Kalkulus Variasi - Toni Bakhtiartbakhtiar.staff.ipb.ac.id/files/2020/01/handout3a.pdf · Kalkulus Variasi Persamaan Euler, Masalah Kalkulus Variasi Berkendala, Syarat Batas Toni Bakhtiar

Post on 13-Dec-2020

29 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

Transcript

Kalkulus VariasiPersamaan Euler, Masalah Kalkulus Variasi Berkendala, Syarat Batas

Toni Bakhtiar

Departemen Matematika IPB

Februari 2020

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 1 / 85

Outline

Persamaan Euler1 Bentuk diperumum2 Bentuk khusus

Masalah kalkulus variasi berkendala1 Metode lagrange, metode substitusi2 Kendala titik3 Kendala persamaan diferensial4 Kendala isoperimetrik

Syarat batas

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 2 / 85

Persamaan Euler Bentuk Baku

(Dari slide sebelumnya): Misalkan

J(ε) =∫ T0 f (x + εh, x + εh, t) dt.

Penguraian Taylor memberikan

J(ε) ≈∫ T0 (f + εhfx + εhfx ) dt

=∫ T0 f dt + ε

∫ T0 (hfx + hfx ) dt

= J(x) + εδJ(x).

J(ε) identik dengan J(x) jika dan hanya jika δJ(x) = 0. Akibatnya,

δJ(x) = 0 ⇔∫ T0 (hfx + hfx ) dt = 0

⇔∫ T0 (fx −

ddt fx )h dt = 0 (dengan integral parsial)

⇔ fx − ddt fx = 0. (Persamaan Euler)

Persamaan Euler kadang kala ditulis dalam bentuk integral:∫fx dt = fx .

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 3 / 85

Persamaan Euler Diperumum

Fungsi f berpeubah banyak

Diberikan fungsional objektif

J(x) =∫ T

0f (x , x , t) dt

dengan x = (x1, x2, . . . , xn) dan x = (x1, x2, . . . , xn).Persamaan Euler:

fxi −ddtfxi = 0, i = 1, 2, . . . , n.

IlustrasiMisalkan f = f (x1, x2, x1, x2, t). Didefinisikan fungsional

J(ε) =∫ T0 f (x1 + ε1h1, x1 + ε1h1, x2 + ε2h2, x2 + ε2h2, t) dt.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 4 / 85

Persamaan Euler Diperumum

Fungsi f berpeubah banyakPenguraian Taylor memberikan

J(ε) ≈∫ T0 (f + ε1h1fx1 + ε1h1fx1 + ε2h2fx2 + ε2h2fx2) dt

=∫ T0 f dt + ε1

∫ T0 (h1fx1 + h1fx1) dt + ε2

∫ T0 (h2fx2 + h2fx2) dt

= J(x) + ε1δJ(x1) + ε2δJ(x2).

J(ε) = J(x) jika dan hanya jika δJ(x1) = 0 dan δJ(x2) = 0. Jadi,

fx1 −ddtfx1 = 0, fx2 −

ddtfx2 = 0.

ExampleTentukan ekstremum dari

J(x) =∫ 10

0(x21 + x

22 + e

t ) dt,

x1(0) = 1, x1(10) = 11, x2(0) = 2, x2(10) = 6.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 5 / 85

Persamaan Euler Diperumum

Fungsi f memuat turunan ke-n

Diberikan fungsional objektif

J(x) =∫ T

0f (x , x , x , . . . , x (n), t) dt

dengan x (i )(0) = x (i )0 dan x (i )(T ) = x (i )T .

Syarat perlu δJ(x) = 0 memberikan∫ T

0

(hfx + hfx + hfx + · · ·+ h(n)fx (n)

)dt = 0.

Integral parsial suku kedua integran:∫ T

0hfx dt = −

∫ T

0hddtfx dt.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 6 / 85

Persamaan Euler Diperumum

Fungsi f memuat turunan ke-n

Integral parsial suku ketiga integran:∫ T

0hfx dt =

∫ T

0hd2

dt2fx dt.

