Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Ribeiro, Tatiane Fontana
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45133/tde-16042025-155615/
Resumo: This thesis introduces three novel time series models, each addressing different challenges in statistical modeling. First, we propose the bivariate generalized autoregressive (BGAR) model, which extends the vector autoregressive (VAR) model for bivariate time series analysis. The BGAR model allows each time series in the random vector to follow a distribution from the exponential family, enabling the analysis of various data types, including count, binary, and non-normal continuous data. Second, we introduce the unit Dagum autoregressive moving average (UDARMA) model for analyzing time series restricted to the unit interval. This model is based on a new distribution, the unit Dagum (UD), derived from the Dagum distribution. The UDARMA model incorporates autoregressive and moving average terms, explanatory variables, and a link function for the conditional median of the UD distribution. Third, we present the time-varying dispersion generalized autoregressive moving average (VD-GARMA) model, an extension of the generalized autoregressive moving average (GARMA) framework that introduces a dynamic structure for both the mean and dispersion parameters. Unlike standard GARMA models, which assume constant dispersion, the VD-GARMA model allows the dispersion parameter to evolve over time, providing greater flexibility in capturing heteroscedasticity. This model is particularly useful for applications where the variability of the data changes over time, as demonstrated in its application to Brazilian hydroelectric reservoir inflow data. We estimate the parameters of all three models using the conditional maximum likelihood method and provide closed-form expressions for the conditional score vector, Fisher information matrix, and observed information matrix. Monte Carlo simulations are carried out to assess the finite sample performance of the conditional maximum likelihood estimators. The practical usefulness of the models is demonstrated through empirical applications to real-world datasets, including the analysis of the leptospirosis number of cases and hospitalizations, the proportion of useful volume in a water reservoir, the filtering of a normalized difference vegetation index (NDVI) image, and the modeling of Brazilian hydroelectric reservoir inflow. All proposed models outperformed competing approaches in terms of fit and out-of-sample forecasting in each application.
id USP_d93da6e449ded3f9c1d1812e5d1b0750
oai_identifier_str oai:teses.usp.br:tde-16042025-155615
network_acronym_str USP
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository_id_str
spelling Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time seriesModelos autoregressivos e de médias móveis generalizados estendidos para séries temporais univariadas e bivariadasBivariate dataDados bivariadosDispersão variávelExponential familyFamília exponencialIntervalo unitárioMonte Carlo simulationSéries temporaisSimulação de Monte CarloTime seriesUnit intervalVarying dispersionThis thesis introduces three novel time series models, each addressing different challenges in statistical modeling. First, we propose the bivariate generalized autoregressive (BGAR) model, which extends the vector autoregressive (VAR) model for bivariate time series analysis. The BGAR model allows each time series in the random vector to follow a distribution from the exponential family, enabling the analysis of various data types, including count, binary, and non-normal continuous data. Second, we introduce the unit Dagum autoregressive moving average (UDARMA) model for analyzing time series restricted to the unit interval. This model is based on a new distribution, the unit Dagum (UD), derived from the Dagum distribution. The UDARMA model incorporates autoregressive and moving average terms, explanatory variables, and a link function for the conditional median of the UD distribution. Third, we present the time-varying dispersion generalized autoregressive moving average (VD-GARMA) model, an extension of the generalized autoregressive moving average (GARMA) framework that introduces a dynamic structure for both the mean and dispersion parameters. Unlike standard GARMA models, which assume constant dispersion, the VD-GARMA model allows the dispersion parameter to evolve over time, providing greater flexibility in capturing heteroscedasticity. This model is particularly useful for applications where the variability of the data changes over time, as demonstrated in its application to Brazilian hydroelectric reservoir inflow data. We estimate the parameters of all three models using the conditional maximum likelihood method and provide closed-form expressions for the conditional score vector, Fisher information matrix, and observed information matrix. Monte Carlo simulations are carried out to assess the finite sample performance of the conditional maximum likelihood estimators. The practical usefulness of the models is demonstrated through empirical applications to real-world datasets, including the analysis of the leptospirosis number of cases and hospitalizations, the proportion of useful volume in a water reservoir, the filtering of a normalized difference vegetation index (NDVI) image, and the modeling of Brazilian hydroelectric reservoir inflow. All proposed models outperformed competing approaches in terms of fit and out-of-sample forecasting in each application.Esta tese introduz três novos modelos de séries temporais, cada um abordando desafios distintos na modelagem estatística. Primeiramente, propomos o modelo autorregressivo generalizado bivariado (BGAR), que estende o modelo vetorial autorregressivo (VAR) para a análise de séries temporais bivariadas. O modelo BGAR permite que cada série temporal no vetor aleatório siga uma distribuição da família exponencial, possibilitando a análise de diversos tipos de dados, incluindo contagens, variáveis binárias e dados contínuos não normais. Em seguida, apresentamos o modelo Dagum unitário autorregressivo de médias móveis (UDARMA) para a análise de séries temporais restritas ao intervalo unitário. Esse modelo é baseado em uma nova distribuição, a Dagum unitária (UD), obtida a partir de uma transformação da distribuição Dagum. O modelo UDARMA incorpora termos autorregressivos e de médias móveis, variáveis explicativas e uma função de ligação para a mediana condicional da distribuição UD. Por fim, introduzimos o modelo autorregressivo de médias móveis com dispersão variável (VD-GARMA), uma extensão do modelo GARMA que incorpora uma estrutura dinâmica tanto para o parâmetro da média quanto da dispersão. Diferentemente