Program Studi Matematika Fakultas MIPA Universitas Lambung Mangkurat Jl. A. Yani Km. 36, Banjarbaru 70714, Kalsel
*Email: [email protected]
Abstrak
Model pertumbuhan populasi dapat berupa model eksponensial atau model logistik. Doust (2013) meneliti model logistik dengan faktor pemanenan. Faktor pemanenan yang digunakan berupa pemanenan konstan dan pemanenan tidak konstan. Pada paper ini yang akan dibahas adalah model logistik dengan pemanenan konstan. Pemanenan konstan adalah pemanenan yang tidak bergantung pada jumlah populasi yang dipanen. Paper ini bertujuan untuk menjelaskan model logistik populasi dengan faktor pemanenan konstan, menganalisa titik kesetimbangan dan menganalisa bifurkasi yang terjadi karena perubahan dari parameter. Penelitian ini bersifat studi literatur. Model logistik dengan pemanenan konstan memiliki dua titik kesetimbangan. Kestabilan titik kesetimbangan tersebut berubah bergantung nilai parameter β dan mengalami bifurkasi Saddle node pada saat β =ππππ4.
Kata kunci : Model logistik, Pemanenan konstan, Bifurkasi
1. PENDAHULUAN
Barnes (2009) menjelaskan bahwa model matematika membantu manusia di berbagai bidang seperti biologi dan ekologi. Salah satu model yang dibahas adalah model pertumbuhan populasi. Bentuk dari model pertumbuhan populasi dapat berupa model eksponensial atau model logistik. Campbel (1925) menerangkan model eksponensial adalah model pertumbuhan populasi yang mengasumsikan bahwa sumber daya melimpah sehingga populasi akan tumbuh secara eksponensial dengan cepat. Sedangkan model logistik adalah model pertumbuhan populasi yang mengasumsikan bahwa sumber daya pada suatu populasi terbatas sehingga terjadi persaingan antar sesama spesies agar dapat bertahan hidup. Para ahli ekologi mendefinisikan istilah daya tampung (carrying capacity) sebagai ukuran populasi yang ideal agar populasi spesies tersebut dapat hidup layak pada suatu lingkungan tertentu. Doust (2013) meneliti tentang model logistik dengan faktor pemanenan. Pemanenan adalah proses pengambilan sejumlah populasi per satuan waktu. Pemanenan konstan adalah pemanenan yang
bernilai tetap tanpa memperhatikan jumlah populasi yang dipanen. Dalam model tersebut ditentukan titik kesetimbangan dan solusi persamaan.
Perubahan nilai parameter pemanenan dapat menyebabkan perubahan perilaku dari model logistik dengan faktor pemanenan. Perilaku populasi pada model dapat dijelaskan melalui kestabilan di titik kesetimbangan. Kemudian jika kestabilan titik kesetimbangan tidak dapat ditentukan maka diselidiki melalui analisa bifurkasi. Bifurkasi terjadi jika pada suatu model kestabilan pada model tidak dapat diselidki stabil atau tidak. Bifurkasi adalah perbedaan keadaan dinamik seiring dengan perubahan parameter dalam suatu model.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Titik Kesetimbangan dan Kestabilan Model Satu Persamaan
Diberikan persamaan diferensial dengan satu variabel tak bebas sebagai berikut
ππΜ = ππ(ππ) β¦ (2.1) Dimana ππΜ menotasikan turunan πππ₯π₯πππ‘π‘ (Hale, J.K. and Kocak, H. 1991)
Definisi 2.1 (Hale dan Kocak, 1991)
Titik πποΏ½ β β disebut titik kesetimbangan dari ππΜ = ππ(ππ) jika ππ(πποΏ½) = 0.
