7
Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016 207 ISBN: 978-602-71798-1-3 ANALISIS KESTABILAN MODEL EPIDEMIK SIR UNTUK PENYAKIT TUBERKULOSIS Habib A’maludin, AlfensiFaruk, EndroSetyo Cahyono FMIPA, UniversitasSriwijaya, email: [email protected], email: [email protected], email: [email protected] Abstract Tuberculosis is one of the infectious diseases that caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb). The aim of this research is to analyze the stability of the Susceptible InfectedRecovered (SIR) model for tuberculosis transmission. We firstly constructed the epidemic SIR model and afterwards derived disease-free equilibrium, endemic equilibrium, and the basic reproduction number. Based on the analysis, both disease-free equilibrium and endemic equilibrium for the developed SIR model were stable.Finally, a numerical example wasalso given in support of the result. Keywords: Stability, SIR Model, Tuberculosis 1. PENDAHULUAN Tuberkulosis (TB) adalah suatu penyakit menular yang disebabkan oleh bakteri Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Penyakit TB menyebar melalui udara yang telah terkontaminasi Mtb yang kemudian terhirup dan masuk ke dalam paruparu. Pada saat penderita TB batuk atau bersin serta mengeluarkan bakteri Mtb ke udara, maka orang-orang yang terhirup bakteri tersebut dapat terinfeksi bakteri TB. Model matematika yang sering digunakan untuk menganalisa penyebaran suatu penyakit adalah model SIR (Susceptible Infected Recovered). Model SIR ini mengelompokkan individu-individu dalam suatu populasi menjadi tiga subpopulasi yaitu susceptible atau rentan (yaitu kelompok individu yang rentan terinfeksi penyakit), infected atau terinfeksi (yaitu kelompok individu yang terinfeksi penyakit), recoveredatau sembuh (yaitu kelompok individu yang telah sembuh dari penyakit). Fredlina, et al. (2012) telah mendapatkan bentuk bilanganreproduksidasar dari model SIR, akan tetapi belum melakukan analisis kestabilan lokal padatitikkeseimbangan dari model SIR, padahal Oktafiani (2013) telah memperlihatkan bahwa analisis kestabilan lokal sangat berpengaruh pada model penyebaran suatu penyakit. Hal ini dikarekan syarat agar suatu bilangan reproduksi dasar dapat digunakan dalam suatu model SIR adalah titik keseimbangan bebas penyakit dan titik keseimbangan endemik dari model tersebut harus stabil. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisis kestabilan lokal di sekitar titikkeseimbanganbebaspenyakitdantitik keseimbangan endemik pada model SIR penyakit TB. Sebelum dilakukan analisis kestabilan lokal tersebut, terlebih dahulu dicaribilanganreproduksidasar dari model SIR penyakit TB menggunakan matriks next generation. 2. KAJIAN LITERATUR Model SIR Kebanyakan model matematika penyebaran penyakit menular dimulai dengan dasar pemikiran yang sama, yaitu dengan membagi populasi menjadi beberapa subpopulasi. Salah satu model yang cukup populer adalah adalah model Kermack- McKendrick atau juga disebut sebagai model SIR. Model SIR membagi populasi menjadi subpopulasi rentan (S), terinfeksi (I), dan sembuh (R). Jumlah individu rentan, terinfeksi, dan sembuh pada waktu secara berturut-turut dapat dituliskan dalam bentuk fungsi (), (), dan (). Titik Keseimbangan Misalkan diberikan suatu sistem persamaan diferensial yang berbentuk ). , ( ) , ( y x g dt dy y x f dt dx (1)

ANALISIS KESTABILAN MODEL EPIDEMIK ... - eprints.unsri.ac.ideprints.unsri.ac.id/6890/1/Amaludin_et_al_(2016).pdf · keseimbangan endemik pada model SIR penyakit TB. Sebelum dilakukan

  • Upload
    haanh

  • View
    230

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

207

ISBN: 978-602-71798-1-3

ANALISIS KESTABILAN MODEL EPIDEMIK SIR

UNTUK PENYAKIT TUBERKULOSIS

Habib A’maludin, AlfensiFaruk, EndroSetyo Cahyono

FMIPA, UniversitasSriwijaya, email: [email protected], email: [email protected], email: [email protected]

Abstract

Tuberculosis is one of the infectious diseases that caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb). The aim of this

research is to analyze the stability of the Susceptible InfectedRecovered (SIR) model for tuberculosis

transmission. We firstly constructed the epidemic SIR model and afterwards derived disease-free equilibrium,

endemic equilibrium, and the basic reproduction number. Based on the analysis, both disease-free equilibrium

and endemic equilibrium for the developed SIR model were stable.Finally, a numerical example wasalso given

in support of the result.

