Masalah Sturm–Liouville

Batas sumber. Bagian ini mengikat special_functions.tex baris 674-1062 pada sumber beku.

Masalah Sturm-Liouville

Seperti akan kita lihat kemudian, hasil-hasil dari teori masalah Sturm-Liouville digunakan untuk menunjukkan bahwa polinom Legendre dan fungsi Bessel membentuk dua himpunan fungsi ortogonal lengkap dalam beberapa ruang fungsi.

Setiap persamaan diferensial biasa linear orde dua dapat ditulis sebagai

(r(x)y)+(q(x)+λp(x))y=0.(r(x) y')' + (q(x) + \lambda p(x)) y = 0 \ . Jika kita meninjau persamaan diferensial biasa ini pada interval ]a,b[]a,b[ dan menambahkan beberapa syarat pada yy atau yy' di titik-titik ujung aa dan bb, kita memperoleh suatu masalah Sturm-Liouville.

Masalah Sturm-Liouville reguler adalah mencari solusi bagi

(r(x)y)+(q(x)+λp(x))y=0(r(x) y')' + (q(x) + \lambda p(x)) y = 0 untuk <a<x<b<-\infty < a < x < b < \infty dengan syarat batas

α1y(a)+α2y(a)=0danβ1y(b)+β2y(b)=0,\alpha_1 y(a) + \alpha_2 y'(a) = 0 \quad \text{dan} \quad \beta_1 y'(b) + \beta_2 y(b) = 0 \ , dengan (α1,α2)(0,0)(\alpha_1,\alpha_2)\neq (0,0) dan (β1,β2)(0,0)(\beta_1,\beta_2) \neq (0,0); rr, qq, pp, dan rr' merupakan fungsi real kontinu pada [a,b][a,b]; serta r(x)>0r(x)>0 dan p(x)>0p(x)>0 untuk setiap x[a,b]x \in [a,b].

Terdapat tiga jenis syarat batas lain yang sering digunakan.

  1. Jika r(a)=0r(a)=0, kita mensyaratkan agar solusi dan turunannya terbatas pada x=ax=a dan agar β1y(b)+β2y(b)=0\beta_1 y'(b) + \beta_2 y(b) = 0 dengan (β1,β2)(0,0)(\beta_1,\beta_2) \neq (0,0).

  2. Jika r(b)=0r(b)=0, kita mensyaratkan agar solusi dan turunannya terbatas pada x=bx=b dan agar α1y(a)+α2y(a)=0\alpha_1 y'(a) + \alpha_2 y(a) = 0 dengan (α1,α2)(0,0)(\alpha_1,\alpha_2) \neq (0,0).

  3. Jika r(a)=r(b)r(a) = r(b), kita mensyaratkan syarat batas periodik y(a)=y(b)y(a) = y(b) dan y(a)=y(b)y'(a) = y'(b).

Masalah Sturm-Liouville disebut singular jika salah satu dari syarat berikut dipenuhi: (1) a=a=-\infty atau b=b=\infty, (2) rr atau pp bernilai nol di aa atau bb, atau (3) rr' tidak ada di aa atau bb.

Masalah Sturm-Liouville yang singular hanya karena r(a)=0r(a) = 0 (atau r(b)=0r(b)=0) mempunyai banyak sifat yang juga dimiliki masalah Sturm-Liouville reguler jika kita mengasumsikan bahwa solusinya terbatas pada aa (atau bb). Masalah tersebut disebut masalah Sturm-Liouville singular reguler .

Suatu nilai λ\lambda yang membuat masalah Sturm-Liouville mempunyai solusi taktrivial disebut nilai eigen , sedangkan solusi-solusi taktrivial tersebut disebut fungsi eigen yang berkaitan dengan nilai eigen λ\lambda. Hasil berikut mempunyai pembuktian sederhana.

Proposisi 5.2.1. Fungsi-fungsi eigen yang berkaitan dengan nilai-nilai eigen berbeda bersifat ortogonal terhadap fungsi bobot pp; lebih tepatnya, jika yny_n adalah fungsi eigen yang berkaitan dengan λn\lambda_n dan ymy_m adalah fungsi eigen yang berkaitan dengan λm\lambda_m dengan nmn \neq m, maka

abp(x)yn(x)ym(x)dx=0.\int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0 \ .