dos modelos GARMA convencionais, que assumem dispersão constante, o modelo VD-GARMA permite que o parâmetro de dispersão evolua ao longo do tempo, oferecendo maior flexibilidade para capturar heterocedasticidade. Esse modelo é particularmente útil em aplicações onde a variabilidade dos dados muda ao longo do tempo, como demonstrado na análise de vazão de um reservatório hidrelétrico brasileiro. Os parâmetros dos três modelos são estimados pelo método da máxima verossimilhança condicional e expressões analíticas são fornecidas para o vetor escore condicional, a matriz de informação de Fisher e a matriz de informação observada. Estudos de simulação de Monte Carlo são realizados para avaliar o desempenho dos estimadores de máxima verossimilhança condicional em amostras finitas. A utilidade prática dos modelos é demonstrada por meio de aplicações a conjuntos de dados reais, incluindo a análise do número de casos e internações por leptospirose, a proporção do volume útil em um reservatório de água brasileiro, a filtragem de uma imagem do índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) e a modelagem da vazão em um reservatório hidrelétrico brasileiro. Em todas as aplicações, os modelos propostos superaram as abordagens concorrentes em termos de ajuste e previsão fora da amostra.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPAlencar, Airlane PereiraRibeiro, Tatiane Fontana2025-02-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45133/tde-16042025-155615/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPReter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-07-29T13:02:02Zoai:teses.usp.br:tde-16042025-155615Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-07-29T13:02:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
dc.title.none.fl_str_mv Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
Modelos autoregressivos e de médias móveis generalizados estendidos para séries temporais univariadas e bivariadas
title Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
spellingShingle Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
Ribeiro, Tatiane Fontana
Bivariate data
Dados bivariados
Dispersão variável
Exponential family
Família exponencial
Intervalo unitário
Monte Carlo simulation
Séries temporais
Simulação de Monte Carlo
Time series
Unit interval
Varying dispersion
title_short Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
title_full Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
title_fullStr Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
title_full_unstemmed Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
title_sort Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
author Ribeiro, Tatiane Fontana
author_facet Ribeiro, Tatiane Fontana
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Alencar, Airlane Pereira
dc.contributor.author.fl_str_mv Ribeiro, Tatiane Fontana
dc.subject.por.fl_str_mv Bivariate data
Dados bivariados
Dispersão variável
Exponential family
Família exponencial
Intervalo unitário
Monte Carlo simulation
Séries temporais
Simulação de Monte Carlo
Time series
Unit interval
Varying dispersion
topic Bivariate data
Dados bivariados
Dispersão variável
Exponential family
Família exponencial
Intervalo unitário
Monte Carlo simulation
Séries temporais
Simulação de Monte Carlo
Time series
Unit interval
Varying dispersion
description This thesis introduces three novel time series models, each addressing different challenges in statistical modeling. First, we propose the bivariate generalized autoregressive (BGAR) model, which extends the vector autoregressive (VAR) model for bivariate time series analysis. The BGAR model allows each time series in the random vector to follow a distribution from the exponential family, enabling the analysis of various data types, including count, binary, and non-normal continuous data. Second, we introduce the unit Dagum autoregressive moving average (UDARMA) model for analyzing time series restricted to the unit interval. This model is based on a new distribution, the unit Dagum (UD), derived from the Dagum distribution. The UDARMA model incorporates autoregressive and moving average terms, explanatory variables, and a link function for the conditional median of the UD distribution. Third, we present the time-varying dispersion generalized autoregressive moving average (VD-GARMA) model, an extension of the generalized autoregressive moving average (GARMA) framework that introduces a dynamic structure for both the mean and dispersion parameters. Unlike standard GARMA models, which assume constant dispersion, the VD-GARMA model allows the dispersion parameter to evolve over time, providing greater flexibility in capturing heteroscedasticity. This model is particularly useful for applications where the variability of the data changes over time, as demonstrated in its application to Brazilian hydroelectric reservoir inflow data. We estimate the parameters of all three models using the conditional maximum likelihood method and provide closed-form expressions for the conditional score vector, Fisher information matrix, and observed information matrix. Monte Carlo simulations are carried out to assess the finite sample performance of the conditional maximum likelihood estimators. The practical usefulness of the models is demonstrated through empirical applications to real-world datasets, including the analysis of the leptospirosis number of cases and hospitalizations, the proportion of useful volume in a water reservoir, the filtering of a normalized difference vegetation index (NDVI) image, and the modeling of Brazilian hydroelectric reservoir inflow. All proposed models outperformed competing approaches in terms of fit and out-of-sample forecasting in each application.
publishDate 2025
dc.date.none.fl_str_mv 2025-02-21
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45133/tde-16042025-155615/
url https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45133/tde-16042025-155615/
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv
dc.rights.driver.fl_str_mv Reter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais.
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Reter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais.
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.coverage.none.fl_str_mv
dc.publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
dc.source.none.fl_str_mv
reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
instname:Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
instname_str Universidade de São Paulo (USP)
instacron_str USP
institution USP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)
repository.mail.fl_str_mv virginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.br
_version_ 1844786336321503232