Data disimulasikan dengan hubungan non-linier (kuadratik) antara
x dan y.
set.seed(123)
n <- 100
x <- seq(0, 10, length.out = n)
y <- 5 + 2*x - 0.3*x^2 + rnorm(n, mean = 0, sd = 2)
data <- data.frame(x = x, y = y)
head(data)
## x y
## 1 0.0000000 3.879049
## 2 0.1010101 4.738604
## 3 0.2020202 8.509213
## 4 0.3030303 5.719529
## 5 0.4040404 6.017682
## 6 0.5050505 9.363708
Berdasarkan output di atas, diperoleh data hasil bangkitan sebanyak 100 data dengan variabel X berada di antara 0 hingga 10 dan variabel Y dibangkitkan dengan persamaan Y=5+2x-0,3x^2 serta nilai error yang berdistribusi normal dengan parameter rata-rata 0 dan standar deviasi
Tiga model dicocokkan sebagai pembanding: linier, polinomial derajat 2, dan derajat 3.
model_linier <- lm(y ~ x, data = data)
model_poli2 <- lm(y ~ poly(x, 2, raw = TRUE), data = data)
model_poli3 <- lm(y ~ poly(x, 3, raw = TRUE), data = data)
summary(model_linier)
##
## Call:
## lm(formula = y ~ x, data = data)
##
## Residuals:
## Min 1Q Median 3Q Max
## -7.4317 -1.4051 -0.0466 2.2166 6.6109
##
## Coefficients:
## Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
## (Intercept) 9.88171 0.55369 17.847 <2e-16 ***
## x -0.95028 0.09566 -9.934 <2e-16 ***
## ---
## Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
##
## Residual standard error: 2.789 on 98 degrees of freedom
## Multiple R-squared: 0.5017, Adjusted R-squared: 0.4967
## F-statistic: 98.68 on 1 and 98 DF, p-value: < 2.2e-16
summary(model_poli2)
##
## Call:
## lm(formula = y ~ poly(x, 2, raw = TRUE), data = data)
##
## Residuals:
## Min 1Q Median 3Q Max
## -4.8136 -1.1977 -0.0533 1.3549 4.3891
##
## Coefficients:
## Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
## (Intercept) 5.33982 0.53777 9.929 <2e-16 ***
## poly(x, 2, raw = TRUE)1 1.80266 0.24855 7.253 1e-10 ***
## poly(x, 2, raw = TRUE)2 -0.27529 0.02405 -11.447 <2e-16 ***
## ---
## Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
##
## Residual standard error: 1.829 on 97 degrees of freedom
## Multiple R-squared: 0.788, Adjusted R-squared: 0.7837
## F-statistic: 180.3 on 2 and 97 DF, p-value: < 2.2e-16
summary(model_poli3)
##
## Call:
## lm(formula = y ~ poly(x, 3, raw = TRUE), data = data)
##
## Residuals:
## Min 1Q Median 3Q Max
## -4.7866 -1.1996 -0.0497 1.3386 4.3777
##
## Coefficients:
## Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
## (Intercept) 5.282801 0.708433 7.457 3.93e-11 ***
## poly(x, 3, raw = TRUE)1 1.872854 0.616613 3.037 0.00307 **
## poly(x, 3, raw = TRUE)2 -0.292931 0.143693 -2.039 0.04424 *
## poly(x, 3, raw = TRUE)3 0.001176 0.009443 0.125 0.90117
## ---
## Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
##
## Residual standard error: 1.838 on 96 degrees of freedom
## Multiple R-squared: 0.7881, Adjusted R-squared: 0.7815
## F-statistic: 119 on 3 and 96 DF, p-value: < 2.2e-16
Secara keseluruhan, pencocokan ketiga model menunjukkan bahwa model linier belum cukup menggambarkan pola hubungan X dan Y, terlihat dari nilai R^2 yang hanya sebesar 0,5017. Penambahan komponen kuadratik pada model polinomial derajat 2 meningkatkan R^2menjadi 0,7880 dan menurunkan Residual Standard Error menjadi 1,829. Sementara itu, penambahan komponen kubik pada model derajat 3 tidak memberikan peningkatan yang berarti karena koefisien X^3 tidak signifikan dan Residual Standard Error sedikit meningkat. Oleh karena itu, berdasarkan hasil pencocokan model, komponen kuadratik sudah mampu menggambarkan pola hubungan data dengan baik, sedangkan penambahan komponen kubik tidak memberikan kontribusi yang berarti.
