Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

15
  Jurnal Penelitia n Sains & T eknolog i, V ol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152 138 PENYELESAIAN PERSAMAAN INTEGRAL VOLTERRA LINEAR DENGAN METODE FUNGSI WALSH DAN FMV-CYCLE THE SOLUTION OF VOLTERRA LINEAR INTEGRAL EQUATION USING WALSH FUNCTION METHOD AND FMV-CYCLE Masduki  Jurusan P endidikan Biologi F KIP Universitas Muhammadiyah Surakarta ABSTRAK P  enyelesaian persamaan integral V olterra linear secara numerik menggunakan  fungs i W alsh tela h dikemba ngkan. Masing-masing suku dari persam aan integralnya diekspansikan dalam deret Walsh berhingga untuk pemotongan m suku pertama. Dengan cara demikian dihasilkan bentuk sistem persamaan li-  near . Sistem persa maan linea r yang diper oleh selan jutnya dis elesai kan dengan  mengg unakan metod e itera si Picar d. Untuk menin gkatkan efisiensi penye lesaian  yang dilakukan dengan metode iterasi Picard diterapkan skema multigrid, khususnya FMV-cycle. Dalam penelitian ini FMV-cycle diterapkan pada dua kasus yang telah diselesaik an dengan V -cy cle oleh W idyaningsih dkk . Eksperimen  numer ik menunj ukkan bahwa penera pan FMV -cycle mampu meningkatkan efisiensi penyelesaian persamaan integral V olterra linear .  Kata k unci: persamaan integral, metode fungsi Walsh, FMV-cycle ABSTRACT T   he solution of V olterra linear integral equation using Walsh functions was developed. Each term of the integral equation was expanded as finite Walsh series for m truncation. The result in the usage of t his method are linear equa- tion systems. These sys tems are solved with Picard iteration method. In order to improve the efficiency of the solution with Picard iteration method is proposed  multigrid schema, especially FMV-cycle. In this research, FMV-cycle schema is proposed in two cases that solved with V-cycle by Widyaningsih et. al. Nu-  merical experiment shows that FMV-cycle does improve the efficiency of the solution of V olterra linear integral equation.  Keywords: integral equation, Walsh function method, FMV-cycle

Transcript of Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

Page 1: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 1/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152138

PENYELESAIAN PERSAMAAN INTEGRAL VOLTERRA LINEAR 

DENGAN METODE FUNGSI WALSH DAN FMV-CYCLE

THE SOLUTION OF VOLTERRA LINEAR INTEGRAL EQUATION

USING W ALSH FUNCTION METHOD AND FMV-CYCLE

Masduki

 Jurusan Pendidikan Biologi FKIPUniversitas Muhammadiyah Surakarta

ABSTRAK

P  enyelesaian persamaan integral Volterra linear secara numerik menggunakan  fungsi Walsh telah dikembangkan. Masing-masing suku dari persamaan

integralnya diekspansikan dalam deret Walsh berhingga untuk pemotongan msuku pertama. Dengan cara demikian dihasilkan bentuk sistem persamaan li- near. Sistem persamaan linear yang diperoleh selanjutnya diselesaikan dengan menggunakan metode iterasi Picard. Untuk meningkatkan efisiensi penyelesaian  yang dilakukan dengan metode iterasi Picard diterapkan skema multigrid,khususnya FMV-cycle. Dalam penelitian ini FMV-cycle diterapkan pada duakasus yang telah diselesaikan dengan V-cycle oleh Widyaningsih dkk. Eksperimen numerik menunjukkan bahwa penerapan FMV-cycle mampu meningkatkanefisiensi penyelesaian persamaan integral Volterra linear.

 Kata kunci: persamaan integral, metode fungsi Walsh, FMV-cycle

ABSTRACT

T   he solution of Volterra linear integral equation using Walsh functions wasdeveloped. Each term of the integral equation was expanded as finite Walshseries for m truncation. The result in the usage of this method are linear equa-tion systems. These systems are solved with Picard iteration method. In order toimprove the efficiency of the solution with Picard iteration method is proposed multigrid schema, especially FMV-cycle. In this research, FMV-cycle schemais proposed in two cases that solved with V-cycle by Widyaningsih et. al. Nu- merical experiment shows that FMV-cycle does improve the efficiency of the

solution of Volterra linear integral equation.

