Teorema Limit Pusat

Rata-rata dari contoh acak yang berasal dari sebaran apapun memiliki sebaran normal jika ukuran contohnya sangat besar Jika contoh acak diambil dari populasi dengan mean μ dan ragam σ2 , maka semakin besar ukuran contoh, sebaran dari x¯ akan semakin mendekati sebaran normal dengan mean μ dan ragam σ2n

Algoritma

Tentukan ukuran contoh (n ) Tentukan sebaran data Ulang k kali Ambil n contoh acak dari sebaran data yang sudah ditentukan Hitung rataannya lalu simpan Periksa sebaran dari k rataan ## Aplikasi di R Hampiran Normal Terhadap Geometrik

par(mfrow=c(3,1))
library(probs)
## Warning: package 'probs' was built under R version 4.4.3
## 
## Attaching package: 'probs'
## The following objects are masked from 'package:base':
## 
##     intersect, setdiff, union
set.seed(123)
populasi    = rgeom(20, 0.1)

n1          = 2
contoh_geo1 = urnsamples(populasi, size = 2, replace = F, ordered = F)
mean_geo1   = matrix(apply(contoh_geo1, 1, mean))

n2          = 5
contoh_geo2 = urnsamples(populasi, size = 5, replace = F, ordered = F)
mean_geo2   = matrix(apply(contoh_geo2, 1, mean))

n3          = 10
contoh_geo3 = urnsamples(populasi, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_geo3   = matrix(apply(contoh_geo3, 1, mean))

hist(mean_geo1,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Geometrik (n = 2)"),xlab = "xbar")

hist(mean_geo2,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Geometrik (n = 5)"),xlab = "xbar")

hist(mean_geo3,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Geometrik (n = 10)"),xlab = "xbar")

Tujuannya adalah untuk menunjukkan bagaimana distribusi rata-rata sampel x¯ dari distribusi geometrik mendekati distribusi normal ketika ukuran sampel (n) meningkat. ## Hampiran Normal Terhadap Eksponensial

par(mfrow=c(3,1))
library(probs)
set.seed(123)
populasi    = rexp(20)

n1          = 2
contoh_exp1 = urnsamples(populasi, size = 2, replace = F, ordered = F)
mean_exp1   = matrix(apply(contoh_exp1, 1, mean))

n2          = 5
contoh_exp2 = urnsamples(populasi, size = 5, replace = F, ordered = F)
mean_exp2   = matrix(apply(contoh_exp2, 1, mean))

n3          = 10
contoh_exp3 = urnsamples(populasi, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_exp3   = matrix(apply(contoh_exp3, 1, mean))

hist(mean_exp1,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Eksponensial (n = 2)"),xlab = "xbar")
hist(mean_exp2,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Eksponensial (n = 5)"),xlab = "xbar")
hist(mean_exp3,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Eksponensial (n = 10)"),xlab = "xbar")

Tujuannya adalah untuk menunjukkan bagaimana distribusi rata-rata sampel x¯ dari distribusi geometrik mendekati distribusi normal ketika ukuran sampel (n) meningkat.

Hampiran Normal Terhadap Eksponensial

par(mfrow=c(3,1))
library(probs)
set.seed(123)
populasi    = rexp(20)

n1          = 2
contoh_exp1 = urnsamples(populasi, size = 2, replace = F, ordered = F)
mean_exp1   = matrix(apply(contoh_exp1, 1, mean))

n2          = 5
contoh_exp2 = urnsamples(populasi, size = 5, replace = F, ordered = F)
mean_exp2   = matrix(apply(contoh_exp2, 1, mean))

n3          = 10
contoh_exp3 = urnsamples(populasi, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_exp3   = matrix(apply(contoh_exp3, 1, mean))

hist(mean_exp1,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Eksponensial (n = 2)"),xlab = "xbar")
hist(mean_exp2,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Eksponensial (n = 5)"),xlab = "xbar")
hist(mean_exp3,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Eksponensial (n = 10)"),xlab = "xbar")

Hampiran Normal Terhadap Seragam

par(mfrow=c(3,1))
library(probs)
set.seed(123)
populasi     = runif(20)

n1           = 2
contoh_unif1 = urnsamples(populasi, size = 2, replace = F, ordered = F)
mean_unif1   = matrix(apply(contoh_unif1, 1, mean))

n2           = 5
contoh_unif2 = urnsamples(populasi, size = 5, replace = F, ordered = F)
mean_unif2   = matrix(apply(contoh_unif2, 1, mean))

n3           = 10
contoh_unif3 = urnsamples(populasi, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_unif3   = matrix(apply(contoh_unif3, 1, mean))

hist(mean_unif1,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Seragam (n = 2)"),xlab = "xbar")
hist(mean_unif2,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Seragam (n = 5)"),xlab = "xbar")
hist(mean_unif3,main = paste("Hampiran Normal Terhadap Seragam (n = 10)"),xlab = "xbar")