Keywords: Stability, SIR Model, Tuberculosis

1. PENDAHULUAN

Tuberkulosis (TB) adalah suatu penyakit

menular yang disebabkan oleh bakteri

Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Penyakit

TB menyebar melalui udara yang telah

terkontaminasi Mtb yang kemudian terhirup

dan masuk ke dalam paru–paru. Pada saat

penderita TB batuk atau bersin serta

mengeluarkan bakteri Mtb ke udara, maka

orang-orang yang terhirup bakteri tersebut

dapat terinfeksi bakteri TB.

Model matematika yang sering digunakan

untuk menganalisa penyebaran suatu penyakit

adalah model SIR (Susceptible Infected

Recovered). Model SIR ini mengelompokkan

individu-individu dalam suatu populasi

menjadi tiga subpopulasi yaitu susceptible atau

rentan (yaitu kelompok individu yang rentan

terinfeksi penyakit), infected atau terinfeksi

(yaitu kelompok individu yang terinfeksi

penyakit), recoveredatau sembuh (yaitu

kelompok individu yang telah sembuh dari

penyakit).

Fredlina, et al. (2012) telah mendapatkan

bentuk bilanganreproduksidasar dari model

SIR, akan tetapi belum melakukan analisis

kestabilan lokal padatitikkeseimbangan dari

model SIR, padahal Oktafiani (2013) telah

memperlihatkan bahwa analisis kestabilan

lokal sangat berpengaruh pada model

penyebaran suatu penyakit. Hal ini dikarekan

syarat agar suatu bilangan reproduksi dasar

dapat digunakan dalam suatu model SIR

adalah titik keseimbangan bebas penyakit dan

titik keseimbangan endemik dari model

tersebut harus stabil.

Tujuan dari penelitian ini adalah

melakukan analisis kestabilan lokal di sekitar

titikkeseimbanganbebaspenyakitdantitik

keseimbangan endemik pada model SIR

penyakit TB. Sebelum dilakukan analisis

kestabilan lokal tersebut, terlebih dahulu

dicaribilanganreproduksidasar dari model SIR

penyakit TB menggunakan matriks next

generation.

2. KAJIAN LITERATUR

Model SIR

Kebanyakan model matematika

penyebaran penyakit menular dimulai dengan

dasar pemikiran yang sama, yaitu dengan

membagi populasi menjadi beberapa

subpopulasi. Salah satu model yang cukup

populer adalah adalah model Kermack-

McKendrick atau juga disebut sebagai model

SIR. Model SIR membagi populasi menjadi

subpopulasi rentan (S), terinfeksi (I), dan

sembuh (R). Jumlah individu rentan, terinfeksi,

dan sembuh pada waktu 𝑡 secara berturut-turut

dapat dituliskan dalam bentuk fungsi

𝑆(𝑡), 𝐼(𝑡), dan 𝑅(𝑡).

Titik Keseimbangan

Misalkan diberikan suatu sistem

persamaan diferensial yang berbentuk

).,(

),(

yxgdtdy

yxfdtdx

(1)

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

208

Sebuahtitik (𝑥0 , 𝑦0) dapat dikatakan sebagai

titik keseimbangan dari sistem (1), apabila

dipenuhi syarat 𝑓 𝑥0 , 𝑦0 = 0dan 𝑔 𝑥0 , 𝑦0 =0. Karena turunan suatu konstanta sama

dengan nol, maka sepasang fungsi

konstan 𝑥 𝑡 = 𝑥0dan 𝑦 𝑡 = 𝑦0 merupakan

penyelesaian keseimbangan dari sistem(1)

(Campbell danHaberman, 2008).

Teorema Titik Keseimbangan

Berikut diberikan teorema mengenai

kestabilan suatu sistem nonlinear yang ditinjau

dari nilai eigen matriks Jacobian.

