Modul Sampling dengan Simulasi Komputer PENDAHULUAN Sutawanir Darwis M etode statistika merupakan alat untuk menyelesaikan masalah apabila solusi analitik tidak mungkin diperoleh. Dengan metode statistika diperoleh solusi parsial. Survei yang didasarkan atas sampel dinamakan survei sampel. Survei sensus merupakan hal khusus dari sampel survei; sensus merupakan survei berdasarkan 00% sampel. Survei geologi dirancang untuk mendeteksi cadangan mineral dan bahan tambang lainnya. Survei tanah dirancang untuk memetakan jenis tanah di suatu lokasi. Misalkan hendak diteliti persentase mahasiswa yang setuju dengan sistem ujian semester terhadap sistem ujian dua semester. Suatu solusi yang mungkin adalah menanyai semua mahasiswa pada universitas yang bersangkutan. Persentase mahasiswa yang setuju dapat dihitung dan permasalahan telah terpecahkan. Tetapi, misalkan terdapat 0.000 mahasiswa, dan fasilitas hanya memungkinkan untuk menanyai 00 mahasiswa maka solusi yang berdasarkan informasi dari 00 mahasiswa yang dipilih sebagai sampel merupakan solusi parsial. Misalkan 50 dari 00 menyatakan setuju maka sekurang-kurangnya 50 dari 0.000 tidak setuju. Persentase sebenarnya merupakan bilangan antara 50/0.000 sampai 9.950/0.000, yaitu dari 0,5% sampai 99,8%. Persentase setuju berdasarkan data sampel adalah 50/00 = 75%. Permasalahan yang muncul adalah bagaimana mengukur ketelitian nilai taksiran; dalam hal ini 75%, terhadap nilai sebenarnya, namakan. Masalah ketelitian suatu penaksir dikaitkan dengan pernyataan P ( ˆ 0, 07) 0,95 atau dinyatakan secara verbal peluang sekurang-kurangnya 95% selisih antara ˆ dengan tidak lebih dari 0,07. Dalam pernyataan ini, ˆ adalah penaksir untuk dan nilainya dapat berubah bila diambil sampel 00 lainnya.
. Metode Sampling P Kegiatan Belajar Populasi, Sampel, dan Penaksir opulasi adalah kumpulan objek yang menjadi perhatian penelitian. Misalnya, populasi mahasiswa, populasi petani, populasi ikan. Pada populasi dikaitkan satu atau beberapa karakteristik yang hendak diukur. Sampel didefinisikan sebagai bagian dari populasi. Sampel merupakan wakil populasi, yang mana informasi dari sampel digunakan untuk menyimpulkan keadaan populasi. Pemilihan sampel merupakan hal yang penting dalam metode sampling. Istilah sampel acak berarti tiap anggota populasi mempunyai peluang sama untuk terpilih sebagai sampel jika sampel diperoleh dari kelompok tertentu maka kesimpulan yang diperoleh lebih mencerminkan kelompok dari pada populasi, dalam hal ini dikatakan hasil yang diperoleh merupakan hasil yang bias, tidak mencerminkan keadaan populasi. Masalah ketelitian (accuracy) taksiran parameter dapat diselesaikan dengan eksperimen. Survei pendapat mahasiswa tentang sistem ujian semester pada bagian pendahuluan hanya mempunyai dua jawaban yang mungkin setuju atau tidak setuju. Eksperimen di mana hanya ada dua hasil yang mungkin dikenal dengan nama eksperimen Bernoulli. Proses pengambilan sampel dari populasi mahasiswa untuk mengukur ketelitian taksiran proporsi dapat dimodelkan dengan eksperimen Bernoulli sebagai berikut. Populasi mahasiswa direpresentasikan oleh 0.000 kelereng. Misalkan,.46 di antaranya berwarna merah dan sisanya berwarna hitam. Warna merah merepresentasikan jawaban setuju dan hitam menyatakan tidak setuju. Proporsi sebenarnya (proporsi teoretis) adalah = 46/0.000 = 0,74. Misalkan, diambil sampel sebesar 00 dan 45 di antaranya berwarna merah maka taksiran adalah ˆ = 45/00 = 0,75. Perbedaan antara nilai sebenarnya dengan taksiran untuk parameter, adalah 0,75 0,74 0,008. Untuk menentukan ketelitian penaksir ˆ, dilakukan pengulangan pengambilan sampel sebesar 00, dari populasi 0.000 kelereng. Misalkan, dilakukan pengulangan 000 kali dan diperoleh tabel frekuensi berikut.
SATS4/MODUL. Tabel. Distribusi ˆ dari 000 Pengulangan Pengambilan Sampel Ukuran 00 dari Populasi Bernoulli Frekuensi Frekuensi Relatif ˆ 0, 0 5,5% 0,0 ˆ 0,05 646 64,6% 0, 05 ˆ 0,0 4,4% 0,0 ˆ 0, 0 4 0,4% 0, 0 ˆ 0,50 0,% 0,50 ˆ 0 0% Hasil Tabel. menyatakan bahwa 5 kali dari 000 pengulangan nilai ˆ kurang dari 0,0; 646 dari 000 nilai ˆ terletak di antara 0,0 sampai 0,05, dan seterusnya. Hasil Tabel. dapat dinyatakan dengan notasi peluang (kemungkinan) P (0, 0 ˆ 0, 05) 64, 6% Bila dikerjakan secara manual, proses pengulangan pengambilan sampel ukuran 00 merupakan pekerjaan yang membutuhkan waktu cukup lama. Pekerjaan ini dapat digantikan oleh komputer. Proses pengulangan pengambilan sampel oleh komputer dikenal dengan nama simulasi pengambilan sampel. Salah satu algoritma pembangkit bilangan acak adalah Linear Congruential Generator (LCG) Algoritma LCG. Tetapkan konstanta a, c, m dan I 0. Konstanta a, c, m dipilih agar tidak terjadi pengulangan bilangan yang sama. Misalnya a = 6.807, c = 0, m =.. Hitung: I n = (a I n- + c) mod m. = sisa hasil pembagian (a I n- + c) dengan m, misalnya 75mod7 = 5, karena 75 : 7 =0, sisa 5.
.4 Metode Sampling. Hitung: u n = I n / m. Dari langkah dan terlihat bahwa 0 u n <, karena 0 I n < m. Ulangi langkah dan sebanyak bilangan yang diinginkan. Sebagai contoh, untuk a = 57, c = 849, m = 6556 dan I 0 = diperoleh I = (a I 0 + c) mod m = (57 + 849) mod 6556 = 8608 Karena (57 + 849)/6556 =0, sisa 8608. u = 8608/6556 = 0,465 I = (a I + c) mod m = (57 8608 + 849) mod 6556 = 5465 u = 5465/6556 = 0,858 LATIHAN Untuk memperdalam pemahaman Anda mengenai materi di atas, kerjakanlah latihan berikut! ) Misalkan u suatu bilangan acak yang diperoleh melalui metode LCG. Unit populasi yang terambil sebagai sampel ditentukan dari rumus N* u +, di mana N menyatakan ukuran populasi. Misal bilangan acak yang pertama adalah 0,44, 0,768, 0,7474. Tuliskan mata dadu yang muncul pada lantunan pertama. ) Misal pada algoritma LCG diambil I =, a = 749, c = 447, m = 94. Tuliskan bilangan acak pertama berdasarkan algoritma LCG. ) Histogram merupakan alat untuk mempelajari distribusi suatu populasi. Suatu histogram dapat dinyatakan dalam suatu tabel frekuensi seperti tabel berikut. Selang Kelas ( c, c ] ( c, c ] ( c, c ] k k ( c, c ] k k Frekuensi O O O O k k Frekuensi Kumulatif N N N k N N k Frekuensi Relatif f f f f k k Frekuensi Rel Kumulatif F F F k F k
SATS4/MODUL.5 O i = banyaknya anggota pada selang kelas ( ci, c i] Ni O O... O i = banyaknya anggota kelas ( ci, c i] f O / N i i Fi f f... fi Ni / N N = ukuran populasi = k = banyaknya selang kelas k O i i N k Penentuan data yang terambil pada populasi yang dikelompokkan dalam k. kelas ditentukan melalui prosedur berikut: i. Ambil suatu bilangan acak, misal u ii. Ambil kelas interval i, I memenuhi F i u F i ( u Fi ) iii. Data yang terpilih sebagai sampel ci Ai dengan f A c c i i i Misal tabel frekuensi umur 47 bola lampu diberikan pada tabel berikut. i Selang Kelas (0 00] (00 400] (400 500] (500 600] (600 700] (700 800] (800 900] (900 000] (000 00] (00 00] (00 00] (00 400] (400 500] (500 600] (600 700] Frekuensi 0 0 0 45 9 85 80 44 9 47 Frekuensi Relatif 0,00 0,000 0,000 0,007 0,04 0,050 0,08 0,8 0,04 0,9 0,06 0,055 0,0 0,007 0,004 Frekuensi Relatif Kumulatif 0,000 0,000 0,000 0,0090 0,00 0,080 0,90 0,400 0,640 0,8060 0,90 0,9670 0,9886 0,9956 0,9996
.6 Metode Sampling Tentukan data yang terambil sebagai sampel bila bilangan acak pertama adalah 0,0480, 0,7570, 0,909. 4) Misal waktu pelayanan 40 pelanggan, setelah dikelompokkan, tercatat sebagai berikut. Tentukan data yang terpilih sebagai sampel bila 5 bilangan acak yang pertama adalah 0,76; 0,67; 0,67; 0,4; 0,4. 5) Misalkan X, X,..., X n menyatakan data pada suatu populasi berukuran N. Unit populasi yang terambil sebagai sampel ditentukan dengan rumus j Integer ( N * u ), dengan u suatu bilangan acak yang diperoleh dari metoda LCG. Tentukan data yang terpilih sebagai sampel dari populasi: 65, 74, 70, 75, 8, 75, 66, 64, 7, 7, dengan N=0, jika 5 bilangan acak yang pertama adalah 0,7 0,6 0,7 0,4 0,. Petunjuk Jawaban Latihan ) Ambil N = 6, misal j Integer ( N * u ). Untuk u = 0,44 maka j Integer (60,44 ) Integer (,60046)=. Jadi, mata dadu yang muncul pada lantunan pertama adalah mata. ) I = (749 + 447) mod 94 = 0686 mod 94 = 44 (hasil bagi 0686:94 mempunyai sisa 44). u = 44/94 = 0,5947 I = (749 44 + 447) mod 94 = 45754 mod 94 = 49 (hasil bagi 45754:94 mempunyai sisa 49). u = 49/94 = 0,775 dan seterusnya I = (749 49 + 447) mod 94 = 90455 mod 94 = 8694 (hasil bagi 90455:94 mempunyai sisa 8694). u = 8694/94 = 0,458 dan seterusnya
SATS4/MODUL.7 ) Untuk bilangan acak u = 0,048. Kelas interval yang memenuhi F i u F i. Diperoleh I = 7 data yang terpilih sebagai sampel u F6 c7 47 f 7 0,048 0, 08 80 99 = 80 + 9,98 = 80,98 0,08 4) Lihat Latihan no. 5) Untuk bilangan acak 0,7, diperoleh j = Int (0 0,7 + ) Int (8,) = 8. Jadi unit populasi yang terpilih sebagai sampel adalah unit ke-8 nilai datanya 64. untuk bila 0,6 diperoleh j = Int (0 0,6 + ) = 7 dan nilai data 66. RANGKUMAN Proses pengambilan sampel dapat disimulasikan dengan algoritma LCG (Linear Congruential Generator).. Pilih konstanta a, c, m dan I 0. Konstanta dipilih agar tidak terjadi pengulangan munculnya bilangan yang sama.. Hitung I k = (a I k- + c) mod m, k =,,.. Hitung u k = I k /m, 0 u k. Unit populasi yang terpilih sebagai sampel adalah unit populasi dengan indeks j = Integer (N * u + ), dengan N = ukuran populasi dan u bilangan acak yang diperoleh dari algoritma LCG. Untuk data yang dikelompokkan, data yang terpilih sebagai sampel u Fi ci Ai f 7 dengan F i u F i dan Ai ci c i
