UI

Statistika Matematika 1 (Statmat 1)

FMIPA Universitas Indonesia

Kurikulum Lengkap 15 Pekan • Dual-Mode Exam Center (12 Sesi) • Bank 240 Soal (8 Sub-Bab)

Pra-UTS:
Pasca-UTS:
🌱 MATERI RESMI PEKAN 1 • 25 SLIDE LENGKAP + SOP ALGORITMIK Dosen: Tim Dosen Statmat 1 FMIPA UI • Rujukan: Hogg-Craig & Sheldon Ross

Pekan 1: Landasan Aksioma Kolmogorov, 5 Teorema Fundamental & Resep Kerja Algoritmik

Fondasi matematis paling esensial dalam Statistika Matematika. Mengupas tuntas mekanisme pemodelan probabilitas modern melalui tripel $(\mathcal{C}, \mathcal{B}, P)$, cara kerja deduktif 3 Aksioma Kolmogorov, Standard Operating Procedure (SOP) 4-langkah pembuktian analitis, decision tree kombinatorika, hingga bedah soal slide kuliah FMIPA UI secara bertahap.

1.1

Cara Kerja Pemodelan Peluang: Tripel $(\mathcal{C}, \mathcal{B}, P)$ & Batasan Frekuensi Relatif

Slide 2 – 8 / 25 • Mengapa Matematika Butuh Pendekatan Aksiomatik?

Mekanisme Konseptual

⚙️ Bagaimana Cara Kerja Ruang Peluang Modern Beroperasi?

Dalam Statistika Matematika rigor, kita tidak sekadar menghitung peluang secara intuitif. Fenomena acak diabstraksikan menjadi sebuah Ruang Peluang (Probability Space) yang terdiri dari tiga serangkai matematis $(\mathcal{C}, \mathcal{B}, P)$:

1. Ruang Sampel ($\mathcal{C}$)

Himpunan semesta yang memuat seluruh titik hasil fisik yang mungkin terjadi ($c \in \mathcal{C}$). Bisa diskrit berhingga, tercacah, atau tak hingga kontinum.

2. Aljabar-$\sigma$ Kejadian ($\mathcal{B}$)

Koleksi subset dari $\mathcal{C}$ yang memenuhi sifat tertutup terhadap komplemen dan gabungan terhitung. Elemen $A \in \mathcal{B}$ disebut kejadian terukur (measurable event).

3. Ukuran Peluang ($P$)

Fungsi pemetaan $P: \mathcal{B} \to [0, 1]$ yang memberikan bobot bobot peluang riil pada setiap kejadian, dikunci oleh 3 Aksioma Kolmogorov.

📊 Pendekatan Frekuensi Relatif Empiris:

Jika eksperimen diulang $N$ kali di bawah kondisi identik dan kejadian $A$ muncul $n_A$ kali:

$$\lim_{N \to \infty} \frac{n_A}{N} = P(A)$$

Kelemahan Fatal: Nilai limit di atas bersifat empiris-fisik dan tidak pernah bisa dieksekusi secara matematis murni karena kita tidak pernah bisa mengulang eksperimen sebanyak tak hingga ($N \to \infty$).

🛡️ Solusi Deduktif Kolmogorov (1933):

Peluang didefinisikan sebagai Fungsi Himpunan Aksiomatik. Peluang tidak bergantung pada eksperimen fisik berulang, melainkan diturunkan secara analitis dari tiga postulat dasar yang konsisten dan bebas kontradiksi.

$$P: \mathcal{B} \to [0, 1]$$

Pendekatan ini memungkinkan kalkulus, teori integrasi Lebesgue, dan aljabar linier diterapkan secara penuh dalam statistika matematika.

SOP 1

Resep Kerja 4 Langkah: Merumuskan Ruang Sampel $\mathcal{C}$ & Model Peluang

Algoritma Pengerjaan Soal
Langkah 1: Tipe Percobaan

Identifikasi apakah percobaan berupa pencabutan tanpa pengembalian, dengan pengembalian, pelemparan berulang hingga kondisi terpenuhi, atau pengukuran variabel kontinum.