anova(model_linier, model_poli2, model_poli3)
## Analysis of Variance Table
##
## Model 1: y ~ x
## Model 2: y ~ poly(x, 2, raw = TRUE)
## Model 3: y ~ poly(x, 3, raw = TRUE)
## Res.Df RSS Df Sum of Sq F Pr(>F)
## 1 98 762.42
## 2 97 324.33 1 438.09 129.6931 <2e-16 ***
## 3 96 324.28 1 0.05 0.0155 0.9012
## ---
## Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
Hasil uji ANOVA bertingkat menunjukkan bahwa penambahan komponen X^2 pada model linier memberikan peningkatan kecocokan model yang signifikan, dengan p-value < 2 × 10⁻¹⁶ < 0,05. Sementara itu, penambahan komponen X^3 pada model polinomial derajat 2 tidak memberikan peningkatan yang signifikan, dengan p-value = 0,9012 > 0,05. Dengan demikian, model polinomial derajat 2 lebih sesuai digunakan karena penambahan komponen kuadratik meningkatkan kecocokan model secara signifikan, sedangkan komponen kubik tidak memberikan tambahan kecocokan yang berarti.
AIC(model_linier, model_poli2, model_poli3)
## df AIC
## model_linier 3 492.9204
## model_poli2 4 409.4469
## model_poli3 5 411.4307
Berdasarkan nilai AIC, model polinomial derajat 2 memiliki nilai AIC paling rendah, yaitu 409,4469, dibandingkan model linier sebesar 492,9204 dan model polinomial derajat 3 sebesar 411,4307. Karena model dengan nilai AIC lebih kecil menunjukkan kecocokan model yang lebih baik dengan mempertimbangkan kompleksitas model, maka model polinomial derajat 2 merupakan model yang paling sesuai berdasarkan kriteria AIC.
data$pred_linier <- predict(model_linier)
data$pred_poli2 <- predict(model_poli2)
data$pred_poli3 <- predict(model_poli3)
ggplot(data, aes(x = x, y = y)) +
geom_point(alpha = 0.5) +
geom_line(aes(y = pred_linier, color = "Linier"), linewidth = 1) +
geom_line(aes(y = pred_poli2, color = "Polinomial derajat 2"), linewidth = 1) +
geom_line(aes(y = pred_poli3, color = "Polinomial derajat 3"), linewidth = 1) +
labs(title = "Perbandingan Regresi Linier vs Polinomial",
x = "X", y = "Y", color = "Model") +
theme_minimal()
#### Interpretasi: Berdasarkan grafik perbandingan regresi linier dan
polinomial, terlihat bahwa model linier menghasilkan garis lurus menurun
sehingga kurang mampu mengikuti pola data yang melengkung. Sementara
itu, model polinomial derajat 2 dan derajat 3 mampu mengikuti pola
hubungan X dan Y yang melengkung dengan lebih baik. Kurva polinomial
derajat 2 dan derajat 3 juga terlihat sangat berdekatan, menunjukkan
bahwa penambahan komponen kubik tidak memberikan perubahan pola yang
berarti. Hal ini sejalan dengan hasil ANOVA dan AIC sebelumnya, sehingga
model polinomial derajat 2 sudah cukup menggambarkan pola data.
rmse <- function(actual, predicted) sqrt(mean((actual - predicted)^2))
data.frame(
Model = c("Linier", "Polinomial derajat 2", "Polinomial derajat 3"),
RMSE = c(rmse(data$y, data$pred_linier),
rmse(data$y, data$pred_poli2),
rmse(data$y, data$pred_poli3))
)
## Model RMSE
## 1 Linier 2.761195
## 2 Polinomial derajat 2 1.800917
## 3 Polinomial derajat 3 1.800772
Berdasarkan hasil evaluasi RMSE, model linier memiliki nilai RMSE sebesar 2,761195, sedangkan model polinomial derajat 2 sebesar 1,800917 dan derajat 3 sebesar 1,800772. Nilai RMSE yang lebih kecil menunjukkan kesalahan prediksi yang lebih rendah. Dengan demikian, model polinomial derajat 2 dan derajat 3 memiliki kinerja prediksi yang jauh lebih baik dibandingkan model linier. Perbedaan RMSE antara model derajat 2 dan derajat 3 juga sangat kecil, sehingga penambahan komponen kubik tidak memberikan peningkatan prediksi yang berarti.
