KOMBINASI METODE ABABNEH DAN METODE NEWTON DENGAN ORDE KONVERGENSI OPTIMAL UNTUK MENYELESAIKAN PERSAMAAN NONLINEAR KARYA ILMIAH OLEH ISKA LAILATUL KAINI NIM. 1403123628 PROGRAM STUDI S1 MATEMATIKA JURUSAN MATEMATIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU 2019
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
KOMBINASI METODE ABABNEH DAN METODE
NEWTON DENGAN ORDE KONVERGENSI
OPTIMAL UNTUK MENYELESAIKAN
PERSAMAAN NONLINEAR
KARYA ILMIAH
OLEH
ISKA LAILATUL KAININIM. 1403123628
PROGRAM STUDI S1 MATEMATIKA
JURUSAN MATEMATIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU
2019
KOMBINASI METODE ABABNEH DAN METODENEWTON DENGAN ORDE KONVERGENSI
OPTIMAL UNTUK MENYELESAIKANPERSAMAAN NONLINEAR
Iska Lailatul Kaini
Mahasiswa Program Studi S1 MatematikaJurusan Matematika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas RiauKampus Bina Widya, Pekanbaru 28293
This article discusses an iterative method for solving nonlinear equations, by com-bining Ababneh’s iterative method of order four with Newton’s iterative method.The method has eight order of convergence with three function evaluations and onefirst derivative function evaluation so that based on Traub’s conjecture the methodis optimal. Numerical comparisons show that this method is comparable to theother eighth methods.
Keywords: Traub’s conjecture, iterative method, Newton’s method, nonlinear equa-tions, order of convergence
ABSTRAK
Artikel ini membahas metode iterasi untuk menyelesaikan persamaan nonlinear, den-gan meng-upgrade metode iterasi Ababneh berorde konvergensi empat dengan caramenambah satu langkah metode iterasi Newton. Metode ini berorde konvergensidelapan dengan tiga evaluasi fungsi dan satu evaluasi fungsi turunan pertama se-hingga berdasarkan conjecture Traub metode ini optimal. Perbandingan numerikmenunjukkan bahwa metode ini sebanding dengan metode orde delapan lainnya.
Kata kunci: Conjecture Traub, metode iterasi, metode Newton, persamaan nonli-near, orde konvergensi
1. PENDAHULUAN
Salah satu masalah yang sering dijumpai di dalam matematika adalah mencariakar-akar yang memenuhi persamaan nonlinear f(x) = 0. Metode analitik danmetode numerik bisa digunakan untuk menyelesaikan persamaan nonlinear. Tetapi,
1
adakalanya dimana persamaan nonlinear tidak dapat diselesaikan dengan menggu-nakan metode analitik dan hanya bisa diselesaikan dengan metode numerik. Metodeanalitik merupakan metode yang solusinya memiliki nilai kesalahan sama dengannol. Sedangkan metode numerik adalah teknik untuk memformulasikan persoalanmatematika dengan operasi hitung dan logika serta menggunakan prosedur yangdapat dikerjakan oleh komputer.
Banyak metode iterasi di dalam metode numerik yang bisa digunakan untukmenyelesaikan persamaan f(x) = 0, salah satunya metode Newton dengan bentukiterasinya sebagai berikut [5, h. 274]:
xn+1 = xn −f(xn)
f ′(xn), n = 0, 1, . . . , (1)
dengan tebakan awal x0.Dalam perkembangannya, metode Newton banyak mengalami modifikasi, yang
bertujuan untuk meningkatkan orde konvergensi dan juga untuk mengurangi nilaierror, selisih antara solusi eksak dengan solusi numerik yang didapat. Ababneh [1]menemukan varian baru metode Newton berorde empat yang bebas dari turunan ke-dua, yang mana pada iterasinya menggunakan dua evaluasi fungsi dan satu evaluasifungsi turunan pertama untuk menyelesaikan persamaan nonlinear dengan bentukiterasi sebagai berikut:
yn = xn −f(xn)
f ′(xn),
xn+1 = yn −2f(yn)
f ′(xn)+
f(yn)(f(xn) + (β − 2)f(yn))
f ′(xn)(f(xn) + βf(yn))
− f ′(xn)f(yn)
f(xn)(f(xn) + βf(yn))(f(yn)
f ′(xn))2,
(2)
dengan β ∈ R.Banyak cara yang bisa digunakan untuk meningkatkan orde konvergensi, salah
satunya adalah dengan menambahkan langkah iterasi. Oleh karena itu, untukmeningkatkan orde konvergensi metode (2) Salimi et al. [7] menambahkan satulangkah iterasi, yang mana metode ini akan memerlukan empat evaluasi fungsiyaitu tiga evaluasi fungsi dan satu evaluasi fungsi turunan pertama dan mempu-nyai orde konvergensi delapan. Jadi, berdasarkan Conjecture Traub metode yangdikemukakan Salimi adalah optimal [6].
Pada artikel ini di bagian kedua dibahas kombinasi metode Ababneh dan metodeNewton dengan konvergensi optimal yang merupakan review dari artikel Salimi etal. [7], kemudian dilanjutkan di bagian ketiga dengan melakukan uji komputasimenggunakan tiga persamaan nonlinear.
2
2. KOMBINASI METODE ABABNEH DAN METODE NEWTONDENGAN ORDE KONVERGENSI OPTIMAL
Pada bagian ini dibahas metode Ababneh tiga langkah dengan cara menggabungkanmetode Ababneh dua langkah dengan metode Newton. Iterasi metode Ababneh dualangkah berbentuk sebagai berikut:
yn = xn −f(xn)
f ′(xn),
xn+1 = yn −2f(yn)
f ′(xn)+
f(yn)(f(xn) + f(yn)(β − 2))
f ′(xn)(f(xn) + βf(yn))
− f ′(xn)f(yn)
f(xn)(f(xn) + βf(yn))
( f(yn)
f ′(xn)
)2
,
(3)
dan memiliki konvergensi orde empat [1]. Selanjutnya dengan menambahkan metodeNewton pada langkah ketiga dari persamaan (3) diperoleh
yn = xn −f(xn)
f ′(xn),
zn = yn −2f(yn)
f ′(xn)+
f(yn)(f(xn) + f(yn)(β − 2))
f ′(xn)(f(xn) + βf(yn))
− f ′(xn)f(yn)
f(xn)(f(xn) + βf(yn))
( f(yn)
f ′(xn)
)2
,
xn+1 = zn −f(zn)
f ′(zn).
(4)
Kemudian nilai f ′(zn) ditaksir dengan menggunakan bentuk ekspansi Taylor ordedua dari f(x) di sekitar x = yn, yaitu
f(x) = f(yn) + f ′(yn)(x− yn) +1
2f ′′(yn)(x− yn)
2. (5)
Selanjutnya, nilai f(zn) ditaksir menggunakan persamaan (5) dan dievaluasi di se-kitar x = zn sehingga diperoleh
f(zn) = f(yn) + f ′(yn)(zn − yn) +1
2f ′′(yn)(zn − yn)
2. (6)
Kemudian, persamaan (5) diturunkan terhadap x dan dievaluasi di sekitar x = znsehingga didapat
f ′(zn) = f ′(yn) + f ′′(yn)(zn − yn). (7)
Dari persamaan (6) diperoleh nilai f ′(yn), yaitu
f ′(yn) =f(zn)− f(yn)
zn − yn− 1
2f ′′(yn)(zn − yn),
3
atau
f ′(yn) = f [zn, yn]−1
2f ′′(yn)(zn − yn). (8)
Untuk menghindari perhitungan fungsi turunan kedua pada persamaan (8), nilaif ′′(yn) ditaksir dengan menggunakan metode beda terbagi, yaitu
f ′′(yn) =2(f [zn, xn]− f ′(xn))
zn − yn, (9)
dengan f [zn, xn] = (f(zn)−f(xn))/(zn−xn) menyatakan beda terbagi orde pertama[4, h.125]. Persamaan (9) dapat juga ditulis menjadi
f ′′(yn) = 2f [zn, xn, xn], (10)
dimana f [zn, xn, xn] merupakan beda terbagi orde kedua [2, h. 127].Selanjutnya, persamaan (8) dan (10) disubstitusikan ke persamaan (7), sehingga
didapatf ′(zn) = f [zn, yn] + f [zn, xn, xn](zn − yn). (11)
Kemudian, persamaan (11) disubstitusikan ke bentuk ketiga dari persamaan (4),sehingga diperoleh
yn = xn −f(xn)
f ′(xn),
zn = yn −2f(yn)
f ′(xn)+
f(yn)(f(xn) + f(yn)(β − 2))
f ′(xn)(f(xn) + βf(yn))
− f ′(xn)f(yn)
f(xn)(f(xn) + βf(yn))
( f(yn)
f ′(xn)
)2
,
xn+1 = zn −f(zn)
f [zn, yn] + f [zn, xn, xn](zn − yn).