Integral parsial suku ke-n integran:∫ T

0h(n)fx (n) dt = (−1)n

∫ T

0hdn

dtnfx (n) dt.

Syarat perlu δJ(x) = 0 menjadi∫ T

0h(fx −

ddtfx +

d2

dt2fx − · · ·+ (−1)n

dn

dtnfx (n)

)dt = 0.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 7 / 85

Persamaan Euler Diperumum

Fungsi f memuat turunan ke-n

Persamaan Euler-Poisson:

fx −ddtfx +

d2

dt2fx − · · ·+ (−1)n

dn

dtnfx (n) = 0.

ExampleTentukan ekstremum dari

J(x) =∫ 1

0(x2 + x + at) dt,

x(0) = 0, x(0) = 1, x(1) = 1, x(1) = 1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 8 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f tidak memuat x

Diberikan fungsional objektif

J(x) =∫ T

0f (x , t) dt,

sehingga diperoleh fx = 0.Persamaan Euler:

ddtfx = 0⇔ fx x x + fx t = 0.

ExampleTentukan ekstremum dari

J(x) =∫ 1

0(tx + x2) dt,

x(0) = 0, x(1) = 1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 9 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f memuat x sajaDiberikan fungsional objektif

J(x) =∫ T

0f (x) dt,

sehingga diperoleh fx = 0.Persamaan Euler:

ddtfx = 0 ⇔ fx x x = 0

⇔ fx x = 0 atau x = 0.

Example (Masalah Lintasan Terpendek)Tentukan ekstremum dari

J(y) =∫ a

0

√1+ y2dx ,

y(0) = 0, y(a) = b.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 10 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f Tidak Memuat t

Diberikan fungsional objektif

J(x) =∫ T

0f (x , x) dt.

Persamaan Euler:

fx −ddtfx = 0 ⇔ fx − (fx x x + fx x x) = 0

⇔ fx x − fx x x2 − fx x x x = 0

⇔ ddt(f − x fx ) = 0.

Diperoleh persamaan Beltrami:

f − x fx = k.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 11 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f Tidak Memuat t

Example (Brachistochrone Problem)Tentukan ekstremum dari

J(x) =∫ 1

0

√1+ y2

ydx ,

y(0) = 0, y(1) = 1.

Solution (Brachistochrone Problem)Diperoleh

f (y , y) =

√1+ y2

y, fy (y , y) =

y√y(1+ y2)

.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 12 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Solution (Brachistochrone Problem)Persamaan Beltrami f − x fx = k memberikan

1√y(1+ y2)

= k1 ⇔ y(1+ y2) = k2

⇔ y =

√k2y− 1

⇔√

yk2 − y

dy = dx .

⇔ x =∫ √ y

k2 − ydy .

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 13 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Solution (Brachistochrone Problem)

Diperoleh persamaan sikloid (lihat bukti di halaman berikut)

x = −√k2y − y2 − 1

2k2 arcsin(1− 2y

k2

)+ k3.

Nilai awal y(0) = 0 dan y(1) = 1 memberikan

0 = −π4 k2 + k3

1 = −√k2 − 1− 1

2k2 arcsin(1− 2

k2

)+ k3.

Diperoleh k2 = 1.1458 dan k3 = π4 k2 = 0.8999 sehingga

x = −√1.1458y − y2 − 1.1458

2 arcsin(1− 2y

1.1458

)+ 0.8999.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 14 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Brachistochrone Path (please rotate 90◦ clockwise)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

y

x

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 15 / 85

Bukti Integral

Kontribusi Dwilaras Athina (G54120002)

I =∫ √ y

k − y dy

=∫ √ y

k − y ·yydy

=∫ y√

ky − y2dy

=∫ y√

( 12k)2 − (y − 1

2k)2dy

=∫ y√

a2 − (y − a)2dy , a := 1

2k

=∫ u + a√

a2 − u2du, u := y − a.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 16 / 85

Bukti Integral

I =∫ u√

a2 − u2du︸ ︷︷ ︸

I1

+∫ a√

a2 − u2du︸ ︷︷ ︸

I2

.

Dengan integral fungsi trigonometri invers diperoleh

I2 = a arcsinua= a arcsin

y − aa

= − 12k arcsin(1− 2y

k

)+ C2.

Selanjutnya,

I1 = − 12∫ 1√

tdt, t := a2 − u2

= −√t + C1 = −

√a2 − u2 + C1 = −

√a2 − (y − a)2 + C1

= −√2ay − y2 + C1 = −

√ky − y2 + C1. �

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 17 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Another try...

Solution (Brachistochrone Problem)

Pengintegralan kedua ruas memberikan∫ √ y

k2−y dy =∫dx .

Misalkan y = k2 sin2 θ, diperoleh dy = 2k2 sin θ cos θ dθ sehingga

2k2∫sin2 θ dθ =

∫dx ⇔ k2

∫(1− cos 2θ) dθ =

∫dx

⇔ k2(θ − 12 sin 2θ) + k3 = x .

Nilai awal y(0) = 0 membuat θ = 0 dan k3 = 0, sehingga solusi diberikansecara parametrik:

x(θ) = k2(θ − 12 sin 2θ)

y(θ) = k2 sin2 θ.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 18 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Solution (Brachistochrone Problem)

Koefisien k2 diperoleh dengan menggunakan nilai akhir y(1) = 1, yaitu

k2(θ − 12 sin 2θ) = −1k2 sin2 θ = 1

sehingga diperoleh k2 = 1.1458. Solusi masalah brachistochrone diberikanoleh persamaan parametrik

x(θ) = 1.1458(θ − 12 sin 2θ)

y(θ) = 1.1458 sin2 θ.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 19 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f Tidak Memuat t

Example (Minimum Surface Area)Tentukan ekstremum dari

min J = 2π∫ x2

x1y√1+ y2dx

y(x1) = y1,

y(x2) = y2.

Solution

Persamaan Euler dengan f (y , y) = y√1+ y2 memberikan

fy −ddtfy = 0⇔

√1+ y2 − d

dt

[y y√1+ y2

]= 0.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 20 / 85

SolutionSlamet Nuridin (G54130066) menjabarkan:

√1+ y2 =

ddt

[y y√1+ y2

]

⇔√1+ y2 =

(y2 + y y)√1+ y2 − y y 2 y√

1+y 2

1+ y2

⇔ 1+ y2 =(y2 + y y)(1+ y2)− y y2y

1+ y2

⇔ (1+ y2)2 = y2 + y4 + y y + y y2y − y y2y⇔ 1+ 2y2 + y4 = y2 + y4 + y y .

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 21 / 85

SolutionDiperoleh persamaan diferensial taklinear berikut

y y − y2 = 1.

Misalkan u = y/y sehingga didapatkan

u =y y − y2y2

=1y2

dan kemudianu = −2y

y3= −2uu.

Jadiu + 2uu = 0⇔ u + u2 = k2.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 22 / 85

SolutionSelanjutnya

u = k2 − u2 ⇔ uk2 − u2 = 1

⇔∫ duk2 − u2 =

∫dx

⇔ − 12k ln

∣∣∣∣u − ku + k

∣∣∣∣ = x + c1⇔ ln

∣∣∣∣u − ku + k

∣∣∣∣ = −2kx + c2⇔ u − k

u + k= ce−2kx

⇔ u(x) = −k + kce−2kx

ce−2kx − 1 .

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 23 / 85

Karena

u = −−2k2ce−2kx (ce−2kx − 1)− (k + kce−2kx )(−2kce−2kx )

(ce−2kx − 1)2

=2kce−2kx [k(ce−2kx − 1)− (k + kce−2kx )]

(ce−2kx − 1)2

= − 4k2ce−2kx

(ce−2kx − 1)2 =1y2,

maka1y=2k√−ce−kx

ce−2kx − 1 ⇔ y(x) =ce−2kx − 12k√−ce−kx

.