 Keywords: integral equation, Walsh function method, FMV-cycle

Page 2: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 2/15

 

139Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

PENDAHULUANPersamaan integral sering muncul dalam permasalahan di bidang fisika,

teknik, ekonomi, biologi, matematika terapan dan lain sebagainya. Model sepertilaju pertumbuhan penduduk, laju kelahiran, transfer radiasi, aerodinamika, pro-ses penyaringan asap rokok, merupakan model-model yang disajikan dalam ben-tuk persamaan integral. Golberg (1978, 1-58) memberikan beberapa bentukpersamaan integral. Sedangkan Jerri (1985) mengklasifikasikan persamaan in-tegral berdasarkan batas integrasinya kedalam dua bentuk yaitu persamaan in-tegral Volterra dan Fredholm. Golberg (1978, 1-58) telah memberikan beberapametode numerik untuk menyelesaikan persamaan integral, khususnya persamaanintegral Fredholm, diantaranya metode pendekatan kernel, quadrature, galerkin,semianalitik, dan proyeksi.

Fungsi Walsh yang merupakan fungsi gelombang persegi yang lengkap or-

tonormal telah digunakan dalam bidang yang cukup luas diantaranya analisissistem komunikasi, analisis spektral, sistem radar, spektroskop dan lain sebagainya(lihat Beauchamp, 1975). Tahun 1973, Corrington (1973, 470-476) menggu-nakan metode fungsi Walsh untuk menyelesaikan persamaan integral dan per-samaan diferensial. Dari eksperimen numerik, Corrington menyimpulkan bahwafungsi Walsh dapat digunakan untuk mendapatkan penyelesaian pendekatan daripersamaan integral, khususnya persamaan integral Volterra. Selanjutnya Chendan Hsiao (1975, 265-280) serta Blyth dan Uljanov (1996, 621-628; 1996, 137-143) masing-masing menggunakan metode fungsi Walsh untuk menyelesaikanmasalah variasional serta persamaan integral Fredholm. Dari kedua eksperimen yang dilakukan menunjukkan bahwa metode fungsi Walsh mampu memberikangalat yang lebih kecil dibandingkan apabila digunakan metode yang telah ada,seperti metode Galerkin ataupun middle point method.

Multigrid pada awalnya dikembangkan untuk menyelesaikan masalahsyarat batas yang sering muncul dalam fisika terapan. Di sini, domain dari masa-lah syarat batas dibuat diskrit yaitu dengan membaginya menjadi grid-grid ber-hingga, sehingga diperoleh suatu sistem persamaan aljabar (linear maupun non-linear). Dengan cara demikian, penyelesaian masalah syarat batas dapat dilaku-kan dengan menyelesaikan sistem persamaan yang diperoleh.

Di dalam penelitian ini metode multigrid yang digunakan adalah FullMultigrid V (FMV)-cycle yang merupakan metode multigrid yang lengkap karenatelah memanfaatkan secara bersama skema koreksi grid coarse dan iterasi ter-sarang (lihat Briggs (1988)). Hasilnya kemudian dibandingkan dengan penye-

lesaian persamaan integral Volterra linear apabila digunakan gabungan metodefungsi Walsh dan V-cycle yang telah dilakukan oleh Widyaningsih (2000, 155-161) dan Widyaningsih dkk. (2001) untuk mengetahui efisiensi kedua metode.

Page 3: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 3/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152140

Persamaan Integral Volterra LinearBentuk umum persamaan integral, sebagaimana diberikan oleh Jerri (1985)

adalah sebagai berikut.

∫ +=)(

.))(,,()()()( xb

adt t  yt  xK  xg x y xh (1)

Apabila b(x)=x, maka persamaan (1) menjadi

∫ += x

adt t  yt  xK  xg x y xh ,))(,,()()()( (2)

dan disebut sebagai persamaan integral Volterra. Apabila h(x)=1, persamaanintegral (2) menjadi

∫ +=

 x

a dt t  yt  xK  xg x y ,))(,,()()( (3)dan disebut sebagai persamaan integral Volterra tipe dua. Apabila y linear, makapersamaan (3) dapat dituliskan sebagai berikut.

