4. Sebaran Peluang Kontinyu
EL2002-Probabilitas dan Statistik
Isi
1. Sebaran normal/Gauss
2. Luas daerah di bawah kurva normal
3. Hampiran normal untuk sebaran binomial
4. Sebaran Gamma, Eksponensial, dan
Chi-kuadrat
Pendahuluan
• Sebaran normal adalah sebaran paling
penting dalam Statistika.
• 1733, DeMoivre mengembangkan ekspresi
matematika untuk kurva normal.
• Gauss (1777-1855) menurunkan persamaan
normal ketika mempelajari kesalahan dari
eksperimen berulang.
• Sebaran normal n(x; μ, σ) dari peubah acak
Konsep
• SEBARAN NORMAL. Fungsi kerapatan (peluang) dari peubah acak normal X, dengan mean μ dan variansi σ2, adalah
dimana π=3.14159 … dan e=2.71828 …
( ) 2 2 1 2 1 , ; ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − = σ μ σ π σ μ x e x n %---%Fig.4.1: Gaussian Curve n(x,mu,sigma) % mean=0.0 and sigma=1
%---mu=0.0;sigma=1.0 x=-10:0.1:10; g=(1/sqrt(2*pi)/sigma)*exp(-0.5*(x-mu).^2/sigma^2); figure(1); plot(x,g); %---%Fig.4.2: Two Gaussian Curves n(x,mu,sigma) % with mu1=-2.0, mu2=2.0 and sigma=1 %---mu1=-2;mu2=4;sigma=1.0 x=-10:0.1:10; g1=(1/sqrt(2*pi)/sigma)*exp(-0.5*(x-mu1).^2/sigma^2); g2=(1/sqrt(2*pi)/sigma)*exp(-0.5*(x-mu2).^2/sigma^2); figure(1); plot(x,g1,'r-',x,g2,'b:'); -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 μ 1 μ2 σ 1 σ2= σ1 -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 μ σ
Kurva normal dng berbagai
μ dan σ
%---%Fig.4.3: Two Gaussian Curves n(x,mu,sigma) % with mu1=mu2=0.0 and sigma1<sigma2 %---mu1=0.0;mu2=0.0;sigma1=1.0;sigma2=3 x=-10:0.1:10; g1=(1/sqrt(2*pi)/sigma1)*exp(-0.5*(x-mu1).^2/sigma1^2); g2=(1/sqrt(2*pi)/sigma2)*exp(-0.5*(x-mu2).^2/sigma2^2); figure(1); plot(x,g1,'r-',x,g2,'b:'); %---%Fig.4.3: Two Gaussian Curves n(x,mu,sigma) % with mu1<mu2 and sigma1 < sigma2
%---mu1=-4.0;mu2=2.0;sigma1=1.0;sigma2=3 x=-10:0.1:10; g1=(1/sqrt(2*pi)/sigma1)*exp(-0.5*(x-mu1).^2/sigma1^2); g2=(1/sqrt(2*pi)/sigma2)*exp(-0.5*(x-mu2).^2/sigma2^2); figure(1); plot(x,g1,'r-',x,g2,'b:'); -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 σ 1 μ 2= μ1 σ 2>σ1 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 σ 1 σ 2>σ1 μ 2> μ1 μ 1
Sifat-sifat kurva normal
1. Modus, yaitu titik dalam sumbu mendatar dimana
kurva mencapai maksimum adalah x = μ
2. Kurva simetrik terhadap mean μ
3. Kurva memiliki titik infleksi pada x = μ±σ, yaitu
telungkup (concave) kebawah saat
μ-σ<X<μ+σ,
dan telungkup keatas didaerah lainnya.
4. Semakin jauh dari mean μ, kurva mendekati
sumbu mendatar secara asimptotis.
5. Luas daerah dibawah kurva (diatas sumbu
mendatar) sama dengan 1.
Bukti
μ adalah mean
• Integral pertama adalah μ dikalikan dng luas daerah dibawah kurva normal (=1), dng demikian hasilnya adalah μ
• Integral kedua adalah integral terhadap fungsi ganjil, hasilnya akan sama dengan nol.
