fiskomm

Upload: budhi-atmadhi-ynwa

Post on 25-Feb-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/25/2019 Fiskomm

    1/26

    1

    BAB I

    PENDAHULUAN

    1.1. Latar Belakang

    Perkembangan dan pertumbuhan ilmu pengetahuan dan teknologi dewasa

    ini sangat pesat sehingga tidak lepas dari bermacam-macam ilmu yang digunakan

    dalam menuju perkembangan dan pertumbuhan ilmu pengetahuan. Salah satu

    ilmu yang digunakan adalah Matematika. Kenyataan bahwa matematika banyak

    digunakan dalam pengembangan IPTEK menunjukkan bahwa antara IPTEK dan

    matematika mempunyai hubungan yang sangat erat. Menurut Sudjono !"##$%&

    kemajuan teknologi yang sangat mengagumkan dewasa ini tidak mungkin dapat

    terjadi tanpa bantuan matematika. Matematika mempunyai peranan yang sangat

    utama' yaitu memberikan cara ber(ikir yang jelas' tegas' tepat dan konsisten

    sebagai sarana pengembang ilmu pengetahuan dan teknologi.

    Sebagian besar dari sejarah Ilmu Pengetahuan )lam merupakan catatan

    dari usaha manusia secara kontinu untuk merumuskan konsep-konsep yang akan

    dapat menguraikan dunia nyata ke dalam istilah-istilah matematika. Metode

    numerik merupakan salah satu cabang ilmu matematika' khususnya matematika

    rekayasa' yang menggunakan bilangan untuk menirukan proses matematik.

    Proses matematik ini selanjutnya telah dirumuskan untuk menirukan keadaan

    sebenarnya. *idalam kegiatan rekayasa dan penelitian' setiap analisis diharapkan

    dapat menghasilkan bilangan yang diperlukan dalam perencanaan teknik ataupun

    penghayatan masalah.

    Persamaan di(erensial merupakan suatu persamaan yang mengandung

    turunan (ungsi. +erdasarkan ,ariabel bebas' persamaan di(erensial dibagi menjadi

    dua yaitu persamaan di(erensial biasa hanya mengandung satu ,ariabel bebas&

    dan persamaan di(erensial parsial mengandung lebih dari satu ,ariabel bebas&.

    )da beberapa metode yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan

    di(erensial.Pertama,persamaan di(erensial biasa' metode yang digunakan adalah

    metode Euler' metode unge-Kutta' metode eun' dan sebagainya. Kedua,

    persamaan di(erensial parsial' metode yang digunakan adalah metode beda hingga

    skema Eksplisit' skema Implisit' skema /rank-0icholson dan sebagainya.

    !

  • 7/25/2019 Fiskomm

    2/26

    2

    Metode penyelesaian numerik tidak ada batasan mengenai bentuk

    persamaan di(erensial. Penyelesaian diperoleh berupa iterasi numerik dari (ungsi

    untuk berbagai ,ariabel bebas. Penyelesaian suatu persamaan di(erensial

    dilakukan pada titik-titik yang ditentukan berurutan. 1ntuk mendapatkan hasil

    yang lebih teliti' maka inter,al antara titik-titik yang berurutan dibuat semakin

    kecil. Sasaran akhir dari analisis numerik yang dilakukan dalam metode numeric

    adalah diperolehnya metode yang terbaik untuk memperoleh jawaban yang

    berguna dari berbagai jawaban yang dapat diperoleh yang tidak dinyatakan dalam

    bentuk aljabar' persamaan di(erensial biasa atau parsial' persamaan integral' atau

    kumpulan dari persamaan tersebut.

    1.2. Rumusan Masalah

    *alam penelitian ini' diberikan beberapa rumusan masalah sebagai

    berikut $

    !. +agaimana penyelesaian integrasi numerik menggunakan persamaan

    di(erensial parsial dan metode beda hingga skemaImplicit Crank Nicholson 2

    3. +agaimana penyelesaian persamaan di(erensial parsial dengan metode

    beda hingga skemaImplicitCrank Nicholson24. +agaimana analisis perbandingan metode beda hingga skema Implicit

    Crank Nicholsonpada persamaan di(erensial parsial 2

    1.3. Batasan Masalah

    *alam pembahasan ini penulis membatasi ruang lingkup

    permasalahanpenelitian ini' antara lain $

    !. Panjang Kanal 5& yang dimodelkan 3666 meter'

    3. 5ebar 7rid 89& : !66 meter'4. Koe(isien *i(usi )*& : !6 m3;detik'

    . 5angkah ?aktu 8t& :

  • 7/25/2019 Fiskomm

    3/26

    3

    !. Mempelajari persamaan di(erensial parsial dan metode beda hingga skema

    Implicit Crank Nicholson untuk penyelesaian integrasi numerik.

