Simulasi dengan perantara Kejadian Diskrit

Elemen kunci dari simulasi kejadian diskrit adalah variabel-variabel dan kejadian-kejadian. Untuk melakukan simulasi kita secara kontinyu mengamati beberapa variabel tertentu. Secara umum, ada tiga jenis variabel yang sering digunakan,?variabel waktu, variabel penghitung (counter),dan?variabel status sistem (system state).

Variabel

VaribleDescription
1.Time : tAmount of (simulated) time that has elapsed
2.CounterKeep a count of the number of times that certain events have occurred by time t
3.System StateDescribe the "state of the system" at the time t

Ketika sebuah kejadian muncul, nilai dari variabel-variabel di atas akan berubah atau diperbaharui, dan kita akan mengambilnya sebagai keluaran untuk suatu data pengamatan. Untuk tujuan menentukan kapan kejadian berikutnya akan muncul, kita akan memelihara sebuah “daftar kejadian”, yang akan berisi daftar kejadian masa depan terdekat yang akan terjadi dan kapan kejadian tersebut dijadwalkan akan terjadi.

Ketika sebuah peristiwa terjadi, kita akan mengatur kembali waktu dan semua status serta variabel penghitung, serta mengambil data yang terkait. Dengan cara ini , kita akan dapat menelusuri/mengikuti sistem selama sistem itu berproses sepanjang waktu tertentu.

Dalam semua model antrian, kita mengambil anggapan bahwa para pelanggan akan datang mengikuti suatu proses poisson nonhomogeneous dengan fungsi intensitas terbatas?\(\lambda (t), t > 0\). Ketika mensimulasikan model ini, kita akan menggunakan subrutin berikut ini untuk membangkitkan nilai dari variabel acak \( T_s \), ditentukan sama waktunya dengan kedatangan pertama kalinya setelah?s?satuan waktu berlalu.

Misalkan \(\lambda \) sedemikian sehingga \(\lambda (t)\leq \lambda \) untuk semua?t. Asumsikan bahwa?\(\lambda (t), t > 0\), dan ?\(\lambda \) sudah ditentukan, subrutin berikut ini akan membangkitkan nilai dari?\( T_s \).

Subrutin untuk membangkitkan Ts

[table “2” not found /]

Paralel Algorithm Design and Analysis: Sebuah Urutan Pembelajaran

Sebuah usulan urutan pembelajaran Algoritma Dan Pemrosesan Paralel

  1. Pengenalan dan latar belakang
  2. Terminologi Komputer Paralel
  3. Models dan Paradigma Komputer Paralel
  4. Processor Arrays, Multiprocessors, dan Multicomputers
    1. Organisasi Processor
      1. Cube Connected Cycles Networks
      2. Shuffle-Exchange Networks
  5. Analisa Kompleksitas Algoritma Paralel
  6. Algoritma-algoritma PRAM
    1. Parallel Reduction
    2. Prefix Sums
    3. List Ranking
    4. Preorder Tree Traversal
    5. Merging Two Sorted Lists
    6. Graph Coloring
  7. Sorting
    1. Enumeration Sort
    2. Lower Bounds On Parallel Sorting
    3. Ood-even Transposition Sort Algorithm
    4. Bitonic Merge
    5. Bitonic Merge pada Shuffle-Exchange Nework
  8. Selection dan Searching
  9. Komputasi Matriks
    1. Pengantar Komputasi Matrik
    2. Perkalian Matrik secara umum
      1. Perkalian Matrik pada  model PRAM
      2. Perkalian Matrik pada Mesh
      3. Perkalian Matrik pada model SIMD Mesh 2-D
  10. Algoritma untuk Grap Tak Berbobot
  11. Algoritma untuk Grap Berbobot

Pendekatan Simulasi Kejadian Diskrit (The Discrete Event Simulation Approach)

Mensimulasikan suatu model probabilistik akan melibatkan pembangkitan mekanisme stokastik dari model yang bersangkutan dan kemudian melakukan pengamatan terhadap aliran resultante dari model tersebut sepanjang waktu tertentu.

