MA1420 · DATA SAINS · SESI 04

Statistik Inferensi I:
Estimasi & Confidence Interval

Mustahil mensurvei seluruh 270 juta penduduk Indonesia. Tapi kita bisa menyimpulkan karakteristik seluruh populasi hanya dari sampel kecil — itulah keajaiban statistik inferensi. Sesi ini mengajarkan caranya.

1. Perbedaan Statistik Deskriptif dan Inferensi

Setelah sesi 2 dan 3, kita sudah mahir menggambarkan data. Sekarang kita naik level: menarik kesimpulan dari data.

💡 ILUSTRASI — DOKTER DAN PASIEN

Statistik Deskriptif = Dokter yang mengukur tekanan darah Anda hari ini: "Tekanan darah Anda 130/85 pagi ini" — hanya menggambarkan fakta yang ada.

Statistik Inferensi = Dokter yang menyimpulkan: "Berdasarkan 3 kali pengukuran minggu ini, kemungkinan besar tekanan darah rata-rata Anda dalam sebulan adalah 125–135" — menarik kesimpulan lebih luas dari data terbatas.

STATISTIK DESKRIPTIF
Menggambarkan Data
STATISTIK INFERENSI
Menyimpulkan & Memprediksi
  • Hanya tentang data yang ada (sampel)
  • Tidak ada kesimpulan di luar data
  • Tidak ada unsur ketidakpastian
  • Contoh: "Rata-rata nilai kelas ini = 78"
  • Tools: mean, median, histogram, boxplot
  • Menyimpulkan tentang populasi dari sampel
  • Ada margin of error / ketidakpastian
  • Menggunakan probabilitas
  • Contoh: "Rata-rata semua mahasiswa ISTN kemungkinan antara 75–81"
  • Tools: CI, uji hipotesis, regresi

2. Populasi vs Sampel, Parameter vs Statistik

💡 ILUSTRASI — TASTING MASAKAN

Anda masak satu panci soto besar untuk 50 orang (populasi). Untuk tahu apakah rasanya pas, Anda tidak perlu meminum seluruh panci — cukup cicipi sesendok (sampel). Dari rasa sesendok itu, Anda bisa menyimpulkan rasa seluruh panci.

Namun: sesendok harus diambil dari bagian yang teraduk rata (sampel representatif), bukan hanya dari permukaan (sampel bias). Itulah inti dari teknik sampling yang baik.

KonsepDefinisiNotasiContoh
Populasi Seluruh kelompok yang ingin diteliti N (besar) Semua mahasiswa S1 di Indonesia (~8 juta)
Sampel Subset dari populasi yang dipilih untuk diteliti n (kecil) 500 mahasiswa yang disurvei secara acak
Parameter Ukuran numerik yang menggambarkan populasi μ (mean), σ (std) Rata-rata IPK SEMUA mahasiswa Indonesia
Statistik Ukuran numerik yang menggambarkan sampel x̄ (mean), s (std) Rata-rata IPK dari 500 mahasiswa yang disurvei
⚡ KUNCI PERBEDAAN

Parameter (μ, σ) = karakteristik POPULASI — biasanya tidak diketahui (terlalu mahal/mustahil mengukur semua)

Statistik (x̄, s) = karakteristik SAMPEL — yang kita hitung dari data, digunakan untuk mengestimasi parameter

3. Teknik Sampling

Cara memilih sampel sangat menentukan keakuratan kesimpulan kita. Sampel yang buruk = kesimpulan yang menyesatkan.

🎲
Random Sampling
Setiap anggota populasi punya peluang sama untuk dipilih. Metode paling ideal.
Contoh: Undian nomor mahasiswa untuk peserta penelitian
🗂️
Stratified Sampling
Populasi dibagi jadi kelompok (strata), lalu sampling dari tiap kelompok secara proporsional.
Contoh: Survei pendapat 10% dari tiap angkatan mahasiswa
📏
Systematic Sampling
Pilih setiap orang ke-k dari daftar populasi (interval tetap).
Contoh: Dari 1000 nama, pilih setiap orang ke-10 (nomor 10, 20, 30...)
🏘️
Cluster Sampling
Populasi dibagi jadi kelompok (cluster), lalu pilih beberapa cluster secara acak dan teliti semua anggotanya.
Contoh: Pilih 5 kelurahan dari 100 kelurahan, survei semua warganya
⚠️ BAHAYA SAMPLING BIAS

Jika sampel tidak representatif, kesimpulan kita bisa sangat menyesatkan.

Contoh nyata: Survei telepon pada 1936 memprediksikan Roosevelt akan kalah pilpres AS, padahal ia menang telak. Penyebabnya: hanya orang kaya (yang punya telepon) yang disurvei — sampel yang bias terhadap kelas atas.

4. Central Limit Theorem (CLT)

CLT adalah teorema paling ajaib dalam statistika. Ia menjelaskan mengapa statistik inferensi bisa bekerja — bahkan ketika data populasi aslinya tidak normal.

💡 ILUSTRASI — LEMPARAN DADU BERULANG

Satu dadu: nilainya 1–6, distribusinya uniform (datar, bukan lonceng).

Tapi jika Anda lempar 30 dadu sekaligus dan catat rata-ratanya, lalu ulangi 1000 kali — distribusi rata-rata tersebut akan mendekati kurva lonceng (normal)! Itulah CLT: rata-rata banyak sampel selalu mendekati normal, apapun bentuk distribusi aslinya.

📐 PERNYATAAN CLT (INTUITIF)

Jika kita mengambil banyak sampel berukuran n dari populasi apapun (normal, miring, uniform, dll.), maka distribusi rata-rata sampel (x̄) akan mendekati distribusi normal dengan:

• Mean = μ (mean populasi)

• Std Deviasi = σ/√n (disebut Standard Error)

Berlaku untuk n ≥ 30 (biasanya)

n = 1
Distribusi uniform (datar) — seperti dadu. Tidak normal sama sekali.
n = 10
Mulai membentuk lonceng — semakin terlihat pola simetris di tengah.
n = 30
Mendekati distribusi normal! Lonceng jelas terbentuk.
💡 MENGAPA CLT PENTING?

CLT memungkinkan kita menggunakan rumus-rumus berbasis distribusi normal (seperti confidence interval dan uji-z) meski data asli tidak normal — selama ukuran sampel cukup besar (n ≥ 30). Inilah fondasi hampir semua statistik inferensi.

5. Estimasi: Titik dan Interval

Ada dua cara mengestimasi parameter populasi dari sampel: estimasi titik dan estimasi interval.

💡 ILUSTRASI — TEBAK BERAT BAYI

Dokter mengestimasi berat lahir bayi dari USG:

Estimasi Titik: "Berat bayinya 3.2 kg" — satu angka pasti, tapi bisa meleset.

Estimasi Interval: "Berat bayinya antara 2.9 – 3.5 kg dengan tingkat kepercayaan 95%" — rentang yang lebih jujur tentang ketidakpastian.

Jenis EstimasiBentukKelebihanKekurangan
Estimasi Titik Satu nilai: x̄ = 78.5 Sederhana dan ringkas Tidak menunjukkan ketidakpastian
Estimasi Interval Rentang: [75.2 , 81.8] Jujur tentang margin of error Lebih kompleks, rentang bisa lebar

6. Confidence Interval (Selang Kepercayaan)

Confidence Interval (CI) adalah rentang nilai yang dengan tingkat kepercayaan tertentu (misal 95%) berisi parameter populasi yang sebenarnya.

RUMUS CI UNTUK MEAN (σ diketahui) CI = x̄ ± z* × (σ/√n) x̄ = mean sampel | z* = nilai kritis | σ = std deviasi populasi | n = ukuran sampel | σ/√n = Standard Error (SE)
RUMUS CI UNTUK MEAN (σ tidak diketahui — pakai t-distribution) CI = x̄ ± t* × (s/√n) s = std deviasi sampel | t* = nilai kritis t (dari tabel-t dengan df = n−1)

Nilai Kritis z* untuk Berbagai Tingkat Kepercayaan

NILAI KRITIS z* YANG SERING DIGUNAKAN
90%
z* = 1.645
z* = 1.645
95%
z* = 1.960
z* = 1.960
99%
z* = 2.576
z* = 2.576

Contoh Perhitungan CI

📝 SOAL CONTOH

Diketahui: Sampel 36 mahasiswa, rata-rata nilai UAS x̄ = 78, std deviasi s = 12. Hitung 95% CI untuk rata-rata populasi.

✅ SOLUSI LANGKAH DEMI LANGKAH

Step 1: Tentukan z* untuk 95% → z* = 1.960

Step 2: Hitung Standard Error → SE = s/√n = 12/√36 = 12/6 = 2

Step 3: Hitung Margin of Error → ME = z* × SE = 1.960 × 2 = 3.92

Step 4: Hitung CI → [78 − 3.92, 78 + 3.92] = [74.08 , 81.92]

Kesimpulan: Kita 95% yakin rata-rata nilai seluruh populasi mahasiswa berada antara 74.08 dan 81.92.

VISUALISASI CI · ILUSTRASI 5 SAMPEL BERBEDA

Setiap baris = CI dari satu sampel berbeda. Garis emas = nilai parameter populasi sebenarnya (μ=78).

Sampel 1: [74.1, 82.3] ✓ berisi μ
Sampel 2: [75.5, 83.1] ✓ berisi μ
Sampel 3: [71.2, 79.0] ✓ berisi μ
Sampel 4: [80.1, 87.9] ✗ TIDAK berisi μ ← inilah 5% yang meleset!
Sampel 5: [73.8, 81.6] ✓ berisi μ

Dari 100 sampel berbeda, ~95 CI akan berisi μ dan ~5 CI tidak akan berisi μ. Itulah arti "95% confidence level".

7. Interpretasi Confidence Interval yang Benar

CI adalah konsep yang sering salah diinterpretasikan — bahkan oleh para profesional. Mari kita perjelas.

✗ INTERPRETASI SALAH (UMUM TERJADI)
"Ada probabilitas 95% bahwa rata-rata populasi berada dalam interval [74.08, 81.92]"
✓ INTERPRETASI BENAR
"Jika kita mengambil 100 sampel berbeda dan menghitung CI dari setiap sampel, maka 95 dari 100 CI tersebut akan mengandung nilai rata-rata populasi yang sebenarnya"
💡 MENGAPA BEDANYA PENTING?

μ (rata-rata populasi) adalah angka tetap yang sudah ada, bukan angka acak. Ia tidak "punya probabilitas" berada di suatu tempat — ia sudah ada di suatu nilai tertentu, kita hanya tidak tahu persis di mana.

Yang acak adalah CI kita — bergantung pada sampel yang kita ambil. 95% CI berarti: metode pengambilan CI ini akan "menangkap" μ dalam 95% pengulangan.

Faktor yang Mempengaruhi Lebar CI

FaktorEfek pada Lebar CIPenjelasan
Ukuran sampel (n) ↑ CI makin sempit ✓ Sampel lebih besar → SE = σ/√n makin kecil → CI lebih presisi
Std Deviasi (σ) ↑ CI makin lebar Data lebih bervariasi → lebih sulit memperkirakan mean dengan tepat
Confidence level ↑ (misal 90% → 99%) CI makin lebar Mau lebih "yakin" → harus menutup rentang yang lebih luas

8. Praktik: CI dengan Python (scipy.stats)

8.1 CI untuk Mean (menggunakan t-distribution)

PYTHON · CONFIDENCE INTERVAL UNTUK MEAN
import numpy as np
import pandas as pd
from scipy import stats

# ── Dataset: Nilai UAS sampel mahasiswa ──────────────
np.random.seed(42)
nilai_sampel = np.random.normal(loc=78, scale=12, size=36)

n    = len(nilai_sampel)
xbar = np.mean(nilai_sampel)
s    = np.std(nilai_sampel, ddof=1)  # ddof=1 untuk std sampel
se   = s / np.sqrt(n)              # standard error

print(f"Ukuran Sampel  (n) : {n}")
print(f"Mean Sampel   (x̄) : {xbar:.2f}")
print(f"Std Deviasi    (s) : {s:.2f}")
print(f"Standard Error(SE) : {se:.2f}")

# ── Hitung CI dengan scipy.stats.t.interval ──────────
ci_90 = stats.t.interval(confidence=0.90, df=n-1, loc=xbar, scale=se)
ci_95 = stats.t.interval(confidence=0.95, df=n-1, loc=xbar, scale=se)
ci_99 = stats.t.interval(confidence=0.99, df=n-1, loc=xbar, scale=se)

print("\n═══ CONFIDENCE INTERVALS ═══")
print(f"90% CI : [{ci_90[0]:.2f} , {ci_90[1]:.2f}]  (lebar: {ci_90[1]-ci_90[0]:.2f})")
print(f"95% CI : [{ci_95[0]:.2f} , {ci_95[1]:.2f}]  (lebar: {ci_95[1]-ci_95[0]:.2f})")
print(f"99% CI : [{ci_99[0]:.2f} , {ci_99[1]:.2f}]  (lebar: {ci_99[1]-ci_99[0]:.2f})")
📤 OUTPUT
Ukuran Sampel  (n) : 36
Mean Sampel   (x̄) : 77.43
Std Deviasi    (s) : 11.82
Standard Error(SE) : 1.97

═══ CONFIDENCE INTERVALS ═══
90% CI : [74.07 , 80.79]  (lebar: 6.72)
95% CI : [73.40 , 81.46]  (lebar: 8.06)
99% CI : [72.07 , 82.79]  (lebar: 10.72)
📝 INTERPRETASI HASIL

Semakin tinggi confidence level (90% → 99%), semakin lebar CI-nya (6.72 → 10.72).

Analoginya: jika ingin lebih "yakin" menangkap ikan, Anda perlu jaring yang lebih lebar.

8.2 CI untuk Proporsi

PYTHON · CI UNTUK PROPORSI
from statsmodels.stats.proportion import proportion_confint

# Contoh: dari 200 mahasiswa, 130 lulus tepat waktu
# Estimasi proporsi kelulusan tepat waktu populasi
n_sukses = 130    # jumlah sukses (lulus tepat waktu)
n_total  = 200    # total sampel
p_hat    = n_sukses / n_total  # proporsi sampel

print(f"Proporsi sampel (p̂) : {p_hat:.2%}")

# 95% CI untuk proporsi (metode Wilson)
ci_low, ci_high = proportion_confint(
    count=n_sukses, nobs=n_total, 
    alpha=0.05, method='wilson'
)

print(f"95% CI Proporsi: [{ci_low:.2%} , {ci_high:.2%}]")
print("\nKesimpulan:")
print(f"Kita 95% yakin bahwa proporsi kelulusan tepat waktu")
print(f"di seluruh populasi berada antara {ci_low:.1%} - {ci_high:.1%}")
📤 OUTPUT
Proporsi sampel (p̂) : 65.00%

95% CI Proporsi: [58.24% , 71.21%]

Kesimpulan:
Kita 95% yakin bahwa proporsi kelulusan tepat waktu
di seluruh populasi berada antara 58.2% - 71.2%

8.3 Efek Ukuran Sampel pada CI

PYTHON · VISUALISASI PENGARUH n TERHADAP CI
import matplotlib.pyplot as plt

# Simulasi: bagaimana CI berubah seiring bertambahnya n
ukuran_n = [10, 20, 30, 50, 100, 200, 500]
lebar_ci = []

for n in ukuran_n:
    sampel = np.random.normal(78, 12, n)
    ci = stats.t.interval(0.95, df=n-1, loc=sampel.mean(), scale=stats.sem(sampel))
    lebar_ci.append(ci[1] - ci[0])

plt.figure(figsize=(9, 5))
plt.plot(ukuran_n, lebar_ci, 'o-', color='#3B82F6', linewidth=2, markersize=8)
plt.fill_between(ukuran_n, lebar_ci, alpha=0.15, color='#3B82F6')
plt.title('Lebar 95% CI vs Ukuran Sampel (n)\nSemakin besar n → CI makin sempit → makin presisi')
plt.xlabel('Ukuran Sampel (n)')
plt.ylabel('Lebar CI')
plt.grid(alpha=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()
💡 INSIGHT DARI GRAFIK

Grafik menunjukkan hubungan berbanding terbalik antara n dan lebar CI:

• n=10 → CI sangat lebar (tidak presisi)

• n=100 → CI lebih sempit (lebih presisi)

• n=500 → CI sangat sempit (sangat presisi)

Namun pengaruhnya mengecil (diminishing returns): menambah n dari 10→100 memberikan perbaikan besar, tapi dari 400→500 tidak terlalu signifikan lagi. Ini disebut hukum akar kuadrat (SE = σ/√n).

Uji Pemahaman Sesi 4

🧩 PERTANYAAN 1 — POPULASI VS SAMPEL
BPS ingin mengetahui rata-rata pengeluaran bulanan seluruh keluarga di Jawa Barat. BPS kemudian menyurvei 5.000 keluarga yang dipilih secara acak. Manakah yang merupakan "parameter"?
✓ Benar! Parameter adalah ukuran yang menggambarkan populasi (seluruh keluarga Jawa Barat) — biasanya tidak diketahui dan inilah yang ingin diestimasi. Rata-rata dari 5.000 keluarga yang disurvei adalah statistik (ukuran sampel).
🧩 PERTANYAAN 2 — CENTRAL LIMIT THEOREM
Distribusi pendapatan warga Indonesia sangat miring ke kanan (skewed right). Jika kita mengambil 100 sampel berukuran n=50 dan menghitung rata-rata tiap sampel, bagaimana distribusi 100 rata-rata tersebut?
✓ Benar! Inilah keajaiban CLT — meski distribusi asli miring, distribusi rata-rata sampel (sampling distribution) akan mendekati normal selama n ≥ 30. Itulah mengapa CI dan uji-z bisa diterapkan pada data yang tidak normal sekalipun, selama sampel cukup besar.
🧩 PERTANYAAN 3 — INTERPRETASI CI
Sebuah penelitian menghasilkan 95% CI untuk rata-rata nilai matematika: [72.5, 83.5]. Interpretasi mana yang BENAR?
✓ Benar! CI mengacu pada prosedur/metode, bukan pada probabilitas dari satu CI spesifik. Rata-rata populasi (μ) sudah ada di suatu nilai tetap — ia tidak "berprobabilitas". Yang berprobabilitas adalah apakah metode CI kita berhasil "menangkap" μ atau tidak dalam pengulangan.
📋 Ringkasan Sesi 4