Teorema 1(Olsder et al., 2011)

1. Apabila semua bagian real nilai eigen

matriks Jacobiandari suatu sistem

persamaan diferensial bernilai negatif,

maka titik keseimbangan dari sistem

tersebut stabil.

2. Jika terdapat satu nilai eigen matriks

Jacobian dari suatu sistem persamaan

diferensialbernilai positif, maka titik

keseimbangan dari sistem tersebut tidak

stabil.

Teorema Bilangan Reproduksi Dasar

Bilangan reproduksi dasar ℛ0 dapat

didefinisikan sebagai jumlah rata-rata individu

terinfeksiaki battertular oleh individu terinfeksi

lainnya di dalamsuatu populasi. Berikut adalah

teorema mengenai kestabilan dari bilangan

reproduksi dasar. Teorema 2 (Rost dan Wu dalam Effendy,

2013)

1. Titik keseimbangan bebas penyakit

dikatakan stabil asimtotik lokal jika ℛ0<

1 dan tidak stabil jika ℛ0> 1,

2. Jika ℛ0< 1 maka semua solusi konvergen

ke titik keseimbangan bebas penyakit,

3. Titik keseimbangan endemik ada jika dan

hanya jika ℛ0> 1, dan juga jika titik

keseimbangan tersebut ada, maka titik

keseimbangan tersebut stabil asimtotik

lokal,

4. Jika ℛ0> 1 maka penyakit tersebut adalah

endemik.

Matriks Next Generation

Misalkan terdapat n kelas terinfeksi dan m

kelas tidak terinfeksi. Selanjutnya, dimisalkan

juga 𝑥 adalah subpopulasi terinfeksi dan 𝑦

menyatakan subpopulasi tidak terinfeksi

(rentan atau sembuh), sehingga

),,(),( yxi

yxi

x

dan

),( yxgy j

,

dengan= 1,2, . . . , 𝑛, 𝑗 = 1,2, . . . , 𝑚, 𝜑𝑖adalah

laju infeksi sekunder yang ada pada kelas

terinfeksi, dan 𝜓𝑖adalah laju perkembangan

penyakit, kematian, dan atau kesembuhan yang

mengakibatkan berkurangnya populasi dari

kelas terinfeksi.

Selanjutnya, didefinisikan matriks next

generationKyang memiliki bentuk

𝐊 = 𝐅𝐕−𝟏, (2) denganF dan V adalah matriks ukuran nnyang dapatjugadituliskan sebagai

j

i

y

F dan

j

i

y

V .

Kriteria Routh-Hurwitz

Kriteriakestabilan Routh-Hurwitz

merupakan suatu kriteria yang digunakan

untuk memperlihatkan kestabilan suatu sistem

dengan memperhatikan koefisien dari

persamaan karakteristik tanpa menghitung

akar-akarnya secara langsung. Jika suatu

persamaan polinomial adalah persamaan

karakteristik, maka metode ini dapat

digunakan untuk menentukan kestabilan dari

suatu sistem. Adapun, prosedur dalam kriteria

Routh-Hurwitz adalah:

1. Persamaan polinom orde ke-𝑛 ditulis dalam

bentuk

𝑎𝑚𝑠𝑛 + 𝑎𝑚−1𝑠𝑛−1 + 𝑎𝑚−2𝑠𝑛−2 + ⋯

+𝑎1𝑠 + 𝑎0 = 0, dengankoefisien-koefisiennyaadalah

bilangan real dan𝑎𝑚 ≠ 0.

2. Jika terdapat koefisien bernilai 0 atau

negatif, maka terdapat satu akar atau akar-

akar imajiner atau memiliki bagian real

positif yang berarti sistem tersebut tidak

stabil.

