Soal Latihan – Persamaan Diferensial (Tingkat Dasar)

              Persamaan diferensial merupakan salah satu mata kuliah spesialis matematika yang termasuk dalam tingkat advanced. Digolongkan dalam tingkat advanced karena materi ini memerlukan pemahaman lanjutan dari materi-materi penunjang, terutama kalkulus diferensial dan kalkulus integral. Oleh karena itu, pembaca disarankan untuk menguasai kedua materi ini sebelum memulai mempelajari mengenai persamaan diferensial. Postingan ini menyajikan beberapa contoh soal terkait pengenalan persamaan diferensial (dasar).  Jadi, bagi teman-teman yang baru mempelajari persamaan diferensial, postingan ini sangat cocok untuk dipahami terlebih dahulu. Semoga membantu! Jika teman-teman sudah menguasai PD dasar, silakan beralih ke link berikut.
Soal Latihan dan Penyelesaian PD Linear Orde Satu
Soal Latihan dan Penyelesaian PD dengan Variabel Terpisah
Soal Latihan dan Penyelesaian PD Homogen
Soal Latihan dan Penyelesaian PD Eksak

Soal Nomor 1
Tentukan orde persamaan diferensial berikut dan tentukan apakah termasuk persamaan linear atau tidak.
a. x.\dfrac{d^2y}{dx^2}+3.\dfrac{dy}{dx} - 2xy = \sin x

b. y.\dfrac{d^2y}{dx^2}-x\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + x^2y = e^{-x}

c. (1+y^2)\dfrac{d^2y}{dt^2} + t.\dfrac{dy}{dt} + 2y = e^t

d. \dfrac{d^4y}{dt^4} + \dfrac{d^3y}{dt^3} + \dfrac{d^2y}{dt^2}+ y = 1

Penyelesaian:
a. Persamaan diferensial orde dua (dari ekspresi \dfrac{d^2y}{dx^2}) dan termasuk persamaan linear.
b. Persamaan diferensial orde dua (dari ekspresi \dfrac{d^2y}{dx^2}) tetapi bukan termasuk persamaan linear karena suku keduanya, yaitu -x\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 mengandung turunan y berpangkat 2.
c. Persamaan diferensial orde dua (dari ekspresi \dfrac{d^2y}{dt^2}) tetapi bukan termasuk persamaan linear karena suku pertamanya, yaitu (1+y^2)\dfrac{d^2y}{dt^2} mengandung perkalian variabel terikat y dengan turunannya.
d. Persamaan diferensial orde empat (dari ekspresi \dfrac{d^4y}{dt^4}) dan termasuk persamaan linear.

Soal Nomor 2
Bentuklah persamaan diferensial dari: y = A \sin x + B \cos x

Penyelesaian:
Sebelum berlanjut, ingat bahwa
\boxed{\begin{aligned}&\dfrac{d}{dx}\sin x = \cos x \\ & \dfrac{d}{dx}\cos x = -\sin x \end{aligned}}
y = A \sin x + B \cos x
Turunkan kedua ruas terhadap x, diperoleh
\dfrac{dy}{dx} = A \cos x - B \sin x
Turunkan sekali lagi terhadap x, diperoleh
\dfrac{d^2y}{dx^2} = -A \sin x - B \cos x = -(A \sin x + B \cos x) = -y
Dengan demikian, kita dapatkan
\dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0
Jadi, bentuk persamaan diferensial dari persamaan y = A \sin x + B \cos x adalah \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0

Soal Nomor 3
Bentuklah persamaan diferensial dari y = x + \dfrac{A}{x}

Penyelesaian:
y = x + \dfrac{A}{x}
Turunkan kedua ruas terhadap x, diperoleh
\dfrac{dy}{dx} = 1 - \dfrac{A}{x^2} \bigstar
Karena y = x + \dfrac{A}{x}, maka dengan mengubah A sebagai subjek persamaan, diperoleh
A = x(y - x)
Substitusikan A ini ke \bigstar, didapat
\dfrac{dy}{dx} = 1 - \dfrac{x(y-x)}{x^2} = 1 - \dfrac{y-x}{x} =\dfrac{2x-y}{x}
Jadi, persamaan diferensialnya adalah \boxed{\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{2x-y}{x}} atau
\boxed{x \dfrac{dy}{dx} = 2x - y}

Soal Nomor 4
Carilah persamaan diferensial dari himpunan garis lengkung y = Ce^{-4x} dengan C adalah konstanta sembarang.

