49
PERSAMAAN DIFERENSIAL (DIFFERENTIAL EQUATION) METODE EULER METODE RUNGE-KUTTA

PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

PERSAMAAN DIFERENSIAL

(DIFFERENTIAL EQUATION)

M E T O D E E U L E R

M E T O D E R U N G E - K U T T A

Page 2: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

PERSAMAAN DIFERENSIAL

• Persamaan paling penting dalam bidang rekayasa,

paling bisa menjelaskan apa yang terjadi dalam

sistem fisik.

• Menghitung jarak terhadap waktu dengan

kecepatan tertentu, 50 misalnya.

50dt

dx

Page 3: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)
Page 4: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Rate equations

Page 5: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

PERSAMAAN DIFERENSIAL

• Solusinya, secara analitik dengan integral,

• C adalah konstanta integrasi

• Artinya, solusi analitis tersebut terdiri dari banyak

‘alternatif’

• C hanya bisa dicari jika mengetahui nilai x dan t.

Sehingga, untuk contoh di atas, jika x(0) = (x saat

t=0) = 0, maka C = 0

dtdx 50 Ctx 50

Page 6: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

KLASIFIKASI PERSAMAAN DIFERENSIAL

Persamaan yang mengandung turunan dari satu

atau lebih variabel tak bebas, terhadap satu atau

lebih variabel bebas.

• Dibedakan menurut:

• Tipe (ordiner/biasa atau parsial)

• Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

• Liniarity (linier atau non-linier)

Page 7: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

SOLUSI PERSAMAAN DIFERENSIAL

• Secara analitik, mencari solusi persamaan

diferensial adalah dengan mencari fungsi integral

nya.

• Contoh, untuk fungsi pertumbuhan secara

eksponensial, persamaan umum:

kPdt

dP

Page 8: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Rate equations

Page 9: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

But what you really want to know is…

the sizes of the boxes (or state variables) and how they change through time

That is, you want to know:

the state equations

There are two basic ways of finding the state equations for the state variables based on your known rate equations:

1) Analytical integration

2) Numerical integration

Page 10: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Suatu kultur bakteria tumbuh dengan kecepatan

yang proporsional dengan jumlah bakteria yang

ada pada setiap waktu. Diketahui bahwa jumlah

bakteri bertambah menjadi dua kali lipat setiap 5

jam. Jika kultur tersebut berjumlah satu unit pada

saat t = 0, berapa kira-kira jumlah bakteri setelah

satu jam?

Page 11: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

• Jumlah bakteri menjadi dua kali lipat setiap 5 jam, maka k = (ln 2)/5

• Jika P0 = 1 unit, maka setelah satu jam…

SOLUSI PERSAMAAN DIFERENSIAL

kPdt

dP

dtkP

dPt

t

P

P

1

0

1

0

)(ln 0

0

ttCkP

P

ktePtP 0)(

)(1)1()1)(

5)2(ln

(eP

1487.1

Page 12: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Rate equation State equation (dsolve in Maple)

The Analytical Solution of the Rate

Equation is the State Equation

Page 13: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

THERE ARE VERY FEW MODELS IN ECOLOGY THAT CAN BE SOLVED

ANALYTICALLY.

Page 14: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

SOLUSI NUMERIK

• Numerical integration

• Eulers

• Runge-Kutta

Page 15: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Numerical integration makes use of this relationship:

Which you’ve seen before…

Relationship between continuous and discrete time models

*You used this relationship in Lab 1 to program the

logistic rate equation in Visual Basic:

1 where,11

tt

K

NrNNN t

ttt

tdt

dyyy ttt

Page 16: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

, known

Fundamental Approach of Numerical Integration

y = f(t), unknown

t, specified

y

t

yt, known

dt

dy

yt+t, estimated

tdt

dyyy ttt

yt+t,

unknown

Page 17: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

Euler’s Method: yt+ t ≈ yt + dy/dt t

1 where,1

tt

K

NrNNN t

tttt

dtdN

Calculate dN/dt*1

at Nt

Add it to Nt to

estimate Nt+ t

Nt+ t becomes the new Nt

Calculte dN/dt * 1 at new Nt

Use dN/dt to estimate next Nt+ t

Repeat these steps to estimate the state

function over your desired time length

(here 30 years)

Nt/K with time, lambda = 1.7, time step = 1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0 10 20 30 40 50

time (years)

Nt/K

Page 18: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

EXAMPLE OF NUMERICAL INTEGRATION

dy

dty y 6 007 2.