3. Jika seluruh koefisien bernilai positif,

makadapat dibentuk suatu matriks yang

sering disebutarrayRouthsebagai berikut

00

00

0

1

1

0

2

2

3

2

1

1

1

0

1

3

2

1

h

g

c

b

a

c

b

a

a

c

b

a

a

S

S

S

S

S

S

k

k

m

m

m

m

n

n

n

n

. (3)

Koefisien𝑏1, 𝑏2, … , 𝑏𝑘dan𝑐1 , 𝑐2 , … , 𝑐𝑘 dapat

ditentukandengan formula-formula berikut:

𝑏1 = −1

𝑎𝑚−1

𝑎𝑚 𝑎𝑚−2

𝑎𝑚−1 𝑎𝑚−3 ,

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

209

𝑏2 = −1

𝑎𝑚−1

𝑎𝑚 𝑎𝑚−4

𝑎𝑚−1 𝑎𝑚−5 ,

𝑏𝑘 = −1

𝑎𝑚−1

𝑎𝑚 𝑎𝑚−2𝑘

𝑎𝑚−1 𝑎𝑚−2𝑘+1

𝑐1 = −1

𝑏1 𝑎𝑚−1 𝑎𝑚−3

𝑏1 𝑏2 ,

𝑐2 = −1

𝑏1 𝑎𝑚−1 𝑎𝑚−5

𝑏1 𝑏3 ,

𝑐𝑘 = −1

𝑏1 𝑎𝑚−1 𝑎𝑚−2𝑘+1

𝑏1 𝑏𝑘+1 .

4. Jumlah akar yang tidak stabil dapat

terlihat pada banyaknya perubahan tanda

di kolom pertama matriks (3).

5. Syarat perlu agar sistem dikatakan stabil

adalah apabilakoefisien dari persamaan

karakteristik bernilai positif,

sedangkansyarat cukupnya adalah apabila

setiap suku dari kolom pertama matriks

(3)bernilai positif.

3. METODE PENELITIAN

Langkah-langkah dalam penelitian ini

adalah:

1. Membentuk model epidemik SIR untuk

penyakit TB.

2. Menentukan titik kesetimbangan model

SIR penyakit TB.

3. Menentukan bentuk bilangan reproduksi

dasar (ℛ0) menggunakan matriks next

generation. 4. Melakukan analisis kestabilan dengan

menguji titik keseimbangan dari model

SIR menggunakan kriteria Routh-Hurwitz.

5. Memberikan contoh numerik pada titik

keseimbangan dari model SIR dengan

cara dicari akar-akar dari persamaan

karakteristiknya.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembentukan Model SIR Penyakit TB

Berikut diberikan asumsi-asumsi yang

digunakan dalam membangun model SIR

dalam penelitian ini :

1. Setiap individu dalam populasi (pada

waktu𝑡) selalu berada di dalam salah satu

subpopulasi, yaitu rentan (𝑆), terinfeksi

(𝐼), atau sembuh (𝑅).

2. Individu yang pernah sembuh dari

penyakit TB berada pada lingkungan

tertutup, artinya tidak ada imigrasi

ataupun emigrasi, sehingga total populasi

adalah konstan.

3. Setiap individu yang baru lahir dan yang

masih hidup masuk ke dalam populasi

rentan terhadap penyakit TB.

4. Penyakit TB menular melalui kontak

langsung antara individu rentan dengan

penderita (individu terinfeksi).

5. Tidak ada masa inkubasi dari bakteri Mtb

di dalam tubuh manusia.

6. Setiap individu yang telah sembuh dari

penyakit TB diasumsikan tidak akan

terserang lagi atau dianggap telah

memiliki kekebalan.

Menggunakan asumsi-asumsi di

atas,selanjutnya dapat dibuat diagram model

SIR penyebaran penyakit TB,seperti yang

diperlihatkan dalam gambar 1.

Λ𝛿𝑆𝑝𝐼

𝜇𝑆 𝜇 + 𝛼 𝐼𝜇𝑅

Gambar 1. Model SIR Penyebaran TB

Berdasarkan asumsi-asumsi serta

visualisasi dalam gambar 1, dapat diperoleh

suatu sistem persaman diferensial

,RpIdt

dR

pIISdt

dI

SSdt

dS

(4)

𝑁 = 𝑆 + 𝐼 + 𝑅,

dengan

N

I

Λ =tingkat rekruitment manusia

𝛿 =kekuatan penularan (force of infection)

𝛽 =peluangterjadinyakontakantaraindividu

rentan denganindividu terinfeksi

𝑁 =jumlah total individu dalam populasi

𝜇 = tingkat kematian alami (kematian normal)

𝛼 = tingkat kematian akibat penyakit TB

𝑝 =tingkat kesembuhan individu terinfeksi.