∫ += x

adt t  yt  xK  xg x y ,)(),()()( (4)

dan disebut sebagai persamaan integral Volterra linear tipe dua.

Penelitian ini hanya akan membahas persamaan integral Volterra linear tipedua dengan g(x) danK diketahui serta y adalah fungsi linear yang akan ditentukan.

 Fungsi WalshTahun 1922, Rademacher (dalam Sloss dan Blyth, 1994, 273-283) me-

ngembangkan himpunan fungsi gelombang persegi tidak lengkap ortonormalpada [0,1]. Selanjutnya, tahun 1923, Walsh (1923, 5-24) mengembangkan him-punan fungsi gelombang persegi yang lengkap ortonormal, yang selanjutnyadisebut sebagai fungsi Walsh. Chen dan Hsiao (1975, 265-280) mendefinisikanfungsi Walsh sebagai berikut.

1)(0 = xW 

)()( 11  xr  xW  =

0

1

1

22 )]([)]([)(  xr  xr  xW  =

Page 4: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 4/15

 

141Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

M

1)]([)]([)]([)( 1

1

1

bb

q

b

qn  xr  xr  xr  xW qq

K−

−=

dengan

1)(2 += n Logq

0

1

2

1

1 2.2.2. bbbnq

q

q

q +++= −−

− K

dan 121 ,,,, bbbbqqq K−− adalah bilangan biner.

Grafik empat fungsi Walsh yang pertama ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Empat Fungsi Walsh Pertama

  W0(x)

1

W1(x)

1

1

-1

010

-1

W2(x) W3(x)

1

0

-1

1

1

0

-1

1/2

Page 5: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 5/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152142

Sifat Integral Fungsi WalshMenurut Corrington (1973, 470-476), setiap integral fungsi Walsh dapat

disajikan sebagai deret fungsi Walsh

∫  x

n dx xW 0

)(

(8)

dengan n=0,1,2,… dan di merupakan koefisien deret fungsi Walsh ke-i.Blyth (1997, 166-172) menuliskan pendekatan integral fungsi Walsh seba-

gai deret dengan koefisien dapat ditentukan dengan menggunakan matrik ope-rasional P

m yang telah diberikan oleh Chen dan Hsiao. Apabila

∑−

=

=1

0

),()(m

i

ii  xW c x f  ∫  ∑−

=

= x m

i

ii  xW bdt t  f 0

1

0

)()( (9)

maka

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−− 1

0

1

0

m

m

m c

c

P

b

b

MM

dengan

⎥⎦

⎤⎢⎣

−=

02 / 21

2 / 21

2 / 

mm

mm

mT 

m I 

 I PP dan .

041

41

21

2 ⎥⎦

⎤⎢⎣

−=T 

P

Selanjutnya untuk menuliskan deret semacam (9) digunakan konvensipenjumlahan Einstein dengan i adalah bilangan biner antara 0 hingga m-1.

Metode MultigridMasing-masing suku dari persamaan integral Volterra (4) dapat diekspan-

sikan ke dalam deret fungsi Walsh berhingga ( m suku). Ekspansi dengan menggu-nakan deret fungsi Walsh menghasilkan sistem persamaan linear.

c m = g m + K  mc m atau  A mc m=g m, (10)

dengan A m=I m-K  m, dan I m adalah matriks identitas serta K  m adalah matriks orde m dari K . Dengan demikian menyelesaikan persamaan (10) identik denganmenyelesaikan persamaan (4) dengan menggunakan metode fungsi Walsh.

Page 6: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 6/15

 

143Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

Selanjutnya didefinisikan W m sebagai grid berukuran  m, yaitu domainpada [0,1] pada fungsi Walsh dibagi menjadi  m subinterval dengan masing-

masing berukuran 1/  m. Grid W m selanjutnya disebut dengan grid level m. Notasic dan v menunjukkan penyelesaian “eksak” dan pendekatan. Huruf tebal, vmisalnya, dipakai untuk menyajikan vektor. Penyelesaian pendekatan v padagrid level tertentu, misal pada grid level m, ditulis dengan v

 m. Sedangkan elemenke-i dari vektor tersebut ditulis dengan v m,i.