• Dengan demikian: E(X) = μ
( )
X xe dx E x∫
∞ ∞ − ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − = 2 2 1 2 1 σμ σ πDng membuat z=(x-μ)/σ dan dx = σ dz, maka akan kita peroleh
( ) ( )
∫
∫
∫
∞ ∞ − − ∞ ∞ − − ∞ ∞ − − + = + = dz ze dz e dz e z X E z z z 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 π σ π μ σ μ σ πBukti
σ
2
adalah variansi
• Integrasi perbagian dng u=z dan dv= z exp(-z2/2), sehingga du=dz dan v=-exp(-z2/2) , diperoleh
(
)
[
X]
(
x)
e dx E x∫
∞ ∞ − ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − − = − 2 2 1 2 2 2 1 μ σμ σ π μDng membuat z=(x-μ)/σ => (x-μ)2=z2σ2 dan dx = σ dz, maka
( )
[
]
∞∫
∞ − − = − z e dz X E z 2 2 2 2 2 2π σ μ(
)
[
]
(
)
2 2 2 2 2 2 1 0 2 2 2 σ σ π σ μ = + = ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − = − ∞∫
∞ − − ∞ ∞ − − dz e ze X E z zLuas daerah di bawah
kurva normal
Integrasi fs sebaran dan Nilai Peluang
• Setiap kurva dari sebaran peluang kontinyu atau fungsi kerapatan dibuatsedemikian hingga daerah dibawah kurva yang dibatasi dua ordinatnya, x=x1 dan x=x2, sama dengan nilai peluang dari peubah acak X antara x=x1 dan x=x2. Dng demikian, untuk gambar 4.5 dibawah:
(
x
X
x
)
n
(
x
)
dx
e
dx
P
x x x x x∫
∫
⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − −=
=
<
<
2 1 2 2 1 2 1 2 12
1
,
;
σ μσ
π
σ
μ
μ x1 x2 xLuas ditentukan oleh
μ dan σ
2
• Gambar 4.6 menunjukkan, untuk selang x1 dan x2 yang sama, luas daerah dibawah kurva bisa berlainan. Nilainya bergantung juga pada μ dan σ2.
μ1 x1 x2
x μ2
Transformasi peubah acak
• Untuk beberapa keperluan, perlu dilakukan tabulasi nilai peluang sebaran normal dalam selang tertentu. Ini tidak mungkin dilakukan untuk semua kombinasi μ dan σ2.
• Untunglah kita bisa melakukan transformasi sebarang observasi normal ke sebaran baku yang memiliki mean nol dan variansi satul.
• Tranformasi yang dipakai: Z=(X-μ)/σ
• Jika X memiliki nilai batas x1 dan x2, maka luas daerah antar batas tsb akan sama dengan luas dibawah kurva normal baku yang memiliki batas z1=(x1-μ)/σ dan z2=(x2-μ)/σ. Akibatnya:
(
)
(
)
(
1 2)
2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 1 , 0 ; 2 1 2 1 z Z z P dz z n dz e dx e x X x P z z z z z x x x < < = = = = < <∫
∫
∫
⎟⎠ − ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − π σ π σ μSebaran Normal Baku
• Def. 4.1. Sebaran dari peubah acak normal dengan
mean nol dan variansi 1 disebut sebagai sebaran
normal baku
μ x1 x2 x 0 z1 z2 z Z = (X- μ)/σ σ σ=1• Dalam buku teks, sebaran normal baku diberikan
pada Tabel IV di lampiran.