Sistem persamaan diferensial

(4)merupakan representasi matematis dari

S I R

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

210

model epidemik SIR yang dikembangkan

dalam penelitian ini.

AnalisisTitikKeseimbangan

Titikkeseimbangan dari sistem (4)

terjadipadasaat 0dt

dSdan 0

dt

dI,

sedangkanuntuk titik keseimbangan bebas

penyakit terjadi pada saat jumlah individu

terinfeksi sama dengan nol atau dilambangkan

dengan 𝐼0 = 0. Dari sistem (4), maka diperoleh

0dt

dS

Λ − 0 − 𝜇𝑆0 = 0

Λ = 𝜇𝑆0

0S , (5)

dan

0dt

dR

𝑝𝐼0 − 𝜇𝑅0 = 0,

00

0

R , (6)

sehingga titik keseimbangan bebas penyakit

untuk sistem (3) adalah

𝐻 = 𝑆0, 𝐼0, 𝑅0 =

0,0,

. (7)

Sementara itu, titik keseimbangan

endemik terjadi pada saat I≠ 0, sehingga dari

sistem (3) diperoleh

0dt

dS

Λ − 𝛿𝑆1 − 𝜇𝑆1 = 0,

Λ = 𝛿 + 𝜇 𝑆1

)(

1

S , (8)

penentuan𝐼1 dan 𝑅1dari 0dt

dIdan 0

dt

dR

adalahsebagaiberikut

0dt

dI

0)( 11 IpS

p

SI

1

1

)(

1

pI , (9)

dan

0dt

dR

011 RpI

1

1

pIR

)(

1

p

pR . (10)

Berdasarkan uraian di atas, maka

diperolehtitik keseimbangan endemik dari

sistem (3), yaitu

𝐻1 = 𝑆1, 𝐼1 , 𝑅1 , (11)

yang nilai-nilainya seperti yang

diperlihatkanoleh persamaan (8), (9), dan (10).

Penentuan Bilangan Reproduksi Dasar 𝓡𝟎

Untuk menentukan bilangan reproduksi

dasar dari sistem (4), dapat digunakanmatriks

next generation. Adapun, langkah pertama

yang dilakukan adalah dengan membentuk

N

IS dan pII ,

selanjutnyadenganmelinearisasi dan dapt

diperoleh matriks-matriksberikut

N

S

dI

d F ,

pdI

d

V ,

dan juga inversnya

p

11V ,

sehingga diperoleh matriks next

generationyang berbentuk

pN

S

1FVK , (12)

kemudian dengan mensubtitusikan nilai titik

keseimbangan bebas penyakit (7) ke dalam

persamaan (12), maka dapat diperoleh

bilangan reproduksi dasar 𝓡𝟎 dari sistem (4)

yang berbentuk

𝓡𝟎

)( p

1FV .

Analisis Kestabilan

Setelah diperoleh titik keseimbangan

model maka langkah selanjutnya adalah

melakukan analisis kestabilan untuk setiap titik

keseimbangan (7) dan (11). Langkahpertama

yang

dilakukanadalahlinearisasisistempersamaandif

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

211

erensial (4). Persamaan-persamaan yang

dilinierisasiadalah

𝑓 𝑆, 𝐼, 𝑅 = SS , (13)

𝑔 𝑆, 𝐼, 𝑅 = pIIS )( , (14)

𝑕 𝑆, 𝐼, 𝑅 = 𝑝𝐼 − 𝜇𝑅. (15)

Dengan melinearkan persamaan (13),

(14), dan (15), dapat diperoleh

S

SS

S

f,

N

S

I

SS

I

f

,

0

R

SS

R

f ,

S

pIIS

S

g ,

I

pIIS

I

g

pN

S

,

0

R

pIIS

R

g ,

0

S

RpI

S

h ,

pI

RpI

I

h

,

R

RpI

R

h .