jika ππ(ππ) adalah fungsi nonlinier pada persamaan (2.3) maka ππ(ππ) didekati secara linier menggunakan deret taylor maka dapat dinyatakan sebagai berikut
ππ(ππ) β ππ(πποΏ½) + ππβ²(πποΏ½)(ππ β πποΏ½) β¦ (2.2) β¦ (2.2) Karena πποΏ½ adalah titik kesetimbangan maka
berdasarkan Definisi 2.1 diperoleh ππ(πποΏ½) = 0. Jadi persamaan (2.1) didekati secara linier di sekitar titik kesetimbangan πποΏ½ dapat dinyatakan menjadi ππππ πππ‘π‘ = ππβ²(πποΏ½)(ππ β πποΏ½) β¦ (2.3) β¦ (2.3) Misalkan π£π£(π‘π‘) = ππ(π‘π‘) β πποΏ½ maka ππ(π‘π‘) = π£π£(π‘π‘) + πποΏ½ disubstitusi ke persamaan (2.3) sehingga diperoleh ππ(π£π£(π‘π‘) + πποΏ½) πππ‘π‘ = ππβ²(πποΏ½)(π£π£(π‘π‘) + πποΏ½ β πποΏ½) πππ£π£(π‘π‘) πππ‘π‘ = ππβ²(πποΏ½)π£π£(π‘π‘) β¦ (2.4) β¦ (2.4) Otto (2007) menjelaskan bahwa nilai
dari ππβ²(ππ) di titik kesetimbangan ππ = πποΏ½ disebut dengan nilai eigen ππ yang dapat dinyatakan dengan
ππ = ππβ²(πποΏ½) =ππππ(ππ)ππππ οΏ½
π₯π₯=π₯π₯οΏ½
β¦ (2.5) β¦ (2.5) Berdasarkan persamaan (2.5) maka
persamaan (2.4) menjadi πππ£π£
πππ‘π‘ = πππ£π£ β¦ (2.6) β¦ (2.6) Berikut akan diberikan konsep
kestabilan di titik kesetimbangan pada persamaan diferensial.
Teorema 2.2 (Olver, P.J & Shikiban. 2003) Diberikan πποΏ½ adalah titik kesetimbangan untuk persamaan diferensial nonlinier ππΜ = ππ(ππ) . Jika ππβ²(πποΏ½) < 0 maka πποΏ½ adalah stabil asimtotik sedangkan jika ππβ²(πποΏ½) > 0 maka πποΏ½ adalah tidak stabil.
Olver (2003), mengatakan bahwa jika ππβ²(πποΏ½) = 0 maka tidak ada jaminan yang cukup untuk menentukan kestabilan pada persamaan (2.3).
Terdapat tiga tipe dasar dari prilaku ππ(π‘π‘) yang dapat digambarkan di sekitar πποΏ½. a. Jika solusi ππ(π‘π‘) bergerak dari nilai awal
ππ(0) di sekitar πποΏ½ medekati pada kedua sisi memperlihatkan perilaku asimtotik limπ‘π‘ β βππ(π‘π‘) = πποΏ½ (mendekati πποΏ½ karena π‘π‘ meningkat), maka πποΏ½ dikatakan stabil asimtotik (πποΏ½ attractor).
b. Jika solusi ππ(π‘π‘) bergerak dari nilai awal ππ(0) di sekitar πποΏ½ menjauhi pada kedua sisi maka πποΏ½ dikatakan tidak stabil (πποΏ½ repeller).
c. Jika solusi ππ(π‘π‘) bergerak dari nilai awal ππ(0) di sekitar πποΏ½ medekati pada satu sisi dan menjauhi pada sisi yang lain maka πποΏ½ dikatakan semi-stabil(Zill, D.G & M.R. Cullen 2009)
2.3 Bifurkasi
Definisi 2.3 (Kuznetsov, Y. A. 1998)
Bifurkasi adalah munculnya keadaan dinamik suatu sistem yang dengan potret fase yang berbeda karena adanya perubahan parameter. Bifurkasi mengacu pada perubahan keadaan dinamik suatu sistem berparameter.
Teori bifurkasi membahas tentang perubahan stuktur orbit dari sistem dinamik karena adanya perubahan parameter. Sistem persamaan diferensial biasa dengan satu parameter diberikan sebagai berikut
ππππ
πππ‘π‘ = ππ(ππ, ππ), ππ β βππ, ππ β π π β¦ (2.7) dengan ππ(ππ, ππ) adalah fungsi smooth dan misalkan πποΏ½ = πποΏ½0 adalah titik kesetimbangan sistem ππ = ππ0 (Verhults, F. 1990)
Jika sistem pada persamaan (2.7) mempunyai nilai eigen dengan bagian riil nol yaitu ππ1= 0 dan ππ1,2= Β±ππππ0, ππ0> 0 untuk suatu nilai dari parameter.
Berikut diberikan definisi mengenai bifurkasi berdasarkan kondisi di atas
Definisi 2.4 (Kuznetsov, Y. A. 1998)
Suatu bifurkasi yang berhubungan dengan nilai eigen ππ = 0 maka disebut bifurkasi fold.
Catatan: Bifurkasi ini memiliki nama lain, diantaranya Limit point, Bifurkasi Saddle-Node dan Turning point.
