SOLUSI SEMI-ANALITIK PERSAMAAN LAPLACE DENGAN SYARAT BATAS CAMPURAN 1 PENDAHULUAN

dokumen-dokumen yang mirip
Solusi Problem Dirichlet pada Daerah Persegi dengan Metode Pemisahan Variabel

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah

TINJAUAN KASUS PERSAMAAN GELOMBANG DIMENSI SATU DENGAN BERBAGAI NILAI AWAL DAN SYARAT BATAS

METODE ELEMEN BATAS UNTUK MASALAH TRANSPORT

BAB I PENDAHULUAN. pedoman untuk menyelesaikan permasalahan sehari-hari dan juga untuk

BAB II KAJIAN TEORI. pada penulisan bab III. Materi yang diuraikan berisi tentang definisi, teorema, dan

Aplikasi Persamaan Bessel Orde Nol Pada Persamaan Panas Dua dimensi

PROPOSAL TUGAS AKHIR PENGARUH JUMLAH SUKU FOURIER PADA PENDEKATAN POLAR UNTUK SISTEM GEOMETRI KARTESIAN OLEH : IRMA ISLAMIYAH

BAB II PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA

KONSEP DASAR PERSAMAAN DIFERENSIAL

PENGANTAR MATEMATIKA TEKNIK 1. By : Suthami A

BAB III PEMODELAN PERSAMAAN INTEGRAL PADA ALIRAN FLUIDA

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

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah

BAB II KAJIAN TEORI. syarat batas, deret fourier, metode separasi variabel, deret taylor dan metode beda

PDP linear orde 2 Agus Yodi Gunawan

TINJAUAN KASUS PERSAMAAN PANAS DIMENSI SATU SECARA ANALITIK

PENYELESAIAN PERSAMAAN PANAS BALIK (BACKWARD HEAT EQUATION) Oleh: RICHA AGUSTININGSIH

PENYELESAIAN PERSAMAAN POISSON 2D DENGAN MENGGUNAKAN METODE GAUSS-SEIDEL DAN CONJUGATE GRADIENT

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

PENGARUH JUMLAH SUKU FOURIER PADA PENDEKATAN POLAR UNTUK SISTEM GEOMETRI KARTESIAN

Penyelesaian Persamaan Poisson 2D dengan Menggunakan Metode Gauss-Seidel dan Conjugate Gradient

Persamaan Diferensial

Pertemuan 1 dan 2 KONSEP DASAR PERSAMAAN DIFERENSIAL

Mata Kuliah :: Matematika Rekayasa Lanjut Kode MK : TKS 8105 Pengampu : Achfas Zacoeb

PENYELESAIAN MASALAH NILAI AWAL PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA ORDE DUA MENGGUNAKAN MODIFIKASI METODE DEKOMPOSISI ADOMIAN

Phantom Virtual Penampang Melintang Tungkai (Tibia Fibula) Berbasis Konsep Rangkaian Resistor ABSTRAK

Metode Elemen Batas (MEB) untuk Model Konduksi-Konveksi dalam Media Anisotropik

APLIKASI METODE TRANSFORMASI DIFERENSIAL PADA SISTEM PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA PENDAHULUAN

Diferensial Vektor. (Pertemuan III) Dr. AZ Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Solusi Persamaan Laplace Menggunakan Metode Crank-Nicholson. (The Solution of Laplace Equation Using Crank-Nicholson Method)

SOLUSI NON NEGATIF PARSIAL SISTEM PERSAMAAN DIFERENSIAL LINIER ORDE SATU

OTOMATISASI SISTEM TOMOGRAFI RESISTANSI LISTRIK

KISI KISI LOMBA KOMPETENSI SISWA SMK TINGKAT PROVINSI JAWA TIMUR 2014

II. TINJAUAN PUSTAKA. variabel x, sehingga nilai y bergantung pada nilai x. Adanya relasi kebergantungan

II. TINJAUAN PUSTAKA. Turunan fungsi f adalah fungsi lain f (dibaca f aksen ) yang nilainya pada ( ) ( ) ( )

BAB II PENGANTAR SOLUSI PERSOALAN FISIKA MENURUT PENDEKATAN ANALITIK DAN NUMERIK

Pemetaan Dirichlet ke Neumann untuk Rangkaian Listrik berbentuk Segi dengan Elemen bernilai Real-Positif

