan masalah variasi berkendala berikut opt J(x) = T f (x, ẋ, t) dt, s.t. g i =, 1 i r n x = (x 1,..., x n ) T x() = x x(t ) = x T. Jika g i = g i (x, ẋ, t) maka disebut kendala PD. Jika g i = g i (x, t) maka disebut kendala titik. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 32 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange Masalah pengoptimuman berkendala dalam kalkulus biasa: Fungsi Lagrange: FOC: max z := f (x 1, x 2 ) s.t. g(x 1, x 2 ) =. L(x 1, x 2, λ) = f (x 1, x 2 ) + λg(x 1, x 2 ). L x 1 = f x1 + λg x1 =, L x 2 = f x2 + λg x2 =, L λ = g(x 1, x 2 ) =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 33 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange Definisikan fungsi Lagrange: L := f (x, ẋ, t) + λ(t) g(x, ẋ, t), dengan Maka λ(t) = λ 1 (t). λ r (t) L := f (x, ẋ, t) +, g(x, ẋ, t) = r i=1 g 1 (x, ẋ, t). g r (x, ẋ, t) λ i (t)g i (x, ẋ, t).. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 34 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange Definisikan fungsional imbuhan (augmented functional): J L := Variasi pertama dari J L T L(x, ẋ, t, λ) dt. δj L = (integral by part) = T T ( ) Lx h 1 + Lẋ ḣ 1 + L λ h 2 dt [( L x d ) ] dt L ẋ h 1 + L λ h 2 dt. Syarat (perlu) optimalitas: δj L = dan kendala terpenuhi, yaitu L x d dt L ẋ = L λ =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 35 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange Karena L := f (x, ẋ, t) + r i=1 λ i (t)g i (x, ẋ, t) maka L x = f x 1. f x n = f x + g x λ Lẋ = fẋ + gẋ λ. + g 1 x 1. g 1 x n g r x 1. g r x n λ 1. λ r Untuk kendala titik, yaitu g i = g i (x, t), maka Lẋ = fẋ = f ẋ 1. f ẋ n. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 36 / 85

MKV Berkendala Titik Example Selesaikan masalah kalkulus variasi berkendala titik berikut: T 1 + ẏż min J = x s.t y = z + 1 dx y() =, y(t ) = y T. Solution (Metode Lagrange) Definisikan fungsi Lagrange: ( ) 1 + ẏż 1/2 L = + λ(y z 1). x tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 37 / 85

MKV Berkendala Titik Solution (Metode Lagrange, lanjutan...) Persamaan Euler bagi L diberikan oleh: L y d dx L ẏ = λ d ż dx 2 x(1 + ẏż) =, L z d dx L ż = λ d ẏ dx 2 x(1 + ẏż) =. Eliminasi terhadap λ memberikan d dx ẏ + ż x(1 + ẏż) = ẏ + ż x(1 + ẏż) = k 1. Syarat L λ = memberikan y = z + 1 ẏ = ż, sehingga diperoleh ẏ x x x(1 + ẏ 2 ) = k 2 ẏ = k 3 x y = k 3 x dx. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 38 / 85

MKV Berkendala Titik Solution (Metode Substitusi) Di lain pihak, karena y = z + 1 maka ẏ = ż, sehingga masalah kalkulus variasi dapat direduksi menjadi T 1 + ẏ 2 min J = dx x y() =, y(t ) = y T. Persamaan Euler f y d dx f ẏ = memberikan syarat optimalitas yang sama dengan metode Lagrange, yaitu: d dx ẏ x(1 + ẏ 2 ) = ẏ x(1 + ẏ 2 ) = k 2 y = x k 3 x dx. Untuk menghitung integral di atas, lihat bukti integral oleh Athina (214). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 39 / 85