Bukti. Misalkan yny_n adalah solusi dari (5.2.1) dengan λ=λn\lambda=\lambda_n dan ymy_m adalah solusi dari (5.2.1) dengan λ=λm\lambda=\lambda_m. Kita mempunyai (r(x)yn)+q(x)yn=λnp(x)yn\displaystyle(r(x) y_n')' + q(x)y_n = - \lambda_n p(x) y_n dan (r(x)ym)+q(x)ym=λmp(x)ym\displaystyle(r(x) y_m')' + q(x)y_m = - \lambda_m p(x) y_m. Jika persamaan pertama kita kalikan dengan ymy_m dan persamaan kedua dengan yny_n, lalu ruas-ruas persamaan kedua kita kurangkan dari ruas-ruas persamaan pertama, kita memperoleh

(r(x)yn)ym(r(x)ym)yn=(λmλn)p(x)ynym.(r(x) y_n')'y_m - (r(x) y_m')'y_n = (\lambda_m - \lambda_n)p(x) y_n y_m \ . Karena

d(r(x)ynymr(x)ymyn)dx=(r(x)yn)ym(r(x)ym)yn,\frac{\mathrm{d}\big(r(x) y_n'y_m - r(x) y_m'y_n\big)}{\mathrm{d}{x}} = (r(x) y_n')'y_m - (r(x) y_m')'y_n \ , kita memperoleh

d(r(x)ynymr(x)ymyn)dx=(λmλn)p(x)ynym.\frac{\mathrm{d}\big(r(x) y_n'y_m - r(x) y_m'y_n\big)}{\mathrm{d}{x}} = (\lambda_m - \lambda_n)p(x) y_n y_m \ . Jika kita integralkan kedua ruas terhadap xx pada interval a<x<ba< x < b, kita memperoleh

(λmλn)abp(x)yn(x)ym(x)dx=(r(x)yn(x)ym(x)r(x)ym(x)yn(x))|ab=(r(x)det(ym(x)ym(x)yn(x)yn(x)))|ab.\begin{aligned} (\lambda_m - \lambda_n) \int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} &= \big(r(x) y_n'(x)y_m(x) - r(x) y_m'(x)y_n(x)\big)\Big|_a^b \\ &= \left( r(x) \det \begin{pmatrix} y_m(x) & y_m'(x) \\ y_n(x) & y_n'(x) \end{pmatrix} \right)\bigg|_a^b \ . \end{aligned}

(i) Andaikan yny_n dan ymy_m memenuhi syarat batas α1y(a)+α2y(a)=0\displaystyle\alpha_1 y(a) + \alpha_2 y'(a) = 0 dengan (α1,α2)(0,0)(\alpha_1,\alpha_2)\neq (0,0) dan β1y(b)+β2y(b)=0\displaystyle\beta_1 y'(b) + \beta_2 y(b) = 0 dengan (β1,β2)(0,0)(\beta_1,\beta_2) \neq (0,0).

Syarat batas α1yn(a)+α2yn(a)=0\alpha_1 y_n(a) + \alpha_2 y_n'(a) = 0 dan α1ym(a)+α2ym(a)=0\alpha_1 y_m(a) + \alpha_2 y_m'(a) = 0 dengan (α1,α2)(0,0)(\alpha_1,\alpha_2)\neq (0,0) menunjukkan bahwa

(ym(a)ym(a)yn(a)yn(a))(uv)=(00)\begin{pmatrix} y_m(a) & y_m'(a) \\ y_n(a) & y_n'(a) \end{pmatrix} \begin{pmatrix} u \\ v \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} mempunyai solusi taktrivial, yaitu (u,v)=(α1,α2)(u,v) = (\alpha_1, \alpha_2). Hal ini mungkin jika dan hanya jika

det(ym(a)ym(a)yn(a)yn(a))=0\displaystyle \det \begin{pmatrix} y_m(a) & y_m'(a) \\ y_n(a) & y_n'(a) \end{pmatrix} = 0. Demikian pula,

det(ym(b)ym(b)yn(b)yn(b))=0\displaystyle \det \begin{pmatrix} y_m(b) & y_m'(b) \\ y_n(b) & y_n'(b) \end{pmatrix} = 0.

Dari (5.2.3) diperoleh bahwa (λmλn)abp(x)yn(x)ym(x)dx=0\displaystyle(\lambda_m - \lambda_n) \int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0. Dengan demikian,
abp(x)yn(x)ym(x)dx=0\displaystyle\int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0 untuk λmλn\lambda_m \neq \lambda_n.