TINJAUAN PUSTAKA. diketahui) dengan dua atau lebih peubah bebas dinamakan persamaan. Persamaan diferensial parsial memegang peranan penting di dalam

OTOMATISASI SISTEM TOMOGRAFI RESISTANSI LISTRIK

BAB I PENDAHULUAN. digunakan untuk masalah-masalah dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya

BAB II DASAR TEORI. 2.1 Persamaan Kontinuitas dan Persamaan Gerak

7. RESIDU DAN PENGGUNAAN. Contoh 1 Carilah titik singular dan tentukan jenisnya dari fungsi berikut a. f(z) = 1/z

DERET FOURIER DAN APLIKASINYA DALAM FISIKA

PENERAPAN METODE ELEMEN HINGGA UNTUK SOLUSI PERSAMAAN STURM-LIOUVILLE

BAB I PENDAHULUAN. perkembangan bakteri, sedangkan dalam bidang teknik yaitu pemodelan

SOLUSI PENYEBARAN PANAS PADA BATANG KONDUKTOR MENGGUNAKAN METODE CRANK-NICHOLSON

SATUAN ACARA PERKULIAHAN

SOLUSI ANALITIK MASALAH KONDUKSI PANAS PADA TABUNG

Solusi Persamaan Laplace pada Koordinat Bola

METODE DEKOMPOSISI ADOMIAN LAPLACE UNTUK SOLUSI PERSAMAAN DIFERENSIAL NONLINIER KOEFISIEN FUNGSI

I. PENDAHULUAN. dan kotoran manusia atau kotoran binatang. Semua polutan tersebut masuk. ke dalam sungai dan langsung tercampur dengan air sungai.

SOLUSI NON NEGATIF MASALAH NILAI AWAL DENGAN FUNGSI GAYA MEMUAT TURUNAN

Metode Beda Hingga untuk Penyelesaian Persamaan Diferensial Parsial

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah

, ω, L dan C adalah riil, tunjukkanlah

MATERI PELAJARAN MATEMATIKA SMA KELAS X BAB I: BENTUK PANGKAT, AKAR, DAN LOGARITMA. 1.1 Pangkat Bulat. A. Pangkat Bulat Positif

PENGANTAR DASAR MATEMATIKA REKAYASA, oleh Markoni Hak Cipta 2014 pada penulis

Saat mempelajari gerak melingkar, kita telah membahas hubungan antara kecepatan sudut (ω) dan kecepatan linear (v) suatu benda

dengan vektor tersebut, namun nilai skalarnya satu. Artinya

ISTIYANTO.COM. memenuhi persamaan itu adalah B. 4 4 C. 4 1 PERBANDINGAN KISI-KISI UN 2009 DAN 2010 SMA IPA

SATUAN ACARA PERKULIAHAN MATA KULIAH KALKULUS LANJUT A (S1 / TEKNIK INFORMATIKA ) KODE / SKS KD

RPKPS (Rencana Program Kegiatan Pembelajaran Semester) Program Studi : S1 Matematika Jurusan/Fakultas : Matematika/FMIPA

44. Mata Pelajaran Matematika untuk Sekolah Menengah Atas (SMA)/ Madrasah Aliyah (MA)

BAB I KONSEP DASAR PERSAMAAN DIFERENSIAL

ANALISIS METODE DEKOMPOSISI SUMUDU DAN MODIFIKASINYA DALAM MENENTUKAN PENYELESAIAN PERSAMAAN DIFERENSIAL PARSIAL NONLINEAR