MKV Berkendala PD Example Selesaikan masalah kalkulus variasi berkendala PD berikut: min J = Solution (Metode Lagrange) Definisikan fungsi Lagrange 1 s.t ẋ 1 = x 2 x 1 () = x 2 () = x 1 (1) = e 2 x 2 (1) = e 1. 1 2 (ẋ 2 1 + ẋ 2 2 ) dt L = 1 2 (ẋ 2 1 + ẋ 2 2 ) + λ(x 2 ẋ 1 ). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 4 / 85

MKV Berkendala PD Solution (Metode Lagrange, lanjutan...) Syarat orde pertama (persamaan Euler): L x1 d dt L ẋ 1 = d dt (ẋ 1 λ) = ẋ 1 λ = k 1, L x2 d dt L ẋ 2 = λ d dt (ẋ 2) = ẍ 2 = λ. Dari kedua syarat di atas dan L λ = ẋ 1 = x 2 diperoleh PD: ẍ 2 = x 2 k 1 x 2 (t) = c 1 e t + c 2 e t + k 1 x 1 (t) = c 1 e t c 2 e t + k 1 t + k 2. Syarat-syarat awal memberikan c 1 = 1, c 2 =, k 1 = k 2 = 1, sehingga x 1 (t) = e t t 1, x 2 (t) = e t 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 41 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Kendala Isoperimetrik (iso: sama, perimeter: keliling) Awalnya: masalah mencari daerah terluas yang dimiliki oleh kurva tertutup dengan keliling sama, K. Bacalah kisah Queen Dido of Carthage (814 SM). Sekarang: masalah variasi dengan kendala integral: opt J(x) = s.t. T T f (x, ẋ, t) dt, x = (x 1,..., x n ) T g i (x, ẋ, t) dt = l i (konst.), 1 i r n x() = x, x(t ) = x T. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 42 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Definisikan sehingga diperoleh y i (t) = t g i (x(s), ẋ(s), s) ds y i () =, y i (T ) = l i, ẏ i (t) = g i (x, ẋ, t) ẏ i g i (x, ẋ, t) =. }{{} G i (x,ẋ,t) Masalah kendala isoperimetrik berubah menjadi kendala PD: opt J(x) = T f (x, ẋ, t) dt s.t. G i (x, ẋ, t) =, 1 i r n. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 43 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Example Selesaikan masalah variasi berkendala isoperimetrik s.t. 1 max J(x) = 1 (1 + x) dt = 3, x() =, x(1) = 1. ẋ 2 dt tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 44 / 85

L y d dt L ẏ = d dt (λ) = λ(t) = A. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 45 / 85 MKV Berkendala Isoperimetrik Solution Definisikan y(t) := t (1 + x(s)) ds sehingga diperoleh y() =, y(1) = 3, dan ẏ(t) = 1 + x(t). MKV berkendala isoperimetrik berubah menjadi MKV berkendala PD: max J(x) = Definisikan fungsi Lagrange Persamaan Euler: 1 ẋ 2 dt s.t. ẏ 1 x =. L := ẋ 2 + λ(1 + x ẏ). L x d dt L ẋ = λ d dt (2ẋ) = ẍ = 1 2 λ

