Soal dan Pembahasan: Persamaan Diferensial Linear Orde Dua (Non-Homogen) dengan Koefisien Konstan


Berikut ini disajikan beberapa soal beserta penyelesaiannya mengenai persamaan diferensial linear orde dua (non-homogen) dengan koefisien konstan. Metode yang digunakan melibatkan penyelesaian PD homogennya, sehingga Anda diharuskan sudah menguasai teknik penyelesaiannya. Klik link berikut untuk mempelajari soal-soal yang terkait dengannya.
Soal dan Pembahasan – PD Linear Orde Dua (Homogen) dengan Koefisien Konstan

Gunakan bantuan tabel UC di atas untuk mengerjakan soal-soal berikut ini.

Soal Nomor 1
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2 \dfrac{dy}{dx} - 3y = 5

Penyelesaian

PD di atas bukan PD homogen sebab ruas kanannya mengandung konstanta tak nol. Gunakan cara yang sama seperti mencari penyelesaian umum PD homogen. Persamaan karakteristiknya adalah m^2 - 2m - 3 = (m - 3)(m + 1) = 0. Dengan demikian, akar karakteristiknya adalah m = 3 \lor m = -1. Berarti, penyelesaian umum PD homogen terkait adalah y_c = C_1e^{3x} + C_2e^{-x}. Dengan memperhatikan koefisien y pada PD, kita dapatkan bahwa perlu adanya konstanta baru yang bila dikalikan dengan -3, hasilnya adalah 5.  Konstanta itu adalah -\dfrac{5}{3}. Jadi, solusi umum PD tersebut adalah
\boxed{y = y_c - \dfrac{5}{3} = C_1e^{3x} + C_2e^{-x} - \dfrac{5}{3}}.

[collapse]

Soal Nomor 2
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2 \dfrac{dy}{dx} - 3y = 2e^{4x}

Penyelesaian

Langkah pertama adalah menentukan solusi komplementer (umum) untuk PD homogen terkait, yaitu
\dfrac{d^2y}{dx^2} - 2 \dfrac{dy}{dx} - 3y = 0
Persamaan karakteristiknya adalah m^2 - 2m - 3 = 0, dengan akar karakteristik m = 3 dan m = -1. Jadi, solusi umumnya adalah y_c = C_1e^{3x} + C_2e^{-x}
Langkah selanjutnya adalah menentukan solusi partikulir (solusi khusus) PD non-homogen tersebut.
Misalkan y_p = Ae^{4x} merupakan solusi khususnya, sehingga y' = 4Ae^{4x} dan y'' = 16Ae^{4x}. Substitusikan ke PD, diperoleh
16Ae^{4x} - 2(4Ae^{4x}) - 3Ae^{4x} = 2e^{4x}
\Leftrightarrow 5Ae^{4x} = 2e^{4x}
\Leftrightarrow A = \dfrac{2}{5}

Berarti, solusi khususnya adalah y_p = \dfrac{2}{5}e^{4x}
Solusi umum PD itu adalah
\boxed{y = y_c + y_p = C_1e^{3x} + C_2e^{-x} + \dfrac{2}{5}e^{4x}}

[collapse]

Soal Nomor 3
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2 \dfrac{dy}{dx} - 3y = 2e^{3x}

Penyelesaian

Mirip dengan soal nomor 1 (bedanya hanya pada ekspresi di ruas kanannya). Solusi umum PD non-homogen terkait adalah y_c = C_1e^{3x} + C_2e^{-x}. Sekarang, kita akan menentukan solusi khusus PD homogennya dengan cara yang sama seperti sebelumnya.
Misalkan y_p = Ae^{3x} merupakan solusi khususnya, sehingga y' = 3Ae^{4x} dan y'' = 9Ae^{4x}. Substitusikan ke PD, diperoleh
9Ae^{4x} - 2(3Ae^{4x}) - 3Ae^{4x} = 2e^{4x}
0 = 2e^{4x}