SATUAN ACARA PERKULIAHAN UNIVERSITAS GUNADARMA

METODE PSEUDOSPEKTRAL CHEBYSHEV PADA APROKSIMASI TURUNAN FUNGSI

BAB II KAJIAN TEORI. representasi pemodelan matematika disebut sebagai model matematika. Interpretasi Solusi. Bandingkan Data

1 BAB 4 ANALISIS DAN BAHASAN

II. TINJAUAN PUSTAKA. nyata (fenomena-fenomena alam) ke dalam bagian-bagian matematika yang. disebut dunia matematika (mathematical world).

TRANSFORMASI FOURIER QUATERNION DUA SISI DENGAN KERNEL SIFAT-SIFATNYA. MUH. NUR Jurusan Matematika, Universitas Hasanuddin, Makassar

KISI-KISI PENULISAN SOAL TRY OUT UJIAN NASIONAL MATEMATIKA IPA SANGGAR 07 TAHUN 2014/2015

DERET FOURIER. n = bilangan asli (1,2,3,4,5,.) L = pertemuan titik. Bilangan-bilangan untuk,,,, disebut koefisien fourier dari f(x) dalam (-L,L)

Soal UN 2009 Materi KISI UN 2010 Prediksi UN 2010

PARTIKEL DALAM SUATU KOTAK SATU DIMENSI

Simulasi Perpindahan Panas pada Lapisan Tengah Pelat Menggunakan Metode Elemen Hingga

MODIFIKASI METODE DEKOMPOSISI ADOMIAN UNTUK MENYELESAIKAN MASALAH NILAI AWAL SINGULAR PADA PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA ORDE DUA ABSTRACT

Bab II Fungsi Kompleks

II LANDASAN TEORI. dengan, 1,2,3,, menyatakan koefisien deret pangkat dan menyatakan titik pusatnya.

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

BAB III KONDUKSI ALIRAN STEDI - DIMENSI BANYAK

Aplikasi Bilangan Kompleks pada Dinamika Fluida

BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Persoalan yang melibatkan model matematika sering kali muncul dalam

BAB I PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA ORDE SATU

METODE TRANSFORMASI ELZAKI DALAM MENYELESAIKAN PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA LINEAR ORDE DUA DENGAN KOEFISIEN VARIABEL ABSTRACT

BAB V PERAMBATAN GELOMBANG OPTIK PADA MEDIUM NONLINIER KERR

Asimtot.wordpress.com FUNGSI TRANSENDEN

09. Mata Pelajaran Matematika

NOISE TERMS PADA SOLUSI DERET DEKOMPOSISI ADOMIAN DALAM MENYELESAIKAN PERSAMAAN DIFERENSIAL PARSIAL ABSTRACT

BAB VIII PERSAMAAN DIFERENSIAL PARSIAL

FORMULA PENGGANTI METODE KOEFISIEN TAK TENTU ABSTRACT

Bab I. Bilangan Kompleks

Pertama, daftarkan kedua himpunan vektor: himpunan yang merentang diikuti dengan himpunan yang bergantung linear, perhatikan:

DAFTAR ISI. KATA PENGANTAR. DAFTAR TABEL. DAFTAR GAMBAR.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II LANDASAN TEORI. eigen dan vektor eigen, persamaan diferensial, sistem persamaan diferensial, titik

09. Mata Pelajaran Matematika

GARIS BESAR PROGRAM PEMBELAJARAN (GBPP)

Transkripsi:

SOLUSI SEMI-ANALITIK PERSAMAAN LAPLACE DENGAN SYARAT BATAS CAMPURAN I. MAULIDI 1, A. D. GARNADI 2, M. N. INDRO 3, M. T. JULIANTO 2, A. PRIBADI 4 Abstrak Solusi analitik dari distribusi potensial dalam bola 3 Dimensi dengan 7 syarat batas campuran berasal dari model fisika didapatkan sebagai sistem persamaan linear tak hingga. Masalah syarat batas campuran ini, berasal dari Tomografi Elektrik yang dikenal sebagai Complete Electrode Model (Model Elektroda Lengkap). Kata kunci: pemindai kepala, complete electrode model, tomografi elektrik 1 PENDAHULUAN Tomografi Elektrik merupakan salah satu moda elektrik pemindai nondestruktif di bidang aplikasi. Tujuan tulisan ini adalah mendapatkan solusi untuk persamaan Laplace homogen yang merupakan satu bentuk persamaan diferensial parsial Eliptik. Secara umum, masalah syarat batas campuran tergolong hal sangat jarang dibahas meskipun banyak masalah dibidang rekayasa melibatkan masalah insulasi (tanpa fluks di batas) yang berakibat mempersyaratkan kondisi di batas bersifat campuran. Misalnya saja, buku sumber yang cukup komprehensif untuk solusi persamaan differensial parsial untuk masalah rekayasa, sedikitpun tidak membahas syarat batas campuran [4]. Beberapa peneleti mencoba mendapatkan solusi analitik untuk masalah EIT di cakram 2D yang menggunakan CEM, misalnya [7], [5], dan [6]. Bahkan, hasil yang ekivalen untuk masalah 3D tak didapati untuk model CEM [6]. Solusi persamaan Laplace di bola 3D homogen diturunkan pada tulisan ini, yang memenuhi syarat batas CEM dengan konfigurasi khusus berjumlah elektroda hingga dan impedansi kontak berbeda padanya, solusi dinyatakan sebagai sistem persamaan linear takhingga. Solusi persamaan Laplace homogen pada cakram dalam koordinat polar merupakan hal yang sederhana untuk didapatkan, meskipun demikian untuk model elektroda lengkap merupakan hal yang tidak mudah dari segi matematis karena syarat batas yang digunakan merupakan syarat batas campuran ([3], [6]), apalagi untuk model di bola 3 dimensi. Dengan demikian, melengkapi hasil [6], meskipun untuk kasus khusus. Penurunan formulasi solusi secara rinci diberikan di Lampiran. 1 Departemen Matematika, Institut Tekologi Sumatera. 2 Departemen Matematika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Jalan Meranti Kampus IPB Dramaga Bogor, 16680. 3 Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Jalan Meranti Kampus IPB Dramaga Bogor, 16680. 4 STEI, Institut Teknologi Bandung.

54 I. MAULIDI, A. D. GARNADI, M. N. INDRO, M. T. JULIANTO, A. PRIBADI 2 PERUMUSAN UMUM MASALAH EIT Tujuan dari Electrical Impedance Tomography ialah merekonstruksi permittivity spasial ε(s) berdasarkan pengukuran arus dan voltase pada electrode yang ditempatkan di tepi/permukaan benda, dengan s menyatakan vektor koordinat spatial. Dalam sistem EIT, voltase merupakan bagian dari syarat batas dan arus yang terjadi merupakan objek yang diukur. Seringkali masalah EIT dirumuskan untuk ε(s) yang bernilai kompleks, meski demikian dalam tulisan ini dibatasi hanya untuk bernilai real sehingga bagian imajiner tak ada. Di 3D kita punyai s = (x, y, z) untuk medium homogen ε(s) yang konstan. Sepanjang tulisan ini, huruf tebal menyatakan vektor dan matriks. Di bagian ini, kita nyatakan forward problem bila fungsi ε diketahui. 2.1 Persamaan Laplace dalam Benda Misalkan di permukaan benda terdapat L electroda yang melekat dan tidak saling bertumpang tindih Ei, i = 1, 2,..., L. Potensial U₁, U₂,..., UL dikenakan pada L elektroda sehingga dipenuhi kondisi i=1 U i = 0. Di dalam benda, distribusi potensial dipenuhi oleh persamaan Laplace : Tujuan forward model adalah menemukan fungsi potensial u, diberikan ε = ε(s) mempergunakan syarat batas sebagaimana diberikan di bawah ini. 2.2 Syarat Batas Pemodelan EIT dibedakan berdasarkan syarat batas pada elektroda, persamaan (1) tetap sama. Pada batas benda antar elektroda, dianggap tak ada arus yang mengalir, dengan ν menyatakan vektor arah normal di permukaan. Menurut CEM, dengan Zi merupakan impedansi kontak (atau permukaan), i = 1, 2,..., L. Merupakan hal yang umum dianggap bahwa impedansi kontak bernilai konstan di permukaan elektrode tetapi bisa bernilai berbeda untuk masing-masing elektrode. Potensial yang diberikan bernilai konstan di permukaan elektrode karena dianggap terbuat dari bahan metal yang bersifat sangat konduktif. Model (1) bersama-sama dengan syarat batas (2) dan (3), dengan tepat mencerminkan rancangan perangkat pengukuran dan merupakan forward model yang paling komprehensif dari masalah impedansi elektrik ([2], [1]).