Penyelesaian:
Sebelum mengerjakan, ingat kembali rumus turunan fungsi transenden berikut, dengan u menyatakan fungsi dengan variabel bebas x.
\boxed{\dfrac{d}{dx}e^u = u'e^u}
Karena ada satu konstanta sembarang, maka dibutuhkan 2 persamaan untuk mengeliminasinya dan orde tertinggi dari turunannya adalah 1.
Persamaan 1: y = Ce^{-4x}
Turunkan terhadap x, diperoleh
Persamaan 2: \dfrac{dy}{dx} = -4Ce^{-4x}
Dari persamaan 1: C = \dfrac{y}{e^{-4x}}, substitusikan C ke persamaan 2 untuk mendapatkan
\dfrac{dy}{dx} = -4\dfrac{y}{e^{-4x}}e^{-4x} = -4y
\boxed{\dfrac{dy}{dx} + 4y = 0}
Jadi, persamaan diferensial yang dimaksud adalah \dfrac{dy}{dx} + 4y = 0

Soal Nomor 5
Tentukan persamaan diferensial dari y = x^3 + Ax^2 + Bx + C dengan A,B,C masing-masing merupakan konstanta sembarang.

Penyelesaian:
Persamaan 1: y = x^3 + Ax^2 + Bx + C
Turunkan terhadap x, diperoleh
Persamaan 2: \dfrac{dy}{dx} = 3x^2 + 2Ax + B
Turunkan terhadap x, diperoleh
Persamaan 3: \dfrac{d^2y}{dx^2} = 6x + 2A
Turunkan terhadap x, diperoleh
Persamaan 4: \dfrac{d^3y}{dx^3} = 6
Jadi, persamaan diferensial yang dimaksud adalah \boxed{\dfrac{d^3y}{dx^3} - 6 = 0}

Soal Nomor 6
Carilah persamaaan diferensial dari berkas kardioida r = a(1 - \cos \theta) dengan a adalah konstanta sembarang.

Penyelesaian:
Karena ada satu konstanta sembarang, maka dibutuhkan 2 persamaan untuk mengeliminasinya dan orde tertinggi dari turunannya adalah 1.
Persamaan 1: r = a(1 - \cos \theta)
Turunkan r terhadap \theta, diperoleh
Persamaan 2: \dfrac{dr}{d\theta} = a \sin \theta
Substitusikan a = \dfrac{r}{1 - \cos \theta} dari persamaan 1 ke persamaan 2,
\dfrac{dr}{d\theta} = \dfrac{r}{1 - \cos \theta}\times \sin \theta
\boxed{(1 - \cos \theta)\dfrac{dr}{d\theta} = r \sin \theta}
Jadi, persamaan diferensialnya adalah
(1 - \cos \theta)\dfrac{dr}{d\theta} = r \sin \theta

Soal Nomor 7
Carilah persamaan diferensial dari keluarga lingkaran dengan jari-jari tetap yang berpusat pada sumbu x dengan persamaannya
(x-c)^2 + y^2 = r^2 di mana c adalah suatu konstanta.