(12)
Selanjutnya, bentuk ketiga dari persamaan (12) ditambah dengan fungsi bobotη(tn) dan φ(un) sehingga didapat
yn = xn −f(xn)
f ′(xn),
zn = yn −2f(yn)
f ′(xn)+
f(yn)(f(xn) + f(yn)(β − 2))
f ′(xn)(f(xn) + βf(yn))
− f ′(xn)f(yn)
f(xn)(f(xn) + βf(yn))
( f(yn)
f ′(xn)
)2
,
xn+1 = zn −f(zn)η(tn)φ(un)
f [zn, yn] + f [zn, xn, xn](zn − yn),
(13)
dengan
tn =f(yn)
f(xn), (14)
4
dan
un =f(zn)
f(xn). (15)
Persamaan (13) disebut dengan metode Ababneh tiga langkah. Selanjutnya,akan diselidiki orde konvergensi metode iterasi pada persamaan (13).
3. ANALISIS KEKONVERGENAN
Analisis kekonvergenan dari metode (13) dibahas pada Teorema 1.
Teorema 1 Misalkan fungsi f : D ⊂ R → R, η, dan φ terdiferensial secukupnyadan fungsi f memiliki pembuat nol sederhana, x∗ ∈ D. Jika tebakan awal x0 adalahcukup dekat x∗, maka metode iterasi pada persamaan (13) konvergen ke akar denganorde konvergensi delapan selama dipenuhi kondisi
Bukti. Misalkan fungsi f memiliki x∗ pembuat nol sederhana dan f ′(x∗) ̸= 0.Dengan melakukan ekspansi Taylor dari f(x) di sekitar x = x∗, hingga orde sembilandan mengabaikan orde yang lebih tinggi sehingga diperoleh
f(x) = f(x∗) + f ′(x∗)(x− x∗) +1
2!f ′′(x∗)(x− x∗)2
+1
3!f ′′′(x∗)(x− x∗)3 +
1
4!f (4)(x∗)(x− x∗)4
+1
5!f (5)(x∗)(x− x∗)5 +
1
6!f (6)(x∗)(x− x∗)6
+1
7!f (7)(x∗)(x− x∗)7 +
1
8!f (8)(x∗)(x− x∗)8
+O(x− x∗)9. (16)
Selanjutnya, persamaan (16) dievaluasi di sekitar x = xn, mengingat en = xn − x∗
[10] dan f(x∗) = 0 setelah penyederhanaan didapat
f(xn) = f ′(x∗)
(en + c2e
2n + c3e
3n + c4e
4n + c5e
5n + c6e
6n + c7e
7n + c8e
8n
)+O(e9n),
(17)
dengan
ck =1
k!
f (k)(x∗)
f ′(x∗), k = 2, . . . , 8.
