Survey
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
Distribusi Poisson 01 History Distribusi poisson disebut juga distribusi peristiwa yang jarang terjadi. Peristiwa ini ditemukan oleh Simeon Denis History Poisson (1781–1841), seorang ahli matematika berkebangsaan Perancis. Distribusi Poisson termasuk distribusi teoritis yang memakai variabel random diskrit. Menurut Walpole (1995), distribusi poisson adalah distribusi peluang acak poisson X, yang menyatakan banyaknya sukses yang terjadi dalam suatu selang waktu atau daerah tertentu. 02 Definitions Sebuah variabel acak diskrit X dikatakan Probabitily Mass Function terdistribusi Poisson apabila memiliki parameter λ>0. Dengan fungsi massa probabilitas yang diberikan oleh persamaan berikut: Bilangan real positif sama dengan nilai harapan (Expected) X dan juga Keterangan: variansnya. k = Jumlah kemunculan k=0, 1, 2, … e = Bilangan Euler e=2,71828 Probabitily Mass dapat sistemFunction Distribusi Poisson diterapkan pada dengan jumlah besar kemungkinan kejadian, dengan masing-masing jarang terjadi. Banyaknya kejadian serupa dengan durasi selang waktu tertentu dan dalam keadaan yang tepat merupakan bilangan acak dengan distribusi Poisson. Persamaan dapat diadaptasi jika jumlah rata-rata peristiwa diberi laju rata-rata r dimana peristiwa terjadi. Sehingga λ=rt dan • Assumptions and Validity k adalah berapa kali suatu peristiwa terjadi dalam suatu interval dan k dapat mengambil nilai 0, 1, 2, … • Terjadinya satu peristiwa tidak mempengaruhi probabilitas bahwa peristiwa kedua akan terjadi. Artinya, peristiwa terjadi secara independen. Assumptions and Validity • Tingkat rata-rata di mana peristiwa terjadi tidak tergantung pada setiap Jika kondisi ini benar, maka k adalah variabel kejadian. Secara sederhana hal ini acak Poisson dan distribusi k adalah disebut konstan, tetapi dalam distribusi Poisson. Distribusi Poisson juga praktiknya mungkin berbeda dengan waktu. merupakan limit dari distribusi binomial, di mana probabilitas keberhasilan untuk setiap percobaan sama dengan dibagi dengan jumlah percobaan. • Dua peristiwa tidak dapat terjadi pada saat yang sama persis Examples that Violate the Poisson Assumptions • CASE 1 Banyaknya siswa yang tiba di serikat siswa per menit kemungkinan besar tidak akan mengikuti distribusi Poisson, Hal ini dikarena lajunya tidak konstan dan kedatangan siswa secara individu tidak independen (siswa cenderung datang berkelompok). Examples that Violate the Poisson Assumptions Jumlah gempa bumi berkekuatan 5 magnitudo per tahun di suatu negara mungkin tidak dapat mengikuti distribusi Poisson, Hal ini dikarenakan jika satu gempa besar meningkatkan kemungkinan gempa susulan dengan magnitudo yang sama. Hal tersebut adalah Contoh di mana setidaknya satu peristiwa dijamin tidak terdistribusi Poisson; tetapi dapat dimodelkan menggunakan distribusi Poisson terpotong-nol 03 Properties Descriptive statistics Nilai harapan dan varians dari variabel acak terdistribusi Poisson keduanya sama dengan 𝜆 Koefisien variasinya adalah𝜆−1/2 , sedangkan indeks dispersinya adalah 1. Deviasi absolut rata-rata dari mean adalah. 