Dalam penelitian ini digunakan galat dan residual, yang dinotasikan de-ngan e dan r, untuk mengetahui “kebaikan” dari penyelesaian pendekatan. Galatdan residual pada grid level m didefinisikan dengan e

 m=c m-v m dan r

 m=g m-A m

v m.

Dengan demikian, penyelesaian A mv m=g m dengan pendekatan awal c m ekuivalendengan penyelesaian A m

c m=r

 m dengan pendekatan awal c m=0.

 Full Multigrid V (FMV)-cyclePada V-cycle hanya digunakan koreksi grid coarse untuk mendapatkanpenyelesaian pendekatan. Sedangkan ide iterasi tersarang belum dimanfaatkan.Iterasi tersarang digunakan untuk mendapatkan nilai awal yang baik bagi grid fine. Pada algoritma Full Multigrid V-cycle, koreksi grid coarse dan ide iterasi ter-sarang digunakan secara bersama-sama. Dengan demikian penyelesaian yangdiperoleh akan lebih efisien. Skema Full Multigrid V-cycle tiga level ditunjukkanpada Gambar 2.

Gambar 2: Skema Full Multigrid V-cycle tiga level

 

m /4

m /2

Page 7: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 7/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152144

Briggs (1988) menyajikan algoritma FMV-cycle sebagai berikut.- Algoritma FMV-cycle

),( mmm FMV  gvv ←

Step 1: Apabila W m grid coarsest, lanjutkan step 3

 Jika tidak )vg(Ig 2 / 

2 /  mmm

m

mm  A−←

02 /  ←mv

)g,v(v 2 / 2 / 2 /  mmm FMV ←

Step 2: Lakukan 2 / 2 /  m

m

mmm vIvv +←Step 3: Lakukan ),( mmmm  MV  gvv ←  l0 kali.

Unit Work Algoritma FMV-cycleDiperhatikan grid dimensi satu yang terdiri dari m=2 n titik dengan n adalah

bilangan bulat positif. Diasumsikan untuk melakukan sekali sweep untuk menye-lesaikan sistem persamaan linear pada grid finest (berorde m x m), misal  m, me-merlukan m2 operasi aritmetik. Briggs (1988) menyatakan satuan untuk mela-kukan m2 operasi aritmetik dengan unit work (UW). Selanjutnya, pada W m/ 2dengan matriks orde m/ 2 x m/ 2, untuk melakukan sekali sweep diperlukan m2/ 4operasi aritmetik yang ekuivalen dengan ¼ UW. Demikian seterusnya, sehinggaoperasi aritmetik yang diperlukan pada grid level tertentu adalah ¼ operasiaritmetik dari grid level sebelumnya.

Pada metode Full Multigrid V-cycle, setiap level dikunjungi sebanyak 2 nuntuk n Î N. Dengan demikian biaya perhitungan untuk melakukan sekali sweepFull Multigrid V-cycle dengan masing-masing level diperlukan sekali iterasi adalah

.2

7...

4

1.8

4

1.6

4

1.42

32

2UW m ≈

⎟⎟

 ⎠

 ⎞

⎜⎜

⎝ 

⎛ +⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ +⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ +⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ +

METODE PENELITIANMetode penelitian ini adalah eksperimen secara numerik, artinya algoritma

 yang telah diturunkan selanjutnya diterapkan dalam kasus-kasus persamaan

Page 8: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 8/15

 

145Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

integral Volterra linear yang telah dipilih. Dalam penelitian ini dipilih kasus yangpenyelesaian eksaknya telah tersedia, khususnya kasus-kasus yang telah dise-

lesaikan dengan metode V-cycle. Selanjutnya hasil numerik dari metode FMV-cycle dibandingkan dengan hasil numerik dari V-cycle. Dengan demikian keefi-sienan metode yang baru dikembangkan dapat ditunjukkan.