Definisi 2.5 (Kuznetsov, Y. A. 1998)
Suatu bifurkasi yang mempunyai nilai eigen ππ1,2= Β±ππππ0, ππ0> 0 maka disebut bifurkasi Hopf (atau Andronov-Hopf).
2.4 Model Logistik
Model logistik mengasumsikan bahwa sumber daya yang dibutuhkan populasi pada suatu habitat terbatasPara ahli ekologi mendefinisikan hal tersebut dengan istilah daya tampung (carrying capacity) sebagai ukuran populasi yang ideal agar populasi spesies tersebut dapat hidup layak pada suatu lingkungan. Model logistik dapat dinyatakan sebagai berikut: ππππ πππ‘π‘ = ππ ππ οΏ½ πΎπΎ β ππ πΎπΎ οΏ½ β¦ (2.8) β¦ (2.8) dengan ππ : Jumlah populasi
ππ : Laju pertumbuhan alami populasi.
πΎπΎ: daya dukung / kapasitas tampung (carrying capacity) populasi (Campbel, N.A dkk. 1925)
Bagian ini menjelaskan mengenai referensi pustaka yang digunakan. Bisa disertai dengan penelitian terdahulu yang bersesuaian dengan pembahasan hasil penelitian.
3. METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah studi literatur. Adapun prosedur pada penelitian ini adalah mengumpulkan dan mengkaji bahan-bahan yang berkaitan dengan model logistik dengan pemanenan berupa fungsi konstan dan bifurkasi pada suatu model. Kemudian, menentukan asumsi-asumsi untuk model logistik dengan faktor pemanenan. Dalam artikel ini yang akan dibahas yaitu model logistik dengan pemanenan konstan. Selanjutnya, menjelaskan terbentuknya model tersebut. Kemudian, menentukan titik kesetimbangan dan menentukan kestabilan di titik kesetimbangan pada model logistik dengan pemanenan konstan . Jika nilai eigen yang diperoleh bagian riilnya nol maka kestabilan model tersebut tidak dapat ditentukan. Kemudian dilakukan pengujian lebih lanjut dengan menggunakan analisa bifurkasi. Selanjutnya untuk membantu menjelaskan kestabilan pada titik
kesetimbangan dilakukan simulasi dengan beberapa nilai parameter.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Model logistik adalah model laju perubahan jumlah populasi terhadap waktu yang dipengaruhi oleh laju pertumbuhan alami dan daya dukung (carrying capacity) populasi tersebut. Kemudian dikenakan faktor lain yaitu pemanenan pada populasi tersebut. Model logistik dengan faktor pemanenan yang akan dibahas adalah pada kondisi pemanenan konstan
4.1 Model Logistik dengan Pemanenan Konstan
Adapun asumsiβasumsi yang akan digunakan adalah sebagai berikut:
1. Pada populasi mengalami laju kelahiran dan laju kematian.
2. Jumlah populasi dipengaruhi oleh daya dukung (carrying capacity) berupa ketersediaan sumber makanan terbatas dan tempat tinggal hidup terbatas, sehingga terjadi persaingan antar spesies dalam populasi.
3. Pada populasi mengalami pemanenan yaitu pengambilan sejumlah populasi per satuan waktu. Pemanenan dapat dilakukan oleh manusia atau predator dari populasi tersebut.
Pemanenan yang terjadi adalah pengambilan sejumlah populasi yang tetap jumlahnya tidak bergantung pada jumlah populasi yang ada. Ini biasa disebut dengan model logistik dengan pemanenan konstan yang dinyatakan sebagai berikut: ππππ πππ‘π‘ = ππππ οΏ½ πΎπΎ β ππ πΎπΎ οΏ½ β β β¦ (4.1) dengan ππ : Jumlah populasi
ππ : Laju pertumbuhan alami populasi.