MKV Berkendala Isoperimetrik Solution Dari dua kondisi di atas diperoleh: ẍ = 1 2 A ẋ = 1 2 At + B x(t) = 1 4 At2 + Bt + C. Dari x() = dan x(1) = 1 diperoleh C = dan B = 1 1 4 A, sehingga x(t) = 1 4 At2 + (1 1 4 A)t. Syarat perlu L λ = ẏ = 1 + x 1 (1 + x) dt = 3 memberikan 1 (1 + 1 4 At2 + (1 1 4 A)t) dt = 3 A = 36. Jadi ekstremum dari masalah variasi di atas adalah x (t) = 9t 2 + 1t. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 46 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Example (Dido Problem) Sebuah kurva x = x(t) memiliki panjang K dan kedua ujungnya menghubungkan titik-titik A(a, ) dan B(b, ), dengan a < b. Tentukan kurva x sedemikian sehingga memiliki luas daerah di bawah kurva terbesar. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 47 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Solution (Dido Problem) Luas daerah di bawah kurva J(x) = b x(t) dt. a Panjang kurva: dk = dt 2 + dx 2 = 1 + ẋ 2 dt,sehingga Masalah variasi: K = b a 1 + ẋ 2 dt. max J(x) = b x(t) dt a s.t. b a 1 + ẋ 2 dt = K, x(a) =, x(b) =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 48 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Solution (Dido Problem, lanjutan...) Definisikan y(t) := t a 1 + ẋ 2 ds sehingga diperoleh y(a) =, y(b) = K, dan ẏ(t) = 1 + ẋ 2. Definisikan fungsi Lagrange ( ) L := x + λ 1 + ẋ 2 ẏ. Persamaan Euler terhadap y memberikan L y d dt L ẏ = d λ dt = sehingga λ(t) = C. Persamaan Euler terhadap x: L x d dt L ẋ = 1 λ d ( ) ẋ = dt 1 + ẋ 2 ( ) ẋ Cd = dt 1 + ẋ 2 Cẋ 1 + ẋ 2 = t + k 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 49 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Solution (Dido Problem, lanjutan...) Pemisahan peubah: C 2 ẋ 2 1 + ẋ 2 = (t + k 1) 2 (C 2 (t + k 1 ) 2 )ẋ 2 = (t + k 1 ) 2 t + k 1 ẋ = ± C 2 (t + k 1 ) 2 x(t) = ± C 2 (t + k 1 ) 2 + k 2. Diperoleh persamaan lingkaran berpusat di ( k 1, k 2 ) berjari-jari C : x k 2 = ± C 2 (t + k 1 ) 2 (x k 2 ) 2 + (t + k 1 ) 2 = C 2. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 5 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Solution (Dido Problem, lanjutan...) Karena kedua titik A dan B berada di sumbu-t maka k 2 = dan k 1 = a+b 2 sehingga x(t) = C 2 (t a+b 2 )2. Untuk menentukan pengganda Lagrange λ(t) = C : b b a 1 + ẋ 2 dt = K 1 + a (t a+b 2 )2 C 2 (t a+b 2 )2 dt = K. Cara mudah: Jari-jari lingkaran: C, keliling 1 2 lingkaran: K = πc, sehingga C = K π. Dengan demikian persamaan lingkaran diberikan oleh x 2 + (t a+b 2 )2 = K 2 π 2. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 51 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Problem Selesaikan MKV berkendala isoperimetrik berikut: min s.t. 1 ẋ 2 dt 1 x dt = 1, x() =, x(1) = 2. Problem Selesaikan MKV berkendala isoperimetrik berikut: min s.t. 1 ẋ 2 dt 1 x 2 dt = 2, x() =, x(1) = 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 52 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik Problem Tentukan kurva AB yang memenuhi kondisi-kondisi berikut: melewati titik-titik A(, 4) dan B(4, 4), memiliki luas daerah di bawah kurva K, panjang kurva minimum. Problem Selesaikan MKV berkendala isoperimetrik berikut: T T 1 min e rt x dt s.t. x dt = A. b 2 min 1 + x 2 b dt s.t. x dt = c, b, c >. 1 3 min (2x x 2 1 ) dt s.t. tx dt = 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 53 / 85

Syarat Batas MKV Tinjau kembali masalah variasi: opt Syarat optimalitas: J = T f (x, ẋ, t) dt. δj = T (integral by part) hfẋ T + T Kasus I: x() = x dan x(t ) = x T (fixed) h() = h(t ) = berlaku. hfẋ T =. Syarat optimalitas: T ( ) hfx + ḣfẋ dt = ( f x d ) dt f ẋ h dt =. ( fx d dt f ) ẋ h dt = fx d dt f ẋ =. Persamaan Euler merupakan PD orde-2 yang solusinya melibatkan dua konstanta pengintegralan yang nilainya dapat ditentukan dari syarat batas. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 54 / 85