 HASIL DAN PEMBAHASANDalam penelitian ini skema FMV-cycle diterapkan pada dua kasus per-

samaan integral Volterra linear yang telah diselesaikan oleh Widyaningsih dkk.(2001) dengan menggunakan skema V-cycle. Selanjutnya akan dibandingkankeefisienan kedua skema multigrid tersebut. Untuk menyelesaikan kedua kasusdengan menggunakan software Matlab.

 Kasus 1.Diberikan persamaan integral Volterra linear yang merupakan persamaantipe convolution yang diambil dari Jerri (1985)

∫  −−= x

dt t  yt  x x x y0

)()()( (11)

 yang mempunyai penyelesaian eksak  x x y sin)( = . Persamaan (12) dapat ditulisdalam bentuk

∫ ∫ +−= x x

dt t tydt t  y x x x y0 0

)()()((12)

Dengan mengekspansikan masing-masing suku dari persamaan (12) denganderet Walsh

∑−

=

≈1

0

)()(m

i

ii  xW c x y , ∑−

=

≈1

0

)(m

i

ii  xW h x

persamaan (12) dapat disajikan dalam bentuk

∫ ∫  +−= x

 j jii

 x

 j jiiiiii dt t W ct W hdt t W c xW h xW h xW c00

)()()()()()(

Dengan menggunakan sifat perkalian fungsi Walsh dan pendekatan inte-gral dari Blyth (1997, 166-172 ), persamaan (12) dapat dituliskan sebagai berikut

)(][)(][)()(  xW ch p xW c ph xW h xW c s j jr T sr k  j

T kjk iiiii ⊕⊕ +−= (13)

Persamaan (13) membentuk sistem persamaan linear

Page 9: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 9/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152146

mm

mm

mmmm c H PcP H hc +−= (14)

dengan ][][ jiijm

hh H  ⊕== dimana i, j = 0, 1, ..., m-1 ditulis sebagai bilanganbiner dengan Å adalah operasi penjumlahan modulo 2. Untuk menye-lesaikanpersamaan (16) digunakan metode iterasi Picard

][]1[ )( i

mm

m

mmm

i

m c H PP H hc −−=+

dengan nilai awal ]0,...,0,0,0,1[

1

]0[

43421−

=m

mc .

Selanjutnya diterapkan skema FMV-cycleuntuk memperbaiki penyelesaiandari metode iterasi Picard. Dalam penelitian ini digunakan level tertinggi m =64. Unit work dan galat iterasi dari penyelesaian persamaan (14) disajikan dalamtabel 1.

Tabel 1. Unit Work dan Galat Iterasi Penyelesaian Persamaan (14)

Tabel 1 menunjukkan bahwa unit work yang diperlukan FMV-cycle untukmencapai galat toleransi sebesar 10-13 lebih kecil dibandingkan apabila digunakanmetode iterasi Picard. Tampak pula bahwa FMV-cycle 2 level memberikan unitwork terkecil apabila dibandingkan dengan FMV-cycle 5 level, 4 level maupun3 level, akan tetapi perbedaan unit worknya tersebut tidak terlalu besar. Dengandemikian FMV-cycle 2 level merupakan pilihan yang cukup baik untuk menye-lesaikan persamaan (14).

Unit work yang diperlukan oleh metode Iterasi Picard pada m = 64 sebesar6.0. Sedangkan pada FMV-cycle diperlukan sebesar 2.5. Dengan demikian skemaFMV-cycle mampu meningkatkan efisiensi sebesar 3.5 UW.

Metode Unit Work Galat Iterasi

FMV-cycle 5 level 3.5 1.4819 x 10-13

FMV-cycle 4 level 3.44 8.0915 x 10-13

FMV-cycle 3 level 3.1875 3.1365 x 10-13

FMV-cycle 2 level 2.5 7.2484 x 10-13

Iterasi Picard 6.0 7.6710 x 10-13

Page 10: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 10/15

 

147Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

Berdasarkan unit work yang dihasilkan oleh masing-masing metode padakasus 1, FMV-cycle lebih efisien dibandingkan metode iterasi Picard. Dengan

demikianFMV-cyclemerupakan pilihan terbaik untuk menyelesaikan persamaanintegral ( 12) dibandingkan metode iterasi Picard.Selanjutnya penyelesaian yang dilakukan dengan FMV-cycle diban-

dingkan dengan penyelesaian V-cycle yang telah dilakukan oleh Widyaningsihdkk. (2001) untuk mengetahui keefisienan kedua skema multigrid tersebut.Perbandingan unit work kedua skema multigrid untuk mencapai galat toleransi10-13 ditunjukkan pada tabel 2.