Dalam hal ini, kita menemukan bahwa nilai A menjadi sembarang konstanta, sebab pada solusi umum y_c sudah terkandung suku dengan ekspresi e^{3x}.
Ulangi step dengan memisalkan y_p = Axe^{3x} sebagai solusi khususnya, sehingga y_p' = 3Axe^{3x} + Ae^{3x} dan y_p'' = 9Axe^{3x} + 6Ae^{3x}. Substitusikan ke PD hingga diperoleh
(9Axe^{3x} + 6Ae^{3x}) - 2(3Axe^{3x} + Ae^{3x}) - 3Axe^{3x} = 2e^{3x}
\Leftrightarrow 4Ae^{3x} = 2e^{3x}
\Leftrightarrow A = \dfrac{1}{2}

Jadi, y_p = \dfrac{1}{2}xe^{3x}
Dengan demikian, solusi umum PD homogen tersebut adalah
\boxed{y = y_c + y_p = C_1e^{3x} + C_2e^{-x} + \dfrac{1}{2}xe^{3x}}

[collapse]

Soal Nomor 4
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} + 2y = 4x^2

Penyelesaian

Solusi umum PD homogen yang terkait adalah y_c = C_1e^{2x} + C_2e^{x}
Diketahui himpunan UC dari ekspresi di ruas kanan PD adalah \{x^2, x, 1\}. Misalkan
y_p = Ax^2 + Bx + C adalah solusi khusus PD, dan diperoleh
y_p' =2Ax + B dan y_p'' = 2A
Substitusikan ke PD:
\dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} + 2y = 4x^2
2A - 3(2Ax + B) + 2(Ax^2 + Bx + C) = 4x^2
2Ax^2 + (-6A + 2B)x + (2A - 3B + 2C) = 4x^2
Dari persamaan di atas, diperoleh sistem persamaan linear
\begin{cases} 2A = 4 & \\ -6A+ 2B = 0 & \\ 2A - 3B + 2C = 0 \end{cases}
Selesaikan sehingga diperoleh
\begin{cases} A = 2 & \\ B = 6 & \\ C = 7 \end{cases}
Jadi, y_p = 2x^2 + 6x + 7
Solusi umumnya adalah y = y_c + y_p, yaitu
\boxed{y = C_1e^{2x} + C_2e^{x} + 2x^2 + 6x + 7 }

[collapse]

Soal Nomor 5
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2\dfrac{dy}{dx} - 8y = 4e^{2x} - 21e^{-3x}

Penyelesaian

Solusi umum PD homogen yang terkait adalah y_c = C_1e^{4x} + C_2e^{-2x}
Diketahui himpunan UC dari ekspresi di ruas kanan PD adalah \{e^{2x}, e^{-3x}\}. Misalkan
y_p = Ae^{2x}+ Be^{-3x} adalah solusi khusus PD, dan diperoleh
y_p' = 2Ae^{2x} - 3Be^{-3x} dan y_p'' = 4Ae^{2x} + 9Be^{-3x}
Substitusikan ke PD:
\dfrac{d^2y}{dx^2} - 2\dfrac{dy}{dx} - 8y = 4e^{2x} - 21e^{-3x}
\begin{aligned} (4Ae^{2x} + 9Be^{-3x}) & - 2(2Ae^{2x} - 3Be^{-3x}) \\ & - 8(Ae^{2x}+ Be^{-3x}) = 4e^{2x} - 21e^{-3x} \end{aligned}
\Leftrightarrow (-8A)e^{2x} + 7Be^{-3x} = 4e^{2x} - 21e^{-3x}
Dari persamaan di atas, diperoleh sistem persamaan linear
\begin{cases} -8A = 4 & \\ 7B = -21 \end{cases}
Selesaikan sehingga diperoleh
\begin{cases} A = -\dfrac{1}{2} & \\ B = -3 \end{cases}
Jadi, y_p = -\dfrac{1}{2}e^{2x} - 3e^{-3x}
Solusi umumnya adalah y = y_c + y_p, yaitu
\boxed{y = C_1e^{4x} + C_2e^{-2x} -\dfrac{1}{2}e^{2x} - 3e^{-3x}}