    3. Mengetahui penyelesaian persamaan di(erensial parsial dengan metode beda

    hingga skemaImplicit Crank Nicholson.

    4. Menganalisis metode beda hingga skemaImplicit Crank Nicholson.

    1.!. Man"aat

    !. *apat mempelajari persamaan di(erensial parsial dan metode beda hingga

    hingga skemaImplicit Crank Nicholson untuk penyelesaian integrasi numerik.

    3. *apat mengetahui penyelesaian persamaan di(erensial parsial dengan metode

    beda hingga skemaImplicit Crank Nicholson.

    4. *apat menganalisis metode beda hingga skemaImplicit Crank Nicholson.

  • 7/25/2019 Fiskomm

    4/26

    4

    BAB II

    TIN#AUAN PU$TA%A

    2.1 Persamaan D&"erens&al

    Persamaan di(erensial adalah persamaan yang melibatkan ,ariabel-

    ,ariabel tak bebas dan deri,ati(-deri,ati(nya terhadap ,ariabel-,ariabel

    bebas. +erikut ini adalah contoh persamaan di(erensial$

    x2

    d2y

    d x2 - >9

    dx

    dy : 6 ,ariabel bebas : 9@ ,ariabel tak bebas : y

    3.!&

    yA : e9 B sin 9 ,ariabel bebas : 9@ ,ariabel tak bebas : y 3.3&

    d2Q

    d t2 - 4

    dQ

    dt B !6C : < ,ariabel bebas : t@ ,ariabel tak bebas : C

    3.4&

    2

    v

    x2 B

    2v

    y2 : 6 ,ariabel bebas : 9'y@ ,ariabel tak bebas : D

    3.

  • 7/25/2019 Fiskomm

    5/26

    5

    9dy

    dx - y3 : 6 adalah P*+ orde satu

    9yd2y

    d x2 - y3 sin 9 : 6 adalah P*+ orde dua

    d2y

    d x2 - y

    dy

    dx B e

  • 7/25/2019 Fiskomm

    6/26

    6

    3. ika F9& : 6' maka disebut persamaan di(erensial linier homogen' jika F9&0

    6 disebut tidak homogen Pamuntjak'!""6$!-!3&.

    2.1.2 Persamaan D&"erens&al Pars&al

    Kebanyakan permasalahan dalam ilmu pengetahuan dan teknologi dapat

    dipresentasikan dalam bentuk persamaan di(erensial parsial. Persamaan tersebut

    merupakan laju perubahan terhadap dua atau lebih ,ariabel bebas yang biasanya

    adalah waktu dan jarak ruang&. +entuk umum persamaan di(erensial parsial order

    3 dan dua dimensi adalah$

    6g(y

    e9

    dy

    c9y

    b9

    a3

    33

    3

    3

    =++

    +

    +

    +

    +

    3.>&

    dengan a, b, c, d, e, fdang merupakan (ungsi dari ,ariabelxdanydan ,ariabel

    tidak bebas . Persamaan di(erensial parsial dapat dibedakan menjadi 4 tipe yaitu$

    !& Persamaan Ellips jika $ b3 H

  • 7/25/2019 Fiskomm

    7/26

    7

    *aerah tinjauan S dibagi menjadi sejumlah pias titik hitungan P& dengan jarak

    antara pias adalahx dan

    y. Kondisi di mana ,ariabel tidak bebas & harus

    memenuhi di sekeliling kur,e / disebut dengan kondisi batas. Penyelesaian

    persamaan di(erensial merupakan perkiraan dari nilai pada titik-titik hitungan

    P!!'P!3' 'Pij' Perkiraan dilakukan dengan mengganti turunan dari persamaan

    di(erensial parsial dengan menggunakan perkiraan beda hingga

    *jojodiharjo'3666$46=&.

    amar 2.1Penyelesaian persamaan di(erensial parsial

    A+ Beera)a Bentuk Persamaan D&"erens&al Pars&al

    +erikut ini diberikan beberapa bentuk persamaan di(erensial parsial.