(ii) Andaikan r(a)=0r(a)=0; yny_n, ymy_m, yny_n', dan ymy_m' terbatas di x=ax=a; dan yny_n serta ymy_m memenuhi syarat batas β1y(b)+β2y(b)=0\beta_1 y'(b) + \beta_2 y(b) = 0 dengan (β1,β2)(0,0)(\beta_1,\beta_2) \neq (0,0).

Ruas kanan (5.2.3) bernilai nol di x=ax=a karena r(a)=0r(a)=0, dan yny_n, ymy_m, yny_n', ymy_m' terbatas di x=ax=a. Syarat batas β1yn(b)+β2yn(b)=0\displaystyle\beta_1 y_n'(b) + \beta_2 y_n(b) = 0 dan β1ym(b)+β2ym(b)=0\displaystyle\beta_1 y_m'(b) + \beta_2 y_m(b) = 0 dengan (β1,β2)(0,0)(\beta_1,\beta_2)\neq (0,0) menunjukkan bahwa

(ym(b)ym(b)yn(b)yn(b))(uv)=(00)\begin{pmatrix} y_m(b) & y_m'(b) \\ y_n(b) & y_n'(b) \end{pmatrix} \begin{pmatrix} u \\ v \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} mempunyai solusi taktrivial, yaitu (u,v)=(β2,β1)(u,v) = (\beta_2,\beta_1). Hal ini mungkin jika dan hanya jika

det(ym(b)ym(b)yn(b)yn(b))=0\displaystyle \det \begin{pmatrix} y_m(b) & y_m'(b) \\ y_n(b) & y_n'(b) \end{pmatrix} = 0. Oleh karena itu, ruas kanan dari (5.2.3) juga bernilai nol di x=bx=b.

Dari (5.2.3) diperoleh bahwa (λmλn)abp(x)yn(x)ym(x)dx=0\displaystyle(\lambda_m - \lambda_n) \int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0. Dengan demikian,
abp(x)yn(x)ym(x)dx=0\displaystyle\int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0 untuk λmλn\lambda_m \neq \lambda_n.

(iii) Andaikan r(b)=0r(b)=0; yny_n, ymy_m, yny_n', dan ymy_m' terbatas di x=bx=b; dan yny_n serta ymy_m memenuhi syarat batas α1y(a)+α2y(a)=0\alpha_1 y'(a) + \alpha_2 y(a) = 0 dengan (α1,α2)(0,0)(\alpha_1,\alpha_2) \neq (0,0).

Pembuktian bahwa abp(x)yn(x)ym(x)dx=0\displaystyle\int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0 untuk λmλn\lambda_m \neq \lambda_n serupa dengan pembuktian yang diberikan dalam (ii).

(iv) Andaikan r(a)=r(b)r(a) = r(b) dan syarat batas periodik y(a)=y(b)y(a) = y(b) dan y(a)=y(b)y'(a) = y'(b) dipenuhi oleh yny_n dan ymy_m.

Dengan demikian,

(r(x)yn(x)ym(x)r(x)ym(x)yn(x))|ab=0.\big(r(x) y_n'(x)y_m(x) - r(x) y_m'(x)y_n(x)\big)\Big|_a^b = 0 \ . Oleh karena itu, (5.2.3) kembali memberikan abp(x)yn(x)ym(x)dx=0\displaystyle\int_a^b p(x) y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0 untuk λmλn\lambda_m \neq \lambda_n. ◻

Untuk masalah Sturm-Liouville reguler, terdapat tak hingga banyaknya nilai eigen berbeda λ0<λ1<λ2<\lambda_0 < \lambda_1 < \lambda_2 < \ldots yang konvergen ke ++\infty. Subruang semua fungsi eigen yang berkaitan dengan suatu nilai eigen λn\lambda_n berdimensi satu. Jika kita memilih suatu fungsi eigen ϕn\phi_n yang berkaitan dengan nilai eigen λn\lambda_n untuk setiap nn, kita memperoleh suatu himpunan ortogonal lengkap {ϕn}n=0\displaystyle\left\{\phi_n\right\}_{n=0}^\infty di L2[a,b]\displaystyle L^2[a,b] terhadap hasil kali skalar yang didefinisikan oleh

f,g=abf(x)g(x)p(x)dx\left\langle{f},{g}\right\rangle = \int_a^b f(x) g(x) p(x) \,\mathrm{d}{x} untuk f,gL2[a,b]\displaystyle f, g \in L^2[a,b]. Semua hasil ini dibuktikan dengan terlebih dahulu menuliskan masalah Sturm-Liouville sebagai persamaan integral, jika perlu setelah pergeseran spektral. Dalam kasus taktergeser ketika nol bukan nilai eigen, bentuknya