.8 Metode Sampling TES FORMATIF Pilihlah satu jawaban yang paling tepat! ) Jika pada algoritma LCG diambil a =, c = 4, m = 9, dan I 0 = maka I =(ai 0 +c)mod m. A. B. 7 C. D. 6 ) Jika pada algoritma LCG diambil a =, c = 0, m =, dan F 0 =, dan I =(ai 0 +c)mod m maka u = I /m. A. 0 B. / C. / D. / ) Jika suatu populasi berukuran N = 0 dan dari algoritma LCG diperoleh bilangan acak 0,4 maka unit populasi yang terpilih sebagai sampel adalah j =. A. 6 B. 7 C. 8 D. 9 4) Jika suatu populasi berukuran N = 40 dan dari algaritma LCG diperoleh bilangan u = 0,97 maka unit populasi yang terpilih sebagai sampel adalah j =. A. 7 B. 8 C. 9 D. 40 5) Misalkan suatu populasi dikelompokkan kedalam kelas-kelas berikut. Selang Kelas Frekuensi (0, 5] (5, 0] (0, 5] 4 (5, 0] (0, 5]
SATS4/MODUL.9 Jika bilangan acak yang terpilih dari algaritma LCG adalah u = 0,8 maka data yang terpilih sebagai sampel adalah... 5 A. 9 B. 5 C. 5 5 9 D. 6 Cocokkanlah jawaban Anda dengan Kunci Jawaban Tes Formatif yang terdapat di bagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang benar. Kemudian, gunakan rumus berikut untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda terhadap materi Kegiatan Belajar. Tingkat penguasaan = Jumlah Jawaban yang Benar 00% Jumlah Soal Arti tingkat penguasaan: 90-00% = baik sekali 80-89% = baik 70-79% = cukup < 70% = kurang Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, Anda dapat meneruskan dengan Kegiatan Belajar. Bagus! Jika masih di bawah 80%, Anda harus mengulangi materi Kegiatan Belajar, terutama bagian yang belum dikuasai.
.0 Metode Sampling D Kegiatan Belajar Populasi dan Simulasi ata yang ditemui dalam kehidupan sehari-hari berjumlah hingga, merupakan representasi suatu populasi. Misalnya seperti data yang dibicarakan pada Kegiatan Belajar, 00 peserta kuliah dapat dianggap sebagai wakil dari populasi takhingga. Data pengukuran tekanan udara merupakan sampel dari populasi takhingga. Semua nilai tekanan udara yang mungkin P( X 0) f (0) Pada kegiatan belajar ini akan dibahas simulasi untuk membangkitkan sampel dari suatu populasi. Populasi 0.000 peserta ujian masuk dapat direprensentasikan oleh takhingga bilangan 0 atau ; 0 jika berusia kurang dari 5 tahun dan bila berusia lebih dari atau sama dengan 5 tahun. Kedua proporsi dinyatakan oleh dan. Frekuensi relatif dari kedua nilai yang mungkin disebut peluang P( X ) f ( ) ; P( X 0) f (0) dan P( X ) f (). Fungsi distribusi kumulatif adalah jumlah kumulatif semua nilai peluang untuk titik-titik ; F( ) P ( X ) f ( t) t 0, 0, 0, 0, dan f P X ( ) ( ) ( ), 0, Peluang f ( ) P( X ) memenuhi hukum peluang: i. 0 f( ) ii. P( X ) F ( ) merupakan fungsi tangga, dan loncatan merupakan nilai peluang P( X ). Sebagai contoh, diberikan distribusi peluang
SATS4/MODUL. P( X 0), P( X ), P( X ) 4 4 maka distribusi kumulatif F ( ) adalah 0, 0 / 4, 0 F( ) / 4,, Populasi abstrak di mana banyaknya nilai yang mungkin berhingga atau terhitung dinamakan populasi diskrit dan peubah acak X disebut peubah acak diskrit. Himpunan semua nilai peubah acak X yang mungkin disebut pendukung, notasi S. Untuk setiap S, f ( ) P( X ) menyatakan X peluang dari X =. Peubah acak X dikatakan berdistribusi seragam jika f ( ) P( X ) bernilai sama untuk setiap S. Jika S {,,..., n } maka X f ( ) P( X ), notasi X ~ U[,,..., n ]. Jika setiap bialangan 0,, n, 9 mempunyai peluang sama untuk terpilih maka X = angka yang muncul berdistribusi U[0,9], fungsi peluangnya adalah f ( ) P( X ), 0,,...,9 0 Distribusi Bernoulli adalah distribusi dengan pendukung yang terdiri dari nilai; S {0, }. Distribusi Bernoulli merupakan representasi dari eksperimen yang mempunyai dua nilai yang mungkin: sukses (kode ) dan gagal (kode 0). Distribusi peluang Bernoulli diberikan oleh P( X ) f () p, P( X 0) f (0) p. Jika eksperimen Bernoulli diulangi n kali dan saling bebas maka X = banyaknya sukses dari n eksperimen Bernoulli berdistribusi binomial dan dinotasikan dengan X b( n, p ) dan distribusi peluang binomial diberikan oleh X