Kesimpulan : Semakin besar ukuran contoh, maka sebaran rata-rata dari contoh acak yang berasal dari sebaran geometrik, eksponensial, maupun uniform akan mendekati sebaran normal. Hal ini ditunjukkan dari histogram yang mana ketika n semakin besar akan semakin cenderung membentuk kurva normal

Sebaran Percontohan Sebaran Normal

par(mfrow=c(3,1))
library(probs)
set.seed(1299)
populasi     = rnorm(20,5,sqrt(12)) # Membangkitkan bil. acak ~ Normal (miu = 5, sigma2 =12) 

n1           = 3
contoh_norm1 = urnsamples(populasi, size = 3, replace = F, ordered = F)
mean_norm1   = matrix(apply(contoh_norm1, 1, mean))
mean_xbar1   = mean(mean_norm1)
var_xbar1    = var(mean_norm1)

n2           = 4
contoh_norm2 = urnsamples(populasi, size = 4, replace = F, ordered = F)
mean_norm2   = matrix(apply(contoh_norm2, 1, mean))
mean_xbar2   = mean(mean_norm2)
var_xbar2    = var(mean_norm2)

n3           = 15
contoh_norm3 = urnsamples(populasi, size = 15, replace = F, ordered = F)
mean_norm3   = matrix(apply(contoh_norm3, 1, mean))
mean_xbar3   = mean(mean_norm3)
var_xbar3    = var(mean_norm3)

hist(mean_norm1,main = paste("(n = 3)"),xlab = "xbar")
hist(mean_norm2,main = paste("(n = 4)"),xlab = "xbar")
hist(mean_norm3,main = paste("(n = 15)"),xlab = "xbar")

hasil        = data.frame("."=c("mean","varian"),"Populasi"=c(5,12),"n=3"=c(mean_xbar1,var_xbar1),"n=4"=c(mean_xbar2,var_xbar2),"n=15"=c(mean_xbar3,var_xbar3))
hasil
##        . Populasi      n.3      n.4      n.15
## 1   mean        5 4.809415 4.809415 4.8094152
## 2 varian       12 4.547044 3.207524 0.2672558

Kesimpulan: - Berdasarkan output di atas, contoh acak yang diambil dari populasi dengan mean = μ dan ragam = σ2 , maka semakin besar ukuran contoh, mean dari x¯ akan semakin mendekati μ dan ragamnya semakin mendekati σ2n - Dilihat dari histogramnya pun, semakin besar ukuran contoh, kurva mendekati sebaran normal.

Ketakbiasan Penduga Parameter

x¯ adalah penduga tak bias bagi μ , jika E(x¯ ) = μ s2 adalah penduga tak bias bagi σ2 , jika E(s2 ) = σ2

Maka dalam hal ini kita akan membuktikan apakah benar nilai harapan penduga parameter sama dengan nilai parameternya

Algoritme:

Tentukan sebaran yang akan digunakan Ulangi sebanyak k kali Bangkitkan n buah data dari sebaran yang sudah ditentukan Hitung nilai x¯ dan s2 Hitung rata-rata dari x¯ dan s2 , kemudian bandingan dengan μ dan σ2 ## Aplikasi di R ## Penerapan ketakbiasan penduga (mean)

#POPULASI TERHINGGA

#1. Sebaran Normal 
library(probs)
set.seed(123)
n              = 10
populasi1      = rnorm(20)
mean_pop1      = mean(populasi1)
sampel_normal1 = urnsamples(populasi1, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_normal1   = matrix(apply(sampel_normal1, 1, mean))
median_normal1 = matrix(apply(sampel_normal1, 1, median))
harapan_mean_norm1     = mean(mean_normal1)
harapan_median_norm1   = mean(median_normal1)
 
#2. Sebaran Eksponensial
library(probs)
set.seed(123)
n              = 10
populasi2      = rexp(20)
mean_pop2      = mean(populasi2)
sampel_exp1    = urnsamples(populasi2, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_exp1      = matrix(apply(sampel_exp1, 1, mean))
median_exp1 = matrix(apply(sampel_exp1, 1, median))
harapan_mean_exp1     = mean(mean_exp1)
harapan_median_exp1   = mean(median_exp1)
 