    a& Persamaan llips

    Persamaan yang termasuk dalam tipe ini adalah persamaan Poisson$

    6gy9 3

    3

    3

    3

    =+

    +

    3.%&

    dan persamaan 5aplace$

    63

    3

    3

    3

    =

    +

    yx

    3.#&

    b& Persamaan Parabola

  • 7/25/2019 Fiskomm

    8/26

    8

    Permasalahan yang mengandung waktu sebagai ,ariabel bebas biasanya

    termasuk dalam persamaan parabola. Persamaan parabola yang paling sederhana

    adalah perambatan panas dan di(usi polutan' yang mempunyai bentuk$

    3

    3

    x

    !K

    t

    !

    =

    *alam persamaan perambatan panas' T temperatur&' K koe(isien kondukti,itas&'

    serta ,ariabel twaktu& danxjarak&.

    c& Persamaan "iperbola

    Persamaan hiperbola yang paling sederhana adalah persamaan gelombang

    yang mempunyai bentuk berikut$

    3

    33

    3

    3

    x

    yC

    t

    y

    =

    3."&

    denganyadalah perpindahan (luktuasi pada jarakxdari ujung tali yang bergetar

    yang mempunyai panjang 5 sesudah waktu t.

    B+ Perk&raan D&"erens&al Dengan Be(a H&ngga

    7ambar 3.3 adalah jaringan titik hitungan pada bidang x-y yang dapat

    dibagi menjadi sejumlah pias segi empat dengan sisi x dan y. Panjang pias

    dalam arah x adalah x dan dalam arah y adalah y. *engan menggunakan

    jaringan titik hitungan pada gambar 3.3' semua di(erensial ditulis pada titik

    hitungan i'#&. bentuk turunan pertama dan kedua didekati oleh$

    xx

    + j'ij'!i

    3."a&

    xx

    j'!ij'i

    3."b&

    xx

    +

    3

    j'!ij'!i

    3."c&

  • 7/25/2019 Fiskomm

    9/26

    9

    3

    j'!ij'ij'!i

    3

    3 3

    xx

    +

    +

    3."d&

    amar 2.2 aringan titik hitungan dalam bidangx-y

    +entuk Persamaan 3."a&' 3."b& dan 3."c& disebut dengan di(erensial maju'

    mundur dan terpusat. *i(erensial terhadap y juga dapat ditulis dalam bentuk

    seperti di atas' yaitu $

    yy

    '!'

    + #i#i

    3.!6a&

    yy

    !j'ij'i

    3.!6b&

    yy

    +

    3

    !j'i!j'i

    3.!6c&

    3

    !j'ij'i!j'i

    3

    3 3

    yy +

    +

    3.!6d&

    +entuk di(erensial melintang dapat didekati dengan $

    yxyx

    +

    ++++

    &

    1

    tTi

    i+1 K

    x2Ti1

    i+1+2K

    x2Ti

    i+1 K

    x2Ti+1

    i+1= 1

    tTi

    1

    3.!%&

    K

    x2Ti1

    i+1 +( 1 t+ 2K x2 )Tii+1

    K

    x2

    Ti+1i+1=

    1

    tTi

    1

    3.!#&

    atau

    ATi1i+1+B Ti

    i+1+C Ti+1i+1=

    1

    tTi

    1

    3.!"&

    *imana $

    ):

    K

    x2

    +:

    1

    t+2K

    x2

    /:

    K

    x2

    0ilai Til+1

    tidak diketahui besarnya' sedangkan nilai Til

    diketahui

    besarnya. *iasumsikan bahwa untuk i : !' 3' 4' ... ' n-!' maka dari persamaan 3.&

    akan terbentuk sistem persamaan seperti berikut $

    i : !AT

    0

    i+1+B T1

    i+1C T2

    i+1= 1

    tT

    1

    1

    i : 3Ac

    1

    i+1+B c2

    i+1C c3

    i+1= 1

    tT

    2

    1

    i : 4AT

    2

    i+1+B T3

    i+1C T4

    i+1= 1

    tT

    3

    1

  • 7/25/2019 Fiskomm

    16/26

    16

    i : n-!ATn2

    i+1 +B Tnii+1C Tn

    i+1= 1

    tTn1

    1

    3.36&

    dengan diketahui nilai awal dan nilai batasnya' dalam bentuk matrik adalah$

    [ BC0 0 .. 000A BC0 ..0000A BC ..000

    . . . . . . . . .