. Metode Sampling n n ( ) ( ) f P X p q, q p, 0,,..., n n n!!( n )! Peubah acak X = banyaknya eksperimen Bernoulli yang diperlukan untuk memperoleh sukses berdistribusi geometrik dengan distribusi peluang f P X pq ( ) ( ),,,,.... Hasil pengukuran yang mungkin suatu besaran (berat, isi, jarak) direprentasikan oleh selang, misalnya a b. Distribusi dengan pendukung berupa selang disebut distribusi kontinu. Fungsi f merupakan fungsi densitas dari X jika:. f( ) 0,. P ( a b ) b f ( ) d a. f ( ) d a 4. f ( ) 0 P ( a ) a Fungsi distribusi dari variabel kontinu adalah F( ) P( X ) f ( t) dt. Untuk variabel kontinu, F ( ) merupakan fungsi kontinu juga. Berapa contoh distribusi untuk variabel kontinu. Distribusi seragam X U( a, b ) dengan densitas, a b f( ) b a 0, yang lain
SATS4/MODUL. 0, a a F( ), a b b a, b. Distribusi normal baku Z N (0,) z f ( z) e ( z), z F( z) z f ( t) dt ( z) Nilai () z dan () z disajikan pada tabel normal.. Distribusi eksponensial X Ep( ) f ( ) e, 0 F( ) e, 0 Momen ke k dari peubah acak X k f ( ), X diskrit k EX ( ) k f ( ) d, X kontinu Variansi, V( X ), merupakan momen kedua terhadap mean EX ( ). V( X ) E( X ) E( X ) [ E( X )] Beberapa sifat mean dan variansi. a. E( ax b) ae( X ) b b. V ax b a V X ( ) ( ) Sampling dari distribusi diskrit Misalnya, diberikan distribusi peluang peubah acak diskrit X, P( X 0), P( X ), P( X ) 4 4
.4 Metode Sampling Dapat diturunkan fungsi distribusi dari X, 0, 0 / 4, 0 F( ) / 4,, Permasalahan yang dihadapi adalah bagaimana menggenerate (membangkitkan) nilai-nilai X dari distribusi ini. Misalkan 000 bilangan digenerate, dengan harapan 5% bernilai. Frekuensi relatif,,, 4 4, dapat diperoleh dari distribusi seragam U (0,). Selang [0,] dibagi menjadi selang, [0, 0,5), [0,5, 0,75), [0,75, ). Jika u [0, 0,5) maka X = 0, jika u [0,5, 0,75) maka X =, jika u [0,75, ) maka X =. Metode ini disebut metode balikan CDF (cumulative distribution function). Peubah acak u ~ (0,) diperoleh dari metode LCG. Algorima balikan CDF. Gerenate bilangan acak u, u ~ U(0,).. Tentukan nilai X terkecil sehingga F( X ) u, X min{ F( ) u }.. X bilangan acak dari distribusi peluang f ( ) P( X ). Contoh: Misal dengan algoritma LCG (Linear Congruential Generator) diperoleh barisan bilangan, k 0 4 5 6 7 I k 7 5 9 9 u k 8 7 8 5 8 9 8 8 8 9 8 װ װ װ װ װ װ װ װ 0,0 0,97 0,66 0,76 0,9 0,55 0,4 0,4 8
SATS4/MODUL.5 k 7 8 9 0 I k 5 7 7 u k 8 8 5 8 7 8 8 7 8 װ װ װ װ װ װ װ 8 0,4 0,87 0, 0,8 0,9 0,45 0,4 Misal ingin meng-generate peubah acak X dengan fungsi distribusi 0, 0 / 4, 0 F( ) / 4,, Selang [0,] dibagi menjadi selang [0, 0,5), [0,5, 0,75), [0,75, ] Untuk u = 0,0, X min{ F( ) 0,0} 0. Untuk u = 0,97, X min{ F( ) 0,97}. Diperoleh tabel Atau U 0,0 0,97 0,66 0,76 0,9 0,55 0,4 0,4 X 0 0 U 0,87 0, 0,8 0,9 0,45 0,4 0,0 X 0 0 0 X # Frekuensi Relatif 0 5 5 5 7 7 5 5 5 # : dibaca jumlah (frekuensi)
.6 Metode Sampling Contoh: Diketahui generator I i = I i- (mod 64), I 0 = 5 diperoleh barisan bilangan: 5,,, 5, 4, 59, 49,9, 57, 4,,, 9, 7, 7, 5, 5 dan barisan u i = I i /64 0,9 0,7 0,5 0,55 0,64 0,9 0,77 0,0 0,89 0,67 0,0 0,05 0,5 0,4 0,7 0,80 0,9 Untuk menggenerate bilangan dengan distribusi peluang,,,,4 f( ) 4 lainnya 0, dilakukan sebagai berikut.. Bagi selang [0,) menjadi Selang [0, 0,5), [0,5, 0,50), [0,50, 0,75) dan [0,75, ) dan diperoleh. U 0,9 0,7 0,5 0,55 0,64 0,9 0,77 0,0 0,89 X 4 4 4 U 0,67 0,0 0,05 0,5 0,4 0,7 0,80 0,9 X 4. Tabel Frekuensi X # Frekuensi Relatif 4 4/7 5 5/7 4 4/7 4 4 4/7 7
SATS4/MODUL.7 Sampling dari Distribusi Kontinu Fungsi disribusi F dari distribusi kontinu merupakan fungsi kontinu dan monoton naik. Akibatnya, F merupakan fungsi. Prosedur generate bilangan X dari distribusi dengan fungsi distribusi F ( ) :. Generate bilangan u dari distribusi seragam U [0,).. U F( ), dengan F fungsi distribusi X. X F ( u ). Metode di atas dinamakan metode balikan (inverse) CDF. Dengan X F ( u ), diperoleh P ( X ) P( F ( u) ) P ( u F( ) F ( F( )) F( ) ( u ~ u[0,)) Karena U ~ U [0,), diperoleh 0, u 0 F ( u) u, 0 u, u Contoh. Misal X ~ Ep. Densitas X diberikan oleh f ( ) e, 0 u Fungsi distribusi dari X, 0, 0 F( ) e, 0 Untuk memperoleh bilangan dari distribusi eksponensial langkah-langkah berikut.. Generate barisan bilangan u, u,. Dari U [0,).. u F ( ) e, diperoleh j ln ( u j ) X j. Ep dilakukan