(TKy)(x)=abK(x,t)y(t)dt=1λy(x)(T_K y)(x) = \int_a^b K(x,t) y(t) \,\mathrm{d}{t} = \frac{1}{\lambda} y(x) untuk yL2[a,b]\displaystyle y \in L^2[a,b], dengan KL2([a,b]×[a,b])\displaystyle K \in L^2([a,b]\times[a,b]) merupakan suatu kernel Hilbert-Schmidt yang memenuhi K(x,t)=K(t,x)K(x,t) = K(t,x) untuk hampir setiap xx dan tt. Fungsi KK diberikan oleh suatu “fungsi Green”. Rincian pembuktian ini dapat ditemukan dalam RenRog. Karena kesimetrian ini, dari Teorema 4.4.46 kita memperoleh bahwa TKT_K merupakan operator kompak self-adjoint pada L2[a,b]\displaystyle L^2[a,b]. Hasil tentang {ϕn}n=0\displaystyle\{\phi_n\}_{n=0}^\infty yang dinyatakan di atas merupakan akibat Teorema Hilbert-Schmidt, Teorema 4.4.44. Perhatikan bahwa nilai-nilai eigen dari operator TKT_K berbentuk 1/λ1/\lambda, dengan λ\lambda merupakan nilai yang telah kita definisikan sebagai nilai eigen taknol untuk masalah Sturm-Liouville. Korespondensi taktergeser ini hanya berlaku untuk λ0\lambda\neq0. Jika nol merupakan nilai eigen—seperti pada contoh Neumann berikut—moda nol harus ditangani secara terpisah atau operatornya digeser sebelum fungsi Green dibentuk. Matematika sarat dengan inkonsistensi historis seperti ini.

Contoh. Tentukan nilai eigen dan fungsi eigen dari masalah Sturm-Liouville berikut.

y+λy=0dengany(0)=y(5)=0.y''+ \lambda y = 0 \quad \text{dengan} \quad y'(0)= y'(5) = 0 \ .

Ada tiga kasus yang perlu ditinjau.

(i) Untuk λ<0\lambda < 0, solusinya berbentuk y=Aeλx+Beλx\displaystyle y = A\, e^{\sqrt{-\lambda}\,x}+ B\, e^{-\sqrt{-\lambda}\,x}.

(ii) Untuk λ=0\lambda = 0, solusinya berbentuk y=Ax+B\displaystyle y = A\,x + B.

(iii) Untuk λ>0\lambda > 0, solusinya berbentuk y=Acos(λx)+Bsin(λx)\displaystyle y = A\, \cos\left(\sqrt{\lambda}\,x\right)+ B\, \sin\left(\sqrt{\lambda}\,x\right).

(i) Untuk λ<0\lambda < 0, kita mempunyai y=AλeλxBλeλx\displaystyle y' = A\,\sqrt{-\lambda}\, e^{\sqrt{-\lambda}\,x} - B\, \sqrt{-\lambda}\, e^{-\sqrt{-\lambda}\,x}. Syarat batas y(0)=0y'(0)=0 menghasilkan AλBλ=0A\,\sqrt{-\lambda} - B\, \sqrt{-\lambda} = 0 dan, setelah membagi dengan λ\sqrt{-\lambda}, kita memperoleh AB=0A-B=0. Syarat batas y(5)=0y'(5) = 0 menghasilkan Aλe5λBλe5λ=0\displaystyle A\,\sqrt{-\lambda}\, e^{5\sqrt{-\lambda}} - B\, \sqrt{-\lambda}\, e^{-5\sqrt{-\lambda}} =0 dan, setelah membagi dengan λ\sqrt{-\lambda}, kita memperoleh Ae5λBe5λ=0\displaystyle A\, e^{5\sqrt{-\lambda}} - B\, e^{-5\sqrt{-\lambda}} =0. Kita mencari solusi sistem linear