Berdasarkan kepada alasan pembuatan simulasi tersebut, akan ada beberapa kuantitas pengamatan tertentu yang akan kita cari. Tetapi , walaupun demikian karena evolusi model yang mengikuti waktu itu sering kali melibatkan suatu struktur logis yang rumit dari elemen-elemennya, karenanya tidak selalu mudah untuk melakukan penelusuran/mengikuti perjalanan dari evolusi tersebut, demikian juga dalam menentukan kuantitas yang akan diamati.

Sebuah kerangka kerja (framework) umum, dibangun seputar ide dari “kejadian diskrit”, telah dibuat untuk membantu kita untuk mengikuti sebuah model sepanjang waktu dan menentukan kuantitas pengamatan yang relevan/wajar. Pendekatan pada simulasi yang berdasarkan pada kerangka kerja ini sering disebut dengan Pendekatan Simulasi Kejadian Diskrit.

Sistem Antrian dengan 2 (dua) Server Paralel

Sistem ini terdiri dari 2 (dua) server, dimana ketika pelanggan datang pada saat kedua server dalam keadaan sibuk, maka pelanggan tersebut akan masuk dalam antrian. Dan ketika salah satu server kosong/bebas, maka segera pelanggan yang datang lebih dahulu dalam antrian akan masuk ke dalam server yang kosong/bebas itu, tidak tergantung server nomor berapa yang sedang kosong. Distribusi layanan dari server ke i adalah \( G_i \), i=1,2 (lihat gambar)

2 paralel server

Misalkan kita akan mensimulasikan model ini, sambil mengamati waktu yang dihabiskan oleh setiap pelanggan didalam sistem dan banyaknya layanan yang diberikan/dilakukan oleh setiap server.

Karena disini kita memiliki lebih dari satu server, maka akan berdampak bahwa nanti ketika pelanggan meninggalkan sistem, urutannya mungkin tidak sama dengan urutan ketika dia datang. Karenanya untuk mengetahui pelanggan mana yang akan meninggalkan sistem pada saat layanannya selesai kita akan mencermati pelanggan mana saja yang sedang dalam sistem.

Kita akan memberi nomor pada setiap pelanggan yang baru saja sampai di sistem, yang pertama kali datang diberi nomor 1, berikutnya 2, dan selanjutnya. Kita akan menggunakan variabel-variabel berikut :

Variabel waktu  t

System State Variable  (SS)

Variabel yang mencatat kondisi sistem (System State) pada waktu tertentu.

( \( n, i_1, i_2, . . ., i_n \) )  jika ada n pelanggan di dalam sistem  \(i_1\) akan bersama dengan server 1, \(i_2 \) akan bersama dengan server 2, \( i_3 \) akan bersama dengan server 3 dan seterusnya.

Catatan : SS = (0) ketika sistem kosong/bebas, dan SS = (1,j,0) atau (1,0,j) ketika hanya pelanggan j dan dia sedang dilayani di server 1 atau server 2.

Counter Variables (variabel penghitung)

\( N_A \) : banyaknya kedatangan dalam waktu t .

\( C_j \) : banyaknya pelanggan yang dilayani oleh j, j= 1,2, dalam waktu t .

Output Variables

Variabel yang mencatat kejadian apa saja dan berapa yang dihasilkan dari sistem.

A(n) : waktu kedatangan dari pelanggan n, \( n \geq 1\)

D(n) : waktu keberangkatan pelanggan n, \( n \geq 1\)

Event list \( t_A , t_1 , t_2\)

Dimana \( t_A \) adalah waktu kedatangan berikutnya, dan \( t_1 \) adalah waktu penyelesaian dari pelanggan yang pada saat itu sedang dilayani oleh server i, i = 1, 2. Jika tidak ada lagi pelanggan yang saat itu berada di server i, maka kita jadikan \( t_i = \infty \), i = 1, 2. Berikut ini, daftar kejadian akan selalu berisi tiga variabel yaitu \( t_A , t_1 , t_2 \).

