Persamaan Differensial Biasa
(Ordinary Differential Equations (ODE))
Prodi Teknik Kimia Fakultas Teknik
Universitas Negeri Semarang Dhoni Hartanto, S.T., M.T., M.Sc.
Persamaan Differensial adalah Persamaan yang mengandung beberapa turunan dari suatu fungsi
Persamaan Differensial Biasa
Persamaan Differensial Biasa adalah Persamaan yang mempunyai fungsi satu variable bebas
Persamaan Differensial Parsial adalah Persamaan yang mempunyai fungsi dengan jumlah variable bebas lebih dari satu
0 8 sin 2 2 2 2 2 3 3 2 x dx dy y x dx y d dx y d xy x y dx dy
Persamaan Differensial Biasa
Persamaan Differensial Biasa adalah Persamaan yang mempunyai fungsi satu variable bebas
Persamaan Differensial Biasa
2 2 2 2 2 2)
,
,
,
(
z
u
y
u
x
u
t
t
z
y
x
u
Persamaan Differensial Parsial adalah Persamaan yang mempunyai fungsi dengan jumlah variable bebas lebih dari satu
Fungsi
u(x,y,z,t)
digunakan untuk merepresentasikan temperatur pada waktut
pada benda secara fisik dengan koordinat
(x,y,z)
= thermal diffusivity.
Persamaan Differensial Biasa
Penggunaan :
Cabang-cabang ilmu teknik
Ekonomi
Biologi dan kedokteran
Kimia, Fisika dsb.
ODE digunakan untuk mendapatkan formulasi suatu
fenomena yang mengalami perubahan terhadap waktu
atau tempat
Cooling
This is a model of how the temperature of an
object changes as it loses heat to the
surrounding atmosphere:
Temperature of the object: TOb j Room Temperature: TRoom Newton’s laws states: “The rate of change in the
temperature of an object is proportional to the difference in temperature between the object and the room
temperature” ) ( Ob j Ro o m Ob j T T dt dT
Form ODE t Room init Room Obj T T T e T ( ) Solve ODEWhere is the initial temperature of the object.
init
Newton’s 2nd law for a rotating object: q mg l q q sin 2 2 2 mgl dt d ml 0 sin 2 2 2
q
q
dt dThis equation is very difficult to solve. rearrange and divide through by ml 2 l g 2 where
Order suatu persamaan differensial adalah tingkat turunan
tertinggi persamaan differensial tersebut.
0 2 2 dt dy dt y d 2nd order 3 3 dt x d x dt dx 3rd order Order (tingkat)
Derajat suatu persamaan differensial (PD) adalah pangkat
dari turunan yang tertinggi di dalam PD tsb.
0 8 sin 2 2 2 2 2 3 3 y dx dy y x dx y d x dx y d xy 2nd degree Derajat (Degree))
(
)
(
...
)
(
( 1) 1 1x
y
a
x
y
k
x
a
y
n
n
n
Persamaan diferensial (PD) Linear derajat 1
Artinya mencari suatu fungsi y=f(x) yang memenuhi PD tersebut
Fungsi y=f(x) yang memenuhi sebuah PD banyak sekali, kumpulan fungsi-fungsi yang memenuhi sebuah PD disebut Penyelesaian Umum Persamaan Diferensial
(PUPD)
Salah satu fungsi di dalam kumpulan fungsi-fungsi yang memenuhi sebuah PD disebut Penyelesaian Khusus PD tsb.
