Extended generalized autoregressive moving average models for bivariate and univariate time series
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | eng |
| Instituição de defesa: |
Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
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| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| 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. |
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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 |
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