ANALISIS DAN KONTROL OPTIMAL MODEL MATEMATIKA …repository.unair.ac.id/29344/1/HALAMAN...
Transcript of ANALISIS DAN KONTROL OPTIMAL MODEL MATEMATIKA …repository.unair.ac.id/29344/1/HALAMAN...
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
ANALISIS DAN KONTROL OPTIMAL MODEL MATEMATIKA
POPULASI PENDERITA DIABETES
SKRIPSI
KARTIKA DAMAYANTI
PROGRAM STUDI S-1 MATEMATIKA
DEPARTEMEN MATEMATIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS AIRLANGGA
2016
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
i
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
ANALISIS DAN KONTROL OPTIMAL MODEL MATEMATIKA
POPULASI PENDERITA DIABETES
SKRIPSI
KARTIKA DAMAYANTI
PROGRAM STUDI S-1 MATEMATIKA
DEPARTEMEN MATEMATIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS AIRLANGGA
2016
ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL ... KARTIKA DAMAYANTI
ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL ... KARTIKA DAMAYANTI
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
iv
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI
Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam
lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi
kepustakaan, tetapi pengutipan tanpa seizin penyusun dan harus menyebutkan
sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik
Universitas Airlangga.
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
vi
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut asma Allah SWT yang Maha Pengasih dan Maha
Penyayang. Segala puji syukur tercurahkan kepada Allah SWT sumber inspirasi
kehidupan yang telah melimpahkan rahmat dan karunia - Nya sehingga dapat
terselesaikannya penulisan skripsi ini. Shalawat serta salam semoga senantiasa
tercurahkan kepada junjungan kita, Nabi Besar Muhammad SAW, pemimpin
sekaligus sebaik - baiknya suri tauladan bagi kehidupan umat manusia, sehingga
penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Analisis dan Kontrol Optimal
Model Matematika Populasi Penderita Diabetes”.
Pada kesempatan ini, Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-
besarnya kepada semua pihak yang telah berperan sehingga skripsi ini dapat
terselesaikan, antara lain:
1. Universitas Airlangga dan Fakultas Sains dan Teknologi yang telah memberi
tempat untuk saya mengenyam pendidikan,
2. Dr. Fatmawati, M.Si selaku pembimbing I dan Dr. Miswanto, M.Si selaku
pembimbing II yang memberikan bimbingan, arahan serta masukan dalam
penyelesaian skripsi.
3. Dr. Miswanto, M.Si selaku dosen wali selama menjadi mahasiswa Fakultas Sains
dan Teknologi Universitas Airlangga.
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
vii
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
4. Agus Prasetyo dan Indriyani selaku orang tua saya dan Eka Pratiwi Hadiyani dan
Triyana Prasetyo Mulyo selaku kakak dan adik saya, yang selalu memberikan
doa, dukungan serta semangat sehingga menjadi motivasi dalam penulisan
skripsi ini.
5. Sahabat terbaikku, Windha Nanti Anggraini, atas kesabaran yang luar biasa dan
waktu yang telah diberikan.
6. Marcellia, Rezza, Lista, Isa, Auladi, Radifa, Dwi Veni, Prabu, Steven, Ibrahim,
Arista, yang sudah memberikan warna-warni di akhir perkuliahan yang
melelahkan ini.
7. Teman-teman Matematika 2011 Universitas Airlangga yang lain atas dukungan,
motivasi serta semangat yang diberikan selama ini.
8. Semua pihak yang tidak dapat Penyusun sebutkan seluruhnya yang telah
membantu dalam penyusunan skripsi.
Penyusun menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih terdapat
kekurangan, sehingga saran dan kritik yang membangun sangat diharapkan untuk
menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat sebagai bahan
pustaka dan penambah informasi bagi pembaca.
Surabaya, Januari 2016
Kartika Damayanti
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGA
viii
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
Kartika Damayanti, 2016, Analisis dan Kontrol Optimal Model Matematika
Populasi Penderita Diabetes,
Skripsi ini dibawah bimbingan Dr. Fatmawati dan Dr. Miswanto,
Departemen Matematika, Fakultas Sains dan Teknologi,
Universitas Airlangga.
ABSTRAK
Diabetes mellitus adalah salah satu penyakit tidak menular yang disebabkan oleh
dua faktor utama, yaitu faktor eksternal dan internal. Faktor eksternal adalah
faktor yang disebabkan karena gaya hidup dari penderita. Gaya hidup yang tidak
sehat dapat memicu terkenanya penyakit ini. Sedangkan faktor internal adalah
faktor genetik yang membawa gen penyakit diabetes tersebut.
Tujuan dari penulisan skripsi ini adalah untuk menganalisis kestabilan dan
interpretasi dari model matematika populasi penderita diabetes baik secara
analitik maupun numerik, serta melakukan kontrol optimal pada model
matematika populasi penderita diabetes tersebut. Dari analisis model tanpa kontrol
diperoleh dua titik setimbang, yaitu titik setimbang bebas penyakit (titik
setimbang non endemik) dan titik setimbang endemik. Titik setimbang non
endemik dan endemik dapat dikatakan stabil asimtotis jika nilai eigen dari
persamaan model matematika populasi penderita bernilai negatif. Sedangkan
untuk memperoleh kontrol yang optimal dapat dicari dengan menggunakan
Prinsip Maksimum Pontryagin. Simulasi numerik dilakukan dengan
menginputkan nilai parameter dari model matematika populasi penderita diabetes
menggunakan program kompuer Matlab. Hasil simulasi numerik menunjukkan
bahwa dengan kontrol pola hidup sehat dapat efektif meminimalkan populasi
penderita diabetes dengan biaya minimal.