Penyelesaian khusus sebuah PD tsb. juga harus memenuhi beberapa kondisi batas
Tipe-tipe PD biasa orde 1 :
• PD dengan variabel dapat dipisah
• PD homogen
• PD bentuk (ax+by+c ) dx + (px+qy+r) dy =0
• PD eksak
• PD linear
• PD Bernoulli
Prinsip penyelesaian :
1. PD dengan variabel dapat dipisah
0
)
,
(
)
,
(
x
y
dx
Q
x
y
dy
P
diubah menjadi bentuk persamaan
C
dy
y
N
dx
x
M
dy
y
N
dx
x
M
(
)
(
)
0
)
(
)
(
Contoh 1 : Cari penyelesaian umum PD berikut
1. PD dengan variabel dapat dipisah
)
1
)(
1
(
x
y
dx
dy
PenyelesaianC
e
y
C
x
x
y
dx
x
y
dy
x xln
ln
)
1
ln(
ln
2
1
)
1
ln(
)
1
(
1
2 2 1 2
1
1
ln
)
1
ln(
2 2 2 2 1 2 1 2 1
x x x x x xe
C
y
e
C
y
e
C
y
Suatu fungsi dikatakan homogen derajat n bila ada suatu konstanta n sehingga untuk setiap parameter λ berlaku :
2. PD Homogen
)
,
(
)
,
(
x
y
f
x
y
f
nMisal :
a
)
f
(
x
,
y
)
x
2
xy
Homogen derajat 2)
,
(
)
(
)
,
(
2 2 2 2 2 2y
x
f
xy
x
xy
x
y
x
f
2. PD Homogen Misal :
y
x
y
x
f
b
)
(
,
)
tan
Homogen derajat 0
y
x
y
x
f
,
)
tan
(
λ saling menghilangkansehingga homogenberderajat 0
PD orde satu berikut :
0
)
,
(
)
,
(
x
y
dx
Q
x
y
dy
P
Dikatakan homogen bila P dan Q keduanya homogen berderajat sama yaitu n
2. PD Homogen
Cara Penyelesaian :
PD Homogen dapat diselesaikan dengan subtitusi
dz
x
dx
z
dy
zx
y
x
y
z
;
;
Contoh 2 : Cari penyelesaian umum PD berikut
0
)
(
x
y
dx
x
dy
Penyelesaian : Substitusiy
zx
dy
z
dx
x
dz
x
y
z
;
;
PD menjadi :(
x
zx
)
dx
x
(
z
dx
x
dz
)
0
0
)
(
x
zx
dx
x
z
dx
x
2dz
2. PD Homogen (Lanjutan) Contoh 2 : 2 / 1 2 / 1 2 2 2
)
2
1
(
ln
ln
ln
)
2
1
ln(
ln
ln
)
2
1
ln(
2
1
ln
2
1
0
)
2
1
(
0
)
2
1
(
0
)
2
(
0
)
(
z
C
x
C
z
x
C
z
x
z
dz
x
dx
dz
x
dx
z
dz
x
dx
z
x
dz
x
dx
zx
x
dz
x
dx
z
x
dx
zx
x
1
2
1
2
1
1
2
1
2
1
)
2
1
(
)
2
1
(
2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 / 1 ) 2 1 ( ln ln 1/2x
C
x
y
x
C
x
y
x
C
z
x
C
z
z
C
x
z
C
x
e
e
x C z3. PD Bentuk
(
ax
by
c
)
dx
(
px
qy
r
)
dy
0
Beberapa kemungkinan : a) c = 0, r = 0 ; sehingga PD menjadi0
)
(
)
(
ax
by
dx
px
qy
dy
Cara penyelesaian sama dengan PD homogenb) px + qy = k (ax + by), sehingga PD menjadi
0
)
)
(
(
)
(
ax
by
c
dx
k
ax
by
r
dy
Cara penyelesaian : Subst. :b
dx
a
dz
dy
dy
b
dx
a
dz
by
ax
z
3. PD Bentuk
(
ax
by
c
)
dx
(
px
qy
r
)
dy
0
Lanjutan b), PD menjadi0
)
(
)
(
0
)
(
)
(
dz
b
r
z
k
dx
b
r
z
k
a
c
z
b
dx
a
dz
r
z
k
dx
c
z
Cara penyelesaian sama dengan PD variabel dapat dipisah
3. PD Bentuk
(
ax
by
c
)
dx
(
px
qy
r
)
dy
0
c) a/p ≠ b/q, c ≠ 0, r ≠ 0; cara penyelesaian : Subst. :
dy
q
dx
p
dv
r
qy
px
v
dy
b
dx
a
du
c
by
ax
u
;
;
p
b
q
a
dv
b
du
q
q
p
b
a
q
dv
b
du
dx
p
b
q
a
du
p
dv
a
q
p
b
a
dv
p
du
a
dy
3. PD Bentuk
(
ax
by
c
)
dx
(
px
qy
r
)
dy
0
(Lanjutan) c) a/p ≠ b/q, c ≠ 0, r ≠ 0; cara penyelesaian : Substitusi ke PD semula
0
)
(
)
(
0
)
(
)
(
0
dv
b
u
a
v
du
p
v
q
u
du
p
dv
a
v
dv
b
du
q
u
p
b
q
a
du
p
dv
a
v
p
b
q
a
dv
b
du
q
u
3. PD Bentuk
(
ax
by
c
)
dx
(
px
qy
r
)
dy
0
Contoh 3 : cari PUPD berikut
0
)
1
2
2
(
)
1
(
x
y
dx
x
y
dy
Penyelesaian : (Berdasarkan analisis konstanta kemungkinan persamaan tsb. Dapat diselesaikan dengan no.b)
Subst.