πΎπΎ: Kapasitas tampung / (carrying capacity) populasi
β : Laju pemaneenan
4.2 Titik kesetimbangan Model Logistik dengan Pemanenan Konstan
Berdasarkan definisi 2.1 titik kesetimbangan model logistik dengan faktor
pemanenan harus memenuhi ππππ πππ‘π‘ = 0, sehingga titik kesetimbangan dapat diperoleh dari persamaan (4.1). Berikut adalah titik kesetimbangan model logistik dengan pemanenan konstan yaitu,
πποΏ½1=πΎπΎ2 +πΎπΎ2 οΏ½1 β 4πππΎπΎ β¦ (4.2)β β¦ (4.2)
πποΏ½2=πΎπΎ2 βπΎπΎ2 οΏ½1 β 4πππΎπΎ β¦ (4.3)β β¦ (4.3) 4.3 Kestabilan pada Titik kesetimbangan
Model Logistik dengan Pemanenan Konstan
Menurut Teorema 2.2 kestabilan titik kesetimbangan πποΏ½ pada model πππ₯π₯πππ‘π‘= ππ(ππ) dapat diselidiki dari nilai ππππ(π₯π₯)
πππ₯π₯ pada saat
ππ = πποΏ½. Selanjutnya akan ditentukan nilai eigen pada model logistk pada pemanenan konstan di sekitar titik kesetimbangan πποΏ½1
yaitu
ππ =πππΉπΉ(ππ)ππππ οΏ½
ππ=πποΏ½1
= βππ οΏ½1 β 4πππΎπΎ β¦ (4.4)β . . . (4.4)
kemudian akan ditentukan nilai eigen pada model logistik pada pemanenan konstan di sekitar titik kesetimbangan πποΏ½2 yaitu
ππ =πππΉπΉ(ππ)ππππ οΏ½
ππ=πποΏ½2
= ππ οΏ½1 β 4πππΎπΎ β¦ (4.5)β . . . (4.5)
Dimana β =ππππ4 adalah pemanenan maksimal (ambang batas pemanenan). Kemudian parameter laju pemanenan (β) akan dibandingkan dengan ambang batas pemanenanοΏ½ππππ4οΏ½.
Berikut diberikan analisa kestabilan model logistik dengan pemanenan konstan disekitar titik kesetimbangan πποΏ½1 dan πποΏ½2
dengan parameter ππ, πΎπΎ dan β adalah konstanta positif. Kemudian akan diselidiki kestabilannya berdasarkan nilai eigen yang
diperoleh dari persamaaan (4.4) dan (4.5) dengan beberapa kondisi parameter β.
a. Jika β <ππππ4 maka titik kesetimbangan πποΏ½1=ππ2+ππ2οΏ½1 β 4ππππβ stabil karena ππ =ππππ(πποΏ½1)
ππππ = βπποΏ½1 β 4ππππβ < 0 dan titik kesetimbangan πποΏ½2=ππ2βππ2οΏ½1 β 4ππππβ tidak stabil karena ππ =ππππ(πποΏ½2)
ππππ = πποΏ½1 β 4ππππβ > 0.
b. Jika β >ππππ4 Maka titik kesetimbangan πποΏ½1=ππ2+ππ2οΏ½1 β 4ππππβ dan titik kesetimbangan πποΏ½2=ππ2βππ2οΏ½1 β 4ππππβ berbentuk kompleks ini tidak mungkin terjadi karena ππ menyatakan jumlah populasi sehingga pada kondisi ini tidak diperoleh titik kesetimbangan yang riil. Jadi laju pemanenan melebihi ambang batas pemanenan maka analisa kestabilan titik kesetimbangan tidak tercapai. c. Jika β =ππππ4 maka diperoleh hanya satu
titik kesetimbangan karena πποΏ½1= πποΏ½2=
ππ
2. Kemudian dicari niai eigen dengan
cara menenentukan pada turunan pertama πΉπΉ(ππ) dititik kesetimbangan πποΏ½1= πποΏ½2=ππ2 yaitu ππ = πΉπΉβ²οΏ½πποΏ½οΏ½ =
ππππ(ππ) ππππ οΏ½
ππ=ππ1 = ππ β2πππΎπΎ2
ππ = 0. Berdasarkan Definisi 2.4 karena ππ = 0 pada titik πποΏ½1= πποΏ½2=ππ2 maka terjadi bifurkasi saddle node.
4.4 Simulasi Model Logistik dengan Pemanenan Konstan
Model logistik dengan pemanenan konstan dapat digambarkan dalam bentuk grafik dengan melakukan simulasi pada model dengan memberikan nilai awal dan beberapa parameter.
4.4.1 Simulasi Model Logistik dengan Pemanenan Konstan dengan Kondisi Pemanenan ππ <ππππππ
Misalkan beberapa jumlah populasi awal yaitu ππ(0) = 10, ππ(0) = 50 dan ππ(0) = 90. Berikut diberikan nilai parameter untuk model ini dengan syarat β <ππππ4 yaitu
β = 5, ππ = 0.4 dan πΎπΎ = 100. Pada kondisi ini diperoleh dua titik kesetimbangan yaitu πποΏ½1= 85.3550 dan πποΏ½2= 14.6450. Selanjunya dilakukan simulasi sebagai berikut.
