Space-time Models
MA5282 Topik dalam Statistika II
21 April 2015
Analisis Statistik
Stochastic Processes Multivariate Analysis Data Analysis Non-parametric Analysis Time Series Analysis Spatial Analysis Compound Poisson Hidden Markov Space-Time Analysis + = Postulate General Class of Models Parameter Estimation Forecasting Diagnostic Checking Identify Model Yes No KriggingVariogram Estimation & Interpolation Maximum Likelihood Least Squares Resampling ACF, PACF, diff Stationarity
Modelling Adopted from Time Series Analysis Box&Jenkins Procedure/Iteration Box&Jenkins Iteration Weight matrix, STACF, STPACF, diff
Kovariansi dan Korelasi pada
deret-waktu
Suatu proses stokastik dengan
• Fungsi Mean: • Fungsi Autokovariansi: • Fungsi Autokorelasi: untuk
( )
t
E Z t
( )
Z(t),t T
T
0
,
1
,
2
,...
t1,t2
Cov
Z
t1 ,Z t2
E
Z
t1 t1
Z t2 t2
1 2 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 , , , , , , t t t t t t t Z Var t Z Var t Z t Z Cov t Z t Z Corr t t
0
,
1
,
2
,...
,
2 1t
t
Kovariansi dan Korelasi pada
deret-waktu
Kovariansi
Korelasi
1 2 3
t
1,
t
1
Var
Z
t
1
,
1
1 1t
t
t
1,
t
2
t
2,
t
1
t
1,
t
2
t
2,
t
1
t1,t2
t1,t1
t2,t2
t
1,
t
2
1
Mean dan Kovariansi pada Analisis
Spasial
Untuk suatu proses stokastik dengan
Fungsi Mean:
Kovariansi spasial:
Korelasi spasial:
Z s s( ), L
L
R R R
,
2,
3
( )
s
E Z s
( )
2
, Cov Z s Z s h E Z s Z s h E Z s Z s h C h
, 0 0 0 Cov Z s Z s h C h C h h C C C Var Z s Var Z s h
,
0 Var Z s Cov Z s Z s CKestasioneran
Kestasioneran Deret-waktu Z(t) Spasial/Geostatistik Z(s) Kuatuntuk sebarang n dan k. untuk sebarang n dan h.
Lemah 1. Fungsi mean konstan untuk
semua waktu 2. untuk semua t dan k. 1. 2. Intrinsik - 1. 2. 1 2 1 2 ( ), ( ),..., ( ) ( ), ( ),..., ( ) n n F Z t Z t Z t F Z t k Z t k Z t k 1 2 1 2 ( ), ( ),..., ( ) ( ), ( ),..., ( ) n n F Z s Z s Z s F Z s h Z s h Z s h
t,t k
0,k
( )
E Z s
,
Cov Z s Z s h C h 0 E Z s h Z s 1 2Var Z s h Z s h Semivariogram lag-h 2 2 0 0 2 0Var Z s h Z s Var Z s h Var Z s Cov Z s h Z s
h C C C h h C C h
Aplikasi Pemodelan Space Time
• Ekonomi (Nurhayati 2012)
• Pertanian & Perkebunan (Borovkova 2008, Mukhaiyar 2012)
• Transportasi (Garrido; 2000, Kamarianakis and Prastacos; 2005)
• Kriminologi (Liu and Brown; 1998)
• Sosial (Hernandez-Murillo and Owyang; 2004)
• Perminyakan (Ruchjana; 2002)
• Geologi dan Ekologi (Kyriakidis and Journel; 1999)
• Pertambangan
• Kedokteran
• Genetika
Analisis Space Time
“Observasi di suatu lokasi pada satu waktu dipengaruhi oleh observasi-observasi di masa lampau di lokasi tersebut dan juga di lokasi sekitarnya.” time 0 1 … i-1 i … T s1 s2 sj sN sN-1 s0 s1 s2 sj sN sN-1 s0 s1 s2 sj sN sN-1 s0 s1 s2 sj sN sN-1 s0
Model Space-Time