    . . . . . . . . .0000 . .0A B

    ][

    T1

    i+1

    T2

    i+1

    T3

    i+1

    .

    .

    Tn1i+1

    ]

    =[ A b

    0+ 1

    tT

    1

    1

    1

    tT

    2

    1

    1

    tT

    3

    1

    .

    .

    1 t

    Tn11 +C b1

    ] 3.3!&Lang' 366=$

  • 7/25/2019 Fiskomm

    17/26

    17

    yang memengaruhi kecepatan di(usi adalah suhu. Semakin tinggi suhu' partikel

    mendapatkan energi untuk bergerak dengan lebih cepat. Maka' semakin cepat

    pula kecepatan di(usinya.

    /ontoh proses di(usi satu dimensi adalah perambatan energi panas pada

    logam besi. Proses di(usi akan terus berlangsung sampai panas tersebar luas

    secara merata pada logam besi atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana

    perpindahan energi panas tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan suhu )mes'

    !"%%&.

    2.4 Persamaan M/(el

    2.4.1 Persamaan Pemangun

    Persamaan di(usi ! dimensi yang digunakan adalah$

    F

    t=D

    2F

    x2

    3.3&

    Tin+1Ti

    n

    t =D(

    Ti+1n 2Ti

    n+Ti1n

    hx2

    ) 3.3%&

    Tin+1=

    D t

    hx2 (Ti+1

    n 2Tin+Ti1

    n )+Tin

    3.3#&

    dengan * : k;pc adalah tetapan di(usi' k adalah kondukti,itas termal penghantar'

    p adalah massa jenis penghantar' dan c adalah panas jenis penghantar. Proses

    di(usi ini dapat diselesaikan melalui pendekatan numerik dengan bantuan

    so(tware Matlab' kemudian disimulasikan dengan so(tware ParaDiew. 5angkah

    pertama yang harus diambil adalah dengan menyelesaikan persamaan diatas

    melalui pendekatan numerik dengan menggunakan pendekatan beda hingga untuk

    deri,ati(nya. Sebelumnya persamaan tersebut diubah menjadi bentuk diskret agar

  • 7/25/2019 Fiskomm

    18/26

    18

    lebih mudah melakukan proses komputasinya dan diperoleh ketelitian proses

    komputasi yang tinggi )mes' !"%%&.

    2.4.2 Deskr&t&sas& M/(el

    Persamaan beda hingga metode ini adalah pendekatan beda maju untuk

    turunan waktu dan beda puat untuk turunan ruang. +ila indeks n untuk waktu'

    indeks i untuk ruang' dan )d dianggap konstan terhadap ruang dan waktu' maka

    persamaan di atas dapat dideskritasi menjadi$

    Fin+1=Fi

    n+(Fi+1n 2Fi

    n+Fi1n ) 3.3"&

    dimana=Ad t

    x2

    Kriteria stabilitas untuk menyelesaikan persamaan di(usi dengan metode beda

    hingga eksplisit adalah$

    =Ad t

    x2

    1

    2

    )mes' !"%%&.

  • 7/25/2019 Fiskomm

    19/26

    19

    BAB III

    MET'DE

    3.1. Alg/r&tma

    !. Mulai

    3. *iinput semua parameter batas $

    a. Panjang Kanal 5& yang dimodelkan 3666 meter'

    b. 5ebar 7rid 89& : !66 meter'

    c. Koe(isien *i(usi )*& : !6 m3;detik'

    d. Konsentrasi di kanan persamaanFimax

    n+1

    :Fimax 1

    n+1

    'e. 5ama Simulasi T& : 366 detik'

    (. 5angkah ?aktu 8t& :

  • 7/25/2019 Fiskomm

    20/26

    20

    3.2. 8l/-9hart

  • 7/25/2019 Fiskomm

    21/26

    21

  • 7/25/2019 Fiskomm

    22/26

    22

    3.3.Script Program

    N=15;

    dx=100;dt=40;

    D=10;

    U=0;

    l=0;

    Cin=(D*dt)/(dx^2);

    M = 200; tic;

    c = zeros(N,M1);

    ! "ondisi #$t$s

    %orn = 1&N

    c(n,1) =Cin;

    c(n,M1) = 0;

    end

    ! "ondisi '$l%ori = 1&M

    c(1,i) = 0;

    end

    ! ter$si Cr$n+Nicolson

    '=D/(2*(dx^2))U/(4*dx);

