34
Universitas Gadjah Mada Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan Prodi S2 Teknik Sipil Statistika Analisis Frekuensi 16Dec14 h4p://is8arto.staff.ugm.ac.id 1

Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

  • Upload
    others

  • View
    8

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Universitas  Gadjah  Mada  Jurusan  Teknik  Sipil  dan  Lingkungan  Prodi  S2  Teknik  Sipil  

Statistika  Analisis  Frekuensi  

16-­‐Dec-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id  

1  

Page 2: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Analisis  Frekuensi  •  Diambilkan  dari  paparan  pada  •  The  Second  ASEAN  Natural  Disaster  Conference  

•  University  of  Yangon,  Myanmar  •  29-­‐30  September  2014  

16-­‐Dec-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id  

2  

Page 3: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Frequency  analysis  on  extreme  hydrologic  data  I  s  t  i  a  r  t  o  Master  of  Engineering  in  Natural  Disaster  Management  Universitas  Gadjah  Mada,  INDONESIA  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

3  

2nd  ANDC  Yangon,  Myanmar  

29-­‐30  September  2014  

Page 4: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Needs  •  Engineers  (hydraulics,  hydrology)  are  frequently  required  to  derive  design  values  on  hydrologic  events,  such  as  flow  discharge  or  rainfall  depth  (precipita8on)  •  Sta8s8cal  method  applied  to  8me  series  data  is  a  common  prac8ce  

•  Fit  those  data  to  theore8cal  probability  distribu8ons  •  Use  cumula8ve  distribu8on  func8on  of  the  selected  probability  distribu8on  to  predict  magnitude  of  hydrologic  events  

•  Define  the  design  value(s)  based  on  the  magnitude  of  hydrologic  event  having  par8cular  probability  of  occurence  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

4  this  method  is  known  as  frequency  analysis  

Page 5: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Frequency  Analysis  Time  series  (annual  or  par8al  8me  series  of  hydrologic  event  data)  

Fi[ng  of  the  8me  series  to  theore8cal  distribu8ons  

Predic8ng  probability  of  occurrence  of  the  hydrologic  events  

Define  design  values  of  the  hydrologic  events  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

5  

Page 6: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Probability  Distributions  

Theo

re8cal  Probability  

Distrib

u8on

s  

Gumbel  

Log  Normal  

Log  Pearson    Type  III  

Normal  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

6  

Common  probability  distribu8ons  applicable  to  

hydrologic  events  

Page 7: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Probability  Distributions  •  The  theore8cal  probability  distribu8ons  •  their  pdf  and  cdf  have  complex  expression  so  that  they  are  not  readily  solvable  

•  graphical  method  is  a  prac8cal  solu8on  to  fit  data  to  the  theore8cal  distribu8ons  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

7  

Ven  te  Chow  et  al.  (1988)  developed  a  transforma8on  coordinate    such  that  the  cdf  of  a  theore8cal  distribu8on  shows  as  a  straight  line  

fi[ng  data  to  theore8cal  distribu8on  

and  predic8ng  probability  of  occurrence  can  be  

easily  carried  out  

Page 8: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Transformed  probability  coordinate  •  Chow  et  al.  (1988)  

 •  yT  is  the  hydrologic  magnitude  at  T-­‐year  return  period,    •  y  is  the  average  value  of  the  data,    •  KT  is  a  frequency  factor,  and    •  s  is  the  standard  devia8on  of  the  data.    

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

8  

!yT = y +KT ⋅ s

Page 9: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Transformed  probability  coordinate  •  Chow  et  al.  (1988)  

 •     

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

9  

!yT = y +KT ⋅ s

!

ys

constant   plot  of    (yT  vs  KT)    is  a  straight  line  

defined  by  data  

!!prob Y < yT( ) =1− 1T ⇔ T = 1

1−prob Y < yT( )

KT  is  func8on  of  T  and  distribu8on  

Page 10: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Normal  Distribution  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

10  

yT   yT  

T    or    prob(Y  <  yT)   KT  

Page 11: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Normal  Distribution  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

11  

!KT = z

!!

w =

ln 1p2

!

"#

$

%&

'

()

*

+,

1 2

0< p=1 T <0.5

ln 1

1−p( )2

!

"

###

$

%

&&&

'

(

)))

*

+

,,,

1 2

p=1 T >0.5

.

/

000

1

000

!!z=w− 2.515517+0.802853w+0.010328w2

1+1.432788w+0.189269w2 +0.001308w3

Page 12: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

12  

Gumbel  probability  paper  

Page 13: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

13  

Normal  probability  paper  

Page 14: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Probability  Paper  •  In  the  past  •  Probability  papers  were  available  in  the  market    

•  Normal,  Log  Normal,  Gumbel  distribu8ons  •  Not  available  for  Log  Pearson  Type  III  since  KT  changes  with  data  •  Log  Pearson  Type  III  was  plo4ed  on  Log  Normal  paper  •  It  shows  as  a  curve,  not  a  straight  line  

•  Data  were  manually  plo4ed  on  the  paper  •  Sca4er  data  plot  and  theore8cal  line  give  good  insight  into  the  distribu8on  of  the  data  

•  Fi[ng  the  data  to  the  theore8cal  line  can  easily  be  performed  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

14  

Page 15: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Probability  Paper  •  Nowadays  •  Frequency  analysis  can  easily  be  carried  out  by  spreadsheet  computer  applica8on  •  Unfortunately,  spreadsheet  cannot  provide  data  plot  the  way  probability  paper  does  

•  Most  of  frequency  analysis  applica8on  program  do  not  provide  data  plot  at  all  

•  Lost  of  insight  into  data  pa4ern  (distribu8on)  •  Lost  of  ‘physical’  meaning  of  the  computed  values  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

15  

Page 16: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

16  

Example  of  frequency  analysis  performed  by  using  spreadsheet  applica8on/computer  program  

Page 17: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

17  Example  of  frequency  analysis  performed  by  using  spreadsheet  applica8on/computer  program  

Page 18: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Probability  Paper  •  Nowadays  •  There  is  no  (or  at  least  difficult  to  find)  computer  applica8on  on  frequency  analysis  having  data  plot  capability  •  Commercial  applica8on  program  may  exist  (?)  •  Prac8sing  engineers  and  students  might  be  not  able  to  afford  for  commercial  applica8on  program  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

18  

Need  for  frequency  analysis  applica8on  program,  which  is  a  free-­‐ware  and  capable  to  produce  graphical  plot  of  the  data  on  probability  paper  

Page 19: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Probability  Paper  •  AProb_4E  •  A  computer  applica8on  on  frequency  analysis  that  has  data  plo[ng  capability  

•  Can  be  freely  downloaded  from  website  h4p://is8arto.staff.ugm.ac.id/  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

19  

Page 20: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

20  

Page 21: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

21  

Page 22: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

AProb_4E  •  Plo[ng  posi8on  of  data  values  on  probability  paper  

•  m  is  the  rank  of  the  data  being  sorted  in  ascending  order  •  n  is  the  number  of  data  

•  This  is  known  as  Weibull  formula  of  plo[ng  8me  series  data  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

22  

!!prob Y < ym( ) = m

n+1

Page 23: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

AProb_4E  •  Confidence  interval  (1  –  α)  •  An  interval  within  which  the  true  value  (which  is  unkonwn)  can  reasonably  be  expected  to  lie.  

•  The  size  of  the  interval  depends  on  the  confidence  level  (1  –  α)  •  The  es8mate  of  event  value  for  a  par8cular  return  period,  yT  •  An  upper  and  lower  limits  are  specified  by  adjustment  of  KT  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

23  

!!UT ,α =Y + sy ⋅KT ,α

U

!!LT ,α =Y + sy ⋅KT ,α

L

upper  and  lower  confidence  limit  factors  for  normally  distributed  data;  these  are  determined  using  the  noncentral  t  distribu8on    

Page 24: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

AProb_4E  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

24  

•  Goodness  of  fit  test  •  Smirnov-­‐Kolmogorov  test  •  Chi-­‐square  test  

•  Both  tests  are  applied  with  confidence  level  of  (1  –  α)  =  0.90  

Page 25: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Goodness  of  Fit  Test  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

25  

•  Smirnov-­‐Kolmogorov  Test  

!!Δmax =max prob(Y < y)−prob(Y < y) !!Δmax <Dcà  rejected  if  

Dc    is  cri8cal  value  according  to  the  Smirnov-­‐Kolmogorov  table  

•  according  to  the  observed  data  

•  according  to  the  distribu8on  being  tested  

Page 26: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

Goodness  of  Fit  Test  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

26  

•  Chi-­‐square  Test  

!!χc2 =

Oi −EiEi

#

$%%

&

'((

i=1

k

Oi  the  observed  rela8ve  frequency  in  the  ith  class  interval  Ei  the  expected  rela8ve  frequency,  according  to  the  distribu8on  being  

tested,  in  the  ith  class  interval  k  the  number  of  class  intervals  

!!χc2 > χ1−α 2,k−p−1

2à  rejected  if  

p    is  the  number  of  parameters  es8mated  from  the  data  

Page 27: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

27  Result  of  AProb

_4E  in  te

xt  fo

rmat  

Page 28: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

28  

Page 29: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

29  

Page 30: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

30  

Page 31: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

31  

Page 32: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

AProb_4E  •  Improvement  •  Feature  that  will  be  added:  test  for  outliers  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

32  

!

yH =Y +Kn ⋅ sYyL =Y −Kn ⋅ sY

high  and  low  outlier  thresholds    

in  log  unit   if  logarithms  of  the  data  are  greater  than  yH  or  less  than  yL  à  they  are  considered  as  outliers  

Page 33: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

References  •  Chow,  Ven  Te,  Maidment,  David  R.,  Mays,  Larry  W.,  1988,  Applied  Hydrology,  McGraw-­‐Hill,  Inc.,  New  York.  

•  Haan,  C.T.,  1982,  Sta=s=cal  Methods  in  Hydrology,    1st  Ed.,  3rd  Prin8ng,  The  Iowa  State  Univ.  Press,  Ames,  Iowa,  USA.  

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

33  

Page 34: Statistika - Istiarto Analisis Frekuensi.pdf · UniversitasGadjahMada Jurusan*Teknik*Sipil*dan*Lingkungan* ProdiS2TeknikSipil* Statistika Analisis’Frekuensi’ 16Dec14 ’ ’ 1

29-­‐Sep

-­‐14  

h4p://is8

arto.staff.ugm.ac.id/  

34