Untuk memulai simulasi, kita berikan nilai awal pada variabel-variabel dan daftar kejadian tersebut sebagian berikut :

Pemberian nilai awal (Initialize)

Set t = \( t_A = C_1 = C_2 = 0\)

Set SS = (0)

Bangkitkan \( T_0\), dan set \( t_A = T_0, T_1 = t_2 =\infty \).

Untuk mengupdate sistem. kita bergerak dalam waktu tertentu hingga kita mencapai event/kejadian berikutnya. Pada kasus-kasus berikut, \(Y_i \) selalu berasal dari variabel acak yang berdistribusi \( G_i , i=1,2\)

Kasus 1 \( SS = (n, i_1, i_2, … , i_n) \) dan \( t_A = min (t_A, t_1, t_2 )\)

Reset : \( t = t_A\)

Reset : \( N_A = N_A + 1\)

Bangkitkan \( T_t \) dan reset \( t_A = T_t\)

Ambil output data \( A(N_A) = t\)

Jika SS = (0):

Reset : \(SS = (1, N_A,0)\)

Bangkitkan \( Y_1 \) dan reset \( t_1 = t + Y_1\)

Jika SS = (1, j, 0) :

Reset : \( SS = (2, j, N_A)\)

Bangkitkan \(Y_2 \) dan reset \(t_2\)

[ Sumber : Simulation, Sheldon M. Ross]

Penggabungan/Merging pada model CREW PRAM

Sumber : Parallel Algorithms, Design and Analysis by Pranay Chaudhuri

Algoritma ini ditujukan untuk menggabungkan dua buah list yang panjangnya sama, n., dan jumlah prosesor yang digunakan juga n buah.

Algoritma MERGE1_CREW

Input : Dua buah list terurut

p { margin-bottom: 0.21cm; }

Input : Dua buah list terurut yaitu X={ x1, x2, … ,xn} dan Y={ y1, y2, … ,yn}

Ouput : List terurut Z={ z1, z2, … , z2n} yang merupakan hasil penggabungan dari X dan Y

for i = 1 to n dopar

temukan yj yang paling kecil sedemikian sehingga (such that) xi < yj

if yj ditemukan (exists)

then zi+j -1 :=xi

else zn+i :=xi

fi

temukan xj yang paling kecil sedemikian sehingga (such that) yi < xj

if xj ditemukan (exists)

then zi+j -1 :=yi

else zn+i :=yi

fi

odpar

Semua n prosesor mengeksekusi 4 langkah di dalam loop pada algoritma MERGE1_CREW secara paralel.

Untuk menemukan  yyang paling kecil sedemikian sehingga xi < yj  dan  xj yang paling kecil sedemikian sehingga yi < xj   kita bisa menggunakan algoritma serial  binary search. Binary Search ini membutuhkan waktu O(log n)  pada single prosesor untuk setiap i. Sedang untuk proses yang lainnya hanya membutuhkan waktu O(1) saja. Karena itu secara keseluruhan kompleksitas dari algoritma ini adalah O(log n) dengan menggunakan n buah prosesor.

Walaupun algoritma ini cukup sederhana dan mudah dimengerti tapi  :

  • hanya berlaku jika kedua list terurut yang akan digabungkan memiliki panjang yang sama
  • hanya berlaku jika tidak ada elemen yang sama yang muncul antara X dan Y, jika terdapat yang sama maka algoritma ini bisa digunakan dengan asumsi bahwa elemen yang sama di X dianggap lebih kecil dari elemen yang sama di Y
  • secara cost masih sangat mahal, yaitu O(n log n)

Selanjutnya akan dikenalkan algoritma lain yang lebih umum, yang tidak mengharuskan ukuran List Terurut nya sama, jumlah prosesor pun dapat dibatasi sesuai dengan ketersediaan/kebutuhan. Algoritma ini bernama Algorithm MERGE2_CREW.

p { margin-bottom: 0.21cm; }

Input : Dua buah list terurut yaitu X={ x1, x2, … ,xm} dan Y={ y1, y2, … ,yn}, dimana m ?n