Hasil linearisasi yang dilakukan di atas

merupakan elemen-elemen dari

matriksJacobianJ, yang bentuk umumnya

adalah

R

h

I

h

S

hR

g

I

g

S

gR

f

I

f

S

f

J

, (16)

sehinggadiperoleh matriks Jacobian dari

sistem persamaan diferensial (4) yang

berbentuk

p

pN

SN

S

0

0

0

1J .(17)

Analisis Kestabilan Titik Keseimbangan

Bebas Penyakit

Dengan mensubtitusikan nilai titik

keseimbangan bebas penyakit (7) yang

berbentuk𝐻 = 𝑆0, 𝐼0, 𝑅0 =

0,0,

ke

dalam matriks Jacobian(7), makadiperoleh

p

p

0

0

0

1J . (18)

Untuk mencari nilai eigen dari matriks

(18), maka diperlukan solusitak nol dari

persamaan

𝜆𝐼 −1J 𝔁 = 0, (19)

dimana 𝜆adalah nilai eigen. Persamaan (19)

tersebut mempunyai solusi tak nol jika dan

hanya jika 𝑑𝑒𝑡 𝜆𝐼 −1J = 0.Jadi, persamaan

karakteristik untuk matriks Jacobian (18)

yang dievaluasi di sekitar titik keseimbangan

bebas penyakit dapat dituliskan sebagai

0

0

0)

0

p

p . (20)

Menggunakan ekspansi kofaktor matriks

(20), diperoleh persamaan karakteristik yang

berbentuk

2323 p

pp 222223

222223 p

0 p . (21)

Untuk menunjukkan kestabilan dari

persamaan karakteristik (21),dapat

menggunakan kriteria Routh-Hurwitz. Langkah

pertama adalah dengan memisalkan

pa 3 ,

222232 2 pμb

p ,

dan

222223 pc

p ,

langkah berikutnya adalah dengan menuliskan

persamaan (21) ke dalam bentuk matriks,

sehingga diperoleh

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

212

a

a

cab

aa

cab

c

b

a

caba

0

1

0

1

2

3

. (22)

Berdasarkan teorema 1, matriks (22)

telah memenuhi syarat cukup agar sistem

tersebut dikatakan stabil karena semua suku

pada kolom pertama matriks bertanda positif.

Oleh sebab itu, karena syarat perlu dan syarat

cukup sudah terpenuhi maka dapat

disimpulkan bahwa persamaan (21) stabil,

yang artinya titik keseimbangan bebas

penyakit (7) dikatakan stabil.

Analisis Kestabilan Titik Keseimbangan

Endemik

Langkah awal yang dilakukan adalah

denganmensubstitusikantitik keseimbangan

endemik (11) kedalammatriksJacobian (17),

sehingga didapatkan matriksJacobian

p

pN

N

0

0

0

2J . (23)

Untuk mencarinilaieigen (eigen value)

𝜆darimatriks (23) diperlukan solusi tak nol dari

persamaan karakteristik yang dibentuk dari

matrikstersebut,

sehinggadiperolehbentukmatriksberikut

0

0

0

0

p

p

N

N

. (24)

Persamaan karakteristik dari matriks (24)

adalah

p

N3

23

2223

2 2p

N

Np

N

232

p22 2

N

2

0 p . (25)

Berikut ditunjukkan kestabilan dari

persamaankarakteristik (25) menggunakan

kriteria Routh-Hurwitz. Pertama-tama,

dimisalkan

p

Nq 3 ,

2223

2 2

p

Nr

pN

2

222

23

pN

s

N2

p .

Berdasarkan persamaan karakteristik (25)

dan permisalan 𝑞, 𝑟, dan 𝑠yang diberikan di

atas, dapat diperoleh matriks

a

q

sqr

qq

sqr

s

r

q

sqr

q

0

1

0

1

2

3

. (26)

Matriks (26) telah memenuhi syarat perlu

dan syarat cukup dalam teorema satu, sehingga

dapat disimpulkan bahwa persamaan

karakteristik (25) stabil dengan kata lain titik

keseimbangan endemik (11) stabil.

ContohNumerik

Pada bagian ini diberikan contoh numerik

dari model epidemikSIR TB yang

diperlihatkan dalam sistem persamaan

diferensial (4) dengan titik keseimbangan

bebas penyakit (7) dan titik keseimbangan

endemik (11). Nilai–nilai parameter yang

digunakan dalam contoh inidiperoleh dari

Nainggolan et al. (2013), yang secara lengkap

ditampilkan dalam tabel 1.

