SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2016 S - 16 Algoritme Pendugaan Parameter Model Regresi Logistik Biner (RLB) dengan Maksimum Likelihood dan Broyden- Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) Dewi Retno Sari Saputro 1, Purnami Widyaningsih 2 Program Studi Matematika, FMIPA, Universitas Sebelas Maret (UNS) Jl. Ir. Sutami 36 A Kentingan Solo Jawa Tengah 1 dewiretnoss@staff.uns.ac.id Abstrak-Pendugaan parameter pada model regresi logistik biner (RLB) tidak dapat diselesaikan secara analitik. Hal tersebut karena sistem persamaan yang dibangun oleh model RLB berdasarkan pendugaan maksimum likelihood merupakan sistem persamaan nonlinier yang sulit ditentukan penyelesaiannya. Menyelesaikan sistem persamaan tersebut berarti menentukan penyelesaian maksimumnya (optimasi). Masalah optimasi merupakan salah satu hal yang paling sulit dalam kasus komputasi numerik. Hingga sekarang terdapat banyak teori dan algoritme yang digunakan untuk menyelesaikan kasus ini. Metode Quasi-Newton (QN) merupakan salah satu penyelesaian pendekatannya. Pada QN terdapat beberapa formula, diantaranya adalah formula Davidon-Fletcher-Powell (DFP) yang merupakan jenis rank-two update dan formula Broyden-Fletcher-Goldfarb- Shanno (BFGS) yang memiliki sifat DFP dengan matriks Hessiannya definit positif. Algoritme yang dapat memperoleh hasil yang diinginkan dalam waktu yang singkat memiliki kompleksitas yang rendah, sementara algoritme yang membutuhkan waktu yang lama untuk memperoleh hasil tersebut mempunyai kompleksitas yang tinggi. Pada artikel dibahas algoritme pendugaan parameter model RLB dengan BFGS yang mempunyai operasi aritmetika. Kata kunci : pendugaan parameter, model regresi logistic biner, optimasi, metode quasi Newon, algoritme, BFGS I. PENDAHULUAN Referensi [1],[2], dan [3] menyatakan bahwa model regresi logistik memiliki variabel respon dikotomus dengan urutan diperhatikan yang disebut sebagai model regresi logistik biner (RLB). Pada umumnya estimasi parameter model regresi logistik biner menggunakaan metode maximum likelihood, namum metode tersebut menghasilkan sistem persamaan nonlinier yang sulit ditentukan penyelesaiannya sehingga diperlukan penyelesaian numerik seperti pada [4] dan [5]. Menyelesaikan sistem persamaan berarti menentukan nilai maksimumnya, yang dalam optimasi dikenal sebagai optimasi tanpa kendala, [6]. Metode Newton merupakan metode yang banyak digunakan untuk menyelesaikan sistem persamaaan nonlinier, namun kelemahan metode tersebut adalah tingginya waktu yang digunakan dalam perhitungan matriks Jacobian. Untuk mengatasi masalah tersebut, [7] mengembangkan metode Quasi- Newton (QN). Metode QN merupakan salah satu optimisasi tanpa kendala untuk permasalahan nonlinier, menggantikan komputasi yang bersifat derivatif dengan fungsi komputasi langsung seperti pada [8] dan [9]. Metode QN tersebut menggunakan pendekatan matriks Hessian yang sebenarnya. Dalam metode QN, terdapat beberapa formula. Diantaranya yaitu formula Davidon-Fletcher Powell (DFP) yang merupakan jenis rank-two update. Formula Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) yang memiliki sifat dari formula Davidon-Fletcher-Powell, yaitu matriks Hessiannya definit positif. Formula Broyden yang merupakan jenis rank-one update. Formula Symmetric-Rank-Two yang terkait erat dengan formula Broyden sehingga disebut sebagai formula Powell-Symmetric-Broyden (PSB), dan formula Symmetric- Rank-One (SR 1) seperti pada [10] dan [11]. Semua formula tersebut merupakan suatu pendekatan matriks Hessian atau invers matriks Hessian yang digunakan untuk menyelesaikan masalah optimasi fungsi nonlinier tanpa kendala. MS 97