2𝜆 𝜆 +1 𝑒 −𝜆 𝐸 𝑥−𝜆 = 𝜆! Descriptive statistics Modus variabel acak terdistribusi Poisson dengan non-integeral 𝜆 sama dengan [𝜆], yang merupakan bilangan bulat terbesar yang kurang dari atau sama dengan 𝜆 . juga ditulis sebagai standar deviasi (λ). ketika 𝜆 adalah bilangan bulat positif, modusnya adalah 𝜆 dan 𝜆 − 1 . Semua kumulan dari distribusi Poisson sama dengan Nilai Harapan (Expected Value) λ. faktorial ke-n dari distribusi Poisson adalah 𝜆𝑛 . Median Higher Moments Momen tak terpusat yang lebih Batas untuk median (v) distribusi diketahui : 1 𝜆 − ln 2 ≤ 𝑣 < 𝜆 + 3 dari tinggi, mk dari distribusi Poisson, adalah polinomial Touchard di λ 𝑘 𝜆𝑖 𝑚𝑘 = 𝑖=0 𝑘 𝑖 Higher Moments di mana tanda dalam kurung menunjukkan bilangan Stirling jenis kedua. Koefisien polinomial memiliki arti kombinatorial. Faktanya, ketika nilai yang diharapkan dari distribusi Poisson adalah 1, maka rumus Dobinski mengatakan bahwa momen ke-n sama dengan jumlah partisi dari suatu himpunan berukuran n. Sebuah batas sederhana adalah 𝑚𝑘 = 𝐸 𝑋𝑘 𝑘 ≤ 𝑘 log + 1 𝜆 𝑘 ≤ 𝜆𝑘 𝑒𝑥𝑝 𝑘2 2𝜆 Sums of Poisson-distributed random variables Jika 𝑋𝑖 ∼ 𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜆𝑖 untuk 𝑖 = 1, … , 𝑛 independen, maka 𝑛 𝑛 𝑋𝑖 ∼ 𝑃𝑜𝑖𝑠 𝑖=1 𝜆𝑖 𝑖=1 Kebalikannya adalah teorema Raikov, yang mengatakan bahwa jika jumlah dua variable acak independen berdistribusi Poisson, makan kedua variabek acak independen tersebut juga demikian. Other Properties 01 02 Divergensi Kullback–Leibler terarah dari 𝑃𝑜𝑖𝑠 (𝜆0 ) dari 𝑃𝑜𝑖𝑠 (𝜆) diberikan oleh Distribusi Poisson adalah distribusi peluang yang habis dibagi tak terhingga. 03 Batas untuk probabilitas ekor dari variabel acak Poisson 𝑋~𝑃𝑜𝑖𝑠 (𝜆) dapat diturunkan menggunakan argumen terikat Chernoff : 04 Pertidaksamaan yang menghubungkan fungsi distribusi dari variabel acak Poisson 𝑋~𝑃𝑜𝑖𝑠 (𝜆) ke fungsi distribusi normal standar Φ(x) adalah sebagai berikut: Poisson Races Misalkan 𝑋 ~ 𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜆 dan 𝑌 ~ 𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜇 adalah variabel acak independen, dengan 𝜆 < 𝜇, maka 2 𝑒 − 𝜇− 𝜆 𝑒 − 𝜆+𝜇 𝑒 − 𝜆+𝜇 − − ≤ 𝑃 𝑋 − 𝑌 ≥ 0 ≤ 𝑒− 2 𝜆+𝜇 4𝜆𝜇 2 𝜆𝜇 𝜇− 𝜆 2 Batas atas dibuktikan dengan menggunakan standar Chernoff bound. Batas bawah dapat dibuktikan dengan menuliskan bahwa 𝑃 𝑋 − 𝑌 ≥ 0 | 𝑋 + 𝑌 = 𝑖 adalah probabilitas bahwa 𝑍 ≥ 𝑖 , 2 di mana 𝑍 ~ 𝐵𝑖𝑛 𝜆 𝑖, 𝜆+𝜇 𝜆 , yang dibatasi oleh di mana 𝐷 adalah entropi relatif. Maka didapatkan 𝑋 + 𝑌 ~ 𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜆 + 𝜇 . −𝑖𝐷 0.5∥ 1 𝜆+𝜇 𝑒 𝑖+1 2 , 04 Related distribution General Distribusi Poisson dapat diturunkan sebagai kasus pembatas pada distribusi binomial, hal ini dikarenakan jumlah percobaan menjadi tak terhingga dan jumlah keberhasilan yang diharapkan. Oleh