STMA (q1) : q s s q s s t s t s t t 1 1 1 0 ( ) ( ) ) ( ) ( e e We Z STARMA (p,q) : 1 0 1 0 s mss p q ( k ) ( k ) sk sk s k s k ( t ) ( t s ) ( t ) ( t s ) Z W Z e W e G-STAR ( ) : p 1, 2,...,p 1 1 2 2 1 0 s ( k ) ( k ) p i i ( k ) i sk ( k ) i s k iN N w Z ( t s ) w Z ( t s ) Z ( t ) e ( t ) ... w Z ( t s )
1980 2002 2008 2010 STARMAG ( ) p 1, 2,...,p,qm m1, 2,...,mp
1 1 2 2 1 0 1 1 2 2 1 0 s s p ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) i sk i i iN N s k m q ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) sk i i iN N i s k Z ( t ) w Z ( t s ) w Z ( t s ) ... w Z ( t s ) w e ( t s ) w e ( t s ) ... w e ( t s ) e ( t ) Di Giacinto Pfeifer & Deutsch Syarat kestasioneran GSTAR(11) (Nurani, dkk ) STAR (p1) : ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 0 t s t s t t p s s p s s Z WZ e Z 2006 Model GSTAR(1;1) untuk galat berkorelasi waktu
(Borovkova, et al.) Model GSTAR(1;1) untuk
galat berkorelasi spasial
(Nurhayati) Kestasioneran Model GSTAR
dengan IMAk (Mukhaiyar)
Model VAR(1)
• Jika banyaknya lokasi adalah N maka vektor observasi z(t) = (z1(t)
z2(t) ... zN(t))t yang mengikuti model VAR(1) akan memiliki bentuk:
• dengan e(t) adalah vektor galat acak. Dengan menggunakan operator backshift, maka,
)
(
)
1
(
)
(
t
Z
t
e
t
Z
)
(
)
(
t
t
j
B
jZ
Z
I
B
Z
(
t
)
e
(
t
)
Kestasioneran Model VAR(1)
• Wei (1990, 2006) menuliskan bahwa syarat kestasioneranuntuk model VAR(1) adalah jika akar-akar dari B dari |I - B| = 0 berada di luar lingkaran satuan.
• Hal ini ekivalen dengan mengatakan bahwa syarat
kestasioneran model VAR(1) adalah nilai eigen dari berada di dalam lingkaran satuan.
Operator Lag Spasial
• Untuk mempermudah dalam mendeteksi lag spasial, diperlukan pendefinisian dari operator lag spasial orde-l (L(l) ) berikut:
• dengan merupakan kumpulan bobot-bobot yang merupakan elemen dari matriks berukuran yang memenuhi,
)
(
)
(
) 0 (t
Z
t
Z
L
i
i
N j j l ij i lt
Z
w
t
Z
L
1 ) ( ) ()
(
)
(
) (l ijw
1
1 ) (
N j l ijw
Kekhasan model space-time
Matriks Bobot dan Orde Spasial
Sistem radius
lainnya , 0 -ke orde pada angga adalah tet , 1 1 ) ( j i l d wij l ij l1. Matriks Bobot Biner
Memiliki nilai 0 dan 1 di elemen selain diagonal utama.
2. Matriks Bobot Uniform
3. Matriks Bobot non-uniform ct. matriks bobot euclidean
lainnya , 0 -ke orde pada angga adalah tet , 1 ) ( ) ( j i l n w l i l ij 0 0 0 ) ( 11 11 2 21 1 12 w w w w w w w N N ij W
Lag Spasial
Sistem grid
• Tetangga Terdekat pada Lag Spasial 1 sampai 5 untuk Lokasi s0 .
• Angka-angka pada grid menunjukkan orde spasial titik
tersebut yang ditentukan oleh jaraknya terhadap s0. Angka yang semakin kecil menunjukkan posisi yang semakin dekat terhadap s0.
5 4 3 4 5
4 2 1 2 4
3 1
s0
1 3
4 2 1 2 4
5 4 3 4 5
Model STARMA
• Misalkan Z(t) merupakan vektor variabel acak dari suatu proses STARMA di berbagai lokasi pada suatu waktu t.