JMA, VOL. 16, NO. 2, DECEMBER 2017, 53-60 55 3 BOLA HOMOGEN 3D Pada bagian ini, akan diturunkan sebuah solusi analitik dari model elektrode lengkap (CEM, complete electrode model) di bola 3D yang homogen dalam koordinat bola dengan jumlah hingga elektrode yang memenuhi CEM. Distribusi potensial di bola berjejari R yang homogen dengan permitivitas ε memenuhi persamaan Laplace dalam koordinat bola. Sebagai hal khusus dari persamaan diferensial parsial (1), dengan 0 r R menyatakan jarak dari titik pusat, 0 φ < 2π dan 0 < θ π sudut. Diasumsikan bahwa setiap variabel bernilai real. Dalam hal ini, elektrode yang tidak saling menimpa sebanyak L, dengan lebar 2w dan panjang 2w (keduanya dalam radian) ditempatkan di lingkaran dengan radius R pada sudut {φi, i = 1, 2,..., L}. Dengan menggunakan metode pemisahan variabel [9] akan memberikan solusi umum yang dinyatakan dalam bentuk deret sebagai berikut Karena u < untuk r = 0, maka solusi persamaan (5) dapat dituliskan r dengan koefisien Cnl dan Dnl yang dapat diperoleh dari syarat batas (3), untuk kasus bola 3D, akan berbentuk dengan θ tetap. Perhatikan bahwa persamaan (7) merupakan fungsi dari θ dan φ tetapi dengan ruas kanan yang konstan. Sebagaimana diperlihatkan di Lampiran, koefisien an dan bn diperoleh dengan cara mengintegrasikan ε u r ] r=r sebagai solusi sistem persamaan linear tak hingga: untuk (φ, θ) (0, 2π) (0, π) dengan a dan b koefisien Fourier dari vektor dimensi takhingga yang dicari, n = (1, 2, 3,...), dan matriks dan vektor dimensi tak hingga yang didefinisikan sebagai berikut