Syarat Batas MKV Kasus II: x() dan/atau x(t ) tidak diketahui (free) h() = h(t ) = tidak berlaku. Syarat optimalitas: f x d dt f ẋ = dan hfẋ T =. hfẋ T = dapat dipenuhi jika f ẋ t= = dan fẋ t=t =. fẋ t= = dan/atau fẋ t=t = disebut sebagai syarat batas alamiah. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 55 / 85

Syarat Batas MKV Example Masalah jarak terdekat min J(x) = 1 1 + ẋ 2 dt x() = 4 Example x(1) tidak diketahui. Selesaikan masalah variasi berikut: min J(x) = 2 (ẋ 2 + xẋ + 2ẋ + 4x ) dt x() dan x(2) tidak diketahui. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 56 / 85

Waktu Akhir Bebas (Free Terminal Time) Untuk δt dan h(t ) cukup kecil: EC = EC δt δt = m gs δt ẋ (T )δt ẋ(t )δt h(t ) = FC EC δx(t ) ẋ(t )δt. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 57 / 85

Waktu Akhir Bebas (Free Terminal Time) Variasi dari J : δj(x) = = T +δt T T f (x + h, ẋ + ḣ, t) dt [ f (x + h, ẋ + ḣ, t) f (x, ẋ, t) ] dt f (x, ẋ, t) dt + T +δt f (x + h, ẋ + ḣ, t) dt T ( fx h + fẋ ḣ ) dt + T +δt T T f (x + h, ẋ + ḣ, t) dt. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 58 / 85

Waktu Akhir Bebas (Free Terminal Time) Misalkan F (t) = f (x + h, ẋ + ḣ, t) dt sehingga F (t) = f (t). TNR: Jika F kontinu dan terturunkan di (T, T + δt ) maka ada c (T, T + δt ) sehingga F F (T + δt ) F (T ) (c) = (T + δt ) T F (T + δt ) F (T ) f (c) = δt f (c)δt = F (T + δt ) F (T ). Misalkan c = T + θδt dengan < θ < 1, maka f t=t +θδt δt = T +δt f t=t +θδt f t=t ketika δt. T f (x + h, ẋ + ḣ, t) dt. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 59 / 85

Waktu Akhir Bebas (Free Terminal Time) Variasi dari J : δj(x) = T T ( fx h + fẋ ḣ ) dt + f t=t δt ( f x d ) dt f ẋ h dt + hfẋ t=t + f t=t δt. Syarat optimalitas δj = : 1 Persamaan Euler f x d dt f ẋ =. 2 Syarat transversalitas hfẋ T + f T δt = h(t )fẋ T + f T δt = [δx T ẋ(t )δt ] fẋ T + f T δt = [f T ẋfẋ T ] δt + fẋ T δx T =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 6 / 85

Waktu Akhir Bebas (Free Terminal Time) Ringkasan: opt J(x) = T f (x, ẋ, t) dt x() = x, T bebas (tidak ditentukan). Syarat optimalitas: 1 Persamaan Euler f x d dt f ẋ =. 2 Syarat transversalitas (f ẋfẋ )δt T + fẋ δx(t) T =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 61 / 85

Waktu Awal Bebas (Free Initial Time) tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 62 / 85

Waktu Awal Bebas (Free Initial Time) Ringkasan (analog waktu akhir bebas): opt J(x) = T t f (x, ẋ, t) dt x(t ) = x T, t bebas (tidak ditentukan). Syarat optimalitas: 1 Persamaan Euler f x d dt f ẋ =. 2 Syarat transversalitas (f ẋfẋ )δt t + fẋ δx(t) t =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 63 / 85

Waktu Awal dan Akhir Bebas tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 64 / 85