• Model STARMA( ) dinyatakan dalam:
• dengan Z(t) merupakan vektor pengamatan (N1) dari N lokasi pada waktu t atau (Zi(t) ), W adalah matriks bobot (NN) pada lag spasial l,
t menyatakan waktu pengamatan ,1,2,...,T dan e(t) adalah vektor galat
berdistribusi normal. q p
q
m mp
,..., ,..., 1 1 ,
) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 1 ) ( 0 1 1 ) ( 0 t s t s t r t r t t q r m l l rl r p s k k sk s r s e e W e Z W Z Z
Model STARMA(1;1, 1;1)
)
(
)
1
(
)
1
(
)
1
(
)
1
(
)
(
t
10Z
t
11WZ
t
10e
t
11We
t
e
t
Z
Model STAR(1;1)
•
Model STAR(1;1) yang merupakan kasus khusus dari
model STARMA(1;1, 1;1), yaitu tidak melibatkan unsur
galat di lokasi sekitarnya (yang terdekat) pada waktu
sebelumnya, dapat direalisasikan sebagai berikut:
•
Model STAR(1;1) ini juga dapat dinyatakan dalam
bentuk model VAR (1) yaitu:
)
(
)
1
(
)
1
(
)
(
1 11 10t
t
t
t
s ke
WZ
Z
Z
(
1
)
(
)
)
(
t
10I
11W
Z
t
e
t
Z
)
(
)
1
(
)
(
t
ΦZ
t
e
t
Z
Identifikasi Model Space Time
(Pfeifer and Deustch, 1980)
Model space time diidentifikasi melalui fungsi space time autokorelasi (STACF) dan fungsi space time parsial autokorelasi (STPACF).
T s t T s s t t s 1 )' ( ) ( ) ( ˆ Z Z ΓMatriks kovariansi antara lokasi dan waktu :
( )
1 ) ( tr ( ) ( )' s N s l k lk W W Γ Rata-rata kovariansi space time pd lag-s :
s E
Z
t Z t s
'
Γ
Fungsi autokorelasi space time (STACF) :
1/2) 0 ( ) 0 ( ) ( ) ( kk ll lk lk s s
p p p p p p p p p p 1 0 2 21 20 1 11 10 1 0 1 0 1 11 10 1 11 10 0 01 00 0 01 00 0 10 00 0 10 00 0 10 00 0 2 1 2 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 2 2 2 1 1 1
Fungsi parsial autokorelasi space time (STPACF), :
…
lk
Contoh
• Model yang mungkin: GSTAR(1;1), ... ???
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e P a rt ia l A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Partial Autocorrelation Function (ST-PACF)- lag spatial 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e P a rt ia l A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Partial Autocorrelation Function (ST-PACF)- lag spatial 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e P a rt ia l A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Partial Autocorrelation Function (ST-PACF)- lag spatial 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e P a rt ia l A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Partial Autocorrelation Function (ST-PACF)- lag spatial 0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Autocorrelation Function (ST-ACF)- lag spatial 3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Autocorrelation Function (ST-ACF)- lag spatial 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Autocorrelation Function (ST-ACF)- lag spatial 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lag time S p a ti a l T im e A u to c o rr e la ti o n
Spatial Time Autocorrelation Function (ST-ACF)- lag spatial 0
STACF plots
Model GSTAR
1 2
GSTAR
p
; ,
,...,
p Generalized space time autoregressive Orde spasial = λ1, λ2,…, λp Orde waktu = pNilai Zi (t) tergantung nilai satu
periode sebelumnya yang terjadi di i dan di lokasi yang
langsung terkait dengan i
GSTAR (1,1)
Generalized space time autoregressive Orde spasial =1 Orde waktu = 1Model GSTAR(1;1)
•
Model GSTAR(1;1) untuk setiap lokasi i = 1, 2, ..., N dan
waktu t dinyatakan oleh:
•
dan dalam notasi matriks dinyatakan sebagai:
•
dengan
( ) ( ) 10 11 1 ( ) i ( 1) i N ( 1) ( ) i i ij j i j Z t Z t w Z t e t
(
1
)
(
)
)
(
t
Φ
0Φ
1W
Z
t
e
t
Z
)
(
)
(
)
(
)
(
2 1t
Z
t
Z
t
Z
t
N
Z
) ( ) ( ) ( ) ( 2 1 t e t e t e t N e
0
0
0
2 1 2 21 1 12
N N N Nw
w
w
w
w
w
W
• dengan dan
• Proses Z(t) diasumsikan terpusat, yaitu E[Z(t)]=0 untuk semua
t.
• Perhatikan bahwa model STAR(1;1) merupakan kasus khusus dari model GSTAR(1;1) dengan dan .
1
1
N j ijw
Φ
diag
1(1), ,
1( )N
I
Φ
0
0Φ
1
1I
( ) ( ) 10 11 1
( )
(
1)
(
1)
( )
i
i
N
i i ij j i jZ t
Z t
w Z t
e t
Bentuk umumNotasi matriks, dalam bentuk VAR(1)
Struktur model liner
(
1
)
(
)
)
(
t
Φ
0Φ
1W
Z
t
e
t
Z
ε
Xβ
Y
Penaksir Kuadrat TerkecilBentuk VAR (1) kestasioneran model
GSTAR(11)
observasi pada waktu t, untuk setiap lokasi-i
T
βˆ
kekonsistenan
Kestasioneran GSTAR orde 1
• Jika solusi rs memenuhi persamaan,
terletak di dalam lingkaran satuan ( ), maka GSTAR(1;1) stasioner.