56 I. MAULIDI, A. D. GARNADI, M. N. INDRO, M. T. JULIANTO, A. PRIBADI Untuk hal yang khusus, bila impedans kontak sama, Zi = Z dan jarak elektroda ke elektroda satu sama lain sama (φi = 2πi/L), didapat u₀ = 0 dan Tentu saja apabila untuk perhitungan, dimensi takhingga haruslah diganti dengan dimensi hingga sebagai hampiran. 4 UCAPAN TERIMA KASIH Pekerjaan ini didanai oleh Kemenristekdikti melalui skim PUPT-IPB dengan kontrak nomor 079/SP2H/LT/DRPM/II/2016. DAFTAR PUSTAKA [1] Cheney M, Isaacson D, Newell JC. 1999. Electrical impedance tomography. SIAM Review. 41:85-101. [2] Cheng KS, Isaacson D, Newell JC, Gisser DG. 1989. Electrode models for electric current computed tomography. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 36:918-924. [3] Duffy DG. 2008.. Mixed Boundary Value Problems. Boca Raton: Chapman and Hall/CRC. [4] Polyanin AD. Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and cientists. Boca Raton: Chapman and Hall/CRC. [5] Paulson K, Brekon W, Pidcock M. 1992. Electrode modeling in electrical impedance tomography. SIAM Journal on Applied Mathematics. 52:1012-1022. [6] Pidcock MK, Kuzuoglu M, Leblebicioglu K. 1995 Analytic and semi-analytic solutions in electrical impedance tomography: I. Two-dimensional problems. Physiological Measurement. 16:77-90. [7] Somersalo E, Cheney M, Isaacson D. 1992. Existence and uniqueness for electrode models for electric-current computed tomography. SIAM Journal on Applied Mathematics. 52:1023-1040. [8] Weisstein, Eric W. "Laplace's Equation--Spherical Coordinates." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/laplacesequationspherical Coordinates.html.

JMA, VOL. 16, NO. 2, DECEMBER 2017, 53-60 57 Lampiran. Penurunan Solusi EIT masalah 3D Tujuan kita adalah mendapatkan koefisien Fourier an, bn dari persamaan (6). Dengan menggunakan persamaan (7), turunan di batas kita nyatakan dalam bentuk Kemudian, kita kalikan persamaan (10) dengan cos(kφ) with k = 1, 2,... dan diintegrasikan kedua sisinya di selang (0, 2π) dengan memperhatikan Jelas bahwa integral ruas kiri (10) dikalikan cos(kφ), sebagai integral dari deret Fourier, ialah επnan /R diakibatkan sifat ortogonal fungsi kosinus dan sinus (k = n). Ruas kanan persamaan (10) dikalikan cos(kφ) berbentuk dengan Dari trigonometri, dan misalkan M11i dan M12i merupakan matriks Fourier dimensi tak hingga untuk i = 1, 2,..., L dg elemen ke-(k,l) diberikan melalui dengan I(n = k) menyatakan fungsi Indikator. dengan

58 I. MAULIDI, A. D. GARNADI, M. N. INDRO, M. T. JULIANTO, A. PRIBADI Langkah berikutnya, perkalikan kedua ruas dari persamaan (10) dengan sin(kφ) dan diintegralkan untuk variabel φ (-φ,φ) berdasarkan fakta bahwa koefisien untuk Cnl dan Dnl adalah Tuliskan dengan a dan b vektor dimensi takhingga dengan komponen secara berturut-turut Cnl dan Dnl. Juga tetapkan r1i and r2i vektor dimensi takhingga dengan komponen Kita nyatakan suku (πε/r)n pada koefisien Cnl dan Dnl sebagai sebuah diagonal matriks (πε/r)n dengan n = diag(1, 2, 3,...). Untuk mendapatkan persamaan yang memuat u₀, persamaan (10) diintegralkan keduaruasnya di (0,2π) yang menghasilkan sehingga sistem persamaan lengkap untuk diselesaikan bagi a, b dan u₀ sebagai berikut: Ruas kanan dari persamaan ketiga jelas akan bernilai nol karena jumlah voltase L yang diberikan adalah nol, sehingga cukup dibuktikan i=1 r 1in = 0 dan L i=1 r 2in = 0 yang berasal dari fakta bahwa untuk setiap n = 1, 2,.... Jelas, solusi sistem di atas dapat dituliskan sebagai kombinasi linear dari voltase terukur dalam bentuk

JMA, VOL. 16, NO. 2, DECEMBER 2017, 53-60 59 dengan p1in dan p2in merupakan unsur vektor berikut dan matriks M pq adalah matriks blok-terpartisi dari matriks invers di persamaan (8) terkait a, b dan u₀.

60 I. MAULIDI, A. D. GARNADI, M. N. INDRO, M. T. JULIANTO, A. PRIBADI