∫z
Contoh 4.1
• Soal: Diberikan suatu sebaran normal dengan μ=50 dan σ=10, tentukan peluang X bernilai antara 45 dan 62
• Jawab: nilai z yang terkait dengan x1=45 dan x2= 62 adalah z1 = (45-50)/10 = -0.5
z2 = (62-50)/10 = 1.2 Dengan demikian
P(45<X<62) = P(-0.5<Z<1.2) Dari Tabel IV, kita peroleh
P(45<X<62) = P(-0.5<Z<1.2) = P(Z<1.2) - P(Z<-0.5) = 0.8849 – 0.3085 =0.5764 -0.5 1.2 z
Sebaran normal baku dan T. Chebysev
• T. Chebysev mengatakan bahwa peluang suatu peubah acak berada dalam 2 simpangan baku, sedikitnya ¾. Untuk sebaran normal baku, z untuk x1=μ-2σ dan
x2=μ+2σ dapat dihitung sbb z1 = [(μ-2σ)-μ]/σ = -2, dan z2 = [(μ+2σ)-μ]/σ = 2, dan Dengan demikian, P(μ-2σ<X< μ+2σ) = P(-2<Z<2) = P(Z<2) – P(Z<-2) =0.9772 – 0.0228 (Tabel IV) = 0.9544
• Hasil ini jauh lebih “kuat” daripada yang diberikan oleh Teorema Chebysev.
Contoh 4.2
• Soal: Sejenis batere tertentu rata-rata akan habis listriknya
dalam 3.0 tahun dengan simpangan baku 0.5 tahun. Jika waktu hidup batere tersebar normal, tentukan peluang bahwa suatu batere tertentu akan habis listriknya dalam 2.3 tahun!
• Jawab: Peluang yang dimaksud dilukiskan pada gambar 4.9. Untuk menentukan P(X<2.3), kita perlu menghitung luas
dibawah kurva normal dari -∞ dampai 2.3. Transformasi ke kurva normal baku memberikan z=(2.3-3)/0.5 = -1.4.
Berdasarkan Tabel IV diperoleh P(X<2.3) = P(Z<-1.4)
= 0.0808
2.3 3
Contoh 4.3
• Soal: Sebuah pabrik memproduksi bola lampu yng memiliki waktu hidup tersebar normal dengan mean 800 jam dan simpangan baku 40 jam. Tentukan peluang suatu bola lampu produksi pabrik tsb terletak antara 778 dan 834 jam.
• Jawab: Sebaran spt dilukiskan pada Gb.4.10. nilai z untuk x1=778 dan x2=834 adalah z1 = (778-800)/40 = -0.55 z2 = (834-800)/40 = 0.85 Dengan demikian P(778<X<834) = P(-0.55<Z<0.85) = P(Z<0.85) – P(Z<-0.55) = 0.8023 – 0.2912 = 0.511 778 800 834 σ=40 x
Contoh 4.4
• Soal: Suatu jenis komponen akan direject jika berada diluar persyaratan 1.50±d. Hasil pengukuran tersebar normal dengan mean 1.50 dan simpangan baku 0.2. Tentukan nilai d sehingga spesifikasi ini meliput 95% pengukuran.
• Jawab: Dalam soal ini akan ditentukan nilai z sehingga prosentase terpenuhi, lalu kembalikan menjadi x dengan rumus x=σz+μ. Dari Tabel IV diperolah
0.95 = P(-1.96 <Z<1.96)) Jadi: 1.50 +d = (0.2)(1.96)+1.50 atau: d = (0.2)(1.96) = 0.392 1.108 1.50 σ=0.2 1.892 0.025 0.025
Contoh 4.5
• Soal: Suatu mesin pembuat resistor dengan sebaran normal. Mean dari resistor 40 ohm dan simpangan bakunya 2 ohm. Akurasi bisa berapapun, tentukan prosentase resistor yang melebihi 43 ohm
• Jawab: Prosentasi ditentukan dengan mengalikan frekuensi dengan 100%. Kita akan menghitung nilai peluang
disebelah kanan 43 pd gambar 4.12. Ini bisa dilihat pada Tabel IV setelah dihitung z-nya, yaitu
z = (43-40)/2 = 1.5 Dengan demikian
P(X>43) = P(Z>1.5) = 1-P(Z<1.5) = 1-0.9332
= 0.0668
Jadi, ada 6.68% resistor yang nilainya diatas 43 Ohm
40
σ=2.0
Contoh 4.6
• Soal: Tentukan prosentase dari resistor spt pada soal sebelumnya yang melebihi 43 ohm jika resistansi diukur pada nilai ohm terdekat.