(Wei, 1990, 2006)
• Syarat cukup kestasioneran GSTAR(1;1), jika
(Ruchjana, 2002) 1 ) ( 11 ) ( 10 i i
dan
10(i) 11(i) 1
0 1
0 Φ Φ W I s r 1 s rKuadrat Terkecil GSTAR(1;1)
• for time t = 1,2,…,T and spatial i = 1,2,…,N
i i i i Y X ε ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 0 0 ) 1 ( ) 1 ( 0 0 ) 0 ( ) 0 ( 0 0 0 0 ) 1 ( ) 1 ( 0 0 ) 1 ( ) 1 ( 0 0 ) 0 ( ) 0 ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( 1 1 1 1 0 11 02 11 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 T e e e T e e e T Z T Z Z Z Z Z T V T Z V Z V Z T Z Z Z T Z Z Z N N N N N N N N N N N N N N
N j j ij i t w Z t V 1 ) ( ) ( with 1 dan N Y Y 1 dan N X X ε1 dan εNKuadrat Terkecil GSTAR(1
1
)
Y
Xβ
ε
01 11 0 1ˆ ( , ,...,
,
) '
N
NPenaksir :
ˆ
'
'
X X
X Y
memenuhi,
Akibatnya,
1ˆ
'
'
X X
X Y
Latihan
• N=3
• Misalkan dipandang produksi perkebunan teh di 3 bulan berturut-turut di 3 lokasi sbb:
• Misalkan proses mengikuti model GSTAR(1;1). Lakukan penaksiran parameter model dengan metode LS. Gunakan matriks bobot seragam.
• Catatan: pusatkan data terlebih dahulu.
Produksi (ribu ton)
Tahun 1992 Kebun 1 Kebun 2 Kebun 3 Januari 275 317 302
Februari 178 252 176
Nilai Zi (t) tergantung nilai dalam dua periode sebelumnya
yang terjadi di i dan di lokasi yang langsung terkait dengan i
Generalized space time autoregressive
Orde spasial untuk lag waktu 2 : λ2
Orde waktu = 2
GSTAR Orde 2
Pengamatan di lokasi i saat t
1 2
Model GSTAR(2; , )
Orde spasial untuk lag waktu 1 : λ1 Lag spasial (λ1, λ2) 1 2 … 1 GSTAR(2;1,1) GSTAR(2;1,2) … 2 GSTAR(2;2,1) GSTAR(2;2,2) … 1 2 l d0 d0 d0
Model GSTAR orde 2
observasi pada waktu t, untuk setiap lokasi-i
• GSTAR(2;1,1) • GSTAR(2;1,2) • GSTAR(2;2,1) • GSTAR(2;2,2) 1 1 10 11 20 21 1 1 ( ) ( 1) ( 1) ( 2) ( 2) ( ) N N i i i i i i ij j i ij j i j j Z t Z t w Z t Z t w Z t e t
1 1 2 10 11 20 21 22 1 1 1 ( ) ( 1) ( 1) ( 2) ( 2) ( 2) ( ) N N N i i i i i i i ij j i ij j ij j i j j j Z t Z t w Z t Z t w Z t w Z t e t
1 2 1 10 11 12 20 21 1 1 1 ( ) ( 1) ( 1) ( 1) ( 2) ( 2) ( ) N N N i i i i i i i ij j ij j i ij j i j j j Z t Z t w Z t w Z t Z t w Z t e t
1 2 1 2 10 11 12 20 21 22 1 1 1 1 ( ) ( 1) ( 1) ( 1) ( 2) ( 2) ( 2) ( ) N N N N i i i i i i i i ij j ij j i ij j ij j i j j j j Z t Z t w Z t w Z t Z t w Z t w Z t e t Model GSTAR orde 2
notasi matriks, dalam bentuk VAR(1)
• GSTAR(211) • GSTAR(212) • GSTAR(221) • GSTAR(222) 10 11 20 21 ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 2) t t t t t Z W W Z e Z I 0 Z 0 (2) 10 11 20 21 22 ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 2) t t t t t Z W W W Z e Z I 0 Z 0 (2) 10 11 12 20 21 ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 2) t t t t t Z W W W Z e Z I 0 Z 0 (2) (2) 10 11 12 20 21 22 ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( 2) t t t t t Z W W W W Z e Z I 0 Z 0
