BerandaSainsMatematikaPersamaan Diferensial - Persamaan Diferensial Parsial dan Deret Fourier - Bagian 1.14

Persamaan Diferensial – Persamaan Diferensial Parsial dan Deret Fourier – Bagian 1.14

Tentukan nilai eigen dan fungsi eigen dari nilai batas yang diberikan. Asumsikan semua nilai eigen tersebut adalah nyata.

$$y” + \lambda y = 0, \ y(0) = 0, \ y'(\pi) = 0$$

Untuk menyelesaikan masalah ini, kita gunakan beberapa tahap penyelesaian

Persamaan Karakteristik

Kita buat persamaan tersebut dengan sedikit manipulasi.

$$y” = r^2 \text{dan} \lambda y = \lambda$$

Persamaan tersebut menjadi

$$r^2 + \lambda = 0$$

$$r^2 = -\lambda$$

Nilai eigen bisa berupa bilangan positif, bilangan negatif, atau nol. Kita harus menguji pada ketiga kemungkinan tersebut

Uji Nilai Negatif

Anggaplah nilai dari $-\lambda$ adalah $-\mu^2$

Persamaan menjadi $r^2 = \mu^2$, sehingga $r = \pm \mu$

Solusi umum adalah $y(x) = c_1 \cosh(\mu x) + c_2 \sinh(\mu x)$

Substitusi nilai pertama

$$y(0) = c_1 \cosh(\mu 0) + c_2 \sinh(\mu 0)$$

$$y(0) = c_1 \cosh(0) + c_2 \sinh(0)$$

$$0 = c_1 + 0$$

$$\mathbf{c_1 = 0}$$

Turunkan solusi tersebut

$$y'(x) = \mu C_2 \cosh(\mu x)$$

Substitusi nilai kedua

$$y'(\pi) = \mu C_2 \cosh(\mu \pi)$$

$$0 = \mu c_2 \cosh (\mu \pi)$$

$$\mathbf{c_2 = 0}$$

Catatan:nilai dari $\cosh (\mu \pi)$ adalah positif dan $\mu$ adalah positif, sehingga satu satunya jalan adalah $c_2$ harus $0$

Karena nilai kedua konstanta adalah $0$, maka solusinya adalah trivial

$$y(x) = 0$$

Uji Nilai Nol

Anggaplah nilai dari $-\lambda$ adalah $0$

Persamaan menjadi $r^2 =0$, sehingga $r =0$

Solusi umum adalah $y(x) = c_1 + c_2x$

Substitusi nilai pertama

$$y(0) = c_1 + c_2(0)$$

$$0 = c_1 + 0$$

$$\mathbf{c_1 = 0}$$

Turunkan solusi tersebut

$$y'(x) = c_2$$

Substitusi nilai kedua

$$y'(\pi) = c_2$$

$$0 = c_2$$

$$\mathbf{c_2 = 0}$$

Karena nilai kedua konstanta adalah $0$, maka solusinya adalah trivial

$$y(x) = 0$$

Anggaplah nilai dari $-\lambda$ adalah $\mu^2$

Persamaan menjadi $r^2 =-\mu^2$, sehingga $r = \pm \mu i$

Solusi umum adalah $y(x) = c_1\cos(\mu x) + c_2 \sin(\mu x)$

Substitusi nilai pertama

$$y(0) = c_1\cos(\mu 0) + c_2 \sin(\mu 0)$$

$$0 = c_1\cos(0) + c_2 \sin(0)$$

$$0 = c_1 + 0$$

$$\mathbf{c_1 = 0}$$

Turunkan solusi tersebut

$$y'(x) = \mu c_2 \cos (\mu x)$$

Substitusi nilai kedua

$$y'(\pi) = \mu c_2 \cos (\mu \pi)$$

$$0 = \mu c_2 \cos (\mu \pi)$$

Catatan: berbeda dengan sebelumnya, nilai $\mu$ adalah positif dan nilai $c_2$ haruslah bukan $0$, sehingga $\cos (\mu \pi) = 0$ agar kita bisa mencari solusinya alih-alih memaksa solusinya menjadi solusi trivial.

Nilai Eigen dan Fungsi Eigen

$\cos (\mu \pi)$ bernilai nol apabila $\mu = \frac{2n + 1}{2}$

Karena ketetapan awalnya adalah $\lambda = \mu^2$, maka nilai eigennya adalah

$$\mathbf{\lambda = \left(\frac{2n + 1}{2}\right)^2, \ n = 0, 1, 2, … }$$

Masukkan kembali nilai $\mu$ ke dalam solusi awal

$$\mathbf{y(x) = c_2 \sin \left(\frac{2n + 1}{2} x \right), \ n = 0, 1, 2, …}$$

Artikel Terkait

Tinggalkan komentar

Silakan masukkan komentar anda!
Silakan masukkan nama Anda di sini

Artikel Terbaru

Artikel Populer