Misal diberikan nilai awal y(0) = 5 dan y(2) = 1 maka

c − 12k√−c

= 5

ce−4k − 12k√−ce−2k

= 1

sehingga diperoleh c = −0.00954 dan k = −1.033 7.tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 24 / 85

y(x) =−0.00954e2(1.033 7)x − 1

2(−1.033 7)√0.00954e1.033 7x

.

­1 0 1 2 3 4

2

4

6

8

10

x

y

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 25 / 85

ProblemDari contoh soal terakhir, masalah luas permukaan terkecil memiliki solusiberbentuk

y(x) =−ce−2kx − 12k√ce−kx

,

dengan c dan k merupakan koefisien-koefisien yang nilainya dapatditentukan dari kondisi awal. Namun demikian, di beberapa buku,misalnya Brunt (2004), solusi masalah luas permukaan terkecil dituliskandalam bentuk kurva catenoid

y(x) = C1 cosh(x + C2C1

).

Tunjukkan bahwa kedua solusi di atas ekuivalen.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 26 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f Tidak Memuat x

Diberikan fungsional objektif J(x) =∫ T0 f (x , t) dt.

Persamaan Euler:

fx −ddtfx = 0⇔ fx = 0

yang merupakan persamaan aljabar biasa sehingga tidak memiliki freeparameter (koefisien integrasi).

ExampleSeorang pengusaha ingin memaksimumkan fungsional pendapatan∫ T0 R(x) dt dengan R(x) = xp(x) dan p(x) = −ax + b (fungsipermintaan). Tentukan tingkat produksi optimal x∗(t).

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 27 / 85

Persamaan Euler

ExampleSeorang pengusaha ingin memaksimumkan fungsional keuntungan∫ T0 π(x) dt dengan π(x) = xp(x)− (ax2 + bx + c). Tentukan tingkatproduksi optimal x∗(t).

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 28 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Fungsi f Linear terhadap x

Diberikan fungsional objektif J(x) =∫ T0 f (x , t) dt dengan

f (x , x , t) = a(x , t) + b(x , t)x .

Persamaan Euler:

fx −ddtfx = 0⇔ ax + bx x −

dbdt= 0.

Karenaddtb(x , t) = bx x + bt ⇔ −bt = bx x −

dbdt,

maka diperoleh kondisiax − bt = 0,

yang merupakan persamaan aljabar biasa.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 29 / 85

Kasus Khusus Persamaan Euler

Example

Jika J(x) =∫ T0 (x

2 + 3xtx) dt maka persamaan Euler memberikan

2x − 3x = 0⇔ x∗ ≡ 0.

Example

Diberikan fungsional J(x) =∫ T0 (px − (ax2 + bx + c + dx)) dt.

Definisikan

a(x , t) = px − ax2 − bx − c = −ax2 + (p − b)x − c ,b(x , t) = −d .

Persamaan Euler memberikan

ax − bt = 0⇔ −2ax + p − b = 0⇔ x∗ =p − b2a

.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 30 / 85

Persamaan Euler: Ringkasan

Problem (Degenerate Case)Tentukan ekstremum dari

J =∫ 1

0((t2 + 3x2)x + 2tx) dt, x(0) = 1, x(1) = 2.

Kasus Persamaan Eulerf (x1, . . . , xn, x1, . . . , xn, t) fxi − d

dt fxi = 0, i = 1, . . . , n.f (x , x , x , . . . , x (n), t) fx +∑n

k=1(−1)i dk

dtk fx (k ) = 0f (x , t) fx x x + fx t = 0f (x) fx x x = 0f (x , x) f − x fx = kf (x , t) fx = 0f = a(x , t) + b(x , t)x ax − bt = 0

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 31 / 85

MKV Berkendala

Kendala titik dan kendala PDDiberikan masalah variasi berkendala berikut

opt J(x) =∫ T

0f (x , x , t) dt, x = (x1, . . . , xn)ᵀ

s.t. gi = 0, 1 ≤ i ≤ r ≤ nx(0) = x0x(T ) = xT .