.8 Metode Sampling Contoh: Misal u 0,74, u 0,589, u 0,880 Dengan =, diperoleh ln ( 0, 74) X 0,, X 0,4449, dan X 0,064 Jika U ~ U [0,) maka U ~ U [0,). Sehingga U pada rumus ln ( u j ) X j dapat diganti dengan U. Diperoleh ln ( u j ) X j. Pada contoh di atas, =, diperoleh ln (0,74) X 0, 495, X 0,644, dan X 0,06 Contoh: Misalkan X mempunyai densitas f ( ), Fungsi distribusi F diberikan oleh dt F( ), t Untuk menggenerate X dari distribusi ini, ambil U dan selesaikan persamaan X U. Barisan bilangan U, U,. dapat ditransformasikan menjadi barisan bilangan X, X,. Syarat agar metode balikan CDF adalah () F ( ) mempunyai bentuk eksplisit dan () persamaan u F( ) dapat diselesaikan. Kedua syarat di atas tidak dapat diterapkan pada distribusi normal baku N (0, ). CDF distribusi normal N (0, ) hanya dapat dinyatakan sebagai integral z t () z e dt
SATS4/MODUL.9 Diperlukan metode lain dalam hal metode balikan CDF tidak dapat diterapkan Metode Sampling Penerimaan (Acceptance Sampling). Misalnya (a,b) suatu selang pada garis bilangan. Misal h maks f ( ). Jadi h merupakan titik a b tertinggi dari fungsi densitas f( ); h dapat dicapai pada a maupun pada b. Buat persegi panjang ( a, b) (0, h ). Luas persegi panjang adalah h( b a ) sedangkan luas daerah di bawah densitas f( ) sama dengan. Prosedur untuk menggenerate peubah acak dengan densitas f() adalah sebagai berikut. Algoritma sampling penerimaan:. Misal u, u dua bilangan acak dari distribusi U(0,). Generate X ( b a) U a. X berdistribusi U (a,b). Generate Y ~ U(0, h ) dengan transformasi y hu. Titik ( X, Y ) merupakan titik acak berdistribusi seragam pada persegi panjang ( a, b) (0, h ). 4. Bandingkan Y dengan f( X ). Jika Y f ( X ) maka terima X sebagai bilangan acak yang diinginkan. Jika Y f ( X ) maka tolak X (tidak terpakai). 5. Ulangi proses sampai 4 hingga diperoleh barisan bilangan acak X, X,., X n. b Gambar.. Metode Sampling Penerimaan
.0 Metode Sampling Contoh: Generate peubah acak dari distribusi dengan fungsi densitas 4 6 f ( ) 0 ( ), a dengan metode algoritma sampling. Penyelesaian Turunan pertama 5 f ( ) 460 ( ) ( 5 ) Persamaan f( ) 0 memberikan = 5 dan h maks { f ( )},759. Tentukan persegi panjang (0, ) (0,, 76) dan generate bilangan acak X dengan algoritma berikut.. Generate u ~ U (0,) dan u ~ U (0,). Ambil X = U dan Y =,76 U. Jika Y f ( ), terima sebagai bilangan acak selain itu tolak. Menggenerate Normal Acak Distribusi normal baku N (0, ) memegang peranan sangat penting dalam statistika. Normal acak dapat digenerate dengan metode balikan CDF, sampling penerimaan, teorema limit sentral, dan Bo-Muller.. Metode Balikan CDF Misal X ~ N (0, ). Fungsi distribusi dari X diberikan oleh t ( ) e dt dan balikannya ( u ). Baik ( ) maupun ( u ) tidak memiliki bentuk eksplisit. Untuk itu telah dikembangkan kesempatan a) Generate u ~ U (0, ) b) w ln u c) Untuk 0 U 0,5 a a w a w X u w 0 ( ) b wb w b w
SATS4/MODUL. dengan a 0 =,5557 a = 0,8085 a = 0,0008 b =,4788 b = 0,8969 b = 0,0008 Untuk 0,5 U a a w a w X u w 0 ( ) b wbw bw dengan w ln ( u ). Metode Sampling Penerimaan Metode sampling penerimaan didefinisikan pada persegi panjang ( a, b) (0, h ), h maks f ( ), a b. Distribusi normal didefinisikan pada selang (-, ). Penerapan metode sampling penerimaan pada distribusi normal memerlukan pemotongan selang (-, ) menjadi selang (a, b). Misalnya, bila selang (-, ) dipotong menjadi selang (-4, 4) maka peluang mendapatkan X di luar selang ini sangat kecil; P( X 4) 0, 00007. Metode Teorema Limit Sentral Salah satu metode sederhana untuk menggenerate bilangan acak normal adalah teorema limit sentral. Teorema Limit Setral Misal X, X,..., X n sampel acak dari distribusi dengan mean EX ( ) dan variansi Maka, untuk n besar, V( X). n X Xi n i berdistribusi hampir normal dengan mean dan variansi X N n ~ (, / ) / n, yaitu Jadi, untuk n cukup besar, Z X ~ N(0, ) / n