Langkah 2: Format Titik Sampel

Tentukan struktur titik $c \in \mathcal{C}$: berupa tupel berurut $(x_1, x_2)$, himpunan tak terurut $\{x_1, x_2\}$, atau bilangan riil $x \in (a, b)$. Hati-hati: apakah urutan membedakan hasil fisik?

Langkah 3: Hitung Kardinalitas

Jika diskrit berhingga, hitung $|\mathcal{C}|$ dengan aturan perkalian/kombinatorika. Jika kontinu, definisikan batas integral $\int_{\mathcal{C}} dx$.

Langkah 4: Tetapkan Fungsi $P$

Jika seluruh titik sampel memiliki kecenderungan sama (equally likely), rumus langsung: $P(A) = \frac{|A|}{|\mathcal{C}|}$. Jika tidak berbobot sama, tentukan PMF/PDF $f(x)$.

1.2

3 Aksioma Kolmogorov: Postulat Pembangun Semesta Peluang

Slide 9 – 11 / 25 • Tiga Hukum Mutlak yang Tidak Perlu Dibuktikan

Fondasi Mutlak

Setiap fungsi peluang $P$ yang sah pada aljabar-$\sigma$ $\mathcal{B}$ wajib memenuhi 3 postulat berikut tanpa kecuali:

Aksioma 1 Non-Negativitas
$$P(C) \ge 0, \quad \forall C \in \mathcal{B}$$

Cara Kerja: Peluang dianalogikan seperti massa atau volume fisik; tidak ada entitas di alam semesta yang bermassa negatif. Setiap kejadian minimal berbobot nol.

Aksioma 2 Normalisasi / Kepastian
$$P(\mathcal{C}) = 1$$

Cara Kerja: Menetapkan skala total kepastian. Eksperimen dijamin menghasilkan setidaknya satu luaran yang termasuk dalam semesta $\mathcal{C}$.

Aksioma 3 Aditivitas Terhitung
$$P\left(\bigcup_{i=1}^\infty C_i\right) = \sum_{i=1}^\infty P(C_i)$$

Syarat Mutlak: $\{C_i\}$ harus saling lepas berpasangan ($C_i \cap C_j = \emptyset$ untuk $i \ne j$). Jika berhingga, berlaku aditivitas berhingga: $P(\bigcup_{i=1}^k C_i) = \sum_{i=1}^k P(C_i)$.

1.3

Pembuktian 5 Teorema Fundamental & SOP Dekomposisi Disjoin

Slide 12 – 17 / 25 • Hogg-Craig Teorema 1.2.1 s.d. 1.2.5 • Sering Keluar di Ujian Esai

Wajib Ujian FMIPA
SOP 2

Resep Kerja 4 Langkah: Membuktikan Sifat Peluang dengan Metode Dekomposisi Disjoin

Resep Emas Dosen UI

Hampir 100% pembuktian teorema peluang dasar di FMIPA UI menggunakan satu strategi universal: "Pecah himpunan menjadi dua bagian yang saling lepas, lalu gunakan Aksioma 3 dan Aksioma 2/1".

Langkah 1: Dekomposisi Himpunan

Tuliskan himpunan yang lebih besar sebagai gabungan dua subset yang saling asing ($A \cap B = \emptyset$). Contoh: $\mathcal{C} = C \cup C^c$, atau $C_2 = C_1 \cup (C_2 \cap C_1^c)$.

Langkah 2: Terapkan Aksioma 3

Konversikan operator gabungan himpunan ($\cup$) menjadi operator penjumlahan aritmatika (+): $P(C_2) = P(C_1) + P(C_2 \cap C_1^c)$.

Langkah 3: Substitusi Nilai Pasti

Jika melibatkan ruang sampel, masukkan $P(\mathcal{C}) = 1$ (Aksioma 2). Pindahkan suku-suku secara aljabar.