Jika gi = gi (x , x , t) maka disebut kendala PD. Jika gi = gi (x , t) makadisebut kendala titik.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 32 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange

Masalah pengoptimuman berkendala dalam kalkulus biasa:

max z := f (x1, x2)s.t. g(x1, x2) = 0.

Fungsi Lagrange:

L(x1, x2,λ) = f (x1, x2) + λg(x1, x2).

FOC:

∂L∂x1

= 0⇔ fx1 + λgx1 = 0,

∂L∂x2

= 0⇔ fx2 + λgx2 = 0,

∂L∂λ= 0⇔ g(x1, x2) = 0.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 33 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange

Definisikan fungsi Lagrange:

L := f (x , x , t) + λ(t) · g(x , x , t),

dengan

λ(t) =

λ1(t)...

λr (t)

, g(x , x , t) = g1(x , x , t)

...gr (x , x , t)

.Maka

L := f (x , x , t) +r

∑i=1

λi (t)gi (x , x , t).

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 34 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange

Definisikan fungsional imbuhan (augmented functional):

JL :=∫ T

0L(x , x , t,λ) dt.

Variasi pertama dari JL

δJL =∫ T

0

(Lxh1 + Lx h1 + Lλh2

)dt

(integral by part) =∫ T

0

[(Lx −

ddtLx

)h1 + Lλh2

]dt.

Syarat (perlu) optimalitas: δJL = 0 dan kendala terpenuhi, yaitu

Lx −ddtLx = 0∧ Lλ = 0.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 35 / 85

MKV Berkendala: Metode Lagrange

Karena L := f (x , x , t) +∑ri=1 λi (t)gi (x , x , t) maka

Lx =

∂f∂x1...

∂f∂xn

+

∂g1∂x1

· · · ∂gr∂x1

......

∂g1∂xn

· · · ∂gr∂xn

λ1

...λr

= fx + gxλ

Lx = fx + gxλ.

Untuk kendala titik, yaitu gi = gi (x , t), maka

Lx = fx =

∂f∂x1...

∂f∂xn

.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 36 / 85

MKV Berkendala Titik

ExampleSelesaikan masalah kalkulus variasi berkendala titik berikut:

min J =∫ T

0

√1+ y zx

dx

s.t y = z + 1

y(0) = 0, y(T ) = yT .

Solution (Metode Lagrange)Definisikan fungsi Lagrange:

L =(1+ y zx

)1/2

+ λ(y − z − 1).

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 37 / 85

MKV Berkendala Titik

Solution (Metode Lagrange, lanjutan...)Persamaan Euler bagi L diberikan oleh:

Ly −ddxLy = 0 ⇔ λ− d

dxz

2√x(1+ y z)

= 0,

Lz −ddxLz = 0 ⇔ −λ− d

dxy

2√x(1+ y z)

= 0.

Eliminasi terhadap λ memberikan

ddx

y + z√x(1+ y z)

= 0⇔ y + z√x(1+ y z)

= k1.

Syarat Lλ = 0 memberikan y = z + 1⇒ y = z , sehingga diperoleh

y√x(1+ y2)

= k2 ⇔ y =√

xk3 − x

⇔ y =∫ √ x

k3 − xdx .

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 38 / 85

MKV Berkendala Titik

Solution (Metode Substitusi)Dengan menyubstitusikan z = y , masalah kalkulus variasi dapat direduksimenjadi

min J =∫ T

0

√1+ y2

xdx

y(0) = 0, y(T ) = yT .

Persamaan Euler fy − ddx fy = 0 memberikan syarat optimalitas yang sama

dengan metode Lagrange, yaitu:

ddx

y√x(1+ y2)

= 0⇔ y√x(1+ y2)

= k2 ⇔ y =∫ √ x

k3 − xdx .

Untuk menghitung integral di atas, lihat bukti integral oleh Athina (2014).