. Metode Sampling Prosedur untuk menggenerate satu bilangan Z adalah sebagai berikut () Generate X, X,..., X n dari distribusi U (0,). () Hitung ekspetasi (mean) dan variansi U(0,), EX ( ), V( X) X, dan X. Dan distribusi dari mean adalah X ~ N, n X () Z ~ N (0,) (4) n n, Z ( X ) X 6. i i 4. Bo-Muller a. Generate U U (0,), U U (0,) b. V U, V U, S V V c. Jika S, ulangi menggenerate u, u. ln S ln S Jika S, hitung Z V dan Z V S S Dapat ditunjukkan PS ( ) 0, 46 %. Metode Bo- Muller merupakan metode eksak. Bo Muller polar (i) Generate U U(0,) dan U U (0,) (ii) Z ln S cos u dan Z ln S sin u Z, Z merupakan pasangan N (0,) Contoh: Misalkan U~ U (0,). Tentukan solusi X dari persamaan U= F( X ) bila X mempunyai densitas
SATS4/MODUL. a. f ( ), 0 b. f e 0,5 ( ) 0,5, 0 Penyelesaian a. f ( ), 0 0, 0 f ( ), 0, U F( X ) X, 0 X X U b. f e 0,5 ( ) 0,5, 0 untuk 0, F( ) P( X ) 0 untuk 0,5 0, ( ) ( ) 0,5 t F P X e dt e d t 0,5 0,5t 0,5 0 ( 0,5) 0,5t e 0 e 0,5 0 Persamaan u F( ) memberikan u e u 0,5, 0 0,5 u e 0,5 ue ln( u) 0,5 ln( u ) Penyelesaian U F( X ) diberikan oleh X ln( U ), 0 < U <
.4 Metode Sampling Contoh: Tuliskan algoritma sampling penerimaan untuk membangkitkan bilangan X yang berdistribusi a. f ( ), 0 b. f e 0,5 ( ) 0,5, 0 Penyelesaian a. h maks{ f ( )} maks{ } 0 0 Algoritma sampling penerimaan:. Bangkitkan U U (0, ), U U (0, ) X ( 0) U 0 U. Y U. Jika Y f ( X ), terima X, selain itu tolak. b. h maks f maks e { ( )} 0,5 {0,5 } 0,5 0 0 Algoritma sampling penerimaan:. Bangkitkan U U (0, ), U U (0, ). Misal selang (-, ) dipotong menjadi (0,4). X (4 0) U 0 4U = 4 U Y 0,5U. Jika Y f ( X ), terima X, selain itu tolak. Distribusi binomial dan penerapannya dalam simulasi. Misal p, 0 p, menyatakan peluang bahwa penyataan A benar. Misalkan dari n trial, pernyataan A benar r kali, 0 rn. Tentukan peluang bahwa pernyataan A benar. Permasalahan ini dapat didekati dengan distribusi binomial. Peluang memperoleh X = r sukses dari n trial bebas bila peluang sukses = p, adalah
SATS4/MODUL.5 n r n ( ) ( ) r P X r p p, r 0,,..., n r n n! dengan r r!( n r)! Distribusi di atas dinamakan distribusi binomial, dan diberi notasi X b( n, p ). Untuk n > 0 dan p ~ 0,5, distribusi binomial dapat dihampiri oleh distribusi normal, P( X i) P( i Y i ) dengan X b( n, p ) dan Y b( np, np( p )). Penyelesaian p dari pertaksamaan pˆ p z p( p) / n diberikan oleh p : pˆ ( z / n) z pˆ ( pˆ z ( / ) ( z / n) n 4 z n n pˆ ( z / n) ( z / n) d dengan z z / dan z pˆ ( pˆ) z d / n 4 z n n Bila n cukup besar dan p dekat dengan 0,5, z/ z/ pˆ( pˆ) ~, pˆ ~ p, d~ z / n n n ( )00% selang kepercayaan untuk p: pˆ z / pˆ( pˆ) n
.6 Metode Sampling Contoh: Misalkan dari suatu simulasi dengan n = 000 diperoleh ˆp = 0,0005 maka 95% selang kepercayaan p : pˆ z pˆ( pˆ) n / = (0,00, 0,07) (eksak) ~ (0,0006, 0,0094) (hampiran) LATIHAN ) Tentukan fungsi distribusi F ( ) dari peubah acak X dengan fungsi densitas a), 0 f( ) 0,,,,4,5 b) f ( ),,0, c) f ( ), 5,,,4,5 ) Tentukan fungsi distribusi F ( ) dari fungsi densitas a. b. c. f ( ) ( ), 0 ( ) f ( ), ( ) f ( ) e, ) Tentukan solusi X dari persamaan U F( ) dari distribusi dengan densitas a. f ( ) ( ), 0 b. Untuk memperdalam pemahaman Anda mengenai materi di atas, kerjakanlah latihan berikut! ( ) f ( ), ( )
SATS4/MODUL.7 c. f ( ) e, 4) Tentukan solusi X F ( u ) dari fungsi densitas a. f ( ), 5 b. f ( ), 7 48 c. f ( ) ( ), 0 5) Tentukan rumusan u F( ), apakah dapat dinyatakan secara eksplisit sebagai fungsi u; a. f ( ), F ( u ) dari densitas b. f ( ) sin, 0 / c. f ( ) e, 0 d. f ( ) k ( ), 0, k konstanta 6) Tentukan nilai maksimum dari fungsi densitas berikut. a. f ( ), b. f ( ) 6 ( ), 0, c. f ( ) ( ), 0, d. f ( ) e, 0 e. f ( ) e, f. f ( ) e, 0 7) Misal Y berdistribusi seragam U (0, ) ; Y U (0, ) Misal F fungsi distribusi peubah acak kontinu F( ) F( ) bila dan 0 F ( ). Definisikan peubah acak X dengan transformasi Y Y( ). Tunjukkan X mempunyai fungsi distribusi F ( ). 8) Misal X peubah acak kontinu dengan fungsi distribusi F ( ). Tunjukkan Y Y( ) berdistribusi seragan U (0, ).