Analytical solution to dy/dt

Y0 = 10

t = 0.5

point to

estimate

Page 19: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

y

Euler’s Method: yt+ t ≈ yt + dy/dt t

yt = 10

m1 = dy/dt at yt

m1 = 6*10-.007*(10)2

y = m1*t

yest= yt + y

t = 0.5

y

estimated y(t+ t)

analytical y(t+ t)

dy

dty y 6 007 2.

Page 20: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

20

RUNGE-KUTTA

METHODS

Page 21: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

MOTIVATION

• We seek accurate methods to solve ODEs that do

not require calculating high order derivatives.

• The approach is to use a formula involving

unknown coefficients then determine these

coefficients to match as many terms of the Taylor

series expansion.

21

Page 22: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

SECOND ORDER RUNGE-KUTTA METHOD

22

possible. as accurate as is that such

,,,

:Problem

) ,(

),(

1

21

22111

12

1

i

ii

ii

ii

y

wwFind

KwKwyy

KyhxfhK

yxfhK

Page 23: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

TAYLOR SERIES IN ONE VARIABLE

23

hxandxbetweenisxwhere

xfn

hxf

i

hhxf

f(x)n

nn

i

n

i

i

)()!1(

)(!

)(

of expansion SeriesTaylor order The

)1(1

)(

0

th

Approximation Error

Page 24: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

DERIVATION OF 2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS – 1 OF 5

24

)(),('2

),(

:as writtenis which

)(2

),( :ODE solve toUsed

ExpansionSeriesTaylor Order Second

32

1

3

2

22

1

hOyxfh

yxfhyy

hOdx

ydh

dx

dyhyy

yxfdx

dy

iiiiii

ii

Page 25: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

DERIVATION OF 2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS – 2 OF 5

25

)(2

),(),(

:

),(),(),(

),('

ationdifferenti rule-chainby obtained is ),(' where

32

1 hOh

yxfy

f

x

fhyxfyy

ngSubstituti

yxfy

f

x

f

dx

dy

y

yxf

x

yxfyxf

yxf

iiiiii

Page 26: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

TAYLOR SERIES IN TWO VARIABLES

26

),( and ),( between joining line theon is),(

),()!1(

1 ),(

!

1

...

2!2

1

),(),(

1

0

2

2

22

2

22

kyhxyxyx

errorionapproximat

yxfy

kx

hn

yxfy

kx

hi

yx

fhk

y

fk

x

fh

y

fk

x

fhyxfkyhxf

nn

i

i

Page 27: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

DERIVATION OF 2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS – 3 OF 5

27

) ,(),(

:ngSubstituti

) ,(

),(

thatsuch ,,,:Problem

1211

22111

12

1

21

Kyhxfhwyxfhwyy

KwKwyy

KyhxfhK

yxfhK

wwFind

iiiiii

ii

ii

ii

Page 28: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

DERIVATION OF 2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS – 4 OF 5

28

...),( ),( )(

... ),( )(

...),( ),(

:

...),() ,(

22

22211

12211

1211

11

iiiiii

iiii

iiiiii

iiii

yxfy

fhw

x

fhwyxfhwwyy

y

fK

x

fhhwyxfhwwyy

y

fK

x

fhyxfhwyxfhwyy

ngSubstituti

y

fK

x

fhyxfKyhxf

Page 29: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

DERIVATION OF 2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS – 5 OF 5

29

2

1 ,1 :solution possible One

solutions infinite unknowns 4 withequations 3

2

1 and ,

2

1 , 1

:equations threefollowing theobtain we terms,Matching

)(2

),(),(

...),( ),( )(

:for expansions twoderived We

21

2221

32

1

22

22211

1

ww

wwww

hOh

yxfy

f

x

fhyxfyy

yxfy

fhw

x

fhwyxfhwwyy

y

iiiiii

iiiiii

i

Page 30: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS

30

2

1 and ,

2

1 ,1

: thatsuch ,,, Choose

) ,(

),(

2221

21

22111

12

1

wwww

ww

KwKwyy

KyhxfhK

yxfhK

ii

ii

ii

Page 31: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

ALTERNATIVE FORM

22111

12

1

) , (

),(

KuttaeOrder Rung Second

KwKwyy

KyhxfhK

yxfhK

ii

ii

ii

31

22111

12

1

) , (

),(

FormeAlternativ

kwkwhyy

khyhxfk

yxfk

ii

ii

ii

Page 32: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

CHOOSING , , W1 AND W2

32

Corrector Singlea with' is This

),(),(22

1

),(

),(

:becomes methodKutta -eOrder Rung Second

2

1 ,1 then,1 choosing example,For

011211

12

1

21

s Method Heun

yxfyxfh

yKKyy

KyhxfhK

yxfhK

ww

iiiiiii

ii

ii

Page 33: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

CHOOSING , , W1 AND W2

33

Method Midpoint theis This

)2

,2

(

)2

,2

(

),(

:becomes methodKutta -eOrder Rung Second

1 ,0 ,2

1 then

2

1 Choosing

121

12

1

21

Ky

hxfhyKyy

Ky

hxfhK

yxfhK

ww

iiiii

ii

ii

Page 34: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

2ND ORDER RUNGE-KUTTA METHODS ALTERNATIVE FORMULAS

34

211

1i2

1

2

1

2

11

) ,(

),(

)0(select mulas Kutta ForeOrder Rung Second

KKyy

KyhxfhK

yxfhK

ii

i

ii

2

11 ,

2

1, :number nonzeroany Pick

1 ,2

1,

2

1

12

2122

ww

wwww

Page 35: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

SECOND ORDER RUNGE-KUTTA METHOD

EXAMPLE

CISE301_Topic8L4&5

35

8269.32/)1662.018.0(4

2/)1()01.01(

1662.0))01.()18.0(1(01.0

),(

18.0)1(01.0)4 ,1(

:1STEP

1 ,01.0 ,4)1(,1)(

RK2using (1.02) find tosystem following theSolve

21

30

20

1002

30

20001

32

KKxx

tx

KxhtfhK

txxtfhK

hxtxtx

x

Page 36: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

SECOND ORDER RUNGE-KUTTA METHOD

EXAMPLE

36

6662.3)1546.01668.0(2

18269.3

2

1)01.1()01.001.1(

1546.0))01.()1668.0(1(01.0

),(

1668.0)1(01.0)8269.3,01.1(

2 STEP

21

31

21

1112

31

21111

KKxx

tx

KxhtfhK

txxtfhK

Page 37: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

1 RK2,Using

[1,2]for t Solution

,4)1(,)(1)( 32

xttxtx

37

Page 38: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

2ND ORDER RUNGE-KUTTA

)( iserror global and )( iserror Local

2

) ,(

),(

corrector singlea withmethod s Heun' toEquivalent

RK2as Know 1, of valueTypical

23

211

12

1

hOhO

kkh

yy

hkyhxfk

yxfk

ii

ii

ii

38

RK2

Page 39: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

HIGHER-ORDER RUNGE-KUTTA

39

Higher order Runge-Kutta methods are available. Derived similar to second-order Runge-Kutta. Higher order methods are more accurate but require more calculations.

