BAB II
PERSAMAAN TINGKAT SATU DERAJAT SATU
Sebagaimana telah dijelaskan pada bab I, persamaan differensial tingkat satu
derajat satu adalah persamaan yang memuat turunan tertinggi yaitu turunan tingkat satu (
dx dy
). Secara umum persamaan differensial tingkat satu derajat satu ditulis dalam bentuk:
M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0
dx dy
) , (
) , (
y x N
y x M
dx dy
= F(x,y)
F(x,y, dx dy
) = 0.
Bentuk umum di atas mengakibatkan jenis persamaan differensial
tingkat satu derajat satu bervariasi. Untuk lebih memudahkan dalam
menentukan primitif atau selesaiaan umum persamaan, maka
persamaan differensial tingkat satu derajat satu dikelompokkan
menjadi:
1) persamaan differensial variabel terpisah (persamaan separable),
2) persamaan yang dapat direduksi ke persamaan variabel terpisah,
3) persamaan differensial homogen,
6) persamaan differensial tidak eksak, dan
7) persamaan differensial yang berbentuk y f(xy) dx + x g(xy) dy = 0.
Jenis dan macam masing-masing persamaan differensial
mempunyai spesifikasi yang berbeda-beda. Prinsip utama yang
digunakan adalah sedapat mungkin memisahkan dan mengelompokkan
masing-masing koefisien differensial. Khusus untuk persamaan yang
tidak dapat dipisahkan variabelnya, maka cara lain (tabel, teorema)
akan sangat membantu.
Berikut ini disajikan cara menentukan selesaian persamaan differensial
tingkat satu derajat satu.
2.1 Persamaan Differensial Variabel Terpisah (Separable)
Persamaan differensial tingkat satu derajat satu yang mempunyai
bentuk umum M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0 dapat dikategorikan sebagai
persamaan differensial variable terpisah jika bentuk umum tersebut
dapat dinyatakan dengan f(x) dx + g(y) dy = 0. Dengan kata lain
masing-masing differensial dalam persamaan berpasangan dengan
variabel yang sejenis.
Contoh:
1. x dx + 2 y dy = 0
2. y2 dx – x dy = 0
x dx
- y2
3. y’ = y 1 2x2
1 2x2 dx - y dy
= 0
4. x dx – sin y dy = 0
Karena tanda differensial persamaan di atas dx dan dy
berpasangan dengan variable yang sejenis, maka untuk menentukan
selesaian umum persamaan cukup dengan mengintegralkan masing
masing bagian.
Perhatikan beberapa contoh di bawah ini!
Tentukan selesaian umum persamaan diffrensial:
1. x dx + 2 y dy = 0
x dx +
2y dy = C
2 1
x2 + y2 = C
x2 + 2y2 = C (primitive, persamaan keluarga kurva, SUPD)
2.
y dx
- 3
x dy
= 0
x dx – 3y dy = 0
x dx -
3y dy = C
2 1
x2 -
2 3
y2 = C
x2 – 3y2 = C
3 x dx
+ 2dyy = 0
3 x dx+
2dyy = C 3 Ln │x │+ 2 Ln │ y │= C
Ln │x3y2 │= C x3y2 = C
4. x dx + 2 y dy = 0
x dx +
2 y dy = C
2 1
x2 + y2 = C
x2 + 2y2 = C
5. sin x dx + (1-y) dy = 0 dengan y(
) = 1
sin x dx +
(1-y) dy = C - cos x + y -
2 1
y2 = C
- 2 cos x + 2y - y2 = C
Karena y(
) = 1 maka diperoleh C = 3, sehingga selesaian khususpersamaan adalah -2 cos x + 2y – y2 = 3
Latihan soal
1. y2 dx – x dy = 0
2. (1+2y) dx – (4-x) dy = 0
3. cos y dx + (1+e-x) dy = 0
4. dx + (1-x2) cot y dy = 0
5.
3 1
dx dy
= 1-sec x
6. (1-x2)y’ = 2
7. (1+2y) dx - (4-x) dy = 0
8. xdy – ydx = 0 dengan y(1) = 1
9. (1-x) dx – 2y2 dy = 0 dengan y(0) = 1
10. y’= x3(1-y) dengan y(0) = 3
11.
dx dy
= 2x cos2y dengan y(0) =
4
12. y’ = 2x3e-2y dengan y(1) = 0
Catatan
Yang perlu diingat bahwa persamaan diferensial dengan variable
terpisah memiliki ciri spesifik yaitu koefisien differensial berupa variable
sejenis berkumpul dengan differensialnya, dengan kata lain dapat
dinyatakan dalam bentuk sederhana f(x) dx + g(y) dy = 0.