.8 Metode Sampling 9) Misal peubah acak U U (0, ), dan U U (0, ), Y, Y bebas stokastik. Peubah acak X, X didefinisikan dengan: X ln Y cos ( Y ) Tentukan a. distribusi gabungan X, X b. distribusi marjinal X. dan X ln Y sin ( Y ) 0) Tuliskan algoritma sampling penerimaan untuk menggenerate bilangan acak X dengan densitas f ( ) ( ), 0, Petunjuk Jawaban Latihan ) a. b. 0, 0, 0, F ( ),, 4, 4 5, 5 0,, 0 F( ), 0,
SATS4/MODUL.9 c. 0,, 5, 5 F( ), 4 5 4, 4 5 5, 5 ) a. Untuk 0, F ( ) f ( t) dt ( t) dt 0 ( t) d( t ) 0 ( ) t 0 ( ) ( ) 0, 0 F, ( ) ( ), 0 dt b. F( ) f ( t) dt ( t ) arctan t arctan arctan ( )
.0 Metode Sampling F( ), ( ) arctan ( ) arctan c) F( ) e, e, 0 e, 0 Untuk 0, t F( ) e dt t ( ) e e e ( e 0) e. Untuk 0, F( ) f ( t) dt 0 t t e dt e dt 0 t e ( e ) e 0 Jadi e, 0 F ( ) e, 0
SATS4/MODUL. ) a. f ( ) ( ), 0 0, 0 F, ( ) ( ), 0 u F u ( ) ( ), 0 u ( ) ( ) Jadi u ( u ) ( u ) ( u ) ( u ) b. F( ), ( ) F( ) arctan, u F( ), 0 u arctan ( u ) arctan tan ( u )
. Metode Sampling c. F e ( ), e, 0 F ( ) e, 0 u F( ), 0u Untuk 0u, u e u e ln( u ) Untuk u, u e u e ( u) e e ( u ) ln(( u )) ln(( u )) ln u, 0u ln ( u), u 4) a. f ( ), 5 Untuk 5, t t F ( ) dt 4 4 0, F( ), 5 4, 5
SATS4/MODUL. u F( ), 0u 4 4u 4u, 4u 0 Karena X > 0 maka solusi F ( u ) adalah 4u b. f ( ), 7 48 Untuk 7, F( ) t dt 48 Misal: z t, integral menjadi t z F( ) dt 48 dz z 48 48 0 ( ) 0 ( ) 96 96 0 0, 0 F 96, 7 ( ) ( ), 7 u F( ), 0u ( ) u 96 ( ) 96u, 7 96 u, 0 96u F ( u) 96u c. f ( ) ( ), 0 Untuk 0
.4 Metode Sampling ( ) ( ) F t t dt 0 4 t t 4 ( t t ) dt 4 4 0 0 0, 0 4 F( ) 4, 0, 4 u F( ) 4, 0 u 4 4 u ( 4) u u 4 / 4 u Disini tidak dapat dinyatakan secara eksplisit sebagai fungsi dari u. 5) a. f ( ),, 0, 0 Untuk 0, ( t) F( ) ( t) dt ( t) d( t ) ( ) Untuk 0 ( t) F( ) ( ) t dt 0 0 ( ) ( )
SATS4/MODUL.5 0, ( ), 0 F( ), ( ), 0 u F( ), 0 u Untuk 0 u : ( ) u u u Untuk u : ( ) u ( ) ( ) u F( ) ( ) u F( ) ( ) u, 0 ( u ) ( u ) b. f ( ) sin, 0 / Untuk 0 / : 0 F( ) sin t dt cos t cos 0, 0 F( ) cos, 0, u F( ) cos, 0u cos u arc cos( u ) 0
.6 Metode Sampling c. f ( ) e, 0 Untuk > 0, t t F( ) te dt td( e ) 0 0 t t t t e 0 e dt e e 0 0 e e e e 0, 0 F ( ) e e, 0 u F( ) e e, 0 u, 0 e e u e ( ) u u e e ( u) Disini tidak dapat dinyatakan sebagai fungsi eksplisit. d. f ( ) k ( ), 0 Untuk 0 < <, t t F( ) kt ( t) dt k t t dt k k 0 0 0 0, 0 F( ) k, 0,
SATS4/MODUL.7 u F( ) u ( ) u u tidak dapat dinyatakan sebagai fungsi dari u secara eksplisit. 6) a. Dari grafik maksimum f( ) b. c. f ( ) 6 6 f ' ( ) 6 f ( ) 0 ' maks { f ( )} f ( ) 6 0 f ( ), 0 f '( ) 4 6 f '( ) 0 ( ) 0 0 atau maks { f ( )} f ( ) 0 d. f ( ) e, 0 e. ' f ( ) e 0, 0 maks f ( ) f (0) 0 f ( ) e, 4 6 9 9 e, 0 e, 0 Dari grafik f, maks f ( ) f (0) f. f ( ) e, 0 f '( ) 0. 0 f '( ) e e e ( ) maks f ( ) f () e
.8 Metode Sampling 7) Jika 0 F ( ) pertaksamaan X ekivalen dengan F( X ) F( ). P( X ) P( F( X ) F( )) P( Y F( )) G( F( )) F( ), 0 F( ) G merupakan fungsi distribusi Y, 0, y 0 G( y) y, 0 y, y Hasil di atas merupakan dasar simulasi peubah acak kontinu. Bangkitkan peubah acak Y, selesaikan persamaan Y F( ) baik secara eksplisit maupun numerik. Proses penyelesaian persamaan Y F( ) menghasilkan fungsi balikan X F ( Y ). 8) Untuk 0 < y < P( Y y) P[ F( X ) y] P( X F ( y )) F( F ( y )) y, 0 y 0, y 0 FY ( y) P( Y y) y, 0 y, y Jadi Y U (0, ). 9) Densitas gabungan Y, Y, 0 y, 0 y FY, Y( y, y ) 0, lainnya Transformasi balikan (invers): Y ep Y arc tan
SATS4/MODUL.9 Jacobian transformasi ep ep J / / / / ep Sehingga f X, X (, ) ep 0) 6 maks{ f ( )} 0 9 Algoritma sampling penerimaan. Generate U U(0, ), U U (0, ). 6 X U, Y U 9. Jika Y f ( ) terima X. Jika Y f ( ) tolak X. RANGKUMAN. Fungsi distribusi dan fungsi densitas peubah acak X : f ( t), X diskrit t F( ) P( X ) f ( t) dt, X kontinu. Beberapa distribusi: Bernoulli, Binomial, seragam, eksponensial, normal.. Sampling dari distribusi diskrit melalui algoritma balikan CDF a. Bangkitkan U U (0, )