dx
dz
dy
dy
dx
dz
x
z
y
y
x
z
;
;
3. PD Bentuk
(
ax
by
c
)
dx
(
px
qy
r
)
dy
0
Lanjutan contoh 3 : PD menjadi
c
x
z
z
dx
dz
z
dx
dz
z
z
dz
z
dx
z
dz
z
dx
z
z
dx
dz
z
dx
z
ln
2
1
2
1
2
0
)
1
2
(
0
)
1
2
(
)
1
2
1
(
0
)
(
)
1
2
(
)
1
(
Substitusi z = x + y ke persamaan ini Sehingga PUPD :
c
x
y
x
y
x
)
ln(
)
(
2
4. PD Eksak Bentuk
x
N
y
M
Bisa dinyatakan dalam bentuk turunan sempurna dari suatu fungsi F (x,y) Syarat PD eksak :
0
)
,
(
)
,
(
x
y
dx
N
x
y
dy
M
C
y
x
F
y
x
dF
dy
y
x
N
dx
y
x
M
y
x
dF
)
,
(
0
)
,
(
0
)
,
(
)
,
(
)
,
(
4. PD Eksak Agar terpenuhi : Maka :
dy
y
x
N
dx
y
x
M
y
x
dF
(
,
)
(
,
)
(
,
)
dy
y
F
dx
x
F
y
x
dF
)
,
(
x
N
y
F
x
y
x
N
y
F
y
M
x
F
y
y
x
M
x
F
)
,
(
*
)
,
(
*
4. PD Eksak Cara mencari F (x, y) :
(
,
)
'
(
)
(
,
)
)
),
,
(
)
(
)
,
(
)
,
(
)
)
,
(
)
,
(
y
x
N
y
C
x
y
x
M
y
b
maka
y
x
N
y
F
karena
y
C
x
y
x
M
y
x
F
a
x
y
x
M
F
y
x
M
x
F
2 persamaan penting dalam penyelesaian PD eksak4. PD Eksak
Contoh 4 : Cari penyelesaian umum PD berikut :
Penyelesaian :
0
)
2
(
)
3
(
x
2y
y
dx
x
3
x
y
dy
0
)
2
(
)
3
(
x
2y
y
dx
x
3
x
y
dy
M Nx
N
y
M
Syarat PD eksak1
3
1
3
2 2
x
x
N
x
y
M
4. PD Eksak
Lanjutan Contoh 4 : Persamaan Umum PD eksak (a)
)
(
)
,
(
)
(
)
3
(
)
(
)
,
(
)
,
(
3 2y
C
yx
y
x
y
x
F
y
C
x
y
y
x
y
C
x
y
x
M
y
x
F
x
y
yx
C
y
x
x
y
y
y
x
N
y
C
x
y
y
x
y
y
x
N
y
C
x
y
x
M
y
2
)
(
'
)
,
(
)
(
'
)
3
(
)
,
(
)
(
'
)
,
(
3 3 2
4. PD Eksak
Lanjutan Contoh 4 : Persamaan Umum PD eksak (a)
sehingga
y
y
C
dy
y
dC
y
dy
dC
y
x
x
dy
dC
x
x
2 3 3)
(
2
2
2
2 3 3)
,
(
)
(
)
,
(
y
yx
y
x
y
x
F
y
C
yx
y
x
y
x
F
5. PD Linear Bentuk :
P
(
x
)
y
Q
(
x
)
dx
dy
P x dxe
U
( ) Cara Penyelesaian :-) Kalikan dengan suatu faktor integrasi sedemikian agar PD Linear berubah menjadi PD dengan variabel yang dapat dipisah
-) Kemudian menyelesaikan bentuk PD variabel yang dapat dipisah
Faktor integrasi :
PD dikalikan U sehingga menjadi:
P x dx P x dx P x dxe
x
Q
e
y
x
P
e
dx
dy
( ) ( ) ( ))
(
)
(
5. PD Linear
P x dx P x dx P x dxe
x
Q
e
y
x
P
e
dx
dy
( ) ( ) ( ))
(
)
(