[collapse]

Soal Nomor 6
Tentukan solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2\dfrac{dy}{dx} - 3y = 2e^x - 10 \sin x

Penyelesaian

Solusi umum PD homogen yang terkait adalah y_c = C_1e^{3x} + C_2e^{-x}
Diketahui himpunan UC dari ekspresi di ruas kanan PD adalah \{e^x, \sin x, \cos x\}. Misalkan
y_p = Ae^x + B \sin x + C \cos x adalah solusi khusus PD, dan diperoleh
y_p' = Ae^x + B \cos x - C \sin x
y_p'' = Ae^x - B \sin x - C \cos x
Substitusikan ke PD:
\dfrac{d^2y}{dx^2} - 2\dfrac{dy}{dx} - 3y = 2e^x - 10 \sin x
\begin{aligned} (Ae^x & - B \sin x - C \cos x)  - 2(Ae^x +  B \cos x \\ & - C \sin x)  - 3( Ae^x + B \sin x + C \cos x) \\ & = 2e^x - 10 \sin x \end{aligned}
\begin{aligned} -4Ae^x + & (-4B + 2C) \sin x + (-2B - 4C) \cos x \\ & = 2e^x - 10 \sin x \end{aligned}
Dari persamaan di atas, diperoleh sistem persamaan linear
\begin{cases} -4A = 2 & \\ -4B + 2C = -10 & \\ -2B - 4C = 0 \end{cases}
Selesaikan sehingga diperoleh
\begin{cases} A = \dfrac{1}{2} & \\ B =2 & \\ C = -1 \end{cases}
Jadi, y_p = \dfrac{1}{2}e^x + 2\sin x - \cos x
Solusi umumnya adalah y = y_c + y_p, yaitu
\boxed{y = C_1e^{3x} + C_2e^{-x} + \dfrac{1}{2}e^x + 2\sin x - \cos x}

[collapse]

Soal Nomor 7
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} +2 \dfrac{dy}{dx} + 5y = 6 \sin 2x + 7 \cos 2x

Penyelesaian

Persamaan karakteristik dari PD homogen terkait adalah m^2 + 2m + 5 = 0. Akar karakteristiknya (gunakan rumus kuadrat) adalah m = -1 \pm 2i sehingga solusi umumnya adalah
y_c = e^{-x}(C_1 \sin 2x + C_2 \cos 2x)
Diketahui himpunan UC dari ekspresi di ruas kanan PD adalah \{\sin 2x, \cos 2x\}. Misalkan
y_p = A \sin 2x + B \cos 2x adalah solusi khusus PD, dan diperoleh
y_p' = 2A \cos 2x - 2B \sin 2x
y_p'' = -4A \sin 2x - 4B \cos 2x
Substitusikan ke PD:
\dfrac{d^2y}{dx^2} +2 \dfrac{dy}{dx} + 5y = 6 \sin 2x + 7 \cos 2x
\begin{aligned} ( -4A \sin 2x & - 4B \cos 2x)  + 2(2A \cos 2x - \\ & 2B \sin 2x) + 5(A \sin 2x + B \cos 2x) \\ & = 6 \sin 2x + 7 \cos 2x \end{aligned}
\begin{aligned} (A - 4B)\sin 2x & + (4A + B)\cos 2x \\ & = 6 \sin 2x + 7 \cos 2x \end{aligned}
Dari persamaan di atas, diperoleh sistem persamaan linear
\begin{cases} A-4B = 6 & \\ 4A+B= 7 \end{cases}
Selesaikan sehingga diperoleh
\begin{cases} A = 2 & \\ B = -1 \end{cases}
Jadi, y_p = 2 \sin 2x - \cos 2x
Solusi umumnya adalah y = y_c + y_p, yaitu
\boxed{y = e^{-x}(C_1 \sin 2x + C_2 \cos 2x) + 2 \sin 2x - \cos 2x}