ISBN 978-602-73403-1-2 Kompleksitas algoritme (efisiensi) dibagi dibagi dalam 2 tipe, yaitu kompleksitas waktu dan kompleksitas ruang. Kompleksitas waktu, merupakan kompleksitas algoritme yang diukur dari banyaknya operasi atau instruksi yang dieksekusi, [12]. Sedangkan kompleksitas ruang adalah kompleksitas algoritma yang diukur dari jumlah memori yang digunakan. Terminologi yang diperlukan dalam membahas kompleksitas waktu dan kompleksitas ruang adalah ukuran input algoritme adalah n dan kompleksitas ruang adalah ruang memori yang dibutuhkan algoritme sebagai fungsi dari ukuran input n. Perhitungan pertumbuhan fungsi penting dalam menghitung efisiensi sebuah algoritma. Fungsi pertumbuhan ini juga memiliki notasi matematika khusus. Fungsi pertumbuhan menggunakan notasi asimtotik big-o yang menggambarkan batas atas (upper limit) pertumbuhan fungsi ketika masukan dari fungsi tersebut bertambah banyak. Big-O pertama kali dikenalkan oleh ahli teori bilangan Paul Bachman pada tahun 1894 dalam Analytische Zahlentheorie ("analytic number theory") menyatakan asymptotic upper bounds suatu fungsi. Notasi ini dipopulerkan pada teori bilangan oleh Edmund Landau yang kemudian disebut simbol Landau. Big-O sudah dikenal sejak tahun 1927 yang kemudian dipopulerkan kembali penggunaannya oleh [13], [14], dan [15]. Big O merupakan waktu yang diperlukan dalam keadaan terjelek (Subandijo). Waktu eksekusi terjelek menjadi perhatian utama. Hal ini karena sangat penting untuk mengetahui berapa banyak waktu yang dibutuhkan dalam keadaan terjelek untuk menjamin bahwa suatu algoritme akan selalu berakhir secara tepat waktu. Kecenderungan saat ini, ruang yang disediakan semakin besar yang artinya kapasitas data yang diproses juga semakin besar dan waktu yang diperlukan untuk menjalankan algoritme harus semakin cepat. Oleh karena itu mengukur kompleksitas menjadi hal yang sangat penting seperti pada [16] dan [17]. Sejalan dengan model RLB, algoritme BFGS dan kompleksitas yang telah diuraikan sebelumnya, dalam artikel ini, didiskusikan algoritme pendugaan parameter model regresi logistik biner (RLB) dengan maksimum likelihood dan Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS). Selanjutnya juga ditentukan kompleksitas waktunya. II. METODE PENELITIAN Penelitian ini merupakan penelitian teori dan terapan yakni melakukan kajian terhadap teori terkait dan menerapkannya pada model RLB. Langkah yang dilakukan adalah (1) mempelajari beberapa kajian terkait baik dalam buku teks, workshop, maupun jurnal ; (2) menganalisis beberapa kegiatan terkait (1) serta menurunkan ulang dan membuktikannya ; (3) menyusun algoritme estimasi parameter model RLB dengan instruksi looping yang pada umumnya digunakan sebagai proses iterasi; menghitung dan menentukan kompleksitas (banyak operasi hitung) pada algoritme BFGS. A. Model Regresi Logistik III. HASIL DAN PEMBAHASAN Model regresi logistik adalah suatu model yang mendeskripsikan hubungan antara beberapa beberapa faktor (variabel prediktor) dengan variabel respon yang bersifat dikotomus (biner). Variabel respon pada model regresi logistik dikatakan biner karena terdiri atas dua kategori yaitu, untuk menyatakan hasil dari suatu kejadian sukses dan, untuk menyatakan hasil dari suatu kejadian gagal, [3]. Masih menurut [3], variabel respon dengan sifat biner dapat juga dikatakan variabel indikator yang berdistribusi Bernoulli. Pada dasarnya, model regresi logistik biner untuk memperoleh hubungan antara dan (probabilitas kejadian yang diakibatkan oleh ). Model logistik dengan i variabel prediktor dinyatakan sebagai Model logistik pada persamaan (1) ditransformasikan menggunakan transformasi logit. Transformasi logit dinyatakan pada uraian berikut, MS 98
SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2016 B. Model Regresi Logistik Biner Model RLB merupakan model yang merepresentasikan hubungan antara variabel respon yang mempunyai skala ordinal dengan variabel bebas yang bersifat kategori dan/atau kontinu, [1]. Model regresi logistik dapat juga disebut sebagai model logit. Jika variabel respon memiliki kategori berskala ordinal dan menyatakan vektor variabel bebas pada pengamatan ke-, maka model RLO selanjutnya disebut model RLB yang dinyatakan sebagai dengan,, dan. menyatakan peluang kumulatif kurang dari atau sama dengan kategori ke- terhadap. Parameter merupakan intercept yang memenuhi kondisi dan merupakan vektor koefisien regresi yang bersesuaian dengan. Dengan peluang adalah, C. Estimasi Parameter Estimasi parameter model RLB dilakukan dengan metode maximum likelihood estimation (MLE). Metode MLE dipergunakan untuk mendapatkan penyelesaian maksimum dari fungsi likelihood, namun hanya dapat diperoleh sistem persamaan nonlinier. Sistem persamaan nonlinier dapat diselesaikan menggunakan pendekatan numerik, yakni metode Newton Raphson. Metode Newton Raphson dipergunakan untuk menyelesaikan sistem persamaan nonlinier hingga diperoleh nilai parameter yang maksimum. Namun pada sistem persamaan nonlinier tidak dapat dijamin konvergensinya oleh karena itu dapat dipergunakan metode quasi Newton yaitu BFGS. Misalkan diambil sampel vektor variabel random, dengan dan peluang hasil kategori ke- adalah, fungsi likelihoodnya adalah Prinsip metode maksimum likelihood adalah menduga likelihood persamaan (2). Berikut adalah uraiannya. dengan memaksimalkan fungsi MS 99
ISBN 978-602-73403-1-2 Turunan pertama dari fungsi terhadap adalah Apabila diuraikan lebih lanjut, (3) menghasilkan sistem persamaan nonlinier. D. Deret Taylor sebagai Hampiran Penyelesaian Masalah Numerik Deret Taylor dapat memberikan nilai hampiran bagi suatu fungsi pada suatu titik, berdasarkan nilai fungsi dan turunannya pada titik yang lain. Andaikan suatu fungsi dan turunannya, yaitu kontinu dalam selang, dan, maka untuk nilai x disekitar, dapat diekspansikan (diperluas) ke dalam deret Taylor sebagai Aproksimasi orde nol pada deret Taylor merupakan suku pertama dari deret Taylor tersebut. Jika dalam deret Taylor terdapat penambahan suku, maka akan benjadi aproksimasi orde 2 dan seterusnya. Misalkan merupakan suku tambahan dalam deret Taylor setelah suku ke n dalam deret dan, maka diperoleh deret Taylor secara umum dengan E. Deret Taylor dan Algoritme BFGS Metode BFGS quasi Newton merupakan metode numerik yang digunakan untuk optimasi fungsi nonlinier tanpa kendala sehingga metode tersebut dapat digunakan untuk estimasi parameter model regresi logistik biner. Metode BFGS merupakan pengembangan dari metode Newton. Metode Newton menggunakan turunan kedua untuk menghitung perubahan nilai parameter pada setiap iterasi. Metode Newton kemudian dimodifikasi dengan penambahan step length untuk memberikan jaminan konvergensi apabila turunan kedua membutuhkan perhitungan yang kompleks. Pada metode BFGS, memerlukan taksiran awal untuk nilai fungsi maksimumnya, dimana fungsi tersebut merupakan taksiran yang menggunakan pendekatan polynomial berorde dua. Dalam hal ini untuk menentukan dan yang merupakan fungsi maksimum dari Andaikan dan andaikan H donotasikan sebagai matriks yang mempunyai anggota. Andaikan dan merupakan bentuk evaluasi dari hampiran ke-t pada. Pada langkah t dalam proses iterasi (t = 0, 1, 2,...), adalah pendekatan yang merupakan bentuk orde kedua dari ekspansi deret Taylor, iterasi. Andaikan metode Newton dimodifikasi dengan memperbarui turunan keduanya pada setiap Metode tersebut dapat dipergunakan untuk memperoleh dugaan maksimum dengan iterasi MS 100
SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2016 dengan ; ; adalah matriks Hessian, k adalah banyaknya iterasi, dan ij menunjukan variabel prediktor. ; merupakan matriks yang elemennya adalah turunan pertama Algoritme BFGS diuraikan sebagai berikut. (1). Menentukan nilai awal vektor gradien matriks hessian dan matriks. Vektor gradien,, dengan k = 0 dan untuk matriks hessian,, digunakan serta matriks adalah matriks yang elemennya merupakan nilai awal parameter β. (2). Menghitung matriks. Untuk iterasi awal, k = 0, digunakan nilai dan untuk matriks hessian digunakan matriks Untuk iterasi selanjutnya digunakan nilai dan untuk matriks hessian digunakan matriks hessian yang diperbarui. (3). Menghitung step length,. Nilai d adalah min dan untuk setiap iterasi ke-k nilai (4). Menghitung perubahan vektor gradien, (5). Menghitung nilai (6). Menghitung matriks yaitu matriks hessian yang diperbarui dengan (7). Menghitung nilai parameter. (8). Menghitung norm dengan. Norm dipergunakan untuk menghentikan iterasi dengan kriteria < toleransi eror. Jika kriteria dipenuhi maka iterasi berhenti dan nilai estimasi parameternya adalah. Sebaliknya, jika > toleransi eror, maka untuk memperoleh estimasi parameter iterasi diulang ke langkah (2) sampai dengan (8). F. Kompleksitas dan Efisiensi Agoritme BFGS Suatu masalah dapat mempunyai sejumlah algoritme penyelesaian. Algoritme tidak saja harus benar, namun juga harus efisien. Efisiensi algoritme dapat digunakan untuk menilai algoritme yang bagus dari sejumlah algoritme penyelesaian masalah. Efisiensi algoritme diukur berdasarkan waktu (time) eksekusi algoritme dan kebutuhan ruang (space) memori. Algoritme yang efisien adalah algoritme yang MS 101
ISBN 978-602-73403-1-2 dapat meminimumkan pemakaian waktu dan ruang. Pemakaian waktu dan ruang bergantung pada ukuran masukan (n), yang menyatakan jumlah data yang diproses. Besaran yang dipakai untuk mengukur pemakaian waktu/ruang saat eksekusi algoritme/program adalah kompleksitas algoritme. Kompleksitas merupakan ukuran seberapa banyak komputasi yang diperlukan algoritme tersebut untuk menyelesaikan masalah. Ada dua macam kompleksitas algoritme yaitu kompleksitas waktu dan kompleksitas ruang. Kompleksitas waktu (T(n)), diukur berdasarkan jumlah tahapan komputasi yang dibutuhkan untuk menjalankan algoritme sebagai fungsi dari ukuran masukan n. Kompleksitas ruang (S(n)), diukur berdasarkan memori yang digunakan oleh struktur data yang terdapat dalam algoritme sebagai fungsi ukuran masukan n. Untuk nilai n cukup besar dapat dilakukan analisis efisiensi asimtotik algoritme yang akan menentukan kompleksitas waktu yang sesuai. Referensi [18] menyatakan notasi yang dipergunakan sebagai perhitungan kompleksitas asimtotik dengan mempertimbangkan waktu tempuh adalah notasi asimtotik. Notasi asimtotik ini didefinisikan sebagai fungsi dengan domain himpunan bilangan asli. Kompleksitas waktu asismtotik terdiri atas 3 tipe. Keadaan terbaik (best case) dengan notasi (Big-Omega) keadaan rata-rata dengan notasi (Big- Theta) dan keadaan terburuk (worst case) dengan notasi (Big-O), [19]. Untuk menentukan kompleksitas waktu suatu algoritme diperlukan ukuran masukkan n serta running time (RT). Pada umumnya, RT meningkat seiring dengan bertambahnya ukuran n sehingga RT dapat dinyatakan sebagai fungsi dari n. Ukuran masukkan n suatu algoritme bergantung pada masalah yang diselesaikan oleh algoritme tersebut. RT algoritme dengan masukkan n merupakan jumlah operasi aritmetika atau langkah yang dieksekusi. Perhitungannya berdasarkan pseudocode yang dibuat. Satu baris dalam pseudocode dapat memiliki jumlah waktu yang berbeda dari baris lainnya, ini diasumsikan dengan waktu yang diperlukan sebesar pada setiap baris ke-i pseudocode. Dalam menentukan RT pada setiap baris pseudocode dapat dikalikan antara konstanta dengan jumlah waktu yang diperlukan untuk mengeksekusi baris tersebut. RT dari algoritme adalah jumlah RT setiap perintah yang dieksekusi. Satu perintah yang memerlukan langkah n waktu untuk dieksekusi akan memiliki pengaruh sebesar pada RT total Dengan menggunakan besaran kompleksitas waktu/ruang algoritme, dapat ditentukan laju peningkatan waktu (ruang) yang diperlukan algoritme dengan meningkatnya ukuran masukan n. Perhitungan eksekusi algoritme BFGS untuk pendugaan parameter model RLB berdasarkan pseudocode dinyatakan pada Tabel 1. TABEL 1. PERHITUNGAN PENDUGAAN PARAMETER MODEL RLB DENGAN BFGS Pendugaan parameter model RLB dengan BFGS Nilai Waktu 1. For n 2. n 3. #untuk setiap iterasi ke-k nilai n 4. n 5. n 6. 2n 7. 8. While k=1 < toleransi eror 9. n 10. End For #konvergensi MS 102
SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2016 Teorema berikut memberikan jaminan perhitungan kompleksitas atas Tabel 1. TEOREMA. Jika n m. adalah polinom derajat m, maka T(n) berorde Dengan memperhatikan dan mengamati algoritme BFGS dan pseudocode tersebut serta berdasarkan teorema, dapat ditentukan kompleksitas atau banyaknya operasi aritmetika yang diperlukan adalah Umumnya algoritme yang termasuk kelompok ini memproses setiap masukan dalam dua buah kalang bersarang, Apabila n dinaikkan menjadi dua kali semula, maka waktu pelaksanaan algoritme meningkat menjadi empat kali semula. SIMPULAN Berdasarkan diskusi serta hasil dan pembahasan dapat diperoleh 2 simpulan berikut. (1). Hasil pendugaan parameter model RLB menggunakan metode ML dengan BFGS adalah dengan. (2). Algoritme pendugaan parameter model RLB dengan BFGS mempunyai operasi aritmetika. DAFTAR PUSTAKA [1] D.W. Hosmer and S. Lemeshow, Applied Logistic Regression, John Willey and Sons Inc., USA, 2000. [2] P. McCullagh and J.A. Nelder, Generalized Linear Models. 2 nd Ed., Chapman and Hall, 1983. [3] A. Agresti, Categorical Data Analysis, Second Edition, New York : John Wiley & Sons, New York, 2002. [4] P.M. Atkinson, S.E. German, D.A. Sear and M.J. Clark, Econometric Analysis of Panel Data. New York: John Wiley dan Sons, 2005. [5] Fotheringham, P.M Atkinson, S. E. German, D. A. Sear, and M. J. Clark, Exploring The Rekations Betweenn Riverbank Erison and Geomorphological Control Using Geographically Weighted Logistic Regression., Ohio: Ohio State University, 2003, Vol. 35, Issue: 1, pp. 58-82. [6] Fletcher, An Overview of Unconstrained Optimization, in Algorithms for Continuous Optimization: The state of Art, E. Spedicato ed., London: Kluwer Academic Publishers, 1994, pp. 109-143. [7] J.E. Dennis and J. J. More, Quasi-Newton Method, Motivation and Theory, SIAM Review 19 1977, pp. 46-89. [8] J.E. Dennis, J.R. Schnabel, and B. Robert, Numerical Methods for Unconstrained Optimization and NonLinier Equations, Prentice Hall, 1983. [9] A. B. Israel, A Newton-Raphson Method for the Solution of Systems of Equations, Journal of Mathematical Analysis and Applications 15, 1996, No. 2, pp. 243-252. [10] Byrd, H. Richard, C. Liu Dong and J. Nocedal, "On The Behavior Of Broyden's Class Of Quasi- Newton Methods", Siam Journal Optimization, Vol. 2 No. 4, Nov. 1992. [11] Y.H. Dai, Convergence Properties of the BFGS Algorithm, SIAM Journal on Optimization, 13:3 2002, pp. 693-701. [12] S. Arora and B. Barak, Computational Complexity: A Modern Approach. New York: Cambridge University Press, 2009. [13] D.E. Knuth, Big Omicron and Big Omega and Big Theta, ACM SIGACT News, 1976. 8 (2). [14] D.E. Knuth, Teach Calculus with Big O, Notices of the American Mathematical Society, 45 (6), 687, 1998, Diakses dari http://www.ams.org/notices/199806/ commentary.pdf. [15] D.E. Knuth, The Art of Computer Programming, 3rd ed., Boston: Addison-Wesley, 1999. [16] P.H. Dave and H.B. Dave, Design and Analysis of Algorithms: Efficiency of Algorithms, Delhi: Pearson Education India, 2007, pp. 371-404. MS 103
ISBN 978-602-73403-1-2 [17] S. Subandijo, Efisiensi Algoritma dan Notasi O-Besar, ComTech, Vol.2 No. 2, Desember 2011, pp. 849-858. [18] T.H. Cormen, C.E. Leiserson, R.L. Rivest and C. Stein, Introduction to Algorithms, Third Edition, London: The MIT Press, 2009. [19] O. Goldreich, Computational Complexity: A Conceptual Perspective, New York: Cambridge University Press, 2008. MS 104