karena itu, dapat digunakan sebagai pendekatan distribusi binomial jika n cukup besar dan p cukup kecil. FBinomial (k;n,p) FPoisson (k; =np) Distribusi Poisson merupakan kasus khusus dari distribusi Poisson majemuk diskrit (atau distribusi Poisson gagap) dengan hanya memiliki sebuah parameter General Untuk nilai yang cukup besar, (misalnya λ>1000), distribusi normal dengan nilai rata-rata λ dan varians λ (deviasi standar λ) merupakan bilangan prima mendekati distribusi Poisson. Jika nilainya lebih besar dari 10, maka distribusi normal menggunakan pendekatan yang baik jika koreksi kontinuitas dilakukan. FPoisson(x ; ) FNormal (x ; µ= , σ2=) General Transformasi penstabil varians, jika nilai X ~ Pois(λ) maka Y=2X Ɲ(2λ ;1) dan Y=X Ɲ(2λ ;1/4) Di bawah transformasi ini, konvergensi ke normalitas (sebagaimana λ bertambah) jauh lebih cepat daripada variabel yang tidak diubah. Transformasi penstabil varians lain yang sedikit lebih rumit tersedia, satu di antaranya adalah transformasi Anscombe. Jika untuk setiap t > 0 jumlah kedatangan dalam selang waktu [0, t] mengikuti distribusi Poisson dengan mean λ t, maka urutan waktu antar kedatangan adalah variabel acak eksponensial independen dan berdistribusi identik dengan mean 1/λ. General Fungsi distribusi kumulatif dari Poisson dan distribusi chi-squared dapat ditulis dalam persamaan berikut Dengan k adalah bilangan bulat : FPoisson(k ; ) = 1- Fx2 (2 ; 2(k+1)) dan Pr (X = k) = Fx2(2 ; 2(k+1))- Fx2(2 ; 2k) Asumsikan 𝑋1 ~𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜆1 , 𝑋2 ~𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜆2 , . . . , 𝑋𝑛 ~𝑃𝑜𝑖𝑠 𝜆𝑛 dimana 𝜆1 + 𝜆2 +. . . +𝜆𝑛 = 1, lalu (𝑋1 , 𝑋2 , . . . , 𝑋𝑛 ) adalah distribusi multinomial, Poisson Approximation (𝑋1 , 𝑋2 , . . . , 𝑋𝑛 )~𝑀𝑢𝑙𝑡(𝑁, 𝜆1 , 𝜆2 , . . . , 𝜆𝑛 ) pada kondisi 𝑁 = 𝑋1 + 𝑋2 +. . . 𝑋𝑛 Artinya bahwa untuk sembarang fungsi non negatif f(x1 , x2 , . . . , xn ), jika (𝑌1 , 𝑌2 , . . . , 𝑌𝑛 )~𝑀𝑢𝑙𝑡(𝑚, 𝑝) terdistribusi secara multinomial, kemudian 𝐸[𝑓(𝑌1 , 𝑌2 , . . . , 𝑌𝑛 )] ≤ 𝑒 𝑚 𝐸[𝑓(𝑋1 , 𝑋2 , . . . , 𝑋𝑛 )] dimana (𝑋1 , 𝑋2 , . . . , 𝑋𝑛 )~𝑃𝑜𝑖𝑠(𝑝). Bivariate Poisson Distribution Distribusi ini merupakan perluasan dari kasus bivariate. Fungsi umum untuk distribusi ini adalah : 𝑔 𝑢, 𝑣 = exp (𝜃1 −𝜃12 𝑢 − 1 + 𝜃2 − 𝜃12 𝑣 − 1 + 𝜃12 Dengan θ1 ,θ2> θ12>0 Marginal Distribusi adalah Poisson (θ1) dan Poisson(θ2) dan koefisien korelasi adalah terbatas pada jangkauan 0 ≤ 𝜌 ≤ min 𝜃1 𝜃2 , 𝜃2 𝜃1 Bivariate Poisson Distribution Hal tersebut merupakan Langkah sederhana untuk membentuk Poisson Bivaviate distribusi X1,X2 untuk mengambil tiga Distribusi Poisson bebas Y1,Y2 Y3 yang bernilai λ1, λ2 λ3 dan mengatur X1=Y1+ Y3, X2=Y2+ Y3. Probabilitas fungsi dari Distribusi Poisson Bivariate adalah 𝑘 Pr 𝑋1 = 𝑘1 , 𝑋2 = 𝑘2 𝑘 min(𝑘1 ,𝑘2 ) 𝜆11 𝜆22 = exp(−𝜆1 − 𝜆2 − 𝜆3 ) 𝑘1 ! 𝑘2 ! 𝑘=0 𝑘1 𝑘 𝑘2 𝜆1 𝑘! 