• Jawab: Soal ini sedikit berbeda dari sebelumnya, nilai 43 ohm di-assign untuk semua resistor yng terletak dalam selang 42.5 – 43.5. Jadi, kita menghitung nilai aproksimasi sebaran diskrit deng sebaran normal yang kontinyu. Dari gambar 4.13 dpt dihitung
z = (43.5 - 40)/2 =1.75
jadi P(X>43.5) = P(Z>1.75) = 1 – P(Z<1.75) = 1 – 0.9599
= 0.0401
Jadi ada 4.01% resistor yang melebihi 43 ohm diukur dng ohm terdekat.
Perbedaan sebesar 6.68%-4.01% = 2.67% dng jawab sebelumnya adalah kontribusi resistor yang lebih dari 43 tapi kurang dari 43.5 (tercatat sbg 43 ohm).
40
σ=2.0
4.3 Hampiran sebaran binomial
dengan sebaran normal
Hampiran sebaran
• Nilai b(x;n,p) telah ditabulasi untuk n kecil. Jika
tdk ada di tabel, kita harus menghitung sendiri. Ini
bisa dilakukan secara hampiran.
• Sebelumnya telah dijelaskan bahwa sebaran
Poisson dapat dipakai sebagai hampiran sebaran
binomial jika n besar dan p mendekati 1.
Kedua-duanya sebaran diskrit.
• Akan diperlihatkan bahwa sebaran normal dapat
menjadi hampiran yang cukup teliti untuk sebaran
binomial, jika n besar dan p mendekati ½.
Teorema
• Teorema 4.1 Jika X suatu peubah acak binomial
dengan mean μ=np dan variansi σ
2=npq, maka
batas dari sebaran
ketika n→∞ adalah sebaran normal n(z;0,1)
npq np X
Contoh
• Tinjau sebaran binomial b(x;15,0.4).
• Untuk x=4, kita dapatkan b(4;15,0.4)=0.1268
• Nilai tsb didekati dng kurva dibawah kurva normal dng batas antara x1=3.5 sampai dengan x2=4.5
⇒ z1=(3.5-6)/1.9 = -1.316 z2=(4.5-6)/1.9 = -0.789
Jika X peubah acak binomial dan Z peubah acak normal, maka P(X=4) = b(4;5, 0.4) ~ P(-1.316<Z<-0.789) = P(Z<-0.789) – P(Z<-1.316) = 0.2151 – 0.0941 = 0.1210
Contoh …
• Pendekatan ini sangat berguna untuk menghitung jumlah binomial untuk n besar. Andaikan kita akan menghitung peluang X bernilai antara 7 dan 9 (inklusif) dari soal sebelumnya, maka
P(7≤ X ≤9) = ∑9 7 b(x;15,0.4) = ∑9 0 b(x;15,0.4) - ∑60 b(x;15,0.4) = 0.9662 – 0.6098 = 0.03564
• Dengan pendekatan normal, kita akan hitung luas daerah dibawah
kurva normal dengan batas antara x1=6.5 sampai dengan x2=9.5. Nilai z1, z2 ybs adalah z1 = (6.5-6)/1.9 = 0.263; z2= (9.5-6)/1.9 =1.842 P(7≤ X ≤9) ~ P(0.263≤ Z ≤1.842) = P(Z<1.842) – P(Z<0.263) = 0.9673 – 0.6037 = 0.3636
Latihan
• No: 2, 3
• No: 15, 16
4.4 Sebaran Gamma,
Fungsi Gamma
• Teorema 4.2 Fungsi gamma didefinisikan sebagai dimana α >0.