Selanjutnya untuk mendapatkan f ′(xn) dilakukan proses yang sama sebagaimana
5
mendapatkan persamaan (17) sehingga diperoleh
f ′(xn) = f ′(x∗)
(1 + 2c2en + 3c3e
2n + 4c4e
3n + 5c5e
4n + 6c6e
5n + 7c7e
6n
+ 8c8e7n + 98e
8n
)+O(e9n). (18)
Kemudian, persamaan (17) dan persamaan (18) disubstitusikan ke bentuk per-tama pada persamaan (13) dengan xn = en + x∗, sehingga didapat
Agar C4 = 0, untuk menyederhanakan perhitungan diambil
η(0) = 1 dan φ(0) = 1. (28)
Kemudian, nilai (28) disubstitusikan ke C5 pada persamaan (27) sehingga diperoleh
C5 = (−2βc42 − 4c42 + c2c3)η′(0) = 0.
7
Agar C5 = 0, haruslah memenuhi
η′(0) = 0. (29)
Langkah selanjutnya nilai (28) dan (29) disubstitusikan ke C6 pada persamaan (27)sehingga didapat
C6 = (−βc52 +1
2c32 − 2c52)η
′′(0) = 0.
Agar diperoleh C6 = 0, haruslah memenuhi
η′′(0) = 0. (30)
Kemudian, nilai (28), (29) dan (30) disubstitusikan ke C7 pada persamaan (27)sehingga
C7 = (−1
2c62 −
1
3βc62 +
1
6c42c3)η
(3)(0) + (−16c62 − 16βc62 + 4βc42c3 + 8c42c3
− 4β2c62 − c23c22)φ
′(0)− 4βc42c3 + 2c23c
22 − 8c42c3 = 0.
Agar C7 = 0, haruslah memenuhi
η(3)(0) = −24(2 + β) dan φ′(0) = 2. (31)
Selanjutnya, nilai (28), (29), (30) dan (31) disubstitusikan ke C8 pada persamaan(27) sehingga diperoleh
en+1 =
(8β3c72 + (32c72 − 4c52c3)β
2 + (2c42c4 − 12c52c3 + 16c72)β − c3c4c22
+ 4c42c4 + 2c23c32 − 32c72
)e8n +O(e9n).
Persamaan (13) merupakan metode iterasi Ababneh tiga langkah yang memiliki ordekonvergensi delapan dengan parameter β, dimana β ∈ R. 2
Dari hasil Teorema 1 diperoleh beberapa fungsi bobot dari η(tn) dan φ(un) se-bagai berikut:
η(tn) = 1− 4(2 + β)t3n,φ(un) = 1 + 2un,
}(32)
η(tn) = 1− 4β + 8
1 + 2tnt3n,
φ(un) =1 + 3un
1 + un
,
(33)
η(tn) =1 + tn − 4βt3n1 + tn + 8t3n
,
φ(un) = 3− 2
1 + un
.
(34)
8
3. SIMULASI NUMERIK
Simulasi numerik digunakan untuk membandingkan metode Ababneh tiga langkahdengan metode Bi-Ren-Wu [3], metode Thukral-Petkovic [8] dan metode Wang-Liu[9]. Adapun fungsi-fungsi yang digunakan dalam melakukan perbandingan metodeyang didiskusikan adalah
Untuk melakukan uji komputasi dari ketiga contoh persamaan nonlinear digu-nakan program Maple 13 dengan toleransi 1.0×10−300. Adapun kriteria pemberhen-tian program komputasi adalah |f(xn+1)| ≤ toleransi atau |xn+1 − x∗| ≤ toleransiataupun |xn+1−xn| ≤ toleransi dan jumlah iterasi sudah mencapai maksimum iterasiyaitu 100.