P x dx P x dxe
x
Q
e
y
dx
d
( ) ( ))
(
Pembuktian :)
(
:
)
(
)
(
) ( ) ( ) ( ) (x
P
e
e
dx
d
note
x
P
e
y
dx
dy
e
dx
du
y
dx
dy
u
u
y
dx
d
dx x P dx x P dx x P dx x P
5. PD Linear Sehingga berdasarkan :
C
dx
e
Q
e
y
C
dx
e
Q
e
y
d
dx x P dx x P dx x P dx x P
) ( ) ( ) ( ) (
P x dx P x dxe
x
Q
e
y
dx
d
( ) ( ))
(
Contoh 5 : Cari penyelesaian umum PD berikut :
x
y
x
dx
dy
2
Penyelesaian : Bentuk tersebut merupakan bentuk PD linear, sehingga
x
x
Q
x
x
P
(
)
2
,
(
)
5. PD Linear Lanjutan Contoh 5 : PUPD berdasarkan 2 ln ln 2 2 2
e
U
e
U
e
U
x
U
xdx x xC
dx
e
Q
e
y
P(x)dx
P(x)dx
C
x
x
x
y
C
x
x
y
C
x
x
y
C
x
dx
x
y
C
dx
x
x
x
y
2 2 2 2 2 2 2ln
)
(ln
ln
6. PD Bernoulli Bentuk :
P
(
x
)
y
y
Q
(
x
)
dx
dy
n 11
ny
z
Bila n 0, maka PD Bernoulli menjadi PD Linear
Cara penyelesaian : Subtitusi :
Sehingga menjadi PD menjadi Linear:
Contoh 6 : Cari penyelesaian umum PD berikut :
2
2
y
x
x
y
dx
dy
6. PD Bernoulli
Penyelesaian Contoh 6 : Substitusi
dx
dz
z
dx
dy
maka
dx
dz
dz
dy
dx
dy
n
berdasarka
z
dz
dy
z
y
y
y
y
z
n 2 2 1 2 11
,
*
1
1
1
1
1
Sehingga PD menjadi : 2 21
1
2
1
z
x
z
x
dx
dz
z
6. PD Bernoulli Lanjutan Contoh 6 : 2 2
1
1
2
1
z
x
z
x
dx
dz
z
Dikalikan dengan -z 2 Sehingga PD menjadi :z
x
x
dx
dz
2
PD LinearPenyelesaian berdasarkan PD linear :
2 ln ln 2 2 2
e
U
e
U
e
U
x
U
xdx x xC
x
dx
x
z
C
dx
x
x
x
z
C
dx
u
x
Q
u
z
2 2 2)
(
)
ln
(
1
)
ln
(
ln
2 2 2x
C
x
y
C
x
x
z
C
x
x
z
Persamaan Diferensial Biasa Orde n (n>1) Bentuk :
)
(
...
1 1 1 1 0a
y
f
x
dx
dy
a
dx
y
d
a
dx
y
d
a
n n n n n n
n na
a
a
a
0,
1,
1,
konstanBila f(x) = 0 PD Linear order n homogen
Teorema :
1. Bila y = f(x) merupakan penyelesaian PD linear
homogen, maka y = C f(x) juga merupakan penyelesaian
2. Bila y1 = C1 f1 (x)
y2 = C2 f2 (x) :
yn = Cn fn (x)
adalah penyelesaian-penyelesaian yang berlainan dari PD linear homogen, maka
y = C1 f1 (x) + C2 f2 (x) +…….+ Cn fn (x) juga merupakan penyelesaian
Cara I :
Penyelesaian Umum PD linear homogen tingkat n dapat diperoleh dengan subtitusi Euler :
y
e
mx0
...