[collapse]

Soal Nomor 8
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} +2 \dfrac{dy}{dx} + 2y = 10 \sin 4x

Penyelesaian

Persamaan karakteristik dari PD homogen terkait adalah m^2 + 2m + 2 = 0. Akar karakteristiknya (gunakan rumus kuadrat) adalah m = -1 \pm i sehingga solusi umumnya adalah
y_c = e^{-x}(C_1 \sin x + C_2 \cos x)
Diketahui himpunan UC dari ekspresi di ruas kanan PD adalah \{\sin 4x, \cos 4x\}. Misalkan
y_p = A \sin 4x + B \cos 4x adalah solusi khusus PD, dan diperoleh
y_p' = 4A \cos 4x - 4B \sin 4x
y_p'' = -16A \sin 4x - 16B \cos 4x
Substitusikan ke PD:
\dfrac{d^2y}{dx^2} +2 \dfrac{dy}{dx} + 2y = 10 \sin 4x
\begin{aligned}(-16A \sin 4x - & 16B \cos 4x) + 2(4A \cos 4x \\ & - 4B \sin 4x)   + 2(A \sin 4x + B \cos 4x) \\ & = 10 \sin 4x \end{aligned}
\Leftrightarrow (-14A - 8B)\sin 4x + (8A - 14B)\cos 4x = 10 \sin 4x
Dari persamaan di atas, diperoleh sistem persamaan linear
\begin{cases} -14A-8B = 10 & \\ 8A-14B= 0 \end{cases}
Selesaikan sehingga diperoleh
\begin{cases} A = -\dfrac{7}{13}& \\ B = -\dfrac{4}{13} \end{cases}
Jadi, y_p = -\dfrac{7}{13} \sin 4x -\dfrac{4}{13} \cos 4x
Solusi umumnya adalah y = y_c + y_p, yaitu
\boxed{y = e^{-x}(C_1 \sin x + C_2 \cos x) -\dfrac{7}{13} \sin 4x -\dfrac{4}{13} \cos 4x}

[collapse]

Soal Nomor 9
Cari solusi umum dari \dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} - 4y = 16x - 12e^{2x}

Penyelesaian

Solusi umum PD homogen yang terkait adalah y_c = C_1e^{4x} + C_2e^{-x}
Diketahui himpunan UC dari ekspresi di ruas kanan PD adalah \{x, 1, e^{2x}\}. Misalkan
y_p = Ax + B + Ce^{2x} adalah solusi khusus PD, dan diperoleh
y_p' = A + 2Ce^{2x} dan y_p'' = 4Ce^{2x}
Substitusikan ke PD:
\dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} - 4y = 16x - 12e^{2x}
\begin{aligned} (4Ce^{2x}) - 3(A + 2Ce^{2x}) & - 4(Ax + B + Ce^{2x}) \\ & = 16x - 12e^{2x} \end{aligned}
(-6C)e^{2x} + (-4A)x + (-3A - 4B) = 16x - 12e^{2x}
Dari persamaan di atas, diperoleh sistem persamaan linear
\begin{cases} -6C = -12 & \\ -4A = 16 & \\ -3A - 4B = 0 \end{cases}
Selesaikan sehingga diperoleh
\begin{cases} A = -4 & \\ B = 3 & \\ C = 2 \end{cases}
Jadi, y_p = -4x + 3 + 2e^{2x}
Solusi umumnya adalah y = y_c + y_p, yaitu
\boxed{y = C_1e^{4x} + C_2e^{-x} - 4x + 3 + 2e^{2x}}

[collapse]

Ayo Beri Rating Postingan Ini

Satu Balasan untuk “Soal dan Pembahasan: Persamaan Diferensial Linear Orde Dua (Non-Homogen) dengan Koefisien Konstan”

Tinggalkan Balasan

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