𝑘 𝜆2 𝜆3 𝑘 Distribusi poisson bebas yaitu distribusi poisson dengan ukuran lompatan α dan tingkat λ muncul dalam teori probabilitas bebas sebagai batas konvolusi bebas berulang. λ λ 1− 𝛿0 + 𝛿α 𝑁 𝑁 Free Poisson Distribution 𝑁 Sebagai N -> ∞ Dengan kata lain, biarkan 𝑋𝑁 menjadi variabel acak sehingga 𝑋𝑁 memiliki nilai dengan probabilitas nilai 0 dengan probabilitas yang tersisa. λ 𝑁 dan Ukuran yang terkait dengan hukum Poisson bebas diberikan oleh : 𝜇= 1 − λ 𝛿0 + 𝑣, 𝑖𝑓 0 ≤ λ ≤ 1 𝑣, 𝑖𝑓 λ > 1 Dimana 𝑣= 1 4λ 𝛼 2 − 𝑡 − 𝛼(1 + λ) 2𝜋𝛼𝑡 Didukung oleh 𝛼(1 − λ)2 , 𝛼(1 + λ)2 Sehingga cumulant bebasnya yaitu 𝑘𝑛 = λ𝛼 𝑛 2 𝑑𝑡 Free Poisson Distribution Weibull and Stable Count Fungsi massa probabilitas poisson dapat dinyatakan dalam bentuk yang mirip dengan distribusi produk dari distribusi Weibull dan bentuk varian dari distribusi jumlah stabil . Variabel dapat dianggap sebagai kebalikan dari parameter stabilitas Lévy dalam distribusi jumlah stabil: 05 Statistical Inference Parameter Estimation Misalkan X1,X2,…,Xn adalah sampel random yang berasal dari populasi terdistribusi poisson dengan parameter 𝜆. Fungsi kepadatan peluang untuk distribusi poisson dengan parameter 𝜆 adalah Langkah – langkah metode tersebut adalah sebagai berikut - Membuat fungsi likelihood distribusi poisson. - Membuat transformasi fungsi di atas ke dalam bentuk ln. - Membuat turunan fungsi tersebut terhadap parameter λ. - Menyamakan hasil turunannya dengan nol. - Dari hasil di atas diperoleh estimator parameter λ. Confidence Interval Selang kepercayaan untuk rata-rata dari distribusi Poisson dapat dinyatakan dengan menggunakan hubungan antara fungsi distribusi kumulatif dari Poisson dan distribusi chi-kuadrat. Distribusi chi-kuadrat itu sendiri terkait erat dengan distribusi gamma, dan ini mengarah pada ekspresi alternatif Ketika kuantil dari distribusi gamma tidak tersedia, pendekatan yang akurat untuk interval yang tepat ini telah diusulkan (berdasarkan transformasi Wilson-Hilferty): k(1-19k-z/23k)3(k+1)(1-19k+1-z/23k+1)3 dengan z/2 menunjukkan simpangan normal standar dengan luas ekor atas lamda/2. Untuk penerapan rumus ini dalam konteks yang sama seperti di atas (diberikan sampel n nilai terukur ki masingmasing diambil dari distribusi Poisson dengan rata-rata lamda). Bayesian Inference Dalam inferensi Bayesian, konjugat sebelumnya untuk parameter laju λ dari distribusi Poisson adalah distribusi gamma. 𝛽 𝛼 𝛼−1 −𝛽𝜆 𝑔 𝜆 𝛼, 𝛽 = 𝜆 𝑒 𝑓𝑜𝑟 𝜆 > 0 Γ 𝛼 kemudian diberikan sampel yang sama dari 𝑛 nilai diukur 𝑘𝑖 seperti sebelumnya, dan sebelum Gamma (α, β) distribusi posterior adalah 𝑛 𝜆 ~ 𝐺𝑎𝑚𝑚𝑎 𝛼+ 𝑘𝑖 , 𝛽 + 𝑛 𝑖=1 Simultaneous Estimation of Multiple Posson means Misalkan X1, X2 … , Xp ialah sebuah set variabel acak independen dari sebuah set p distribusi Poisson, dengan tiap parameter λi untuk i=1, …., p, kita dapat memperkirakan parameter tersebut. Clevenson dan Zidek menunjukkan bahwa dibawah kuadrat error ternormalisasi, sebesar 𝐿 𝜆, 𝜆 = 𝑝 −1 𝑖=1 𝜆𝑖 2 𝜆𝑖 − 𝜆𝑖 , untuk 𝑝 > 1 , seperti pada Stein’s example untuk normal means, estimator MLE, 𝜆𝑖 = 𝑋𝑖 , tidak dapat