Tabel 2. Unit Work Skema FMV-cycle dan V-cycle

Tabel 2 menunjukkan bahwa pada level 3, 4, dan 5 skema V-cycle me-nunjukkan tingkat efisiensi yang lebih baik dibandingkan FMV-cycle, akan tetapiperbedaan unit work kedua skema tersebut kecil. Sedangkan pada level 2 skemaFMV-cycle menunjukkan tingkat efisiensi yang lebih baik dibandingkan V-cycledengan perbedaan unit work yang cukup signifikan yaitu sebesar 2 UW. Apabila

digunakan pilihan 2 level untuk menyelesaikan persamaan integral (14) makaFMV-cycle menunjukkan tingkat efisiensi yang lebih baik dibandingkan V-cycle.Dengan kata lain, penggunaan skema FMV-cycle lebih akurat dibandingkan V-cyle.

 Kasus 2.Diberikan persamaan integral Volterra linear yang diambil dari Jerri (1985)

∫  −+= x

dt t  yt  x x x y0

)()cos(2sin)( (15)

 yang mempunyai penyelesaian eksak  x xe x y =)( . Persamaan (15) dapat ditulis

dalam bentuk∫ ∫ ++= x x

dt t  yt  xdt t  yt  x x x y0 0

)(sinsin2)(coscos2sin)( (16)

Unit WorkLevel 

V-cycle FMV-cycle5 2.7 3.5

4 2.66 3.44

3 2.56 3.2

2 4.5 2.5

Page 11: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 11/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152148

Dengan mengekspansikan masing-masing suku dari persamaan (16)dengan deret Walsh

∑−

=

≈1

0

)()(m

i

ii  xW c x y , ∑−

=

≈1

0

)(sinm

i

ii  xW q x , ∑−

=

≈1

0

)(cosm

i

ii  xW l x

menghasilkan sistem persamaan linear

mm

mmm

mmmm cQPQ LP Lqc )22( ++= (17)

dengan ][][ jiijm

ll L ⊕== dan ][][ jiijm

qqQ ⊕== dimana i, j = 0, 1, ...,  m-1ditulis sebagai bilangan biner dengan Å adalah operasi penjumlahan modulo 2.Unit work dan galat iterasi dari penyelesaian persamaan (17) disajikan dalamtabel 3.

Tabel 3. Unit Work dan Galat Iterasi Penyelesaian Persamaan (17)

Tabel 3 menunjukkan bahwa unit work yang diperlukan FMV-cycle untukmencapai galat toleransi sebesar 10-7 lebih kecil dibandingkan apabila digunakanmetode iterasi Picard. Tampak pula bahwa FMV-cycle 2 level memberikan unitwork terkecil apabila dibandingkan dengan FMV-cycle 5 level, 4 level maupun3 level, akan tetapi perbedaan unit worknya tersebut tidak terlalu besar. Dengandemikian FMV-cycle 2 level merupakan pilihan yang cukup baik untuk menye-lesaikan persamaan (17).

Unit work yang diperlukan oleh metode Iterasi Picard pada m = 64 sebesar5.0. dengan galat iterasi 6.6565 x 10-7. Sedangkan pada FMV-cycle hanya

diperlukan sebesar 2.5 UW untuk mendapatkan galat iterasi sebesar 4.3217 x10-8. Dengan demikian skema FMV-cycle mampu meningkatkan efisiensi sebesar2.5 UW.