Model GSTAR orde 2
struktur model linier
Y
Xβ
ε
1 2 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 2 2 2 1 1 0 0 0 0 3 1 1 2 2 0 0 0 0 2 3 N N ij j ij j j j N N ij j ij j j j N N ij j ij j j j N N N Z w Z Z w Z Z Z w Z Z w Z Z Z T Z T w Z T Z T w Z T Z Z Z T 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 20 2 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 2 1 1 1 0 0 0 0 1 1 2 1 N N N ij j N ij j j j N N N ij j N ij j j j N N N ij j N ij j j j Z w Z Z w Z Z w Z Z w Z Z T w Z Z T w Z 2 1 2 1 1 1 1 10 1 20 2 2 3 2 3 N N N N N N N e e e T e e e T 1 1 1 1 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 N N N N ' ' ' ' ' ' ' ' ' Y X ε Y X ε Y X ε
Kuadrat Terkecil GSTAR(1;1)
) 1 ( ) 1 2 ( ) 2 ( ) 1 (NT
X
NT N N
ε
NTY
N X X X X 0 0 0 0 0 0 2 1 ii iN i i i i w w w w 1 , 1 , 1 0 0 0 1 0 0 M
(0) (1) ( 1)
' T i i M Z Z Z X
(0) (1) ( 1)
' T Z Z Z I M X N M M M M 0 0 0 0 0 0 2 1 dapat ditulis, dengan)'
ˆ
,
ˆ
,...,
ˆ
,
ˆ
(
ˆ
1 0 11 01 N N T
Penaksir :
) 1 ( ) 1 2 ( ) 2 ( ) 1 (NT
X
NT N N
ε
NTY
Y
X
X
X
'
ˆ
T
'
memenuhi, Akibatnya,
X
ε
X
X
'
ˆ
T
'
X
X'
dimana, harus non singulir.
' )' 1 ( ) 1 ( 1 ' M Z Z I M X X
T t t t
T t t t 1 ' )' ( ) 1 ( vec Z e M ε X
Y
X
ε
Y
X
X
X
'
ˆ
T
'
memenuhi,
Akibatnya,
X
ε
X
X
'
ˆ
T
'
X
X'
dimana, harus non singulir.
Penaksir β :
1 2 1 2 1 1 1 1 10 1 20 2 10 1 20 2 N N N N Tˆ
ˆ
,...,
ˆ
,
ˆ
,...,
ˆ
,...,
ˆ
,...,
ˆ
,
ˆ
,...,
ˆ
'
p Tˆ
Kekonvergenan Penaksir Parameter
ˆ
? T
ˆ
T
T tt
t
1)'
1
(
)
1
(
Z
Z
T tt
t
11
)
(
)'
(
e
Z
Menyelidiki sifat limit dari dapat dilihat dari perilaku:
Referensi
• Borovkova, S.A., Lopuhaä, H.P., & Nurani, B., Consistency and Asymptotic Normality of Least Squares Estimators in
Generalized Space-Time Models, Statistica Neerlandica, 62, pp. 482-508, 2008.
• Box, G.E.P., Jenkins, G.M. & Reinsel, G., Time Series Analysis, Forecasting and Control, 3rd ed., Prentice Hall, New Jersey, 1994.
• Mukhaiyar, U. Kestasioneran Model Generalized STAR Melalui Metode Invers Matriks Autokovariansi, PhD Dissertation, Mathematics, Institut Teknologi Bandung, 2012.
• Mukhaiyar, U. Kekonsistenan Lemah Penaksir Kuadrat Terkecil Model Space-Time GSTAR(1;1) Melalui Proses Beda
Martingale: Studi Kasus pada Produksi Bulanan Perkebunan Teh di Wilayah Jawa Barat, Magister Thesis, Institut
Teknologi Bandung, 2007.
• Pfeifer, P.E., & Deutsch, S.J., A Three-Stage Iterative Approach for Space-Time Modeling, Technometrics, 22(1), pp. 35-47, 1980.
• Ruchjana, B.N. Suatu Model Generalisasi Space-Time Autoregresi dan penerapannya pada Produksi Minyak Bumi. , PhD Dissertation, Mathematics, Institut Teknologi Bandung, 2002.
• Wei, W.W.S., Time Series Analysis: Univariate and Multivariate Methods 2nd. Ed., Pearson Addison Wesley, Boston, 2006.