Ouput : List terurut Z={ z1, z2, … , zm+n} yang merupakan hasil penggabungan dari X dan Y

for i = 1 to P-1 dopar

/* Setiap prosesor i akan menemukan xis dan yis dari list X dan Y secara berurutan sehingga membentuk list Xs ={ x1s, x2s, … ,x(P-1)s} dan Ys ={ y1s, y2s, … ,y(P-1)s} */

x1s = xi? m/P?;

y1s = yi? n/P?;

odpar

for i = 1 to P-1 dopar

/* Langkah berikut ini akan membentuk list L yang panjangnya 2P-2. L dihasilkan dalam bentuk array (2P-2) x 3, dimana setiap k ( 1 ? k ? 2P-2), L(k,1) memuat nilai dari elemen ke-k dalam gabungan dari Xs dan Ys ; L(k,2) memuat index dari posisi aslinya di dalam Xs atau Ys ; dan L(k,3) mencatat dari mana X atau Y yang menjadi sumber dari nilai tersebut) */

Temukan j yang paling kecil sedemikian sehingga xis < yjs ;

If yjs exists/ada

Then do

L(i+j-1,1) := xis ;

L(i+j-1,2) := i ;

L(i+j-1,3) := X ;

od

else do

L(i+P-1,1) := xis ;

L(i+P-1,2) := i ;

L(i+P-1,3) := X ;

od

fi

Temukan j yang paling kecil sedemikian sehingga yis < xjs ;

If xjs exists/ada

Then do

L(i+j-1,1) := yis ;

L(i+j-1,2) := i ;

L(i+j-1,3) := Y ;

od

else do

L(i+P-1,1) := yis ;

L(i+P-1,2) := i ;

L(i+P-1,3) := Y ;

od

fi

odpar

for i = 1 to P dopar

/* Setiap prosesor i akan menemukan titik awalnya BX(i) dan BY(i) untuk penggabungan dua sublist dari X dan Y, dengan kata lain prosesor i akan bertanggung jawab terhadap penggabungan sublists yang diawali dengan xBX(i) dan yBX(i) di dalam X dan Y, secara berurutan */

if i = 1

then do

BX(1) := 1;

BY(1) := 1

od

else if L(2i – 2,3) = X

then do

Temukan j yang paling kecil sedemikian sehingga L(2i – 2,1) < yj ;

BX(i) := L(2i – 2,1) ? m/P? ;

BY(i) := j

od

else do

Temukan j yang paling kecil sedemikian sehingga L(2i – 2,1) < xj ;

BX(i) := j;

BY(i) := L(2i – 2,2) ? n/P? ;

od

fi

fi

odpar

for i = 1 to P dopar

/* Setiap prosesor menggabungkan dua sublist X dan Y dan memasukkan hasilnya di Z secara serial */

if i < P

then

gabungkan sublist di X yang diawali di xBX(i) dan sublist Y yang diawali di yBY(i) hingga sebuah

elemen yang lebih besar dari atau sama dengan L(2i,1) dicapai dan setiap X dan Y dan

memasukkan hasilnya di Z diawali pada posisi BX(i) + BY(i) -1

else

gabungkan sublist dari X yang diawali di xBX(P) dan sublist Y yang diawali di yBY(P) hingga tidak

ada lagi elemen yang tersisa baik di X maupun di Y dan masukkan hasilnya ke dalam Z yang

diawali pada posisi BX(P) + BY(P) -1

fi

odpar

Variabel Acak Geometri (Geometric Random Variables)

Misalkan ada suatu percobaan yang independent . Setiap kali percobaan itu akan memiliki kemungkinan sukses (probabilitas) sebesar p.

Jika X mewakili banyaknya percobaan awal sebelum akhirnya sebuah sukses terjadi, maka :

Sebenarnya rumus di atas dapat mudah dipahami bahwa untuk mendapatkan sukses yang ke-n maka pastilah (n-1) percobaan sebelumnya adalah gagal. Rumus ini berlaku dengan syarat setiap percobaan terjadi secara independent. (percobaan sebelumnya tidak mempengaruhi percobaan berikutnya).