    #=(11/(2*dt))(D/(dx^2));

    C=D/(2*(dx^2))+U/(4*dx);

    -=(1+1/(2*dt))+(D/(dx^2));

    ! .ensn$n $tris oe%isien

    =zeros(M+1,M+1);

    (1,1)=#; (1,2)=+C;

    %ori = 2&M+2

    (i,i+1)=+'; (i,i)=#; (i,i1)=+C;end

    (M+1,M+2)=+'; (M+1,M+1)=#;

    ! 3ensn$n $tris oe%isien

    =zeros(M+1,M+1);

    (1,1)=#; (1,2)=+C;

    %ori = 2&M+2

    (i,i+1)='; (i,i)=-; (i,i1)=C;

    end

    %ire(1)

    3lot(1&N,c,6+*6);

    rid on;

    xl$7el(6iter$si (i)6);l$7el(6onsentr$si (c(x,t))6);

    %ire(2)

    es(1&M1,1&N,c);

    rid on;

    xl$7el(68$r$6);

    l$7el(6$t6);

    zl$7el(6onsentr$si (c(x,t))6);

  • 7/25/2019 Fiskomm

    23/26

    23

    BAB I:

    HA$IL DAN PEMBAHA$AN

    4.1. Has&l

    ra"&k 4.1. 7ra(ik Konsentrasi terhadap ?aktu

    ra"&k 4.2. 7ra(ik Konsentrasi terhadap ?aktu 4 *imensi&

    4.2. Pemahasan

    Metode Crank Nicholson yaitu metode yang menghilangkan

    ketergantungan terhadap syarat kestabilan' dan menggunakan metode implisit

    dimana turunan kedua (ungsi turunan kedua (ungsi didekati dengan harga harga3!

  • 7/25/2019 Fiskomm

    24/26

    24

    rata-rata pada langkah ke nB! dan ke n. Seharusnya metode crank nicholson

    adalah metode yang hasil penyebaran konsentrasinya lebih baik dan stabil' tetapi

    terdapat kesalahan pada pemograman sehingga praktikan tidak mendapat hasil

    yang lebih baik

    *engan beberapa parameter acuan yaitu

    !. Panjang Kanal 5& yang dimodelkan 3666 meter'

    3. 5ebar 7rid 89& : !66 meter'

    4. Koe(isien *i(usi )*& : !6 m3;detik'

    . 5angkah ?aktu 8t& :

  • 7/25/2019 Fiskomm

    25/26

    25

    BAB :

    PENUTUP

    !.1. %es&m)ulan

    !. Metode Implicit Crank Nicholson ini menggunakan beda maju untuk

    waktu dan beda pusat untuk ruang yang didekati dengan harga rata-rata

    pada langkah waktu ke-nB!& dan ke-n.

    3. asil diskritisasi mendekati solusi analitik dikarenakan dari skema

    Implicit Crank Nicholsonpada persamaan di(usi stabil pada saat 8dan 8

    berapapun' hasil diskritisasi memenuhi syarat konsistensi karena error

    pemotongannya menuju nol untuk 8N6 dan 8tN6.3. Suatu syarat batas bukan syarat batas yang berlaku untuk seluruh kondisi

    waktu& dapat digunakan untuk mengetahui seberapa lama dan panjang

    pengaruh dari suatu konsentrasi hingga tara( yang aman sesuai ketetapan.

    !.2. $aran

    Penulis menyarankan untuk menambahkan metode lainnya seperti dengan

    menggunakan metode xplicit agar dapat diketahui perbandingannya di setiap

    metode.

    34

  • 7/25/2019 Fiskomm

    26/26

    26

    DA8TAR PU$TA%A

    )mes' ?illiam F. !"%%. Computer $cience and %pplied &athematics Numerical

    &ethods 'or Partial (ifferential quations, )nd dition* 5ondon-

    1S)$ )cademic Press. I0/

    *jojodihardjo' arijono. !"#4.&etoda Numerik. akarta$ Erlangga

    Pamuntjak O Santoso. !""6. Persamaan (iferensil +iasa' (akultas

    MIP).+andung$ Institut Teknologi +andung.

    Lang' ?on Lung. 366=. %pplied Numerical &ethode sing &atlab* 1S)$

    ?ileyInterscience