1 1 1 0
y
a
dx
y
d
a
dx
y
d
a
n n n n n mx n n n mx mxe
m
dx
y
d
e
m
dx
y
d
me
dx
dy
:
2 2 2 Sehingga0
0
1 1 0 1 1 0
n n n mx n mx n mx na
m
a
m
a
e
a
e
m
a
e
m
a
Persamaan karakteristikDiperoleh akar-akar persamaan karakteristik m1, m2, m3,….., mn
Lanjutan Cara I : Jadi x m n n x m x m n
e
C
y
e
C
y
e
C
y
:
2 1 2 2 1 1 Sehingga x m n x m x m ne
C
e
C
e
C
y
1
2
...
2 1PUPD linear homogen tingkat n
Merupakan penyelesaian (berdasarkan teorema 2)
Cara II : Menggunakan operator : PD menjadi
dx
d
D
0
...
0
)
...
(
0
...
1 1 0 1 1 0 1 1 0
n n n n n n n n na
D
a
D
a
a
D
a
D
a
y
y
a
y
D
a
y
D
a
Akar-akar : Persamaan karakteristik n
1,
2,...,
0
)
)...(
)(
(
D
1D
2D
n
Sehingga :
(
D
1)(
D
2)...(
D
n)
y
0
Lanjutan Cara II :
Ditinjau salah satu akar :
k x k k k k k k k k
C
e
y
C
x
y
dx
y
dy
y
dx
dy
y
dx
d
y
D
kln
ln
ln
ln
ln
0
0
)
(
0
)
(
n k x k x k k x k k k k ke
C
y
PUPD
e
C
y
e
C
y
1ln
ln
Contoh 7 : Selesaikan persamaan diferensial berikut :
Persamaan Diferensial Biasa Orde n (n>1)
6
,
0
)
0
(
'
'
;
4
,
5
)
0
(
'
;
4
,
3
)
0
(
0
:
0
'
'
'
'
y
y
y
x
note
y
y
Penyelesaian : Substitusi Euler
y
e
mx1
,
1
,
0
0
)
1
)(
1
(
0
)
1
(
0
0
3 2 1 2 3 3
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
me
e
m
mx mxLanjutan Contoh 7 : Berdasarkan persamaan
maka
Persamaan Diferensial Biasa Orde n (n>1)
x m n x m x m n
e
C
e
C
e
C
y
1
2
...
2 1 x x x x x x x x xe
C
e
C
y
e
C
e
C
y
e
C
e
C
C
y
e
C
e
C
e
C
y
3 2 3 2 3 2 1 ) 1 ( 3 ) 1 ( 2 ) 0 ( 1'
'
'
Lanjutan Contoh 7 :
Persamaan Diferensial Biasa Orde n (n>1)
3 2 1 0 3 0 2 1
4
,
3
4
,
3
4
,
3
)
0
(
*
C
C
C
e
C
e
C
C
y
3 2 3 26
,
0
6
,
0
)
0
(
'
'
*
4
,
5
4
,
5
)
0
(
'
*
C
C
y
C
C
y
Berdasarkan substitusi diperoleh masing-masing nilai :
4
,
2
;
3
;
4
2 3 1
C
C
C
PD : x xe
e
y
4
3
2
,
4
Persamaan Diferensial Biasa dalam kasus Teknik Kimia
Pembuatan sabun disebut saponifikasi, dalam proses tersebut lemak yang berasal dari hewan atau tumbuhan direaksikan dengan KOH atau NaOH untuk memproduksi gilcerol dan fattyacid salt (sabun). Sabun dipisahkan dari gliserol melalui presipitasi dengan penambahan natrium klorida. Lapisan air bagian atas yang mengandung natrium klorida dipisahkan dari campuran sebagai limbah.
Kementerian Lingkungan Hidup (KLH) mengharuskan konsentrasi maksimum natrium klorida pada limbah yang dibuang ke lingkungan tidak lebih dari 11.00 gram / liter. Natrium klorida ini merupakan limbah utama dalam proses produksi sabun.