( )
=∫
∞ − − Γ 0 1 dx e xα x αsubstitusi dengan u=xα-1 dan dv=e-xdx, kemudian integrasi parsial, akan menghasilkan
Γ(α) = -e-xxα-1|0∞ + ∫0∞e-x(α-1)xα-2 dx = (α-1) ∫0∞e-xxα-2 dx
Kita peroleh rumus rekursi
Γ(α) = (α-1)Γ(α-1) = (α-1) (α-2)Γ(α-2) = … dst. Untuk α=n bulat positif, maka: Γ(n) = (n-1)(n-2) … Γ(1). Perdefinisi Γ(1) = ∫0∞e-xdx =1. Dengan demikian, maka
Γ(n) = (n-1)!
Sebaran Gamma
• SEBARAN GAMMA. Peubah acak kontinyu X memiliki sebaran
gamma dengan parameter α dan β, jika fungsi kerapatannya diberikan oleh dimana α>0 dan β>0. ( ) ( ) lainnya x e x x f x , 0 0 , 1 1 = > Γ = α− −β α α β
• Grafik sebaran gamma. Jika α=1, sebaran menjadi eksponensial.
f(x) 1 2 3 4 5 6 7 0.5 1 x α=1, β=1 α=2, β=1 α=4, β=1
Sebaran eksponensial
• SEBARAN EKSPONENSIAL. Peubah acak kontinyu X
akan memiliki sebaran eksponensial dengan parameter
β
jika fungsi kerapatannya diberikan olehdimana
β
>0.( )
lainnya x e x f x , 0 0 , 1 = > = −ββ
• Sebaran eksponensial memiliki banyak aplikasi dalam
statistik, khususnya menyangkut teori keandalan (reliability) dan teori antrian ( queueing theory).
Contoh 4.10
• Soal: Suatu sistem mengandung komponen tertentu yang waktu kegagalannya (dalam tahun) diberikan oleh peubah acak T yang memiliki sebaran eksponensial dengan parameter β=5. Jika 5 dari komponen ini dipasang pada berbagai sistem, berapa
peluang 2 diantaranya tetap berfungsi setelah 8 tahun?
• Jawab: Peluang suatu komponen tetap berfungsi setelah 8 tahun diberikan oleh
P(T>8) = (1/5)∫8∞ e-t/5 dt
= e-8/5 ~0.2
Andaikan X menyatakan jumlah komponen yang masih berfungsi stlh 8 tahun. Maka dengan sebaran binomial
P(X ≥2) = ∑25 b(x;5,0.2) = 1- ∑
01 b(x;5,0.2)
Sebaran Chi-kuadrat
• Kasus khusus kedua untuk sebaran gamma diperoleh ketika α=v/2, dan β=2. Sebaran yang dihasilkan disebut sebaran
chi-kuadrat dengan derajat bebas v.
• SEBARAN CHI-KUADRAT. Peubah acak kontinyu X
memiliki sebaran peluang chi-kuadrat, dengan derajat bebas v, jika fungsi kerapatan peluangnya diberikan oleh
dimana v bilangan bulat positif.
( )
lainnya x e x v x f x v v , 0 0 , 2 2 1 1 2 2 2 = > ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Γ = − −• Sebaran Chi-kuadrat adalah salah satu perangkat penting dalam bidang pengujian hipotesis.
Mean dan variansi
• TEOREMA 4.2 Mean dan variansi dari sebaran
gamma adalah
μ = αβ
dan
σ
2= αβ
2• COROLLARY 1. Mean dan variansi dari sebaran
eksponensial adalah
μ=β dan σ
2=β
2• COROLLARY 2. Mean dan variansi dari sebaran
chi-kuadrat adalah
Pengantar
• Teknologi modern memungkinkan dibuatnya
sistem/perangkat yang operasi maupun keselamatannya tergantung dari berbagai komponen.
• Contoh: sekering dpt terbakar, kolom beton dapat roboh, atau pengindera panas dapat gagal.
• Komponen yang sama dalam pengaruh lingkungan sama dapat mengalami kegagalan dlm waktu berbeda dan tak teramalkan.