2.2 Persamaan yang dapat Direduksi ke Persamaan Variabel Terpisah
Persamaan differensial tingkat satu derajat satu M(x,y) dx + N(x,y)
direduksi menjadi persamaan differensial variable terpisah jika bentuk
umum
M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0
f1(x)g1(y) dx + f2(x)g2(y) dy = 0
) (
) (
2 1
x f
x f
dx +
) (
) (
1 2
y g
y g
dy = 0
F(x) dx + G(y) dy = 0.
Untuk selanjutnya bentuk pembagian ( )1 ( )
2
2 x g x
f disebut faktor
integrasi. Selesaian umum persamaan differensial yang dapat direduksi
menjadi persamaan variable terpisah dapat ditentukan dengan cara
mengintegralkan masing-masing bagian setelah variable yang sejenis
dikelompokkan dengan differensialnya.
Contoh:
Tentukan selesaian umum persamaan dibawah ini:
1. 2(y+3) dx – xy dy = 0
2 x dx
- yydy3= 0
2 x dx-
yydy3= C
2 x dx-
( 1- y33) dy = C
2 x dx-
1 dy +
y33 dy = C x2(y+3)3 = e(C + y) = cey x2(y+3)3 = cey
2.
dx dy
=
) 3 (
4
y x
y
x(y-3) dy = 4y dx 4y dx - x(y-3) dy = 0
4 x dx
- yy3dy = 0
x dx4 -
yy 3dy = C 4 Ln │x│– y + 3 Ln │y│= C x4y3 = ec+y = cey
3. xy dy = (y+1)(1-x) dx dengan y(1) = 0
dx x y 1)(1 )
(
- xy dy = 0
x
x
1
dx - yy1dy = 0
x dx
- dx – dy + ydy1= 0
x dx-
dx –
dy +
ydy1= CKarena y(1) = 0 maka 1(0+1) = ec+1+0. Diperleh c = -1 sehingga
diperoleh selesaian khusus persamaan x(y+1) = ex+y-1.
Sebagai latihan, tentukan selesaian umum persamaan di bawah ini:
1. dx + (1-x2) cotg y dy = 0
2. cos y dx + (1+e-x) sin y dy = 0
3. xy dx + (1+x2) dy = 0
4. x2(y-4) dx + y(x2-1) dy = 0
5. dx dy
=
y x y
x x
2 2
4
6. dx dy
= 3
1
xy
7. y-1 + y’ ecos x sin dx = 0
8. x dx dy
= 13yy2
9. y’ = 22
1 x y Sec
10. y’ = y(2+sin x)
11. dx dy
= 8x2e-3y dengan y(1) = 0
12. dx dy
= 3 22 4 1 2
y x x
dengan y(0) = -1
Persamaan differensial tingkat satu derajat satu M(x,y) dx + N(x,y)
dy= 0 disebut persamaan differensial homogen jika M(x,y) dan N(x,y)
fungsi homogen berderajat sama.
Definisi:
1. F(x,y) disebut fungsi homogen jika F(x,y) = G( yx ) atau F(x,y)
= H( x y
)
2. Fungsi F(x,y) disebut fungsi homogen berderajat-n jika memenuhi syarat F(tx,ty) = tn F(x,y).
Contoh:
1. F(x,y) = yx x adalah fungsi homogen, karena
F(x,y) =
x x x y x
x
= 1
1
x
y = H( x y
)
2. F(x,y) = x + y
= 1 + x y
= xy + 1
3. F(x,y) = 1 – xy, bukan fungsi komogen karena 1-xy tidak dapat
dinyatakan dengan bentuk G( yx ) atau H( x y
)
Adalah fungsi homogen karena dapat dinyatakan dalam dengan H( x y
) atau G( yx )
5. F(x,y) = y sin x, bukan fungsi homogen.
6. F(x,y) = 1 x2 y, bukan fungsi homogen.
7. F(x,y) = x + y, fungsi homogen berderajat 1, karena:
F(tx,ty) = (tx) + ty
, fungsi homogen berderajat 0, karena
F(x,y) =
10. F(x,y) = sin (x+y) bukan fungsi homogen, karena F(tx,ty)
tnF(x,y)
Jika M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0 diketahui sebagai persamaan
differensial homogen, maka selesaian umumnya dapat ditentukan
dengan cara menyatakan M(x,y) dan dan N(x,y) dalam bentuk M( x y
)
atau M( yx ). Demikian pula untuk N(x,y). Dengan kata lain M(x,y) dan
N(x,y) dibagi dengan koefisien differensial yang berpangkat tertinggi.