Langkah 4: Manfaatkan Aksioma 1

Untuk pembuktian ketidaksamaan ($\le$ atau $\ge$), gunakan fakta bahwa $P(\text{himpunan apapun}) \ge 0$.

Teorema 1 Peluang Komplemen: $P(C) = 1 - P(C^c)$

Hogg-Craig Teorema 1.2.1
Penerapan SOP 2:
  1. Dekomposisi: Ruang sampel $\mathcal{C} = C \cup C^c$, di mana $C \cap C^c = \emptyset$.
  2. Aksioma 3: $P(\mathcal{C}) = P(C \cup C^c) = P(C) + P(C^c)$.
  3. Aksioma 2: Karena $P(\mathcal{C}) = 1$, maka $1 = P(C) + P(C^c)$.
  4. Aljabar: Kurangkan $P(C^c)$ dari kedua ruas: $P(C) = 1 - P(C^c)$. $\blacksquare$
💡 Tips Pengerjaan Soal Ujian: Gunakan Teorema Komplemen setiap kali soal memuat frasa "paling sedikit satu (at least one)": $$P(\ge 1) = 1 - P(\text{sama sekali tidak ada / nol})$$

Teorema 2 Peluang Himpunan Kosong: $P(\emptyset) = 0$

Hogg-Craig Teorema 1.2.2

Bukti Matematis Runtut:

Perhatikan bahwa himpunan kosong adalah komplemen dari seluruh ruang sampel: $\emptyset = \mathcal{C}^c$.

Terapkan langsung Teorema 1 yang telah dibuktikan sebelumnya: $P(\emptyset) = P(\mathcal{C}^c) = 1 - P(\mathcal{C})$.

Berdasarkan Aksioma 2, $P(\mathcal{C}) = 1$. Maka diperoleh $P(\emptyset) = 1 - 1 = 0$. $\blacksquare$

Teorema 3 Sifat Monotonisitas: Jika $C_1 \subseteq C_2$, maka $P(C_1) \le P(C_2)$

Hogg-Craig Teorema 1.2.3

Penerapan SOP 2 (Langkah demi Langkah):

Langkah 1: Himpunan $C_2$ didekomposisi menjadi dua himpunan disjoin: $C_2 = C_1 \cup (C_2 \cap C_1^c)$, di mana $C_1 \cap (C_2 \cap C_1^c) = \emptyset$.

Langkah 2: Berdasarkan Aksioma 3, $P(C_2) = P(C_1) + P(C_2 \cap C_1^c)$.

Langkah 3: Berdasarkan Aksioma 1, peluang sembarang kejadian tidak boleh negatif: $P(C_2 \cap C_1^c) \ge 0$.

Langkah 4: Karena $P(C_2 \cap C_1^c) \ge 0$, maka $P(C_2) = P(C_1) + (\text{bilangan } \ge 0) \implies P(C_1) \le P(C_2)$. $\blacksquare$

Teorema 4 Batas Peluang: $0 \le P(C) \le 1$ untuk Setiap Kejadian $C \in \mathcal{B}$

Hogg-Craig Teorema 1.2.4

Bukti Menggabungkan Aksioma 1 & Teorema 3:

Batas bawah: Menurut Aksioma 1, $0 \le P(C)$ terpenuhi secara definisi.

Batas atas: Untuk sembarang kejadian $C$, secara logis $C \subseteq \mathcal{C}$. Berdasarkan Teorema 3 (monotonisitas), berlaku $P(C) \le P(\mathcal{C})$.

Karena $P(\mathcal{C}) = 1$ (Aksioma 2), maka $P(C) \le 1$. Terbukti bahwa $0 \le P(C) \le 1$. $\blacksquare$

Teorema 5 Aturan Penjumlahan Umum (Inklusi-Eksklusi)

Hogg-Craig Teorema 1.2.5

Rumus untuk 2 Kejadian:

$$P(C_1 \cup C_2) = P(C_1) + P(C_2) - P(C_1 \cap C_2)$$

Bukti SOP 2: $C_1 \cup C_2 = C_1 \cup (C_2 \cap C_1^c)$ (disjoin) $\implies P(C_1 \cup C_2) = P(C_1) + P(C_2 \cap C_1^c)$.

Dekomposisi $C_2 = (C_1 \cap C_2) \cup (C_2 \cap C_1^c)$ (disjoin) $\implies P(C_2 \cap C_1^c) = P(C_2) - P(C_1 \cap C_2)$. Substitusikan, terbukti!

Ekstensi 3 Kejadian (Wajib Hafal Ujian): $$P(A \cup B \cup C) = P(A) + P(B) + P(C) - [P(A \cap B) + P(A \cap C) + P(B \cap C)] + P(A \cap B \cap C)$$ Ketaksamaan Bonferroni: $P(A \cap B) \ge P(A) + P(B) - 1$.
1.4

Decision Tree & Kaidah Pencacahan (Counting Techniques)

Slide 20 – 24 / 25 • Algoritma Pemilihan Rumus Permutasi, Kombinasi & Multinomial

Decision Tree

🧭 Decision Tree: Rumus Mana yang Harus Digunakan?

Gunakan pohon keputusan ini saat membaca soal cerita kombinatorika di ujian:

1 Urutan PENTING, Tanpa Kembali

Contoh: Memilih Juara 1, 2, 3 atau nomor antrean unik.

$$P_r^n = \frac{n!}{(n-r)!}$$
2 Urutan TIDAK Penting, Tanpa Kembali

Contoh: Memilih tim delegasi 4 orang atau kartu bridge di tangan.

$$\binom{n}{r} = \frac{n!}{r!(n-r)!}$$
3 Urutan PENTING, DENGAN Kembali

Contoh: Membuat PIN 4 digit atau melempar dadu $k$ kali.

$$n^r$$
4 Partisi ke $k$ Kelompok Teratur

Contoh: Membagi 12 mahasiswa ke 3 komisi berukuran 3, 4, 5.

$$\binom{n}{n_1, \dots, n_k} = \frac{n!}{n_1! \dots n_k!}$$
SOP 3 Algoritma Eksekusi Hitung Peluang Klasik $P(A) = \frac{|A|}{|\mathcal{C}|}$ Paling Sering Digunakan
1. Kunci Penyebut $|\mathcal{C}|$ Dulu

Hitung total kemungkinan tanpa syarat apapun. Contoh: Dari 52 kartu diambil 5 $\implies |\mathcal{C}| = \binom{52}{5}$.

2. Faktorkan Pembilang $|A|$ Bertahap

Pecah syarat kejadian menjadi sub-langkah independen, lalu kalikan: $\text{Cara Sub 1} \times \text{Cara Sub 2}$.

3. Eliminasi Overcounting

Jika urutan internal sub-kelompok tidak membedakan hasil, pastikan membagi dengan faktor simetri $k!$.

🎯

Bedah Soal Rujukan Slide Materi Pekan 1 UI (Step-by-Step SOP)

Slide 18 – 23 / 25 • Impor Langsung dari Slide Kuliah Dosen UI + Solusi Runtut

100% Sesuai Slide
Contoh Slide 18 – 19: Pelemparan Dua Dadu Slide Asli UI

Misalkan $\mathcal{C}$ menyatakan ruang sampel dari pelemparan dua dadu setimbang, yaitu: $$\mathcal{C} = \{(1,1), \dots, (1,6), (2,1), \dots, (6,6)\}$$ dengan $P(C_i) = \frac{1}{36}$ untuk $i = 1, 2, \dots, 36$.
Diberikan kejadian: $$D_1 = \{(1,1), (2,1), (3,1), (4,1), (5,1)\} \quad \text{dan} \quad D_2 = \{(1,2), (2,2), (3,2)\}$$ Tentukan peluang $P(D_1)$, $P(D_2)$, dan $P(D_1 \cup D_2)$!

Eksekusi Step-by-Step (Sesuai Slide Dosen):

Langkah 1: $|D_1| = 5 \implies P(D_1) = \frac{5}{36}$.

Langkah 2: $|D_2| = 3 \implies P(D_2) = \frac{3}{36}$.

Langkah 3: Amati irisan $D_1$ dan $D_2$:

Karena $D_1 \cap D_2 = \emptyset$, maka $P(D_1 \cap D_2) = 0$ (saling lepas).

Langkah 4 (Teorema 5):

$$P(D_1 \cup D_2) = P(D_1) + P(D_2) - P(D_1 \cap D_2) = \frac{5}{36} + \frac{3}{36} - 0 = \frac{8}{36} = \frac{2}{9}$$

Contoh Slide 22 – 23: Kartu Diamond (1 Kartu & 5 Kartu) Slide Asli UI

Dari sekumpulan 52 kartu bridge standar diasumsikan semua kartu *equally likely* ($P = 1/52$).
a. Misalkan $E_1$ adalah kejadian terambilnya 1 kartu diamond dari 1 kali penarikan. Tentukan $P(E_1)$!
b. Kemudian, 5 kartu diambil sekaligus secara acak tanpa pengembalian. Misalkan $E_2$ menyatakan kejadian terambilnya 5 kartu diamond. Tentukan $P(E_2)$!

Eksekusi Step-by-Step (Sesuai Slide Dosen):

Bagian a: Terdapat $r_1 = 13$ kartu diamond $\implies P(E_1) = \frac{13}{52} = \frac{1}{4}$.

Bagian b (Kombinatorika):

1. Banyaknya cara mengambil 5 kartu dari 52:

$$k = \binom{52}{5} = \frac{52!}{5!47!} = 2.598.960$$

2. Banyaknya cara memilih 5 diamond dari 13 diamond:

$$r_2 = \binom{13}{5} = \frac{13!}{5!8!} = \frac{13 \times 12 \times 11 \times 10 \times 9}{120} = 1.287$$

3. Peluang kejadian $E_2$:

$$P(E_2) = \frac{r_2}{k} = \frac{1.287}{2.598.960} \approx 0{,}000495 \approx 0{,}0005$$

Contoh Pengayaan Kuis 1 UI: Komite Delegasi Pengayaan Tipe Kuis

Sebuah komite beranggotakan 4 orang dipilih acak dari 6 dosen Matematika dan 4 dosen Aktuaria. Tentukan peluang komite memuat paling sedikit 1 dosen Aktuaria!

Eksekusi via Teorema 1 (Komplemen):

Langkah 1: Komplemen dari $\ge 1$ Aktuaria adalah $0$ Aktuaria (seluruh 4 anggota berasal dari Matematika).

Langkah 2: $|\mathcal{C}| = \binom{10}{4} = 210$.

Langkah 3: Cara memilih 4 Matematika dari 6: $\binom{6}{4} = 15$.

Langkah 4: $P(\text{0 Aktuaria}) = \frac{15}{210} = \frac{1}{14}$.

$$P(\ge 1 \text{ Aktuaria}) = 1 - P(\text{0 Aktuaria}) = 1 - \frac{1}{14} = \frac{13}{14} \approx 0{,}9286$$

Contoh Pengayaan Kuis 1 UI: Susunan Duduk Melingkar Permutasi Siklis

5 mahasiswa (termasuk Andi dan Budi) duduk melingkar di meja bundar secara acak. Tentukan peluang Andi dan Budi duduk bersebelahan!

Eksekusi Step-by-Step:

Langkah 1 (Penyebut): 5 orang duduk melingkar $\implies |\mathcal{C}| = (5 - 1)! = 4! = 24$.

Langkah 2 (Ikat Elemen): Anggap Andi & Budi sebagai 1 blok $(AB)$. Maka ada 4 objek melingkar: $(4 - 1)! = 3! = 6$ cara.

Langkah 3 (Internal Blok): Andi & Budi bertukar tempat: $2! = 2$ cara.

Langkah 4: $|A| = 6 \times 2 = 12 \implies P = \frac{12}{24} = \frac{1}{2}$.