(11e5λe5λ)(AB)=(00).\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ e^{5\sqrt{-\lambda}} & -e^{-5\sqrt{-\lambda}} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} A\\ B \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \ . Karena

det(11e5λe5λ)=e5λe5λ=(e10λ1)e5λ0\det \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ e^{5\sqrt{-\lambda}} & -e^{-5\sqrt{-\lambda}} \end{pmatrix} = e^{5\sqrt{-\lambda}} - e^{-5\sqrt{-\lambda}} = \left(e^{10\sqrt{-\lambda}} -1\right) e^{-5\sqrt{-\lambda}} \neq 0 untuk λ<0\lambda < 0, satu-satunya solusi sistem linear tersebut ialah A=B=0A=B=0; yakni, kita memperoleh solusi trivial. Oleh karena itu, tidak ada nilai eigen maupun fungsi eigen untuk λ<0\lambda <0.

(ii) Untuk λ=0\lambda = 0, kita mempunyai y=A\displaystyle y' = A. Syarat-syarat batas y(0)=0y'(0)=0 dan y(5)=0y'(5) = 0 menghasilkan A=0A=0. Tidak ada kendala pada BB. Kita memperoleh sebuah keluarga solusi taktrivial.

Kita memperoleh bahwa λ=λ0=0\lambda = \lambda_0 = 0 merupakan nilai eigen dan salah satu fungsi eigen yang terkait dengan nilai eigen ini ialah y0(x)=1y_0(x)=1 untuk setiap xx jika kita mengambil B=1B=1.

(iii) Untuk λ>0\lambda > 0, kita mempunyai y=Aλsin(λx)+Bλcos(λx)\displaystyle y' = -A\,\sqrt{\lambda}\, \sin\left(\sqrt{\lambda}\,x\right) + B\, \sqrt{\lambda}\, \cos\left(\sqrt{\lambda}\,x\right). Syarat batas y(0)=0y'(0)=0 menghasilkan Bλ=0B\, \sqrt{\lambda} = 0. Jadi, B=0B=0. Syarat batas y(5)=0y'(5) = 0 menghasilkan Aλsin(5λ)=0\displaystyle-A\,\sqrt{\lambda}\,\sin\left(5\sqrt{\lambda}\right)=0, dan kita telah menggunakan B=0B=0. Setelah membagi dengan λ-\sqrt{\lambda}, kita memperoleh Asin(5λ)=0\displaystyle A\, \sin\left( 5\sqrt{\lambda}\right) =0. Karena kita mencari solusi taktrivial, kita harus mengasumsikan bahwa A0A\neq 0. Kita memperoleh sin(5λ)=0\displaystyle\sin\left( 5\sqrt{\lambda}\right) = 0. Jadi, 5λ=nπ\displaystyle 5\sqrt{\lambda} = n\pi untuk n1n \geq 1.

Kita telah menemukan nilai-nilai eigen λ=λn=(nπ/5)2\displaystyle\lambda = \lambda_n = \left(n\pi / 5\right)^2 untuk n1n \geq 1. Fungsi-fungsi eigen yang terkait dengan nilai eigen λn\lambda_n merupakan kelipatan real dari yn=cos(nπx/5)\displaystyle y_n = \cos\left( n\pi x / 5 \right).

Kita memperoleh bahwa y+λy=0y''+ \lambda y = 0 berbentuk (5.2.1) dengan r(x)=p(x)=1r(x) = p(x) = 1 dan q(x)=0q(x)=0 untuk setiap xx. Dengan demikian, dari Proposisi 5.2.1, kita memperoleh

05yn(x)ym(x)dx=0\int_0^5 y_n(x) y_m(x) \,\mathrm{d}{x} = 0 untuk nmn \neq m, sebagaimana dapat dengan mudah diverifikasi secara langsung. Selain itu, {cos(nπx/5)}n=0\displaystyle\left\{ \cos(n\pi x/5)\right\}_{n=0}^\infty merupakan himpunan ortogonal lengkap dalam L2[0,5]\displaystyle L^2[0,5]. Hal ini telah kita gunakan ketika mempelajari deret Fourier kosinus.

Contoh. Tentukan nilai eigen dan fungsi eigen dari masalah Sturm-Liouville berikut.

y+λy=0dengany(0)=0dany(L)=0.y''+ \lambda y = 0 \quad \text{dengan} \quad y'(0)=0 \quad \text{dan} \quad y(L) = 0 \ .