Skema 10-fold cross-validation diulang 5 kali untuk menguji derajat polinomial 1 sampai 6.
names(data)
## [1] "x" "y" "pred_linier" "pred_poli2" "pred_poli3"
library(caret)
set.seed(42)
kontrol <- trainControl(
method = "repeatedcv",
number = 10,
repeats = 5
)
derajat_max <- 6
hasil_cv <- data.frame(
derajat = integer(),
RMSE = numeric()
)
for (d in 1:derajat_max) {
data_cv <- data
# Membuat variabel polynomial
if (d == 1) {
data_cv$x_poly <- data_cv$x
} else {
poly_x <- poly(data_cv$x, degree = d, raw = TRUE)
data_cv$x_poly <- poly_x[, 1]
for (j in 2:d) {
data_cv[[paste0("x_poly", j)]] <- poly_x[, j]
}
}
# Formula sesuai derajat
if (d == 1) {
formula_model <- y ~ x_poly
} else {
variabel <- paste0("x_poly", 2:d)
formula_model <- as.formula(
paste("y ~ x_poly +", paste(variabel, collapse = " + "))
)
}
model_cv <- train(
formula_model,
data = data_cv,
method = "lm",
trControl = kontrol
)
hasil_cv <- rbind(
hasil_cv,
data.frame(
derajat = d,
RMSE = min(model_cv$results$RMSE)
)
)
}
hasil_cv
## derajat RMSE
## 1 1 2.757805
## 2 2 1.825068
## 3 3 1.859968
## 4 4 1.877628
## 5 5 1.871701
## 6 6 1.880719
derajat_optimal <- hasil_cv$derajat[which.min(hasil_cv$RMSE)]
cat("Derajat optimal berdasarkan CV:", derajat_optimal, "\n")
## Derajat optimal berdasarkan CV: 2
ggplot(hasil_cv, aes(x = derajat, y = RMSE)) +
geom_line(
color = "steelblue",
linewidth = 1
) +
geom_point(
size = 3,
color = "steelblue"
) +
geom_vline(
xintercept = derajat_optimal,
linetype = "dashed",
color = "firebrick"
) +
scale_x_continuous(
breaks = 1:derajat_max
) +
labs(
title = "Pemilihan Derajat Optimal via 10-Fold Cross-Validation",
x = "Derajat Polinomial",
y = "RMSE Rata-rata (Validasi Silang)"
) +
theme_minimal()
#### Interpretasi: Berdasarkan grafik 10-Fold Cross-Validation, nilai
RMSE validasi paling tinggi terdapat pada polinomial derajat 1, yaitu
sekitar 2,76. Nilai RMSE kemudian turun drastis pada derajat 2 menjadi
sekitar 1,80 dan setelah itu cenderung stabil hingga derajat 6. Dengan
demikian, derajat 2 dipilih sebagai derajat polinomial optimal, karena
memberikan RMSE validasi paling rendah. Penambahan derajat di atas 2
tidak memberikan peningkatan kinerja yang berarti.
model_final <- lm(y ~ poly(x, derajat_optimal, raw = TRUE), data = data)
summary(model_final)
##
## Call:
## lm(formula = y ~ poly(x, derajat_optimal, raw = TRUE), data = data)
##
## Residuals:
## Min 1Q Median 3Q Max
## -4.8136 -1.1977 -0.0533 1.3549 4.3891
##
## Coefficients:
## Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
## (Intercept) 5.33982 0.53777 9.929 <2e-16 ***
## poly(x, derajat_optimal, raw = TRUE)1 1.80266 0.24855 7.253 1e-10 ***
## poly(x, derajat_optimal, raw = TRUE)2 -0.27529 0.02405 -11.447 <2e-16 ***
## ---
## Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
##
## Residual standard error: 1.829 on 97 degrees of freedom
## Multiple R-squared: 0.788, Adjusted R-squared: 0.7837
## F-statistic: 180.3 on 2 and 97 DF, p-value: < 2.2e-16
Berdasarkan hasil model final, diketahui bahwa model yang terbentuk signifikan dengan p-value < 2 × 10⁻¹⁶. Koefisien X dan X^2 juga signifikan. Nilai R^2 = 0,788 menunjukkan bahwa 78,8% variasi Y dapat dijelaskan oleh model, sedangkan 21,2% sisanya dijelaskan oleh faktor lain atau galat. Jadi, model final yang digunakan adalah regresi polinomial derajat 2.
poly(x, derajat, raw = TRUE) digunakan agar koefisien
dapat diinterpretasi langsung sebagai \(\beta_1 x + \beta_2 x^2 + \dots\)x distandardisasi terlebih dahulu
(scale(x)) agar model lebih stabil secara numerik.