Setelah dilakukan pembagian, selanjutnya gunakan transformasi
yu = x atau xv = y. Jika yang digunakan transformasi yu = x maka dx =
ydu + udy. Sebaliknya jika yang digunakan transformasi xv = y maka dy
= xdv + vdx. Akhirnya dx atau dy (tidak keduanya) disubstitusikan
dalam persamaan differensial semula sehingga,
M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0
M( yx )dx + N( xy )dy = 0 atau M( x y
) dx + N( x y
)dy = 0.
Dengan memilih transformasi dy = xdv + vdx maka
M( x y
) dx + N(
x y
)(xdv + vdx) = 0.
M(v) dx + N(v)(xdv + vdx) = 0.
Bentuk terakhir persamaan di atas adalah persamaan differensial
variabelnya dipisahkan dan dengan mengintergralkan masing-masing
bagian didapat selesaian umum persamaan yang dicari.
Perhatikan contoh berikut:
Tentukan selesaian umum persamaan:
1. (y2 – x2) dx + xy dy = 0
Persamaan di atas adalah persamaan differensial homogen, karena
M(x,y) dan N(x,y) adalah persamaan homogen yang berderajat
sama yaitu dua.
( 22
x
y - 1) dx +
2
x xy
dy = 0
Dengan transformasi xv = y dan dy = xdv + vdx, diperoleh
(v2 – 1)dx + v(xdv + vdx) = 0
(v2 + v2 – 1)dx + vxdv = 0
x dx
+
1 2 2
v vdv
= 0
x dx+
1 2 2
v vdv
= C
Ln │x│+ ¼ Ln │(2v2 – 1)│= ln C (x4(2v2-1)) = C
(x4(
2 2 2
2
x x
y ) = C
2x2y2 – x4 = C
2. (3x – 2y)
dx dy
Persamaan di atas adalah persamaan differensial homogen, karena
M(x,y) dan N(x,y) adalah fungsi homogen berderajat sama yaitu satu.
(3x – 2y)dy – 3ydx = 0
(3 yx – 2)dy – 3dx = 0
Dengan transformasi x = uy dan dx = udy + ydu
(3u – 2)dy – 3(udy + ydu) = 0 (3u – 2 – 3u)dy – 3ydu = 0
2
y dy
+ 3 du = 0
2 dyy +
3 du = C 2 Ln │y│+ 3u = C Ln y2 = C-3u y2 = ec-3y/x
Karena y(1) = 1 maka 12 = ec-3(1)/(1) didapat C = 3 sehingga selesaiannya
dinamakan selesaian khusus (integral khusus) yaitu y2 = e3-3y/x
Latihan soal
1. Selidiki apakah fungsi berikut homogen, jika homomogen tentukan
derajatnya.
a. f(x,y) = x + 2y
b. f(x,y) = ex/y
c. f(x,y) = xy
y x
3
d. f(x,y) = sin(x+y) + cos2(xy)
e. f(x,y) = xy – y2 + 3x2
f. f(x,y) = x2 y2 x
g. f(x,y) = x + y cosx.
2. Tentukan selesaian persamaan differensial homogen berikut ini.
a. (xy + y2) dx – x2 dy = 0 dengan y(2) = 1
b. dx dy
= x23xyy2
c. (2x-5y) dx + (4x-y) dy = 0, dengan y(1) = 1
d. (x-y) dx + x dy = 0, dengan y(0) = 0
e. (x3+y3) dx – 3xy2 dy = 0
f. x dy – y dx - x2 y2dy= 0
g. dx dy
= x y
- tgn x y
h. y’ =
) 3
( x2 y2
xy
dengan y(2) = 1
jawab : 2x2- y2 = cy6 karena y(2) = 1 maka C = 7.
i. y’ =
y x
y x
2 2
dengan y(1) = 3
j. dt dx
= x2 t2
xt
k. y2 dx + (x2 –y2) dy = 0 dengan y(2) = 0
Persamaan differensial tingkat satu derajat satu M(x,y) dx + N(x,y)
dy = 0, disebut persamaan differensial linear tidak homogen jika M(x,y)
dan N(x,y) adalah fungsi linear. Sehingga berbentuk (ax+by+c) dx + (px
+ qy + r ) dy = 0.
Contoh :
1. (x+y+2) dx + (2x + 2y + 4) dy = 0
2. (x+y+1) dx + (2x+2y+3) dy = 0
3. (3y – 7x +7) dx + (7y – 3x + 3) dy = 0
4. (3x + 2y + 1) dx – ( 3x+2y-1) dy = 0
Berdasarkan contoh di atas, maka persamaan differensial tidak
homogen dengan M(x,y) dan N(x,y) fungsi linear dapat dikelompokkan
menjadi 3 jenis yaitu:
a. Bentuk
p a
=
q b
=
r c
= (parameter), sehingga
a = p, b = q, dan c = r
Contoh
(x+y+2) dx + (2x + 2y + 4) dy = 0
b. Bentuk
p a
=
q b
= (parameter)
r c
Sehingga a = p, b = q
Contoh
(x+y+1) dx + (2x+2y+3) dy = 0
c. Bentuk selain di atas.