Kata Kunci: Model Matematika, Diabetes Mellitus, Pola Hidup Sehat, Kontrol
Optimal
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGA
ix
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
Kartika Damayanti, 2016, Analysis and Optimal Control of The Mathematic
Models of Diabetics Population,
This undergraduate thesis is supervised by Dr. Fatmawati and Dr. Miswanto,
Mathematics Department, Faculty of Science and Technology,
Airlangga University.
ABSTRACT
Diabetes mellitus is non infectious disease caused by two main factors, the
external and internal factors. External factors caused by the lifestyle. Unhealthy
lifestyle can trigger this disease. While the internal factors is genetic factor that
carries the genes of diabetes.
The purpose of this thesis is to analyze stability and interpretation of the
mathematic model of diabetics population whether analytic and numerical, and
taking control optimal on the mathematic model of diabetics population. From the
analysis model without control, we obtained two equilibriums. These are disease
free equilibrium (non endemic equilibrium) and endemic equilibrium. Disease
free equilibrium and endemic equilibrium will be stable asimtotic if eigen of the
value from the models are negative. While to obtain control optimal is by using the
Principle Maximum Pontryagin (PMP). The numerical simulation doing by insert the
value of parameters of mathematic model of diabetics population using computer
program named Matlab. Numerical simulation results showed that implementation
of controller healthy lifestyle is effective to minimize the diabetics population
with minimal cost.
Keywords: Mathematic Model, Diabetes Mellitus, Healthy Lifestyle, Optimal
Control
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
x
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR JUDUL .......................................................................................... i
LEMBAR PERNYATAAN ............................................................................ ii
LEMBAR PENGESAHAAN ......................................................................... iii
LEMBAR PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI ...................................... iv
KATA PENGANTAR..................... ................................................................ v
ABSTRAK ...................................................................................................... vii
ABSTRACT .................................................................................................... viii
DAFTAR ISI.. .................................................................................................. ix
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xi
DAFTAR TABEL ........................................................................................... xii
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ....................................................................... 3
1.3 Tujuan ......................................................................................... 4
1.4 Manfaat ....................................................................................... 4
1.5 Batasan Masalah ......................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Diabetes Mellitus ....................................................................... 5
2.2 Sistem Persamaan Diferensial .................................................... 7
2.3 Kestabilan dari Sistem Linier ..................................................... 8
2.4 Kriteria Routh-Hurwitz .............................................................. 9
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
xi
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
2.5 Teori Kontrol Optimal ............................................................... 13
2.6 Prinsip Maksimum Pontryagin .................................................. 14
2.7 Software Matlab ......................................................................... 16
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................. 17
BAB IV PEMBAHASAN
4.1 Model Matematika Populasi Penderita Diabetes ....................... 19
4.1.1 Titik Setimbang Model Matematika Populasi
Penderita Diabetes ...................................................... 23
4.1.2 Analisa Kestabilan Asimtotis Lokal ........................... 25
4.2 Model Matematika Populasi Penderita Diabetes dengan
Kontrol Optimal ......................................................................... 27
4.2.1 Simulasi Numerik ....................................................... 32
BAB V KESIMPULAN .................................................................................. 43
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 45
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
xii
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 4.1 Diagram Transmisi Populasi Penderita Diabetes Tanpa Kontrol . 22
Gambar 4.2 Diagram Transmisi Populasi Penderita Diabetes dengan Kontrol
Optimal berupa Pola Hidup Sehat ............................................ 28
Gambar 4.3 Dinamika Populasi Pra-Diabetes ............................................... 35
Gambar 4.4 Dinamika Populasi Diabetes tanpa Komplikasi ........................ 37
Gambar 4.5 Dinamika Populasi Diabetes dengan Komplikasi ..................... 39
Gambar 4.6 Grafik Kontrol ........................................................................ 41
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
xiii
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1 Variabel dan Parameter Model Populasi Penderita Diabetes ......... 20
Tabel 4.2 Nilai Parameter Simulasi Numerik Model dengan Kontrol ........... 34
Tabel 4.3 Perbandingan Jumlah Populasi Pra-Diabtes ................................... 36
Tabel 4.4 Perbandingan Jumlah Populasi Diabtes tanpa Komplikasi ............ 38
Tabel 4.5 Perbandingan Jumlah Populasi Diabtes dengan Komplikasi ......... 40
Tabel 4.6 Fungsi Ongkos Atas Kontrol yang Diberikan ................................ 42
ADLN – PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA
xiv
SKRIPSI ANALISIS DAN KONTROL … KARTIKA D.
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Penghitungan Titik Setimbang Endemik
Lampiran 2 Penghitungan Analisa Kestabilan Asimtotis Lokal