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 39 / 85

MKV Berkendala PD

ExampleSelesaikan masalah kalkulus variasi berkendala PD berikut:

min J =∫ 1

0

12 (x

21 + x

22 ) dt

s.t x1 = x2x1(0) = x2(0) = 0

x1(1) = e − 2x2(1) = e − 1.

Solution (Metode Lagrange)Definisikan fungsi Lagrange

L = 12 (x

21 + x

22 ) + λ(x2 − x1).

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 40 / 85

MKV Berkendala PD

Solution (Metode Lagrange, lanjutan...)

Syarat orde pertama (persamaan Euler):

Lx1 −ddtLx1 = 0⇔ d

dt(x1 − λ) = 0⇔ x1 − λ = k1,

Lx2 −ddtLx2 = 0⇔ λ− d

dt(x2) = 0⇔ x2 = λ.

Dari kedua syarat di atas dan Lλ = 0⇔ x1 = x2 diperoleh PD:

x2 = x2 − k1 ⇔ x2(t) = c1et + c2e−t + k1⇒ x1(t) = c1et − c2e−t + k1t + k2.

Syarat-syarat awal memberikan c1 = 1, c2 = 0, k1 = k2 = −1, sehingga

x∗1 (t) = et − t − 1,x∗2 (t) = et − 1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 41 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Kendala Isoperimetrik (iso: sama, perimeter : keliling)

Awalnya: masalah mencari daerah terluas yang dimiliki oleh kurvatertutup dengan keliling sama, K .

Bacalah kisah Queen Dido of Carthage (814 SM).Sekarang: masalah variasi dengan kendala integral:

opt J(x) =∫ T

0f (x , x , t) dt, x = (x1, . . . , xn)ᵀ

s.t.∫ T

0gi (x , x , t) dt = `i (konst.), 1 ≤ i ≤ r ≤ n

x(0) = x0, x(T ) = xT .

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 42 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Definisikan

yi (t) =∫ t

0gi (x(s), x(s), s) ds

sehingga diperoleh

yi (0) = 0,

yi (T ) = `i ,

yi (t) = gi (x , x , t)⇔ yi − gi (x , x , t)︸ ︷︷ ︸Gi (x ,x ,t)

= 0.

Masalah kendala isoperimetrik berubah menjadi kendala PD:

opt J(x) =∫ T

0f (x , x , t) dt

s.t. Gi (x , x , t) = 0, 1 ≤ i ≤ r ≤ n.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 43 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

ExampleSelesaikan masalah variasi berkendala isoperimetrik

max J(x) =∫ 1

0x2 dt

s.t.∫ 1

0(1+ x) dt = 3,

x(0) = 0,

x(1) = 1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 44 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Solution

Definisikan y(t) :=∫ t0 (1+ x(s)) ds sehingga diperoleh y(0) = 0,

y(1) = 3, dan y(t) = 1+ x(t). MKV berkendala isoperimetrik berubahmenjadi MKV berkendala PD:

max J(x) =∫ 1

0x2 dt s.t. y − 1− x = 0.

Definisikan fungsi Lagrange

L := x2 + λ(1+ x − y).

Persamaan Euler:

Lx −ddtLx = 0 ⇔ λ− d

dt(2x) = 0⇔ x = 1

Ly −ddtLy = 0 ⇔

ddt(λ) = 0⇔ λ(t) = A.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 45 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

SolutionDari dua kondisi di atas diperoleh:

x = 12A⇔ x = 1

2At + B ⇔ x(t) = 14At

2 + Bt + C .

Dari x(0) = 0 dan x(1) = 1 diperoleh C = 0 dan B = 1− 14A, sehingga

x(t) = 14At

2 + (1− 14A)t.

Syarat perlu Lλ = 0⇔ y = 1+ x ⇔∫ 10 (1+ x) dt = 3 memberikan∫ 1

0(1+ 1

4At2 + (1− 1

4A)t) dt = 3⇔ A = −36.