.40 Metode Sampling b. X min{ F( ) u } c. X bilangan acak dari distribusi f ( ) P( X ) 4. Sampling dari distribusi kontinu a. metode balikan CDF. Misal X peubah acak dengan fungsi distribusi F () Algoritma balikan CDF i. Generate U U (0, ) ii. Selesaikan X = F - (u) dengan cara eksplisit atau cara numerik. b. metode sampling penerimaan. Misal X peubah acak dengan fungsi distribusi F(); F () = f(). Misal (a,b) suatu selang, dan h maks{ f ( )} ab Algoritma sampling penerimaan i. Generate U, U : U U(0, ), U U (0, ) ii. X ( b a) U a, X U( a, b ) Y hu, Y U(0, h ) iii. Jika Y f ( ), terima X, selain itu tolak N (0, ). c. Metode Limit Sentral untuk distribusi normal. i. Generate X, X,..., X dari distribusi U (0, ) ii i i Z X 6 berdistribusi N (0, ) d. Metode Bo-Muller untuk distribusi normal N (0, ). i. Generate U U (0, ), U U (0, ) Z ln U cos ( U ) ii. Z ln U sin ( U ) Z, Z normal bivariate dengan densitas z z f ( z, z) ep Z N (0, ) dan Z N (0, )
SATS4/MODUL.4 TES FORMATIF Pilihlah satu jawaban yang paling tepat! ) Suatu peubah acak X mempunyai fungsi densitas f ( ) ( ), 0, ; 0 Fungsi distribusi peubah acak X adalah... A. 0, 0 F ( ), 0 B., 0 F ( ), 0 C. 0, 0 F( ), 0, D. 0, 0 F( ), 0, ) Suatu peubah acak X mempunyai fungsi densitas, 0 f( ) 0, lainnya Fungsi distribusi X adalah... A. B. 0, 0 F( ), 0,, F( ),
.4 Metode Sampling C. D. 0, 0 F( ), 0, 0, F ( ), ) Suatu peubah acak X dengan fungsi densitas 0, 0 f( ) e, 0 Fungsi distribusi F() =... A. ( e ) I ( 0) B. ( e ) I ( 0) C. ( e ) I ( 0) D. e I ( 0) Dengan, 0 I( 0) 0, 0 4) Fungsi acak X mempunyai fungsi distribusi 0, 0 F ( ) 0, 75 e, 0 Misal u F( ), 0, maka F ( u )... A. ln( u ) 4 B. ln ( u ) 4 C. ln ( u ) 4 D. ln ( u ) 5) Diketahui fungsi distribusi 0, 0 F( ) ( ) 0, dan u F( ), 0, maka F ( u )...
SATS4/MODUL.4 A. u B. - u C. - + u D. - + u 6) Diketahui fungsi distribusi 0, F( ), 4, Misal u = 0,, u = 0,. Dengan algoritma sampling penerimaan diperoleh X dan Y =... A. X 0,8, Y 0 B. X 0,, Y 0 C. X 0,6, Y 0 D. X 0,6, Y 0 7) Diketahui fungsi distribusi 0, F( ),, Misal U = 0,8, U = 0,9. Dengan algoritma sampling penerimaan A. X = 0,8 Y = 0,45 B. X = 0,9 Y = 0,40 C. X = 0,8 Y = 0,9 D. X = 0,9 Y = 0,8
.44 Metode Sampling 8) Diketahui fungsi densitas eksponensial terpotong (truncated) 0, 0 F ( ) e 4, 0 4 e Jika u = 0,, u = 0,, algoritma sampling penerimaan memberikan... A. X = 0, B. X = 0,8 C. X 0,8 Y 4 D. 0( e ) X Y e 4 0, 0( ) Cocokkanlah jawaban Anda dengan Kunci Jawaban Tes Formatif yang terdapat di bagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang benar. Kemudian, gunakan rumus berikut untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda terhadap materi Kegiatan Belajar. Tingkat penguasaan = Jumlah Jawaban yang Benar 00% Jumlah Soal Arti tingkat penguasaan: 90-00% = baik sekali 80-89% = baik 70-79% = cukup < 70% = kurang Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, Anda dapat meneruskan dengan modul selanjutnya. Bagus! Jika masih di bawah 80%, Anda harus mengulangi materi Kegiatan Belajar, terutama bagian yang belum dikuasai.
SATS4/MODUL.45 Kunci Jawaban Tes Formatif Tes Formatif ) B ) A ) D 4) C 5) C Tes Formatif ) f (0) P( X 0), f () P( X ) 0, 0 F( ), 0, Jawaban yang benar D. ) ) 0, 0 F( ), 0, Jawaban yang benar A. 0, 0 F ( ) e, 0 F( ) ( e ) I( 0) Jawaban yang benar A. 4) u F( ) 0,75e u e 4 ( ) u e 4
.46 Metode Sampling ln ( u ) 4 ln ( u ) 4 Jawaban yang benar D. 5) u F( ) ( ) u u Jawaban yang benar C. 6) ( b ) u a 0, 0,8 y hu 0, 4 0 Jawaban yang benar A. 7) u 0,8, u 0,9 ( b ) u a 0,8 0 0,8 y hu 0,9 0, 45 Jawaban yang benar A. 8) u 0,, u 0, ( b ) u a 40, 0 0,8 y hu 0,9 0, 45 Y hu 0, 4 ( e ) 4 0( e ) Jawaban yang benar C.
SATS4/MODUL.47 Daftar Pustaka Hogg, R. V., and Craig. A.T., 978. Introduction to Mathematical Statistics. 4 th Ed. Macmillan Kennedy, W. J., and Gentle, J. E., 979. Statistical Computing. Marcel Dekker. Yang, M. C. K., and Robinson, D. H., 986, Understanding and Learning Statistics by Computer, World Scientific.