Persamaan Diferensial Biasa dalam kasus Teknik Kimia (lanjutan)
Sebuah pabrik sabun tersebut hanya memiliki 1 tangki dengan kapasitas 15 liter untuk penampungan limbah. Dalam proses pengisian tangki limbah tersebut, sebanyak 15 liter air dan 750 gram natrium klorida dimasukkan. Untuk proses kontinuitas proses produksi pabrik dan menjaga agar limbah yang terbuang ke lingkungan konsentrasinya tidak melebihi aturan KLH, maka diperlukan pompa yang dioperasikan untuk memompa air ke tangki dengan laju 2 liter setiap menit dimana limbah garam yang mengandung 45 gram garam per liter ditambahkan dengan laju 1,5 liter per menit.
Persamaan Diferensial Biasa dalam kasus Teknik Kimia (lanjutan)
Untuk menjaga volume larutan dalam tangki tetap pada level 15 liter, maka limbah yang terdapat di dalam tangki dikeluarkan (discharge) sebanyak 3,5 liter per menit
Misalkan A merupakan aliran limbah dari proses, B merupakan aliran air (fresh water), dan C adalah aliran keluar limbah dari tangki ke lingkungan.
Diasumkan saat aliran A dan B masuk ke dalam tangki, maka secara cepat terjadi perubahan konsentrasi klorida ke arah konsentrasi keluar tangki x1 dan di dalam tangki tidak terjadi reaksi kimia
a) Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh konsentrasi sesuai dengan standar dari KLH untuk limbah kloride di lingkungan, apakah pabrik tersebut bisa memenuhi standard dari KLH?
b) Pada waktu 3 detik berapa konsentrasi limbah yang keluar dari tangki
c) Dalam kondisi steady state, berapa konsentrasi garam yang dikeluarkan oleh pabrik tersebut
Persamaan Diferensial Biasa dalam kasus Teknik Kimia (lanjutan)
Aliran A 1,5 Liter / menit 45 gram / liter Aliran B 2 Liter / menit 0 gram / liter Aliran C 3,5 Liter / menit x1 gram / liter
Persamaan Diferensial Biasa dalam kasus Teknik Kimia (lanjutan)
Neraca massa untuk natrium klorida pada sistem tangki :
Akumulasi = input – output + generasi (pembuangan karena reaksi)
L g L g x t x dt dx L L g x L L g L L g dt dx / 50 15 750 ) 0 ( , 0 5 . 67 5 . 3 0 min) / 5 . 3 ( ) / ( min) / 2 ( ) / 0 ( min) / 5 . 1 ( ) / 45 ( 1 1 1 1 1
5
.
67
)
(
;
5
.
3
)
(
5
.
67
5
.
3
1 1
x
Q
x
P
e
e
U
x
dt
dx
t dt t t t t t t t dx x P dx x Pe
C
x
e
C
e
x
C
e
e
x
C
e
e
x
C
dx
e
Q
e
y
5
.
67
5
.
67
5
.
67
5
.
67
) ( ) (Penyelesaian dengan menggunakan PD Linear L g L g x t 50 / 15 750 ) 0 ( , 0 1 5 . 17 5 . 67 50 5 . 67 50 5 . 67 0 C C e C e C x t
Sehingga persamaan menjadi :
t
e x 67.517.5
a) -1,1724 minutes, artinya pabrik tidak bisa memenuhi standar KLH karena waktu yang dibutuhkan bersifat minus sehingga tidak dapat memenuhi persamaan
b) 50.8535 g/L
c) Steady state berarti
L g x x dt dx / 285 . 19 5 . 67 5 . 3 0 0 1 1 1
Let’s play
Find the solution (PUPD) from the problems below :
0
'
2
'
'
)
10
0
2
'
3
'
'
)
9
2
cos
2
'
)
8
2
'
)
7
0
)
5
4
10
(
)
15
(
)
6
0
)
4
3
(
)
3
2
(
)
5
0
)
4
2
)
(
)
3
0
)
1
(
2
)
2
0
)
1
2
(
)
1
2
(
)
1
4 3 3 4 2 2 2 2 2
y
y
y
y
y
y
x
y
y
e
y
y
dy
y
xy
y
x
dx
y
y
x
dy
y
x
dx
y
x
dy
x
dx
y
dy
y
x
dx
y
x
dy
x
dx
xy
dy
y
x
dx
y
x
xTHANK YOU FOR YOUR ATTENTION IN THIS