Non-parametric Bayesian Time Series With Gaussian Processes

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202012094775
Title: Non-parametric Bayesian Time Series With Gaussian Processes
Author: Tiihonen, Iiro
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202012094775
http://hdl.handle.net/10138/322523
Thesis level: master's thesis
Degree program: Matematiikan ja tilastotieteen maisteriohjelma
Master's Programme in Mathematics and Statistics
Magisterprogrammet i matematik och statistik
Specialisation: Matematiikka ja tilastotiede
Mathematics and statistics
Matematik och statistik
Discipline: none
Abstract: Työni aihe on Gaussisten prosessien (Gp) soveltaminen aikasarjojen analysointiin. Erityisesti lähestyn aikasarjojen analysointia verrattain harvinaisen sovellusalan, historiallisten aikasarja-aineistojen analysoinnin näkökulmasta. Bayesilaisuus on tärkeä osa työtä: parametreja itsessään kohdellaan satunnaismuuttujina, mikä vaikuttaa sekä mallinnusongelmien muotoiluun että uusien ennusteiden tekemiseen työssä esitellyillä malleilla. Työni rakentuu paloittain. Ensin esittelen Gp:t yleisellä tasolla, tilastollisen mallinnuksen työkaluna. Gp:eiden keskeinen idea on, että Gp-prosessin äärelliset osajoukot noudattavat multinormaalijakaumaa, ja havaintojen välisiä yhteyksiä mallinnetaan ydinfunktiolla (kernel), joka samaistaa havaintoja niihin liittyvien selittäjien ja parametriensa funktiona. Oikeanlaisen ydinfunktion valinta ja datan suhteen optimoidut parametrit mahdollistavat hyvinkin monimutkaisten ja heikosti ymmärrettyjen ilmiöiden mallintamisen Gp:llä. Esittelen keskeiset tulokset, jotka mahdollistavat sekä GP:n sovittamisen aineistoon että sen käytön ennusteiden tekemiseen ja mallinnetun ilmiön alatrendien erittelyyn. Näiden perusteiden jälkeen siirryn käsittelemään sitä, miten GP-malli formalisoidaan ja sovitetaan, kun lähestymistapa on Bayesilainen. Käsittelen sekä eri sovittamistapojen vahvuuksia ja heikkouksia, että mahdollisuutta liittää Gp osaksi laajempaa tilastollista mallia. Bayesilainen lähestymistapa mahdollistaa mallinnettua ilmiötä koskevan ennakkotiedon syöttämisen osaksi mallin formalismia parametrien priorijakaumien muodossa. Lisäksi se tarjoaa systemaattisen, todennäköisyyksiin perustuvan tavan puhua sekä ennakko-oletuksista että datan jälkeisistä parametreihin ja mallinnetun ilmiön tuleviin arvoihin liittyvistä uskomuksista. Seuraava luku käsittelee aikasarjoihin erityisesti liittyviä Gp-mallintamisen tekniikoita. Erityisesti käsittelen kolmea erilaista mallinnustilannetta: ajassa tapahtuvan Gp:n muutoksen, useammasta eri alaprosessista koostuvan Gp:n ja useamman keskenään korreloivan Gp:n mallintamista. Tämän käsittelyn jälkeen työn teoreettinen osuus on valmis: aikasarjojen konkreettinen analysointi työssä esitellyillä työkaluilla on mahdollista. Viimeinen luku käsittelee historiallisten ilmiöiden mallintamista aiemmissa luvuissa esitellyillä tekniikoilla. Luvun tarkoitus on ensisijaisesti esitellä lyhyesti useampi potentiaalinen sovelluskohde, joita on yhteensä kolme. Ensimmäinen luvussa käsitelty mahdollisuus on usein vain repalaisesti havaintoja sisältävien historiallisten aikasarja-aineistojen täydentäminen GP-malleista saatavilla ennusteilla. Käytännön tulokset korostivat tarvetta vahvoille prioreille, sillä historialliset aikasarjat ovat usein niin harvoja, että mallit ovat valmiita hylkäämän havaintojen merkityksen ennustamisessa. Toinen esimerkki käsittelee historiallisia muutoskohtia, esimerkkitapaus on Englannin sisällissodan aikana äkillisesti räjähtävä painotuotteiden määrä 1640-luvun alussa. Sovitettu malli onnistuu päättelemään sisällissodan alkamisen ajankohdan. Viimeisessä esimerkissä mallinnan painotuotteiden määrää per henkilö varhaismodernissa Englannissa, käyttäen ajan sijaan selittäjinä muita ajassa kehittyviä muuttujia (esim. urbanisaation aste), jotka tulkitaan alaprosesseiksi. Tämänkin esimerkin tekninen toteutus onnistui, mikä kannustaa sekä tilastollisesti että historiallisesti kattavampaan analyysiin. Kokonaisuutena työni sekä esittelee että demonstroi Gp-lähestymistavan mahdollisuuksia aikasarjojen analysoinnissa. Erityisesti viimeinen luku kannustaa jatkokehitykseen historiallisten ilmiöiden mallintamisen uudella sovellusalalla.
Subject: Gaussian Process
time series
aikasarjat
historia
Gaussiset prosessit


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Iiro_Tiihonen_Pro_gradu_2020.pdf 627.6Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record