Waktu Awal dan Akhir Bebas Ringkasan (gabungan waktu awal dan akhir bebas): opt J(x) = T t f (x, ẋ, t) dt t dan T bebas (tidak ditentukan). Syarat optimalitas: 1 Persamaan Euler f x d dt f ẋ =. 2 Syarat transversalitas (f ẋfẋ )δt t,t + fẋ δx(t) t,t =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 65 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) Titik akhir B bergerak sepanjang kurva g(t) Diperoleh δx(t ) = δx(t ) δt δt = m gs δt ġ(t )δt. Syarat transversalitas (f ẋfẋ )δt T + fẋ δx(t) T = berubah menjadi (f + (ġ ẋ)fẋ ) δt T =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 66 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) Titik awal A bergerak sepanjang kurva g(t) Syarat transversalitas: (f + (ġ ẋ)fẋ ) δt t =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 67 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) Kedua titik ujung bergerak sepanjang kurva g 1 (t) dan g 2 (t) Syarat transversalitas: (f + (ġ 1 ẋ)fẋ ) δt t =, (f + (ġ 2 ẋ)fẋ ) δt T =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 68 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) Titik awal A terletak pada garis t = t dan titik akhir B terletak pada garis t = T δt = δt = δx(t ) = δx(t ) = Syarat transversalitas: fẋ δx(t) t,t = fẋ t,t =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 69 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) x, t, x T fixed, T free δt = δt = δx(t ) = δx(t ) = Syarat transversalitas: (f ẋfẋ )δt T = (f ẋfẋ T =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 7 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) x, x T fixed, t, T free δt = δt = δx(t ) = δx(t ) = Syarat transversalitas: (f ẋfẋ )δt t,t = (f ẋfẋ t,t =. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 71 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) t, x, T fixed, x T x min Masalah kalkulus variasi: opt J(x) = T t f (x, ẋ, t) dt s.t. x(t ) = x, x(t ) x min. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 72 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) t, x, T fixed, x T x min Cara menyelesaikan: 1 Selesaikan MKV di atas dengan x(t ) bebas. Periksa apakah x(t ) x min? Jika ya, maka solusi sudah ditemukan. 2 Jika tidak, selesaikan MKV di atas dengan x(t ) = x min (masalah titik ujung tetap). tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 73 / 85

Syarat Batas (Kasus Khusus) t, x, T fixed, x T x min Example Selesaikan masalah kalkulus variasi: opt J(x) = 2 (t + ẋ 2 ) dt s.t. x() = 4, x(2) 5. Solution Pertama akan dianalisis MKV berikut: opt J(x) = 2 (t + ẋ 2 ) dt s.t. x() = 4, x(2) bebas. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 74 / 85

Solution Persamaan Euler: d dt (2ẋ) = ẍ = x(t) = At + B. Dengan memasukkan nilai awal x() = 4 diperoleh B = 4 sehingga diperoleh x(t) = At + 4. Nilai A dapat ditentukan dari syarat batas alamiah: fẋ t=2 = (2ẋ t=2 = 2A = A =. Dengan demikian, sehingga x(2) = 4 5. x (t) = 4, tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 75 / 85

Solution Lakukan analisis terhadap MKV berikut: opt J(x) = 2 (t + ẋ 2 ) dt s.t. x() = 4, x(2) = 5. Dengan memasukkan syarat batas x(2) = 5 ke solusi x(t) = At + 4 diperoleh A = 1 2, sehingga x (t) = 1 2 t + 4. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 76 / 85

Syarat Batas Example Selesaikan masalah variasi berikut: opt J(x) = T t (x + ẋ 2 ) dt. 1 t =, T = 2, x() = 1, x(2) = 1. 2 t =, T = 2, x() = 1, x(2) free. 3 t =, x() = 1, x(t ) = 4, T free but T > 2. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 77 / 85

Syarat Batas Example Tentukan kurva x(t) terpendek yang menghubungkan garis g(t) dan titik A(4, 4): 1 tanpa menggunakan kalkulus variasi, 2 dengan menggunakan kalkulus variasi. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 78 / 85