Sebuah Variabel Acak yang memiliki probability mass function seperti di atas disebut Variabel Acak Geometri dengan parameter p.

Mean dari variabel acak geometri ini diperoleh dengan cara sebagai berikut :

dimana persamaan diatas tersebut menggunakan identitas alajabar untuk 0<x<1,

Sehingga dengan demikian tidak lah sulit untuk menghitung variansinya yaitu :

Metode Penolakan (Rejection Method) pada Variabel Acak Diskrit

Misalkan kita telah memiliki sebuah metode yang efisien untuk mensimulasikan variabel acak. Model tersebut memiliki fungsi probabilitas massa (Probability Mass Function) \(\{ q_{j},j\geq 0 \}\) . Kita bisa menggunakan metode ini sebagai basis simulasi dari distribusi yang memiliki fungsi massa \inline \left \{ p_{j},j \geqslant 0 \right \} dengan cara mensimulasikan terlebih dahulu sebuah variabel acak Y yang memiliki fungsi massa \inline \left \{ q_{j} \right \} dan kemudian menerima nilai simulasi ini dengan probabilitas proporsional \( p_{y}/q_{y} \)

Read more

Menghitung Integral dengan menggunakan Bilangan Acak

Misalkan g(x) adalah sebuah fungsi. Kita ingin menghitung \( \theta \) yaitu :

\dpi{100} \theta = \int_{0}^{1} g(x) dx

Apa yang menjadi dasar bahwa integral di atas dapat dihitung dengan menggunakan bilangan  random \( \theta \)

Penjelasan :

Ambil U suatu bilangan acak yang terdistribusi secara uniform dan independent di interval (0,1).

Kemudian misalnya kita nyatakan \( \theta \) sebagai :

\theta = E[g(U)]

Jika \(U_{1}, … , U_{k}\) adalah variabel random yang independent dan uniform di interval (0,1), maka menjadikan juga \(g( u_{i} )\) adalah sebagai variabel random yang independent dan terdistribusi secara identik dengan mean \( \theta \). Karena itu, dengan menggunakan dasar hukum kuat dari bilangan besar (the strong law of large numbers), mengikuti ketentuannya dengan probabilitas 1.

\(\large \sum_{i=1}^{k}\frac{g(U_{i})}{k} \to E[g(U)]= \theta \;\;\;\; ketika \; k \to \infty\)

Karena itu kita dapat mendekati \( \theta \) dengan cara membangkitkan sebanyak mungkin bilangan random \( u_{i}\) dan mengambilnya sebagai pendekatan kita terhadap nilai rata-rata (average) dari \(g( u_{i} ) \). Pendekatan semacam ini sering disebut sebagai pendekatan Monte Carlo.

Berikut ini adalah contoh algoritma dari bahasa BASIC yang dapat digunakan untuk mendekati nilai \( \theta \) :


10 RANDOMIZE
20 INPUT K
30 S = 0
40 FOR I = 1 TO k
50 U = RND
60 S = S + g(U)
70 NEXT
80 PRINT S/K

Nilai yang dihasilkan dari alogoritma ini adalah nilai dari \( \theta = \int_{0}^{1} g(x) dx \).

Kasus 1 :

Jika kita ingin menghitung :

\( \theta = \int_{a}^{b} g(x) dx \)

maka kita menggunakan substitusi \( y = (x-a)/(b – a), dy = dx / (b-a) \), sehingga :

dimana h(y) = (b – a) g(a + [b – a] y ).

Dengan demikian kita dapat mendekati nilai \( \theta \) dengan membangkitkan bilang random secara kontinyu dan mengambil nilai rata-rata (average) dari h yang dihitung pada bilangan-bilangan random tadi.

Kasus 2 :

Jika kita ingin menghitung :

kita bisa menggunakan substitusi

Substitusi ini menggambarkan bahwa

  1. ketika \( x \to 0\) maka \( y \to 0\)
  2. ketika \( x \to \infty \) maka \( y \to 1\)

Catatan : ingat sifat integral tertentu :

selanjutnya karena :

kemudian

sehingga didapatkan identitas :

dimana


Pembangkit Bilangan Acak Pesudo

Salah satu pendekatan yang sering digunakan dalam membangkitkan bilangan acak pseudo (pseudorandom numbers) adalah memulainya dengan sebuah nilai awal x0 yang sering disebut sebagai bibit/seed, kemudian komputer akan membangkitkan bilangan nilai-nilai berikutnya yaitu xn, \(n\geq 1\) secara rekursif, dengan cara memisalkan :

\(x_{n}= a x_{n-1} \; modulo \; m\) … (3.1)

dimana dan adalah bilangan bulat positif yang sudah ditentukan, dan dimana hal diatas artinya bahwa \(a x_{n-1}\) dibagi dengan dan sisa baginya diambil sebagai nilai dari  \( x_{n}\). Dengan demikian setiap  \( x_{n}\) bisa bernilai salah satu diantara \(0,1,\cdots,m-1\) dan kuantitas dari \(x_{n}/m\) – disebut sebuah bilangan acak pseudo (pseudorandom number)- diambil sebagai nilai pendekatan untuk nilai dari variabel acak uniform (0,1).

Pendekatan yang ditentukan dengan persamaan 3.1 dalam membangkitkan bilangan acak tersebut sering disebut Multiplicative Congruential Method. Karena setiap angka  \( x_{n}\) yang  akan bernilai salah satu dari  \(0,1,\cdots,m-1\), pada suatu saat setelah sejumlah  pembangkitan tertentu akan terjadi perulangan; dan seketika ini terjadi, keseluruhan deret bilangan akan kembali berulang. Dengan demikian, kita seyogyanya ingin memilih konstanta a dan m sedemikian sehingga, untuk sembarang seed  \( x_{0}\), banyaknya variable yang dapat dibangkitkan sebelum terjadi perulangan terjadi cukup besar.

Secara umum konstanta dan dapat dipilih untuk memenuhi 3 kriteria :

  1. Untuk sembarang nilai awal seed , deretan hasil memiliki pemunculan deret variable acak yang independent uniform (0,1)
  2. Untuk sembarang nilai awal seed , banyaknya variable yang dapat dibangkitkan sebelum terjadi perulangan cukup besar.
  3. Nilai-nilai ini dapat dihitung secera efisien dengan menggunakan komputer

Untuk memenuhi ketiga kondisi tersebut di atas, sebaiknya m dipilih dari bilangan prima yang cukup besar, biasanya disesuaikan dengan kemampuan komputer yang digunakan dan ukuran word. Untuk mesin 32 bit (dimana bit pertama digunakan sebagai bit penanda / sign bit), pemilihan m = \( 2^{31} – 1\) dan \( a = 7^5 = 16807\) menghasilkan hasil yang diinginkan.

Pembangkit bilangan acak lainnya adalah :

\(x_{n}= (a x_{n-1}+c) \; modulo \; m\)

pembangkit ini diberi nama mixed congruential generators. Pembangkit ini dianggap lebih baik hasilnya dari pembangkit sebelumnya.

Kebanyakan bahasa pemrograman komputer sudah menyediakan pembangkit bilangan acak nya sendiri. Misalnya dalam bahasa BASIC, bahasa ini menggunakan 2 (dua) buah perintah yaitu :

1 RANDOMIZE

2 U = RND

Contoh program yang menghasilkan 10 (sepuluh) buah bilangan acak :

10  RANDOMIZE

20  FOR I = 1 TO 10

30  U = RND

40  PRINT U

50  NEXT

 

 

Bilangan Acak

Salah satu faktor penting dalam teori simulasi adalah kemampuan untuk membangkitkan bilangan acak. Bilangan acak ini mewakili nilai dari variabel acak yang berdistribusi uniform pada rentang (0,1). Pada bab ini akan dijelaskan bilangan-bilangan acak seperti itu yang dibangkitkan dengan menggunakan komputer dan beberapa ilustrasi penggunaannya.

> Pembangkit Bilangan Acak Pesudo

1 9 10 11 12