Seperti dalam contoh sebelumnya, ada tiga kasus yang perlu ditinjau.

(i) Untuk λ<0\lambda < 0, solusinya berbentuk y=Aeλx+Beλx\displaystyle y = A\, e^{\sqrt{-\lambda}\,x}+ B\, e^{-\sqrt{-\lambda}\,x}.

(ii) Untuk λ=0\lambda = 0, solusinya berbentuk y=Ax+B\displaystyle y = A\,x + B.

(iii) Untuk λ>0\lambda > 0, solusinya berbentuk y=Acos(λx)+Bsin(λx)\displaystyle y = A\, \cos\left(\sqrt{\lambda}\,x\right)+ B\, \sin\left(\sqrt{\lambda}\,x\right).

(i) Untuk λ<0\lambda < 0, kita mempunyai y=AλeλxBλeλx\displaystyle y' = A\,\sqrt{-\lambda}\, e^{\sqrt{-\lambda}\,x} - B\, \sqrt{-\lambda}\, e^{-\sqrt{-\lambda}\,x}. Syarat batas y(0)=0y'(0)=0 menghasilkan AλBλ=0A\,\sqrt{-\lambda} - B\, \sqrt{-\lambda} = 0 dan, setelah membagi dengan λ\sqrt{-\lambda}, kita memperoleh AB=0A-B=0. Syarat batas y(L)=0y(L) = 0 menghasilkan AeLλ+BeLλ=0\displaystyle A\, e^{L\sqrt{-\lambda}} + B\, e^{-L\sqrt{-\lambda}} =0.

Kita mencari solusi sistem linear

(11eLλeLλ)(AB)=(00).\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ e^{L\sqrt{-\lambda}} & e^{-L\sqrt{-\lambda}} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} A\\ B \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \ . Karena

det(11eLλeLλ)=eLλ+eLλ>0\det \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ e^{L\sqrt{-\lambda}} & e^{-L\sqrt{-\lambda}} \end{pmatrix} = e^{-L\sqrt{-\lambda}} + e^{L\sqrt{-\lambda}} > 0 untuk λ<0\lambda < 0, satu-satunya solusi sistem linear tersebut ialah A=B=0A=B=0; yakni, kita memperoleh solusi trivial. Tidak ada nilai eigen maupun fungsi eigen untuk λ<0\lambda <0.

(ii) Untuk λ=0\lambda = 0, kita mempunyai y=A\displaystyle y' = A. Syarat-syarat batas y(0)=A=0y'(0)= A= 0 dan y(L)=AL+B=0y(L) = AL +B = 0 menghasilkan A=B=0A=B=0. Sekali lagi, tidak ada solusi taktrivial. Jadi, 00 bukan nilai eigen.

(iii) Untuk λ>0\lambda > 0, kita mempunyai y=Aλsin(λx)+Bλcos(λx)\displaystyle y' = -A\,\sqrt{\lambda}\, \sin\left(\sqrt{\lambda}\,x\right) + B\, \sqrt{\lambda}\, \cos\left(\sqrt{\lambda}\,x\right). Syarat batas y(0)=0y'(0)=0 menghasilkan Bλ=0B\, \sqrt{\lambda} = 0. Jadi, B=0B=0. Syarat batas y(L)=0y(L) = 0 menghasilkan Acos(Lλ)=0\displaystyle A\,\cos\left(L\sqrt{\lambda}\right)=0, dan kita telah menggunakan B=0B=0. Karena kita mencari solusi taktrivial, kita harus mengasumsikan bahwa A0A\neq 0. Jadi, cos(Lλ)=0\displaystyle\cos\left( L\sqrt{\lambda}\right) = 0. Dengan demikian, Lλ=nπ+π/2\displaystyle L\sqrt{\lambda} = n\pi + \pi/2 untuk n0n \geq 0.

Kita telah menemukan nilai-nilai eigen λ=λn=((2n+1)π/(2L))2\displaystyle\lambda = \lambda_n = \big( (2n+1)\pi/(2L) \big)^2 untuk n0n \geq 0. Fungsi-fungsi eigen yang terkait dengan nilai eigen λn\lambda_n berbentuk y=Acos((2n+1)πx/(2L))\displaystyle y = A \, \cos\big((2n+1)\pi x/ (2L) \big) untuk n0n \geq 0, dengan AA merupakan konstanta taknol.

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.

← Kembali ke Program Matematika