Solution (Tanpa menggunakan KV) Diperoleh persamaan garis g adalah g(t) = 1 2 t + 3. Lintasan terpendek yang menghubungkan garis g dengan titik A adalah garis yang tegak lurus g dan melalui A, yaitu x 4 = 2(t 4) x(t) = 2t 4. Koordinat B dapat ditentukan sebagai berikut: 1 2 Jadi B = ( 14 5, 8 5 ). 14 14 t + 3 = 2t 4 t = 5, x( 5 ) = 8 5. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 79 / 85

Solution (Dengan menggunakan KV) Masalah di atas dapat dirumuskan sbb: min J(ẋ) = 4 t 1 + ẋ 2 dt, t belum ditentukan, x(t ) = 1 2 t + 3, x(4) = 4. Misalkan f (ẋ) = 1 + ẋ 2 = (1 + ẋ 2 ) 1/2. Persamaan Euler: f x d dt f ẋ = ẍ = x(t) = At + B. Dengan memasukkan syarat batas x(4) = 4 diperoleh: B = 4 4A x(t) = At + 4 4A. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 8 / 85

Solution Syarat transversalitas (f + (ġ ẋ)fẋ t=t = dengan g(t) = 1 2 t + 3 : ( (1 + ẋ 2 ) 1/2 + ( 1 2 ẋ) ẋ ( (1 + A 2 ) 1/2 + ( 1 2 A) A A 2 2 1 + A 2 = A = 2. (1 + ẋ 2 ) 1/2 = t=t (1 + A 2 ) 1/2 = t=t Jadi x (t) = 2t 4. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 81 / 85

Kuis 2 (open book, but strictly individual) Problem Tunjukkan bahwa x(t) = A + B ln t, dengan A, B R, memenuhi persamaan Euler dari MKV berikut: min J(x) = Tentukan syarat bagi t. Problem 1 t tẋ 2 dt, x(t ) =, x(1) = 1. Seorang produsen memproduksi x(t) unit barang pada saat t, dengan t [, 1]. Tingkat produksi di awal periode adalah dan target tingkat produksi di akhir periode adalah 2 unit barang. Produsen menghadapi biaya produksi sebesar c 1 = 4x 2 + 4x + 1 dan biaya lain sebesar c 2 = ẋ 2 + 3ẋ + 2t. Jika diasumsikan harga barang konstan yaitu p = 2, tentukan kurva produksi yang memaksimumkan keuntungan. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 82 / 85

Solution (Kuis) Definisikan f (ẋ, t) = tẋ 2. Persamaan Euler f x d dt f ẋ = memberikan Jika x(t) = A + B ln t maka d (2tẋ) = ẋ + tẍ =. dt ẋ + tẍ = B t t B t 2 =. Terbukti bahwa x(t) = A + B ln t memenuhi persamaan Euler. Selanjutnya dengan memasukkan syarat batas x(t ) = dan x(1) = 1 diperoleh x(t) = 1 ln t ln t. Jelas < t < 1. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 83 / 85

Solution (Kuis) Fungsi keuntungan: π(x, ẋ, t) = px c 1 c 2 = 2x (4x 2 + 4x + 1) (ẋ 2 + 3ẋ + 2t) Masalah kalkulus variasi: max Π(x) = = 4x 2 + 16x 1 ẋ 2 3ẋ 2t. 1 s.t. x() =, x(1) = 2. Persamaan Euler π x d dt π ẋ = memberikan ( 4x 2 + 16x 1 ẋ 2 3ẋ 2t) dt ( 8x + 16) + d (2ẋ + 3) =. dt tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 84 / 85

Solution (Kuis) Persamaan Euler berupa PD linear takhomogen orde dua: dengan solusi umum Dari syarat batas diperoleh A = 2 e 4 1 8x + 16 + 2ẍ = ẍ 4x = 8, x(t) = Ae 2t + Be 2t + 2. dan B = (A + 2) = 2e 4 e 4 1, sehingga x (t) = 2 e 4 1 e2t 2e4 e 4 1 e 2t + 2. tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 214 85 / 85