Metode Unit Work Galat Iterasi

FMV-cycle 5 level 3.5 4.0211 x 10-8

FMV-cycle 4 level 3.44 6.7576 x 10-8

FMV-cycle 3 level 3.1875 1.6669 x 10-7

FMV-cycle 2 level 2.5 4.3217 x 10-8

Iterasi Picard 5.0 6.6565 x 10-7

Page 12: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 12/15

 

149Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

Berdasarkan unit work yang dihasilkan oleh masing-masing metode padakasus 1, FMV-cycle lebih efisien dibandingkan metode iterasi Picard. Dengan

demikianFMV-cyclemerupakan pilihan terbaik untuk menyelesaikan persamaanintegral (17) dibandingkan metode iterasi Picard.Selanjutnya penyelesaian yang dilakukan dengan FMV-cycle

dibandingkan dengan penyelesaian V-cycle yang telah dilakukan olehWidyaningsih dkk. (2001) untuk mengetahui tingkat efisiensi kedua skemamultigrid tersebut. Perbandingan unit work kedua skema multigrid untuk men-capai galat toleransi 10-7 disajikan dalam tabel 4.

Tabel 4: Unit Work Skema FMV-cycle dan V-cycle

Tabel 4 menunjukkan bahwa pada level 2, 4, dan 5 skema V-cycle menun-jukkan tingkat efisiensi yang lebih baik dibandingkan FMV-cycle, akan tetapiperbedaan unit work kedua skema tersebut kecil (0.25 – 0.8 UW). Sedangkanpada level 3 skema FMV-cycle menunjukkan tingkat efisiensi yang lebih baikdibandingkan V-cycle dengan perbedaan unit work yang cukup signifikan yaitusebesar 1.925 UW. Apabila digunakan pilihan 2 level untuk menyelesaikanpersamaan integral (17) maka FMV-cycle dan V-cycle memberikan tingkat efi-siensi yang hampir sama. Tetapi apabila digunakan pilihan 3 level untuk menye-lesaikan persamaan integral (17) maka FMV-cycle menunjukkan tingkat efisiensi yang lebih baik dibandingkan V-cycle. Dengan kata lain, penggunaan skemaFMV-cycle lebih akurat dibandingkan V-cyle.

SIMPULAN DAN SARAN

Eksperimen numerik menunjukkan bahwa penggabungan fungsi Walshdan skema multigrid khususnya FMV-cycle mampu meningkatkan efisiensi pe-nyelesaian persamaan integral Volterra linear dibandingkan apabila digunakan

Unit WorkLevel

V-cycle FMV-cycle

5 2.7 3.54 2.66 3.44

3 5.125 3.2

2 2.25 2.5

Page 13: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 13/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152150

metode iterasi Picard. Lebih jauh, penggunaan skema FMV-cycle pada level ter-tentu (level 2 pada kasus 1 dan level 3 pada kasus 2) memberikan tingkat efisiensi

 yang lebih baik dibandingkan skema V-cycle.Penelitian lanjutan yang dapat disarankan adalah pengembangan algo-ritma penyelesaian persamaan integral Volterra yang lebih efektif dan efisien.Penelitian tentang kestabilan metode multigrid juga merupakan bidang yangmasih terbuka luas. Selain itu perluasan kasus persamaan integral Volterra yangdiselesaikan akan memberikan kesimpulan yang lebih luas.

UCAPAN TERIMAKASIHPeneliti ucapkan terimakasih khususnya kepada Lembaga Penelitian Univ.

Muhammadiyah Surakarta yang telah membiayai penelitian ini. Selanjutnyakepada Drs. Budi Murtiyasa, M.Kom yang telah bersedia menjadi konsultan

untuk pembuatan program dengan matlab. Kepada para dosen senior dan temansejawat yang telah memberikan masukan-masukan dalam seminar penelitiansaya ucapkan banyak terimakasih.

DAFTAR PUSTAKA

Beauchamp, K. G., 1975, Walsh Function and Their Applications, Academic Press,London.

Blyth, W. F., 1997, Efficient and Accurate Parameter Estimation for linear, Bilinearand Nonlinear Systems using Walsh Function, Proceeding of Workshopon Scientific Computing Hong Kong 1997, editor G. H. Golub, S. H.Lui, F. T. Luk, dan R. J. Plemmons, Springer, Hal: 166-172.