(3y – 7x +7) dx + (7y – 3x + 3) dy = 0
(3x - 2y + 1) dx – ( 3x+2y) dy = 0
Karena bentuknya berbeda-beda, maka selesaian umum
persamaan differensial linear tidak homogen harus menyesuaikan
dengan bentuknya.
a. Bentuk
p a
=
q b
=
r c
= .
Karena
p a
=
q b
=
r c
= , maka diperoleh
a = p, b = q, dan c = r. Sehingga persamaan semula
(ax + by + c) dx + (px +qy + r) dy = 0
(px+ qy + r)dx + (px + qy + r) dy = 0
(px + qy + r ) dx + (px + qy + r) dy = 0
dx + dy = 0
dx +
dy = C x + y = C (persamaan linear)
b. Bentuk
p a
=
q b
= .
Persamaan bentuk
p a
=
q b
= dapat diselesaikan dengan cara
Berdasarkan transformasi tersebut, dengan mendifferensialkan masing
variabel, sehingga diperoleh:
d(ax) + d(by) = d(u)
a dx + b dy = du
a dx = du – b dy
dx =
a bdy du
, atau
a dx + b dy = du
b dy = du – a dx
dy =
b adx du
Dengan cara yang sama jika yang digunakan transformasi px + qy
= v, diperoleh bentuk
dx =
p qdy dv
, atau
dy =
q pdx dv
Pilih dx atau dy akan tetapi tidak keduanya, dan substitusikan ke
persamaan differensial semula.
(ax + by + c) dx + (px + qy + r)dy = 0
(u +c) dx + (
1
u + r) dy = 0
(u+c) (
a bdy du
) + (
1
Persamaan di atas adalah persamaan yang dapat direduksi ke
persamaan differensial dengan variable terpisah (PD separable).
Contoh:
1. Tentukan primitif dari (x+y+1) dx + (2x+2y+3) dy = 0 dengan y(0) =
0
Jawab
Dari persamaan (x+y+1) dx + (2x + 2y + 3) dy = 0, diperoleh
a = 1, b = 1, c = 1, p = 2, q = 2, dan r = 3. Sehingga =
2 1
.
Selanjutnya gunakan transformasi
x + y = u atau 2x + 2y = v.
Jika transformasi yang digunakan x + y = u. maka diperoleh
(u+1) dx + (2u + 3) dy = 0.
Selanjutnya bentuk transformasi x + y = u didefferensialkan
dx + dy = du dan diperoleh dx = du – dy atau dy = du – dx.
Cara I
(u+1) dx + (2u + 3) dy = 0.
(u+1) (du – dy) + (2u + 3) dy = 0
(u+1) du + (2u +3 – u – 1) dy = 0
(u+1) du + (u +2) dy = 0 (direduksi menjadi PD Separable)
dy +
2 1
u u
du = 0
dy +
1 du -
2 1
y + u - Ln │u + 2│= C
y + (x+y) - Ln │x + y + 2│= C
x + 2y – C = Ln │x + y + 2 │
e(x+2y-c) = (x+y+2)
Karena y(0) = 0, maka selesaian khusus persamaan e(x+2y-ln 2) =
(x+y+2)
Cara II
(u+1) dx + (2u + 3) (du – dx) = 0.
(u+1 – 2u -3) dx + ( 2u + 3) du = 0
(-u -2 ) dx + ( 2u + 3) du = 0
(u+1) du + (u +2) dy = 0
du +
1 2
u u
dy = 0
du +
1 dy +
1 1
u dy = 0
(x+y) + y + Ln │x + y + 1 │= C
x + 2y – C = Ln │x + y + 1 │
(x+y+1) = e x + 2y – C
Karena y(0) = 0 maka didapat c = ln 2.