Page 40: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

3RD ORDER RUNGE-KUTTA

40

RK3

)( iserror Global and )( iserror Local

46

)2 ,(

)2

1 ,

2(

),(

RK3asKnow

34

3211

213

12

1

hOhO

kkkh

yy

hkhkyhxfk

hkyh

xfk

yxfk

ii

ii

ii

ii

Page 41: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

4TH ORDER RUNGE-KUTTA

41

RK4

)( iserror global and )( iserror Local

226

) ,(

)2

1 ,

2(

)2

1 ,

2(

),(

45

43211

3i4

2i3

12

1

hOhO

kkkkh

yy

hkyhxfk

hkyh

xfk

hkyh

xfk

yxfk

ii

i

i

ii

ii

Page 42: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

HIGHER-ORDER RUNGE-KUTTA

654311

543216

415

324

213

12

1

7321232790

)7

8

7

12

7

12

7

2

7

3 ,(

)16

9

16

3 ,

4

3(

)2

1 ,

2

1(

)8

1

8

1 ,

4

1(

)4

1 ,

4

1(

),(

kkkkkh

yy

hkhkhkhkhkyhxfk

hkhkyhxfk

hkhkyhxfk

hkhkyhxfk

hkyhxfk

yxfk

ii

ii

ii

ii

ii

ii

ii

42

Page 43: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

EXAMPLE 4TH-ORDER RUNGE-KUTTA METHOD

43

)4.0()2.0(4

2.0

5.0)0(

1 2

yandycomputetoRKUse

h

y

xydx

dy

RK4

Page 44: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

EXAMPLE: RK4

)4.0(),2.0(4

5.0)0(,1

:Problem

2

yyfindtoRKUse

yxydx

dy

44

Page 45: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

4TH ORDER RUNGE-KUTTA

45

RK4

)( iserror global and )( iserror Local

226

) ,(

)2

1 ,

2(

)2

1 ,

2(

),(

45

43211

3i4

2i3

12

1

hOhO

kkkkh

yy

hkyhxfk

hkyh

xfk

hkyh

xfk

yxfk

ii

i

i

ii

ii

Page 46: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

EXAMPLE: RK4

8293.0226

7908.12.016545.01),(

654.11.0164.01)2

1,

2

1(

64.11.015.01)2

1,

2

1(

5.1)1( ),(

432101

2003004

2002003

2001002

200001

kkkkh

yy

xyhkyhxfk

xyhkyhxfk

xyhkyhxfk

xyyxfk

)4.0(),2.0(4

5.0)0(,1

:Problem

2

yyfindtoRKUse

yxydx

dy

5.0,0

1),(

0.2

00

2

yx

xyyxf

h

46

See RK4 Formula

Ste

p 1

Page 47: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

EXAMPLE: RK4

2141.1226

2.0

0555.2),(

9311.1)2

1,

2

1(

9182.1)2

1,

2

1(

1.7893 ),(

432112

3114

2113

1112

111

kkkkyy

hkyhxfk

hkyhxfk

hkyhxfk

yxfk

)4.0(),2.0(4

5.0)0(,1

:Problem

2

yyfindtoRKUse

yxydx

dy

8293.0,2.0

1),(

0.2

11

2

yx

xyyxf

h

47

Ste

p 2

Page 48: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

EXAMPLE: RK4

)4.0(),2.0(4

5.0)0(,1

:Problem

2

yyfindtoRKUse

yxydx

dy

xi yi

0.0 0.5

0.2 0.8293

0.4 1.2141

48

Summary of the solution

Page 49: PERSAMAAN DIFERENSIAL - kuliah.ftsl.itb.ac.id · lebih variabel bebas. •Dibedakan menurut: •Tipe (ordiner/biasa atau parsial) •Orde (ditentukan oleh turunan tertinggi yang ada)

SUMMARY

• Runge Kutta methods generate an accurate

solution without the need to calculate high order

derivatives.

• Second order RK have local truncation error of

order O(h3) and global truncation error of order

O(h2).

• Higher order RK have better local and global

truncation errors.

• N function evaluations are needed in the Nth order

RK method.

49