Gambar.1 Potret Phase Model logistik dengan Pemanenan Konstan dengan β = 5
Menurut Zill [9] berdasarkan analisa diatas maka titik kesetimbangan πποΏ½2 tidak stabil dan πποΏ½1 stabil asimtotik
4.4.2 Simulasi Model Logistik dengan Pemanenan Konstan dengan Kondisi Pemanenan ππ >ππππππ
Berikut diberikan nilai parameter untuk model ini dengan syarat β >ππππ4 yaitu β = 20, ππ = 0.4 dan πΎπΎ = 100. Pada kondisi ini tidak diperoleh titik kesetimbangan yang riil yaitu πποΏ½1= 50 + 50ππ dan πποΏ½2= 50 β 50ππ. kesetimbangan yang riil. Pada model logistik dengan pemanenan konstan dimana laju pemanenanya lebih besar dari laju pemanenan maksimumnya. Karena tidak dapat dijelaskan kestabilan titik ksetimbangan yang tidak rill pada model maka simulasi tidak dilakukan lebih lanjut.
4.4.3 Simulasi Model Logistik dengan Pemanenan Konstan Kondisi Pemanenan ππ =ππππππ
Misalkan berberapa jumlah populasi awal yaitu ππ(0) = 10, ππ(0) = 50 dan ππ(0) = 90.
Berikut diberikan nilai untuk model ini dengan syarat β =ππππ4 yaitu β = 10, ππ = 0.4 dan πΎπΎ = 100. Pada kondisi ini diperoleh satu titik kesetimbangan yaitu πποΏ½1= πποΏ½2= 50. Selanjunya dilakukan simulasi sebagai berikut
Gambar.2 Potret Phase Model logistik dengan Pemanenan Konstan dengan β = 10
Menurut Zill [9] berdasarkan analisa diatas maka titik kesetimbangan ππβ semi stabil yaitu
tidak dapat ditentukan stabil atau tidak. Sehingga untuk menentukan kestabilan di titik kesetimbangan πποΏ½1= πποΏ½2= ππβ dengan
menggunakan analisa bifurkasi. Simulasikan menggunakan maple sebagai diagram bifurkasi
Gambar.3 Diagram Bifurkasi Model Logistik dengan penenan konstan dengan ππ = 0.4 dan πΎπΎ = 100
Pada Gambar.3 untuk titik kesetimbangan yang berada pada selang 0 < ππ < 50 maka titik kesetimbangan tidak stabil dan untuk titik kesetimbangan yang berada pada selang ππ > 50 maka titik kesetimbangan stabil. πποΏ½2
πποΏ½1
πποΏ½2= πποΏ½1
5. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dan pembahasan dari penelitian ini maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut :
1. Model logistik dengan pemanenan konstan yang dapat dinyatakan sebagai berikut.
ππππ πππ‘π‘ = ππππ οΏ½
πΎπΎ β ππ πΎπΎ οΏ½ β β
2. Titik kesetimbangan pada model logistik dengan pemanenan konstan didapatkan yaitu πποΏ½1=ππ2+ππ2οΏ½1 β 4ππππβ dan πποΏ½2=
ππ
2βππ2οΏ½1 β 4ππππβ .
3. Kestabilan titik kesetimbangan pada model logistik dengan pemanenan konstan bergantung pada nilai parameter laju pemanenan β.
a. Jika β <ππππ4 maka terdapat dua titik kesetimbangan dengan titik kesetimbangan ππ1stabil dan ππ2 tidak stabil.
b. Jika β >ππππ4 maka tidak diperoleh titik kesetimbangan yang riil. c. Jika β =ππππ4 maka terdapat satu titik
kesetimbangan ππ1= ππ2 yang tidak
dapat ditentukan kestabilanya. Karena terjadi titik kesetimbangan yang semi stabil sehingga dilakukan uji bifurkasi. Bifurkasi yang terjadi adalah bifukasi saddle node.
Pada bagian kesimpulan dituliskan temuan penelitian secara singkat, ringkas dan padat, tanpa tambahan intepretasi baru lagi. Pada bagian ini juga dapat dituliskan kelebihan dan kekurangan dari penelitian, serta rekomendasi untuk penelitian selanjutnya.