4. (3x+2y+1) dx - (3x+2y-1) dy = 0 (jenis 2)
Jawab
Transformasikan 3x + 2y = u, sehingga 3 dx + 2 dy = u dan
dx =
3 2dy du
, atau dy =
2 3dx du
(u+1) dx – (u-1) dy = 0
Pilih dx atau dy, lalu substitusikan ke dalam persamaan dan
diperoleh
(u+1) (
3 2dy du
) – (u-1) dy = 0
(u+1) (du – 2dy) – 3(u-1) dy = 0 dstnya. (u+1) du – (2u+2+3u-3) dy = 0
) 1 5 (
) 1 (
u u
du – dy = 0
5 1
du +
25 6
du u
5 5 1 -
dy = C 1/5 u + 6/25 Ln │5u -1│- y = C
1/5 (3x+3y) + 6/25 Ln │5(3x+3y) -1 │ - y = C
Bentuk yang ketiga adalah selesaian bentuk selain persamaan 1
dan 2. Dalam menentukan selesaiannya gunakan transformasi ax + by
+ c = u dan
px + qy + r = v.
Selanjutnya differensialkan kedua bentuk transformasi di atas
sehingga diperoleh
d(ax) + d(by) + d(c) = d(u) dan d(px) + d(qy) + d(r) = d(v)
a dx + b dy = du dan p dx + q dy = dv. Eleminasikan dx dan dy
a dx + b dy = du x p
p dx + q dy = dv x a, sehingga
ap dx + bp dy = p du
ap dx + aq dy = a dv
-(bp-aq) dy = p du – a dv
dy =
aq bp
adv pdu
Dengan cara yang sama diperoleh
dx =
bp aq
bdv qdu
Substisusikan dx dan dy dalam persamaan semula, yaitu:
(ax + by + c) dx + (px +qy + r ) dy = 0
u
bp aq
bdv qdu
+ v
aq bp
adv pdu
= 0
Persamaan di atas menjadi persamaan baru dengan tanda
differensial du dan dv, dan termasuk dalam persamaan differensial
homogen. Primitifnya dapat ditentukan dengan menggunakan metode
PD homogen.
Contoh
1. Tentukan selesaian umum persamaan (3y – 7x +7) dx + (7y – 3x + 3)
dy = 0
Transformasikan
(3y-7x+7) = u dan (7y-3x+3) = v
Dengan mendifferensialkan masing-masing peubah, diperoleh:
3 dy – 7 dx = du dan 7 dy – 3 dx = dv.
Elimasikan dx dan dy berurutan
3 dy – 7 dx = du x 3
7 dy – 3 dx = dv x 7, didapat
9 dy – 21 dx = 3 du
49 dy – 21 dx = 7 dv
--- -
-40 dy = 3 du – 7 dv
dy =
40 3 7dv du
Dengan cara yang sama diperoleh
dx =
40 7 3dv du
Substitusikan kepersaman semula, sehingga diperoleh
(3y – 7x +7) dx + (7y – 3x + 3) dy = 0
u (
40 7 3dv du
) + v (
40 3 7dv du
) = 0
40u(3dv-7du) + 40v(7dv-3du) = 0 (PD homogen)
(3u + 7v) dv – (7u + 3v) du = 0
(3
Persamaan di atas adalah PD yang dapat direduksi ke persamaan
3 dx +2 dy = dv
--- -
-4 dy = du – dv
dy = ¼ (dv-du) dan dx = dx = 1/6 ( du+dv).
Substitusikan dy dan dx ke persamaan semula dan diperoleh
( 3x - 2y + 1) dx – ( 3x+2y) dy = 0
u (1/6)(du+dv) – v(1/4)(dv-du) = 0 4u(du+dv) – 6v(dv-du)
(4u + 6v) du + (4u -6v) dv = 0
Substitusikan kepersamaan di atas, diperoleh
2.5 Persamaan Differensial Eksak (PDE)
Persamaan differensial tingkat satu derajat satu M(x,y)dx +
N(x,y)dy = 0 disebut persamaan differensial eksak jika dan hanya jika
memenuhi syarat:
Dengan cara yang sama, persamaan dibawah ini adalah persamaan
2. dx - a2 x2 dy = 0 --- PD yang dapat direduksi ke PD
Separable
3. (x+y+1) dx - (x-y+3) dy = 0 ---> PD Tidak homogen
Persamaan differensial eksak mempunyai selesaian umum F(x,y) =
C.
Menurut definisi differensial total untuk F(x,y) = C, diperoleh:
d(C) = dF(x,y)+ dF(x,y)
0 =
x y x F
( , )
dx + F(xy,y) dy.
Berdasarkan bentuk M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0 dan
0 =
x y x F
( , )
dx + F(xy,y) dy
x y x F
( , )
= M(x,y) dan F(xy,y) = N(x,y)
Berdasarkan kesamaan di atas, maka untuk menentukan
selesaian persamaan differensial eksak yang berbentuk F(x,y) = C dapat
dilakukan dengan dua cara.