• Waktu kegagalan atau waktu hidup komponen diukur dari saat mula tertentu sampai gagal dinyatakan dengan peubah acak T dan fungsi rapat peluang f(T). Salah satu yang
terpenting dalam permasalahan keandalan adalah sebaran
Sebaran Weibull
• SEBARAN WEIBULL. Peubah acak kontinyu T disebut memiliki sebaran Weibull dengan parameter α dan β, jika fungsi kerapatan peluangnya diberikan oleh
dimana α>0 dan β>0.
( )
lainnya t e t t f t , 0 0 , 1 = > =αβ β− −α β f(t) 0.5 1.0 1.5 t β=1 β=2 β=3 Sebaran Weibull (α=1)Mean dan variansi
• Terlihat kurva berbeda-beda untuk parameter yang
berlainan, khususnya
β. Jika β=1, sebaran Weibull
menjadi sebaran eksponensial.
• Untuk
β>1, kurva mendekati bentuk lonceng dan
mirip kurva normal, tapi punya skewness.
• TEOREMA 4.3 Mean dan variansi dari sebaran
Weibull adalah:
μ = α
-1/βΓ(1+1/β)
Aplikasi
• Untuk menerapkan sebaran Weibull dalam teori keandalan, definisikan keandalan dari produk sebagai peluang bahwa
produk ini berfungsi secara benar untuk sedikitnya dalam waktu tertentu dalam kondisi percobaan tertentu pula.
• Jadi, jika R(t) keandalan komponen pada saat t, maka R(t) = P(T>t) = ∫1∞ f(t) dt
= 1-F(t)
dimana F(t) adalah sebaran kumulatif dari T.
• Peluang bersyarat bahwa suatu komponen akan gagal dalam selang T=t sampai T= t + Δt, diberikan komponen ini tahan sampai t, adalah
Lanjutan …
• Laju kegagalan adalah
( )
(
) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
t F t f t R t f t R t F t R t t F t t F t Z t − = = = Δ − Δ + = → Δ 1 ' 1 lim 0• Karena R(t) = 1-F(t) dan R’(t) = -F’(t), kita dapat menuliskan persamaan diferensial berikut
Z(t) = -R’(t)/R(t) = -d[ln R(t)]/dt dan kemudian dengan memecahkan
ln[R(t)] = - ∫Z(t) dt , atau R(t) = exp(-∫Z(t)dt) + c
dimana c menyatakan asumsi awal R(0) =1 atau F(0) = 1-R(0) =0. • Terlihat bahwa pengetahuan fungsi kerapatan f(t) atau laju
Contoh 4.11
• Soal: Tunjukkan bahwa fungsi laju kegagalan diberikan oleh Z(t) = αβtβ-1 , t>0
jika dan hanya jika sebaran waktu ke kegagalan adalah sebaran Weibull dengan fungsi kerapatan
f(t) = αβtβ-1 exp(-αtβ), t>0
• Jawab: asumsikan bahwa Z(t) = αβtβ-1, t>0. Maka kita dapat
menuliskan
f(t) = Z(t) R(t), dimana
R(t) = exp(-∫Z(t)dt) = exp(-∫αβtβ-1dt) = exp(αtβ +c)
dari kondisi R(0) = 1, kita temukan c=0. Maka R(t) = exp(-αtβ) dan
Lanjutan …
• Dengan mengasumsikan
f(t) = αβtβ-1 exp(-αtβ), t>0
maka Z(t) ditentukan dengan menuliskan Z(t) = f(t)/R(t) dimana R(t) = 1-F(t) = 1-∫0t αβxβ-1 exp(-αxβ)dx, = 1+∫0t d(exp(-αxβ)) = exp (-αtβ) Maka Z(t) = αβtβ-1 exp(-αtβ)/exp(-αtβ) = αβtβ-1 , t>0
• Dlm contoh ini, laju kegagalan menurun thd waktu jika β<1, meningkat jika β>1, dan konstan jika β=1.
• Dari sudut pandang β=1 sebaran Weibull menjadi eksponensial, asumsi kegagalan konstan sering diacu sebagai asumsi eksponensial.