#3. Uniform
library(probs)
set.seed(123)
n              = 10
populasi3      = runif(20)
mean_pop3      = mean(populasi3)
sampel_unif1   = urnsamples(populasi3, size = 10, replace = F, ordered = F)
mean_unif1     = matrix(apply(sampel_unif1, 1, mean))
median_unif1   = matrix(apply(sampel_unif1, 1, median))
harapan_mean_unif1     = mean(mean_unif1)
harapan_median_unif1   = mean(median_unif1)

hasil = data.frame("Hasil"=c("mean_populasi","harapan_mean_contoh","harapan_median_contoh"),"Sebaran Normal"=c(mean_pop1,harapan_mean_norm1,harapan_median_norm1),"Sebaran Eksponensial"=c(mean_pop2,harapan_mean_exp1,harapan_median_exp1),"Sebaran Seragam"=c(mean_pop3,harapan_mean_unif1,harapan_median_unif1))
hasil
##                   Hasil Sebaran.Normal Sebaran.Eksponensial Sebaran.Seragam
## 1         mean_populasi      0.1416238            0.8111726       0.5508084
## 2   harapan_mean_contoh      0.1416238            0.8111726       0.5508084
## 3 harapan_median_contoh      0.1174878            0.4931612       0.5504018

Kesimpulan :

Penerapan ketakbiasan penduga (Ragam)

# POPULASI TERHINGGA

#Sebaran Normal
set.seed(888)
n        = 10
populasi = rnorm(20) 
sigma2   = var(populasi)*(20-1)/20 #fungsi var pada R adalah varian contoh (penyebut n-1) sehingga perlu dikali (n-1)/n

library(probs)
sampel      = urnsamples(populasi, size = 10, replace = F, ordered = F)

## Pembagi (n-1)
s2.n1       = matrix(apply(sampel, 1, var))
E.s2.n1     = mean(s2.n1)

## Pembagi (n)
s2.n        = s2.n1*(10-1)/10
E.s2.n      = mean(s2.n)

#Sebaran Eksponensial
set.seed(888)
n           = 10
populasi2   = rexp(20) 
sigma2.exp  = var(populasi2)*(20-1)/20

library(probs)
sampel_exp     = urnsamples(populasi2, size = 10, replace = F, ordered = F)

## Pembagi (n-1)
s2.n1.exp   = matrix(apply(sampel_exp, 1, var))
E.s2.n1.exp = mean(s2.n1.exp)

## Pembagi (n)
s2.n.exp    = s2.n1.exp*(10-1)/10
E.s2.n.exp  = mean(s2.n.exp)


hasil = data.frame( "."  = c("ragam populasi","nilai harapan ragam contoh (n-1)","nilai harapan ragam contoh (n)"), 
                    "Sebaran Normal" = c(sigma2, E.s2.n1, E.s2.n),"Sebaran Eksponensial" = c(sigma2.exp, E.s2.n1.exp, E.s2.n.exp))
hasil
##                                  . Sebaran.Normal Sebaran.Eksponensial
## 1                   ragam populasi       1.298573             1.750903
## 2 nilai harapan ragam contoh (n-1)       1.366919             1.843056
## 3   nilai harapan ragam contoh (n)       1.230227             1.658750

Kesimpulan : - Berdasarkan output di atas, dengan skenario populasi terhingga dan dua sebaran yang berbeda, nilai harapan ragam contoh dengan penyebut n−1 harusnya lebih mendekati nilai parameter daripada nilai harapan ragam contoh dengan penyebut n. Hal ini menunjukkan bahwa penduga tak bias bagi ragam populasi (σ2) adalah s2 dengan penyebut adalah n−1 , meskipun masih terdapat celah perbedaan (tidak 100% tak berbias). - Pada populasi terhingga, percontohan bersifat unik artinya tidak ada percontohan yang berulang sehingga dapat dipastikan kombinasi contoh hanya muncul satu kali. Jika pada penduga mean nilai parameter dan statistik penduga tak bias sama persis, pada penduga ragam ini hal tersebut tidak berlaku karena perhitungan ragam populasi perlu dikali dengan faktor koreksi (n−1)n sedangkan perhitungan ragam contoh (dengan penyebut n−1 ) tidak perlu mengalikan dengan faktor koreksi. - Pada populasi tak hingga, percontohan yang terambil secara acak merupakan sebagian dari keseluruhan kemungkinan percontohan yang ada. Namun, dalam hal ini nilai parameter ragam dan nilai harapan penduga tak biasnya tidak sama persis, hanya mendekati.

Selang Kepercayaan

Apa arti dari SK 95%? - SK 95% bagi θ
Kita percaya 95% bahwa selang a sampai b memuat nilai parameter θ yang sebenarnya - SK 95%: Jika kita melakukan 100 kali percontohan acak dan setiap percontohan acak dibuat selang kepercayaannya, maka dari 100 SK yang terbentuk, ada 95 SK yang mencakup parameter sedangkan sisanya sebanyak 5 SK tidak mencakup parameter.