Cara I
x y x F
( , )
= M(x,y) dan F xy y ( , )
= N(x,y)
x
Substitusikan G(y) dalam F(x,y) =
x
y x
M( , )dx + G(y) yang merupakan
selesaian umum persamaan differensial
Cara II
Dari kesamaan di atas di peroleh
x
Substitusikan F(x) ke dalam F(x,y) =
y
N(x,y) dy + F(x) yang
merupakan selesaian umumnya.
Contoh
1. Tentukan selesaian persamaan differensial eksak berikut ini:
(2x +3y+4) dx + (3x+4y+5) dy = 0.
Berarti persamaan di atas adalah eksak.
Selesaian PD di atas adalah F(x,y) = C. Untuk mendapatkan F(x,y)
= C dapat digunakan kesamaan
= 3xy + 2y2 + 5y + F(x)
x y x F
( , )
= M(x,y).
x(
3xy + 2y2 + 5y + F(x)) = (2x +3y +4)
3y + F’(x) = 2x + 3y + 4 F’(x) = 2x + 4
F(x) = x2 + 4x + C
Primitif persamaan adalah F(x,y) = 3xy + 2y2 + 5y + x2 + 4x + C
2. (x + y Cos x) dx + sin x dy = 0
Jawab
M(x,y) = x + y Cos x
M(yx,y)= Cos x danN(x,y) = sin x
x y x N
( , )
= Cos x
Berarti persamaan di atas adalah persamaan diferencial eksak.
Sehingga selesaiannya dapat dinyatakan dalam bentuk F(x,y) = C.
Untuk mendapatkan F(x,y) = C digunakan kesamaan
x y x F
( , )
= M(x,y) dan F(xy,y) = N(x,y)
x y x F
( , ) = x + y Cos x
F(x,y) =
(x + y Cos x) dx=
2 1
x2 + y Sin x + G(y)
y y x F
( , )
y (
2
1 x2 + y Sin x + G(y) ) = sin x
Sin x + G’(y) = sin x g’(y) = 0
g(y) = C
Diperoleh selesaian umum persamaan F(x,y) =
2 1
x2 + y Sin x + C
x2 + 2y Sin x = C Soal-soal
A. Selidiki apakah persamaan di bawah ini eksak atau tidak
1. (3x+2y) dx + (2x+y) dy = 0
2. (y2 + 3) dx + (2xy-4) dy = 0
3. (6xy + 2y2 – 5) dx + (3x2+4xy-6) dy = 0
4. 2xy 1 dx + 2 2
y x x
dy = 0
5. (cos x cos y + y)y’ + tgn x = sin x sin y
6. (5xy + 4y2 + 1) dx + (x2+2xy) dy = 0
7. x dx + y dy = (x2+y2) dx
8. l(y2 -
) (x y x
y
+2) dx + (x y
1
+ 2y(x+1))dy = 0
9. 2(x2 + xy) dx + (x2+y2) dy = 0
10. ( 2
1
x + 2
1
y ) dx + ( 3
1 4
y x
) dy = 0
B. Tentukan selesaian umum persamaan 1-10 di atas, jika diketahui
2.6 Persamaan Differensial Tidak Eksak (PDtE)
M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0 adalah persamaan differensial tingkat
satu derajat satu disebut persamaan differensial tidak eksak jika dan
hanya jika:
y y x M
( , )
x y x N
( , )
.
Persamaan differenial tidak eksak dapat diselesaikan dan ditentukan
primitifnya dengan cara mencari faktor integral dari persamaan
tersebut. Setelah ditentukan faktor integralnya, maka persamaan
differensial tidak eksak tersebut menjadi persamaan differensial eksak.
Faktor integral persamaan differensial tidak eksak dinyatakan dengan
(x,y). Setelah diketahui faktor integralnya , maka persamaan tidak
eksak ditulis dalam bentuk:
(x,y)[M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0]
(x,y)M(x,y) dx + (x,y)N(x,y) dy = 0 (PD eksak)
M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0 - PD tingkat satu derajat satu Dengan M(x,y) = (x,y)M(x,y) dan N(x,y) = (x,y)N(x,y)
Sehingga diperoleh persamaan yang merupakan persamaan differensial
tingkat satu berupa persamaan differensial eksak yang memenuhi sifat
x y x N y
y x M
( , ) ( , )
dengan
Persamaan baru tersebut dinamakan persamaan differensial eksak,
sehingga selesaiannya dapat ditentukan dengan menggunakan metode
persamaan differensial eksak.