Tabel1.NilaiEstimasiParameter

Parameter NilaiEstimasi Parameter

Λ 3.500 per tahun

𝛽 0,17 per tahun

μ 0,01 per tahun

Prosiding SEMIRATA Bidang MIPA 2016; BKS-PTN Barat, Palembang 22-24 Mei 2016

213

α 0,05 per tahun

𝑝 0,15 per tahun

Untuk titik keseimbangan bebas penyakit

(7), pertama tama diberikan kondisi awal𝑆0 =350.000, 𝐼0 = 0, dan 𝑅0 = 0. Nilai-nilai

parameter dalam tabel 1 dimasukkan ke dalam

matriks(20) sehingga diperoleh

0

01,015,00

004,00

017,001,0

, (27)

selanjutnya

denganmenggunakanekspansikofaktordiperole

hpersamaankarakteristik dari matriks (27) yang

berbentuk

0000004,00009,006,023

, (28)

dan menggunakan software Maple 10

diperoleh akar-akar dari persamaan (28), yaitu

,25

11

100

132 .

akar-akar yang diperoleh tersebut adalah nilai-

nilai eigen dari persamaan karakteristik (28)

yang semuanya bernilai negatif, sehingga

berdasarkan teorema 1 dikatakan bahwa titik

keseimbangan tersebut stabil.

Menggunakan proseduryang sama nilai-

nilai parameter yang sama (tabel 1),

selanjutnya diberikan contoh numerik untuk

melihat kestabilan dari titik keseimbangan

endemik (11). Dalam hal ini, kondisi awal saat

endemik yang diberikan adalah 𝑆1 = 15000,

𝐼1 = 7300, dan 𝑅1 = 4500. Dengan

memasukkan nilai-nilai parameter pada tabel 1

ke dalam matriks (24),dapat diperoleh matriks

0

01,015,00

008,0003,0

013,0013,0

, (29)

selanjutnya menggunakan ekspansi kofaktor

diperoleh persamaan karakteristik dari matriks

(29) yang berbentuk

000001430002360103023

,λ,λ,λ , (30)

dan menggunakan softwareMaple 10 dapat

diperoleh akar-akar daripersamaan (30), yaitu

100

11 ,

,29292000

1

2000

932

29292000

1

2000

933 .

Semua nilai akar-akarnya bernilainegatif,

sehingga dapat disimpulkan bahwa titik

keseimbangan endemik tersebut stabil.

5. Kesimpulan

Menggunakan asumsi-asumsi yang

digunakan dalam penelitian ini, telah diperoleh

suatu model epidemik SIR yang

memilikiduabuahtitikkeseimbangan,yaitutitikk

eseimbanganbebas penyakit dan titik

keseimbangan endemik. Menggunakan kriteria

Routh-Hurwitztelah diperlihatkan pula bahwa

kedua titik keseimbangan tersebut stabil. Oleh

karena itu,bilangan reproduksi dasar (ℛ0) yang dibentuk oleh kedua titik keseimbangan

tersebut juga stabil. Hal ini berarti

bahwa ℛ0yang diperoleh dapat digunakan

sebagai nilai acuan dalam menganalisa

perkembangan penyebaran penyakit TB

dalams uatu populasi.

6. Referensi Campbell, S. L., &Haberman, R. 2008.

Introduction to Differential Equations with

Dynamical Systems. New Jersey: Princeton

University Press.

Effendy. 2013. Analisis Stabilitas Pada

Penyebaran Penyakit DBD di Kabupaten

Jember Dengan Metode SIR Stokastik. Jember:

Jurusan Matematika FMIPA Universitas Jember

Fredlina, K. Q., Oka, T. B., &Dwipayana, I. M. E.

2012.Model SIR (Susceptible, Infectious,

Recovered) Untuk Penyebaran Penyakit

Tuberkulosis. e-JurnalMatematika.Vol I:52-58

Oktafiani, L. D. 2013. Penentuan Bilangan

Reproduksi Dasar Dengan Menggunakan

Matriks Next Generation Pada Model West Nile

Virus. Bogor: Departemen Matematika FMIPA

IPB

Olsder, G. J., vanderWoude, J. W., Maks, J. G., dan

Jelstsema, 2011. Mathematical Systems Theory

4th

Edition. Netherland: VVSD.