Algoritme

Tentukan sebaran yang akan digunakan Ulangi sebanyak k kali Bangkitkan n buah data dari sebaran yang sudah ditentukan Hitung nilai x¯ dan s2 Hitung σ2x¯ dan buat selang kepercayaan (1−α) % Hitung proporsi banyaknya selang kepercayaan yang memuat μ , bandingkan dengan (1−α)

Aplikasi di R

n1     = 10
k      = 100 #ulangan
alpha  = 0.05
mu     = 50
std    = 10
set.seed(123)
sampel.norm1 = matrix(rnorm(n1*k,mu,std),k)
xbar.norm1   = apply(sampel.norm1,1,mean)
s.norm1      = apply(sampel.norm1,1,sd)
SE.norm1     = s.norm1/sqrt(n1)
z.norm1      = qnorm(1-alpha/2)
SK.norm1     = (xbar.norm1-z.norm1*SE.norm1 < mu & mu < xbar.norm1+z.norm1*SE.norm1)
x.norm1      = sum(SK.norm1)/k #proporsi banyaknya SK yang memuat mu

n2     = 30
k      = 100 #ulangan
alpha  = 0.05
mu     = 50
std    = 10
set.seed(123)
sampel.norm2 = matrix(rnorm(n2*k,mu,std),k)
xbar.norm2   = apply(sampel.norm2,1,mean)
s.norm2      = apply(sampel.norm2,1,sd)
SE.norm2     = s.norm2/sqrt(n2)
z.norm2      = qnorm(1-alpha/2)
SK.norm2     = (xbar.norm2-z.norm2*SE.norm2 < mu & mu < xbar.norm2+z.norm2*SE.norm2)
x.norm2      = sum(SK.norm2)/k #proporsi banyaknya SK yang memuat mu

n3     = 100
k      = 100 #ulangan
alpha  = 0.05
mu     = 50
std    = 10
set.seed(123)
sampel.norm3 = matrix(rnorm(n3*k,mu,std),k)
xbar.norm3   = apply(sampel.norm3,1,mean)
s.norm3      = apply(sampel.norm3,1,sd)
SE.norm3     = s.norm3/sqrt(n3)
z.norm3      = qnorm(1-alpha/2)
SK.norm3     = (xbar.norm3-z.norm3*SE.norm3 < mu & mu < xbar.norm3+z.norm3*SE.norm3)
x.norm3      = sum(SK.norm3)/k #proporsi banyaknya SK yang memuat mu
hasil = data.frame("n" =c(10,30,100),"Ketepatan SK Sebaran Normal"=c(x.norm1, x.norm2, x.norm3))
hasil
##     n Ketepatan.SK.Sebaran.Normal
## 1  10                        0.93
## 2  30                        0.93
## 3 100                        0.96
matplot(rbind (xbar.norm2-z.norm2*SE.norm2, xbar.norm2+z.norm2*SE.norm2), rbind(1:k,1:k), col=ifelse(SK.norm2,"PINK","BROWN"), type = "l", lty = 1,main='Selang Kepercayaan 95% (n=100)', xlab='SK', ylab='banyak ulangan')
abline(v=mu)

- Gambar ini adalah hasil dari simulasi selang kepercayaan 95% untuk rata-rata populasi (μ=50) dengan ukuran sampel n=100 - Simulasi dilakukan sebanyak k=100 kali, sehingga ada 100 selang kepercayaan yang dihasilkan. Tujuan gambar ini adalah untuk memvisualisasikan seberapa sering selang kepercayaan berhasil menangkap nilai rata-rata populasi (μ) - Garis vertikal di x=50 mengartikan nilai rata-rata populasi (μ=50) Selang kepercayaan yang berhasil menangkap μ akan melintasi garis ini. - Garis Horizontal mengartikan bahwa setiap garis mewakili selang kepercayaan dari satu sampel. Jika garis tersebut melintasi garis vertikal di x=50 , artinya selang kepercayaan tersebut berhasil menangkap μ

# Interval Kepercayaan
library(car)
## Loading required package: carData
data("Prestige")

# Menghitung rata-rata
m <- mean(Prestige$income)
m
## [1] 6797.902
# Menghitung standar error
p <- dim(Prestige)[1]
se <- sd(Prestige$income)/sqrt(p)
se
## [1] 420.4089
# Menghitung nilai kritis t
tval <- qt(0.975, df=p-1)

# Menghitung interval kepercayaan
cat(paste("KI: [", round(m-tval*se, 2),",",round(m+tval*se,2),"]"))
## KI: [ 5963.92 , 7631.88 ]

Artinya, dengan tingkat kepercayaan 95%, rata-rata pendapatan populasi berada dalam rentang 5963.92 hingga 7631.88.