Bagaimana menentukan faktor integral persamaan tidak eksak? Karena (x,y)[M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0] persamaan eksak, maka:
dalam hal ini dapat kita tinjau dari beberapa kasus:
c. Jika M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0 adalah persamaan differensial
homogen dengan
x M(x,y) + y N(x,y)
0, maka faktor integral (x,y) =) , ( )
, (
1
y x yN y x
xM
d. Jika M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0 dapat ditulis y f(xy) dx + x g(xy)dy = 0
dengan
f(xy)
g(xy) maka (x,y) = xy[f(xy)1 g(xy)] = ( , ) ( , ) 1
y x yN y x
xM
e. Seringkali faktor integral (x,y) dapat diperoleh dengan pemeriksaan, hal ini akan tampak setelah pengelompokkan kembali
suku-suku persamaannya. Dengan mengenal kelompok suku-suku
tertentu merupakan suatu bagian dalam persamaan differensial
eksak.
Contoh
Tentukan selesaian umum persamaan differensial berikut dengan
terlebih dahulu menentukan faktor integrasinya.
1. (x2 + y2 + x) dx + xy dy = 0
M(x,y) = x2 + y2 + x
Diperoleh persamaan baru dan merupakan persamaan differensial
eksak yaitu x{(x2 + y2 + x) dx + xy dy = 0}
(x3 + xy2 + x2) dx + (x2y) dy = 0
Dengan menggunakan metode persamaan eksak diperoleh selesaian
umumnya
Selanjutnya dicari (x,y) sebagai faktor integrasi
Karena
) , (
) , ( )
, (
y x N
x y x N y
y x M
= 2y = -g(y)
Maka (x,y) = eg(y)dy =
4
1
y
Diperoleh persamaan baru dan merupakan persamaan differensial
eksak yaitu 4
1
y (2xy4ey + 2xy3 + y) dx + (x2y4ey – x2y2 – 3x) dy = 0 Dengan menggunakan metode persamaan eksak diperoleh selesaian
umumnya
x2ey + y x2
+ y3
x
= C
Latihan
Tentukan faktor integral dan selesaiaan umum persamaan
a. (x4 + y4) dx – xy3 dy = 0
b. y(x-2y) dx – x2 dy = 0
c. x dy – y dx = x2ex dx
d. y2 dy + y dx – x dy = 0
e. 3x2y2 dx + 4(x3y-3) dy = 0
2.7 Persamaan Bentuk y F(xy) dx + x G(xy) dy = 0
Persamaan y F(xy) dx + x G(xy) dy = 0, juga disebut persamaan
differensial tingkat satu derajat satu karena bentuknya M(x,y) dx +
Selesaiannya dapat ditentukan dengan menggunakan transformasi xy =
z, sehingga y = x z
. Dengan menurunkan masing-masing variable
diperoleh
dy = x2
zdx xdz
.
Substitusikan bentuk dy = x2
zdx xdz
ke persamaan semula
M(x,y) dx + N(x,y) dy = 0
M(x, x z
)dx + N(x, x z
)( x2
zdx xdz
) = 0
M(x,z) dx + N(x,z) dz = 0
Bentuk terakhir merupakan persamaan yang dapat dipisahkan
variabel-variabelnya.
Contoh.
Tentukan selesaian umum persamaan
1. (xy2+y) dx + (x+x2y+x3y2) dy = 0
Jawab
(xy2+y) dx + (x+x2y+x3y2) dy = 0
y(xy+1) dx + x(1+xy+x2y2)dy = 0
Transformasikan y = x z
, dengan menurunkan masing-masing
variable diperoleh dy = x2
zdx xdz
.
Dengan mensubstitusikan xy = z diperoleh selesaian persamaan
2x2y2 Ln │y │- 2xy - 1 = Cx2y2
Sebagai latihan, tentukan selesaian umum persamaan
1. y(xy+1)dx + x(1+xy + x2y2) dy = 0
2. (y-xy2) dx – (x +x2y) dy = 0
3. (1-xy+x2y2) dx + (x3y – x2) dy = 0 dengan y(1) = 0
4. y(1+2xy) dx + x(1-xy) dy = 0 dengan y(0) = 0
5. y(1-xy) dx + x (xy + 3) dy = 0
2.8 Trayektori Ortogonal
Suatu kurva yang memotong setiap persamaan keluarga kurva
atau dari sebaliknya dengan sudut tetap
disebut trayektori
daripersamaan differensial yang diketahui. Jika besar sudut
= 90o makadisebut trayektori ortogonal, sedangkan jika besar sudut
90º makadiebut trayektori isogonal.
Integral kurva dari persamaan f(x,y, 1y'ytgn'tgn ) = 0 adalah trayektori
isogonal dengan sudut tetap
dari persamaan differensial f(x,y,y’) =0
b. Trayektori Ortogonal
Jika
= 90º maka trayektorinya disebut trayektori ortogonal Integralkurva dari persamaan differensial f(x,y, '
1
y ) = 0 adalah trayektori orthogonal dari persamaan f(x,y,y’) = 0.