Kemudian, untuk mempermudah dalam penyajian metode Ababneh tiga langkahdengan fungsi bobot pada persamaan (32), (33) dan (34) disingkat menjadi MAT1,MAT2 dan MAT3, metode Bi-Ren-Wu disingkat menjadi BRW, metode Thukral-Petkovic disingkat menjadi TP dan metode Wang-Liu dapat disingkat menjadi WL.Hasil dari perbandingan komputasi untuk ketiga fungsi ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1: Perbandingan hasil komputasi dari beberapa metode iterasi
fi Metode n+ 1 |f(xn+1)| |xn+1 − x∗| |xn+1 − xn| COC ACOC
Kolom pertama pada Tabel 1 menyatakan fungsi nonlinear yang digunakan,kolom kedua menyatakan metode iterasi yang dibandingkan, kolom ketiga menya-takan jumlah iterasi, kolom keempat menyatakan harga mutlak fungsi untuk setiap
9
akar pendekatan pada masing-masing metode, kolom kelima menyatakan selisih dariiterasi ke n + 1 dengan akar eksak, kolom keenam menyatakan selisih dari dua ite-rasi yang berdekatan pada setiap metode, kolom ketujuh menyatakan nilai COCpada setiap metode dan kolom kedelapan menyatakan ACOC dari masing-masingmetode.
Tabel 1 menunjukkan bahwa metode yang digunakan dapat menemukan akarhampiran yang diharapkan untuk semua fungsi yang diberikan dengan toleransisebesar 1.0×10−300. Dalam segi jumlah iterasi setiap metode hampir tidak memilikiperbedaan jumlah iterasi pada setiap fungsinya.
Berdasarkan Tabel 1 dapat dilihat bahwa metode MAT1, MAT2 dan MAT3 cukupbaik terlihat dari nilai fungsi, nilai selisih iterasi dengan akar eksak serta selisihdua iterasi yang berdekatan dibandingkan dengan metode BRW pada fungsi per-tama mem- berikan nilai yang sangat jauh berbeda diantara metode lain. Demikianpula dengan metode TP yang mana pada fungsi kedua memberikan nilai COC danACOC yang signifikan diantara metode lainnya.
Berdasarkan Tabel 1 dapat diketahui bahwa untuk mencari orde konvergensisecara komputasi tidak hanya menggunakan formula COC tetapi juga dapat meng-gunakan ACOC yaitu dengan menghitung selisih iterasi yang berdekatan. Tetapi,adakalanya dengan menggunakan formula ACOC hasilnya tidak selalu benar denganorde konvergensi sebenarnya.
Jadi, dari hasil perbandingan komputasi pada Tabel 1 metode Ababneh tigalangkah dengan menggunakan ketiga fungsi bobot dapat dijadikan salah satu metodealternatif untuk mencari akar persamaan nonlinear.
Ucapan Terima kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. ImranM., M.Sc. yang telah memberikan arahan dan bimbingan dalam penulisan artikelini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] O. Y. Ababneh, New fourth order iterative methods second derivative free, Jour-nal of Applied Mathematics and Physics, 4 (2016), 519–523.
[2] K. E. Atkinson dan W. Han Elementary Numerical Analysis, Third Edition,John Wiley & Sons, Inc., New York, 2004.
[3] W. Bi, H. Ren dan Q. Wu, Three-step iterative methods with eight-order con-vergence for solving nonlinear equations, Journal of Computation and AppliedMathematics 225(2009), 105–112.
[4] R. L. Burden dan J. D. Faires, Numerical Analysis, Ninth Edition, Brooks Cole,Boston, 2011.
[5] W. Gautschi, Numerical Analysis, Second Edition, Springer Science, New York,2011.
10
[6] H. T. Kung dan J. F. Traub, Optimal order of one-point and multipoint itera-tion, Journal of the Association for Computing Machinery, 21 (1974), 643–651.
[7] M. Salimi, N. M. A. N. Long, S. Sharifi dan B. A. Pansera, A multi-point iter-ative method for solving nonlinear equations with optimal order of convergence,Japan Journal Industry Applied Mathematics, 35(2018), 497–509.
[8] R. Thukral dan M. S. Petkovic, A family of three-point methods of optimalorder for solving nonlinear equations, Journal of Computational and AppliedMathematics, 233 (2010), 2278–2284.
[9] X. Wang dan L. Liu, Modified Ostrowski’s method with eight-order convergenceand high efficiency index, Applied Mathematics Letters, 23 (2010), 549–554.
[10] S. Weerakoon dan T. G. I. Fernando, A variant of Newton’s method with acce-lerated third order convergence, Applied Mathematics Letters, 13 (2000), 87–93.