diterima. Pada kasus ini, estimator minimax digunakan untuk 0 < 𝑐 ≤ 2 𝑃 − 1 dan 𝑏 ≥ (𝑝 − 2 + 06 Occurrence and Application Law of Rare Events Dalam kasus distribusi Poisson, diasumsikan bahwa terdapat subinterval yang cukup kecil sehingga probabilitas suatu peristiwa terjadi dua kali "diabaikan". Dengan asumsi ini, distribusi Poisson dapat diturunkan dari distribusi Binomial, yang diberikan hanya informasi jumlah yang diharapkan dari total kejadian di seluruh interval. Sekarang, asumsikan bahwa kemunculan suatu peristiwa di seluruh interval dapat dilihat sebagai urutan n percobaan Bernoulli, dimana percobaan Bernoulli ke-I dengan melihat apakah suatu peristiwa terjadi pada subinterval Ii dengan probabilitas λ/n. Jumlah yang diharapkan dari total kejadian dalam n percobaan tersebut akan menjadi (jumlah yang diharapkan dari total kejadian di seluruh interval). Oleh karena itu, untuk setiap subdivisi interval, kita telah memperkirakan kemunculan peristiwa sebagai proses Bernoulli dalam bentuk B(n, λ/n). Poisson Point Process Poisson point adalah hamburan titik secara acak, tersebar secara acak sehubungan dengan beberapa hukum distribusi. Poisson point process adalah contoh mendasar dari proses titik yang digunakan untuk memodelkan berbagai fenomena yang berbeda dan berfungsi sebagai dasar dari proses yang lebih rumit. Jika X adalah variabel acak Poisson dengan mean jika memiliki fungsi massa probabilitas yang diberikan adalah: Z adalah variabel acak eksponensial dengan mean (laju λ=1/μ) jika itu adalah variabel acak kontinu dengan fungsi kepadatan probabilitas yang diberikan adalah: Distribusi poisson Distribusi poisson adalah kemungkinan model yang tepat untuk jenis percobaan tertentu. Variabel acak diskrit X dikatakan mempunyai distribusi poisson jika fungsi peluangnya. Untuk harga e dapat dicari dengan menggunakan kalkulator atau dengan melihat daftar harga e yang dapat anda lihat dari berbagai sumber di internet. Distribusi poisson mempunyai parameter: berbentuk: px=PX=x Dengan x = 1,2,3,.... e = bilangan konstan = 2,7183 Regresi Poisson dan regresi binomial negatif berguna untuk analisis di mana variabel dependen (respons) adalah jumlah (0, 1, 2, ...) dari jumlah kejadian atau kejadian dalam A (dibaca lamda) = bilangan tetap. suatu interval. Other Application In Science Jika Nilai Probabilitas dan Jumlah Inti dalam sampel dapat diketahui , maka Sebagaimana yang telah dijelaskan pada poin jumlah rata-rata peluruhan yang diharapkan dalam dua menit dapat dihitung. Akan tetapi pada praktiknya peluruhan mungkin berbeda dari jumlah rata-rata sebelumnya, yakni Distribusi Poisson dapat diterapkan yang diharapkan. Jika Eksperimen dilakukan berkali-kali, distribusi yang pada sistem dengan sejumlah besar kemungkinan digunakan salah satunya adalah Distribusi Poisson, dimana jika terdapat kejadian yang masing-masing jarang terjadi, dan kejadian sejumlah “n” inti, dan probabilitas dari setiap satu