Jika dinyatakan dalam koordinat polar, integral kurva dari persamaan
diferencial f(r, ,r2
d dr
) = 0 adalah trayektori ortogonal dari integral
kurva f(r, ,
d dr
)
Jika suatu persamaan hendak ditentukan trayektorinya, maka
beberapa langkah yang ditempuh adalah.
1. Tentukan persamaan differensial dari persamaan keluarga kurva
yang diketahui . Jika persamaan yang diketahui masih terdapat
parameter maka parameter harus dieliminir terlebih dahulu.
2. Tentukan persamaan differensial dari trayektorinya.
a. Bila trayektorinya ortogonal dilakukan penggantian dx dy
b. Bila trayektori isogonal dengan sudut tetap
makalakukan penggantian dx dy
dengan
tgn dx dy
tgn dx dy
1
pada
persamaan differensialnya.
c. Bila trayektori
= 45º maka lakukan penggantian dx dydengan
dx dy dx dy
1 1
pada persamaan differensialnya.
d. Bila trayektorinya dalam koordinat polar maka lakukan
penggantian
d dr
dengan –r2
d dr
.
3. Selesaikan persamaan differensial baru tersebut dengan metode
yang sesuai sehingga diperoleh persamaan trayektori yang
diminta.
Contoh
Tentukan trayektori ortogonal persamaan keluarga kurva x2 + 2y2 = C, C
Real.Jawab
d(x2 ) + d( 2y2 ) = d(C)
2x dx + 4y dy = 0
2x + 4y dx dy
= 0.
Untuk mendapatkan trayektori ortogonal adalah mengganti dx dy
dengan
- dydx , sehingga
2x + 4y dx dy
= 0.
2x + 4y
dy dx
= 0
2x dy – 4y dx = 0
2 dyy – 4 x dx
= 0
2
dyy – 4
x dx= C
2 Ln y│- 4 Ln │x│= C
Ln 4 2 x y
= C
y2 = Cx4
Latihan
1. Tentukan trayektori ortogonal dari persamaan keluarga kurva
a. x2 + y2 – 2Cx = 0
b. y2 + 3x2 – Cx = 0
d. (x2 + y2)2 = Cxy
e. y = x – 1 + Ce-x
f. r = C Cos
g. y2 = x C
x 2
2. Tentukan trayektori isogonal dengan sudut tetap
= 45º daripersamaan keluarga kurva
a. x2 + y2 = 2C(x+y)
b. x2 + y2 = C2
2.9 Soal-soal
A. Dengan menggunakan metode yang sesuai, tentukan selesaian
umum persamaan differensial di bawah ini.
1. y’ = (xy1)
2. y’ + y = 2x + 1
3. (2xy – y + 2x) dx + (x2- x) dy = 0
4. y’ =
1 1
2 2
y x
5. (xyy1+ x2) dx + xyxdx1= 0
6. (2x sin xy + x2y cos xy) dx + x2 cos xy dy = 0
7. y’ = xy2 + 2xy
9. y’ =
y y x x 2 2
10. (2x+y+1) dx + (x+3y+2)dy = 0
B. Tentukan selesain masalah nilai awal
1. y’ = (1+y2) tgn x dengan y(0) = 3
2. b. dx dy
= 2x cos2y dengan y(0) =
4
3. (x2 + 3y2) dx – 2xy dy = 0 dengan y(2) = 6
4. (2xy – 3) dx + (x2+4y) dy = 0 dengan y(1) = 2
5. ( 2
3
x y
) dx + ( 2 2 1
xy y
) dy = 0
C. Tentukan M(x,y) dan A sedemikian sehingga persamaan berikut
eksak.
1. (x3 + xy2) dx + M(x,y) dy = 0
2. ( 2 2
1
y
x + y3
x
) dx + M(x,y) dy = 0
3. (x2+3xy) dx + (Ax2 + 4y) dy = 0
4. ( 3 x2
y x Ay
) dx + (
x x
1 1
2 ) dy = 0
5. ( 2 2
1 1
y
x ) dx + ( 3
1
y ax
D. Tentukan Faktor integrasi persamaan di bawah ini dan tentukan
selesaiannya
1. x dy + y dx = (x2 + y2) dx
2. (2y-3x) dx + x dy = 0
3. (x-y2) dx + 2xy dy = 0
4. x dy + y dx = 3x2 (x2 + y2) dx
5. y dx – x dy + ln x dx = 0
6. (3x2+y2) dx – 2 xy dy = 0
7. (x+y) dx – (x-y) dy = 0