Jadi ekstremum dari masalah variasi di atas adalah

x∗(t) = −9t2 + 10t.tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 46 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Example (Dido Problem)

Sebuah kurva x = x(t) memiliki panjang K dan kedua ujungnyamenghubungkan titik-titik A(a, 0) dan B(b, 0), dengan a < b. Tentukankurva x sedemikian sehingga memiliki luas daerah di bawah kurva terbesar.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 47 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Solution (Dido Problem)Luas daerah di bawah kurva

J(x) =∫ ba x(t) dt.

Panjang kurva: dK =√dt2 + dx2 =

√1+ x2dt,sehingga

K =∫ ba

√1+ x2 dt.

Masalah variasi:

max J(x) =∫ ba x(t) dt

s.t.∫ ba

√1+ x2 dt = K ,

x(a) = 0,

x(b) = 0.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 48 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Solution (Dido Problem, lanjutan ...)

Definisikan y(t) :=∫ ta

√1+ x2 ds sehingga diperoleh y(a) = 0,

y(b) = K , dan y(t) =√1+ x2. Definisikan fungsi Lagrange

L := x + λ(√

1+ x2 − y).

Persamaan Euler terhadap y memberikan Ly − ddt Ly = 0⇔

dλdt = 0

sehingga λ(t) = C. Persamaan Euler terhadap x:

Lx −ddtLx = 0 ⇔ 1− λ

ddt

(x√1+ x2

)= 0

⇔ Cd(

x√1+ x2

)= dt

⇔ Cx√1+ x2

= t + k1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 49 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Solution (Dido Problem, lanjutan ...)Pemisahan peubah:

C 2x2

1+ x2= (t + k1)2 ⇔ (C 2 − (t + k1)2)x2 = (t + k1)2

⇔ x = ± t + k1√C 2 − (t + k1)2

⇔ x(t) = ±√C 2 − (t + k1)2 + k2.

Diperoleh persamaan lingkaran berpusat di (−k1, k2) berjari-jari C :

x − k2 = ±√C 2 − (t + k1)2 ⇔ (x − k2)2 + (t + k1)2 = C 2.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 50 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

Solution (Dido Problem, lanjutan ...)Karena kedua titik A dan B berada di sumbu-t maka k2 = 0 dan−k1 = a+b

2 sehingga

x(t) =√C 2 − (t − a+b

2 )2.

Untuk menentukan pengganda Lagrange λ(t) = C :

∫ ba

√1+ x2 dt = K ⇔

∫ b

a

√1+

(t − a+b2 )

2

C 2 − (t − a+b2 )

2dt = K .

Cara mudah: Jari-jari lingkaran: C , keliling 12 lingkaran: K = πC,

sehingga C = Kπ . Dengan demikian persamaan lingkaran diberikan oleh

x2 + (t − a+b2 )

2 = K 2π2.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 51 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

ProblemSelesaikan MKV berkendala isoperimetrik berikut:

min∫ 10 x

2 dt

s.t.∫ 10 x dt = 1, x(0) = 0, x(1) = 2.

ProblemSelesaikan MKV berkendala isoperimetrik berikut:

min∫ 10 x

2 dt

s.t.∫ 10 x

2 dt = 2, x(0) = 0, x(1) = 1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 52 / 85

MKV Berkendala Isoperimetrik

ProblemTentukan kurva AB yang memenuhi kondisi-kondisi berikut:

melewati titik-titik A(0, 4) dan B(4, 4),

memiliki luas daerah di bawah kurva K,

panjang kurva minimum.

ProblemSelesaikan MKV berkendala isoperimetrik berikut:

1 min∫ T0 e

−rtx dt s.t.∫ T0

√x dt = A.

2 min∫ b0

√1+ x2 dt s.t.

∫ b0 x dt = c, b, c > 0.

3 min∫ 10 (2x − x2) dt s.t.

∫ 10 tx dt = 1.

tbakhtiar@ipb.ac.id (IPB) MAT332 Kontrol Optimum Februari 2020 53 / 85

top related