inti yang meluruh adalah p, maka probabilitas peluruhan inti keseluruhan v merupakan probabilitas tersebut terjadi dalam selang waktu tertentu. Salah Satu peluruhan inti v yang diharapkan sukses di setiap n percobaan. Sehingga dapat Aplikasi Sains yang menggunakan Distribusi Poisson, dirumuskan dengan : yakni Pada Kasus Radiasi, dimana diberikan suatu sampel dari material radioaktif .dan digunakan suatu detector yang cocok untuk menentukan jumlah dari v Dimana : μ adalah peluruhan tiap waktu, v adalah peluruhan inti yang diharapkan sukses. partikel peluruhan yang dikeluarkan dalam interval 2 menit. 07 Computational Methods Menghitung P(k; λ) untuk k dan λ adalah persoalan mudah yang menggunakan dapat definisi diselesaikan standar P(k; dengan λ) dalam eksponensial, pangkat, dan fungsi faktorial. Untuk stabilitas numerik, fungsi massa probabilitas Poisson harus dievaluasi sebagai: f(k;λ)= exp[k lnλ−λ−lnΓ(k+1) Yang ekuivalen secara matematis tetapi stabil secara numerik. Evaluating the Poisson distribution Logaritma dasar dari fungsi Gamma dapat diperoleh dengan menggunakan fungsi lgamma di pustaka standar C (versi C99) atau R, fungsi gammaln di MATLAB atau SciPy, atau fungsi log_gamma di Fortran 2008 dan yang lebih baru. Beberapa bahasa komputasi menyediakan fungsi bawaan untuk menghitung nilai distribusi Poisson, yaitu: • R: function dpois(x, lambda) ; • Excel: function POISSON( x, mean, cumulative), • Mathematica: univariate Poisson PoissonDistribution[λ] Bivariate Poisson MultivariatePoissonDistribution[θ12, { θ1 - θ12 , θ2 - θ12 ]} Evaluating the Poisson distribution Tugas yang tidak terlalu mudah adalah mendapatkan bilangan bulat acak dari distribusi Poisson dengan lambda. Untuk itu, diberikan solusi: 1.R: function rpois(n, lambda) ; 2.GNU Scientific Library (GSL): function gsl_ran_poisson Fungsi ini mengembalikan bilangan bulat acak dari distribusi Poisson dengan mean mu. Random Drawing From the Poisson Distribution 08 Problems Example •Ketika Pengukuran yang dilakukan secara teliti didapati jika sampel dari radioaktif thorium memancarkan partikel alfa setiap 1.5 tiap menit. Jika kita menghitung jumlah partikel alfa yang terpancar selama 2 menit, Berapa Hasil Rerata yang diharapkan ? Berapa Probabilitas kita akan mendapatkan angka ini ? Berapa Probabilitas untuk setiap v = 0,1,2,3,4 , dan v 5 ? Jawab : Rerata Hitungan yang diharapkan adalah rerata dari pancaran yang dihasilkan (R = 1.5 tiap menit) dikalikan dengan waktu selama dilakukannya observasi (T = 2 menit), sehingga : •Jika diketahui Rerata Peluruhan tiap waktu yang diharapkan dari pancaran suatu partikel beta adalah sebesar 64 ( μ = 64). Berapa Probabilitas peluruhan inti yang diharapakan sukses sebanyak 72 (v=72)? Jawab : Kasus ini dapat diselesaikan dengan menggunakan Distribusi Poisson Thanks! CREDITS: This presentation template was created by Slidesgo, and includes icons by Flaticon and infographics & images by Freepik