Blyth, W. F., May, R. L., and Widyaningsih, P., 1997, The Solution of IntegralEquations using Walsh Function and A Multigrid Approach,Computational Techniques and Applications: CTAC97 Proceedingsof Eight Biennial Conference, editor J. Noye, M. Tuebner, and A. Gill,Computational Mathematics Group, World Scientific Publishing Co,Hal: 99-106.

Blyth, W. F. and Uljanov, V., 1996, Numerical Solution of Weakly Singular FredholmIntegral Equations using Walsh Functions, Computational Techniquesand Applications: CTAC95, Hal: 137-143.

Briggs, B. L., 1988, A Multigrid Tutorial, Second ed., Society for Industrial andApplied Mathematics, Philadelphia.

Page 14: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 14/15

 

151Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear ... (Masduki)

Chen, C. F. and Hsiao, C. H., 1975, A Walsh Series Direct Method for Solving Variational Problems, Journal of The Franklin Institute, Vol: 4, No: 300,

Hal: 265-280.Corrington, M. S., 1973, Solution of Differential Equations with Walsh Function,

IEEE Transactions on Circuit Theory, No: 5, Hal: 470-476.

Golberg, M. A., 1978, Solution Methods for Integral Equations: A Survey of  Numerical Methods for Integral Equations, Plennum Press, New York,Hal: 1-58.

 Jerri, A. J., 1985, Introduction to Integral Equations with Applications, MarcelDekker Inc., New York.

Paley, R. E. A., 1932, A Remarkable Series of Orthogonal Functions, ProceedingLondon Mathematics Society, Vol: 34, Hal: 241-279.

Sloss, B. G., and Blyth, W. F., 1984, A-priori Error Estimates for Corrington’sWalsh Function Method, Journal of Franklin Institute, Vol: 331B, No: 3,Hal: 273-283.

Uljanov, V., and Blyth, W. F., 1996, Numerical Solution of Urysohn Integral Equationusing Walsh Function, The Role of Mathematics in Modern Engineering:first Biennial Engineering Mathemattcs Conference: AEMC94 (AlanK. Easton and Joseph M. Steiner, eds), The Engineering MathematicsGroup (EMG), Australian and New Zealand Industrial and AppliedMathematics (ANZIAM), Australian Mathematics Society andStudent Litterature, Hal: 621-628.

Walsh, J. L., 1923, A Closed Set of Normal Orthogonal Functions, American Journalof Mathematics, No: 45, Hal: 5-24.

Widyaningsih, P., 2000, Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Linear denganMetode Fungsi Walsh dan Ekstrapolasi Richardson, Makalahdipresentasikan pada Seminar Nasional Matematika yangdiselenggarakan oleh HAMPPS UGM Yogyakarta, September.

Widyaningsih, P., 2000, Efficiency of Walsh Function Method in Solving LinearVolterra Integral Equations using V-cycle, MIHMI, Vol: 6, No: 3, Hal:155-161.

Widyaningsih, P., 2001, Penyelesaian Persamaan Integral Volterra Nonlinear dengan

Fungsi Walsh dan Ekstrapolasi Richardson, Makalah disampaikan dalamSeminar Nasional Matematika dan Konferda Matematika VII HimMi Jateng-DIY di UII Yogyakarta, Februari.

Page 15: Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy

5/12/2018 Jurnal1.. ian Persamaan Integral - Copy - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/jurnal1-ian-persamaan-integral-copy 15/15

 

 Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 6, No. 2, 2005: 138 - 152152

Widyaningsih, P. dan Masduki., 2001, Penerapan Metode Fungsi Walsh danEkstrapolasi Richardson untuk Menyelesaikan Persamaan Integral Volterra

 Nonlinear, Makalah disampaikan dalam Seminar Nasional Matematikadan Konferda Matematika VII HimMi Jateng-DIY di UII Yogyakarta,Februari.

Widyaningsih, P., Sutrima, dan Pratiwi, H., 2001, Penyelesaian Persamaan IntegralVolterra dengan Metode Fungsi Walsh dan Pendekatan Multigrid, TechnicalReport Jurusan Matematika FMIPA UNS Surakarta.