Penyelesaian:
Karena ada 1 konstanta sembarang, maka diperlukan dua persamaan untuk mengeliminasinya dan orde tertinggi dari turunannya adalah 1.
Persamaan 1: (x-c)^2 + y^2 = r^2
Turunkan terhadap x, diperoleh
Persamaan 2: 2(x-c) + 2y\dfrac{dy}{dx} = 0
Dari persamaan 2, diperoleh x - c = -y\dfrac{dy}{dx}
Substitusikan ke persamaan 1 sehingga diperoleh
\left(-y\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + y^2 = r^2
y^2\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + y^2 = r^2
Jadi, persamaan diferensial yang dimaksud adalah \boxed{y^2\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + y^2 = r^2}

Soal Nomor 8
Tentukan persamaan diferensial dari x = y - (y^2 + 1)

Penyelesaian:
Diberikan persamaan x = y - (y^2 + 1). Turunkan terhadap y, diperoleh
\dfrac{dx}{dy} = 1 - 2y. Jadi, persamaan diferensialnya

\boxed{\dfrac{dx}{dy} = 1 - 2y}

Soal Nomor 9
Carilah persamaan diferensial dari fungsi primitif (fungsi sederhana yang mudah untuk diintegrasikan) berikut jika A dan B adalah konstanta sembarang.
a. y = Ae^x + B
b. y = A \sin (y + B)

Penyelesaian:
(Jawaban a)
Persamaan 1: y = Ae^x + B
Turunkan y terhadap x, diperoleh
Persamaan 2: \dfrac{dy}{dx} = Ae^x
Turunkan sekali lagi,
Persamaan 3: \dfrac{d^2y}{dx^2} = Ae^x
Dari persamaan 2 dan 3, kita peroleh
\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{d^2y}{dx^2} \Leftrightarrow \dfrac{d^2y}{dx^2} - \dfrac{dy}{dx} = 0
Jadi, persamaan diferensialnya adalah
\boxed{\dfrac{d^2y}{dx^2} - \dfrac{dy}{dx} = 0}
(Jawaban b)
Persamaan 1: x = A \sin (y + B)
Turunkan x terhadap y, diperoleh
Persamaan 2: \dfrac{dx}{dy} = A \cos (y + B)
Turunkan sekali lagi,
Persamaan 3: \dfrac{d^2x}{dy^2} = -A \sin (y + B)
Dari persamaan 1 dan persamaan 3, kita dapatkan
x = -\dfrac{d^2x}{dy^2} \Leftrightarrow \dfrac{d^2x}{dy^2} + x = 0
Jadi, persamaan diferensialnya adalah
\boxed{\dfrac{d^2x}{dy^2} + x = 0}

Soal Nomor 10
Tunjukkan kebenaran teorema berikut.
Jika f_1 solusi dari \dfrac{dy}{dx} + P(x)y = Q_1(x) dan f_2 solusi dari \dfrac{dy}{dx} + P(x)y = Q_2(x), maka f_1 + f_2 merupakan solusi dari \dfrac{dy}{dx} + P(x)y = Q_1(x) + Q_2(x).

Penyelesaian:
Misalkan turunan pertama f_1 dan  f_2 berturut-turut adalah  f_1' dan f_2'.
Dari hipotesis, kita peroleh dua persamaan berikut:
\begin{cases} f_1' + P(x)f_1 = Q_1(x) \\ f_2' + P(x)f_2 = Q_2(x)\end{cases} (\bigstar)
Untuk membuktikan bahwa  f_1 + f_2 merupakan solusi dari persamaan  \dfrac{dy}{dx} + P(x)y = Q_1(x) + Q_2(x), substitusikan y = f_1 + f_2, dengan \dfrac{dy}{dx} = f_1' + f_2' ke ruas kirinya, sehingga diperoleh
f_1' + f_2' + P(x)(f_1 + f_2)
= (f_1' + P(x)f_1) + (f_2' + P(x)f_2)
Dengan menggunakan (\bigstar), diperoleh
= Q_1(x) + Q_2(x)
(Terbukti) \blacksquare

Ayo Beri Rating Postingan Ini

7 Balasan untuk “Soal Latihan – Persamaan Diferensial (Tingkat Dasar)”

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *