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2019 年度 実績報告書

CARMA確率場モデルの開発と大規模時空間データ分析への応用

研究課題

研究課題/領域番号 17H01701
研究機関東北大学

研究代表者

松田 安昌  東北大学, 経済学研究科, 教授 (10301590)

研究分担者 栗原 考次  岡山大学, 環境生命科学研究科, 教授 (20170087)
西井 龍映  長崎大学, 情報データ科学部, 教授 (40127684)
矢島 美寛  東北大学, 経済学研究科, 客員教授 (70134814)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード多変量CARMAモデル / spectral density matrix / Whittle尤度 / Bayesian CARMA kriging
研究実績の概要

2019年度において、CARMA確率場モデルを拡張して数理的な性質を明らかにして、実データに応用して実証分析を行った。詳細を以下に述べる。
1. 多変量CARMAモデルに拡張を行った。昨年度までに扱ってきた単変量モデルを多変量モデルに拡張し、多変量空間モデルを提案した。特に多変量変数間の関連構造を定量的にモデル化することにつながった。
2. 多変量CARMAモデルの定常条件を導出した。さらに、識別条件を明らかにした。一般に多変量空間モデルでは、識別条件は複雑になる。本研究では、関数形に制約をおくことで簡明な識別条件を同定した。
3. 多変量CARMAモデルのパラメータ推定法を考案し、漸近理論を構築した。前年度の研究で確立した単変量のWhittle尤度を最小化するパラメータ推定法を多変量に拡張することに成功した。さらに、Gauss性を仮定せずにWhittle推定量の漸近理論を構築し、推定量の良さを漸近的に明らかにした。
4. 多変量CARMAモデルによる予測法を提案した。空間データの予測はクリギングと呼ばれる。単変量で提案したBayesian CARMA krigingを多変量CARMAモデルによる多変量krigingに拡張した。
5. 多変量CARMAモデルを実データに応用し、有効性を実証した。アメリカ6000地点で観測された降雨量データと気温の2変量空間データに対して、2変量CARMAモデルを同定し、パラメータを推定して、多変量Bayesian krigingを実行して予測パフォーマンスを分析した。その結果、特に冬期におけるパフォーマンス向上が顕著に観察され、降雨量と気温の複雑な関係を有効に同定していることを確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2019年度は、CARMAモデルの多変量拡張に成功し、Whitte推定法、漸近理論、kriging法を確立した。本研究の最終目的である大規模空間データモデルの確立に向けて順調に進行している。

今後の研究の推進方策

今後は、空間データを時間とともに観測した系列、つまり空間時系列へのCARMAモデルの拡張を考える。2019年度に達成した多変量空間データへの拡張に続く次のターゲットである。そのために、標準的な時系列モデルである自己回帰移動平均(ARMA)モデルとCARMAモデルを組み合わせたアプローチを予定している。そのため、空間データを関数値をとるデータとみなし、関数データに時系列モデルを応用するという方法からスタートさせる予定である。さらに、定常条件の導出を行い、定常性の下でスペクトル密度関数を導出し、スペクトル密度関数に基づく新たなパラメータ推定法を考案する。人口、経済に関する大規模な時空間データに本空間時系列モデルを応用し、社会科学的な知見を実証分析することを目指す。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 10件、 招待講演 6件) 図書 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] Catholic University of Sacro Cuore(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Catholic University of Sacro Cuore
  • [国際共同研究] Colorado State University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Colorado State University
  • [雑誌論文] Log-periodogram regression of two-dimensional intrinsically stationary random fields2020

    • 著者名/発表者名
      Yajima Yoshihiro、Matsuda Yasumasa
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Statistics and Data Science

      巻: 3 ページ: 333~347

    • DOI

      10.1007/s42081-020-00078-9

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 連続時間ARMAモデルの理論と応用2020

    • 著者名/発表者名
      松田安昌
    • 雑誌名

      日本統計学会和文誌

      巻: 49 ページ: 265-280

    • DOI

      10.11329/jjssj.49.265

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spatial extension of generalized autoregressive conditional heteroskedasticity models2020

    • 著者名/発表者名
      Takaki Sato and Yasumasa Matsuda
    • 雑誌名

      Spatial Economic Analysis

      巻: 16 ページ: 1742-1780

    • DOI

      10.1080/17421772.2020.1742929

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computer vision-based phenotyping for improvement of plant productivity2019

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Mochida, Satoru Koda, Komaki Inoue, Takashi Hirayama, Shojiro Tanaka, Ryuei Nishii, Farid Melgani
    • 雑誌名

      GigaScience

      巻: 8 ページ: 1-12

    • DOI

      10.1093/gigascience/giy153

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Predicting precision matrices for color matching problem2019

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Nakamoto, Ryuei Nishii and Shinto Eguchi
    • 雑誌名

      International Journal of Mathematics for Industry

      巻: 11 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1142/S2661335219500023

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Evaluation of hotspot cluster detection using spatial scan statistic based on exact counting2019

    • 著者名/発表者名
      Fumio Ishioka, Jun Kawahara, Masahiro Mizuta, Shin-ichi Minato and Koji Kurihara
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Statistics and Data Science

      巻: 2 ページ: 241-262

    • DOI

      10.1007/s42081-018-0030-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Fast Algorithm for Combinatorial Hotspot Mining Based on Spatial Scan Statistic2019

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Minato, Jun Kawahara, Fumio Ishioka, Masahiro Mizuta and Koji Kurihara
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2019 SIAM International Conference on Data Mining

      巻: 1 ページ: 91-99

    • DOI

      10.1137/1.9781611975673.11

  • [学会発表] Bivariate Continuous ARMA random fields2019

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Matsuda
    • 学会等名
      Lilac International Conference on Application of Statistics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Bivariate CARMA random fields2019

    • 著者名/発表者名
      松田安昌
    • 学会等名
      2019年度統計関連学会連合大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Introduction of spatial data models with applications to analysis of world happiness2019

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Matsuda
    • 学会等名
      Second Tohoku-UEA Research Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Bivariate CARMA random fields2019

    • 著者名/発表者名
      Yasumasa Matsuda
    • 学会等名
      2nd ISM-UUlm Joint Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SAR(p)-GARCH(k, l) Models for High-Dimensional Financial Time Series2019

    • 著者名/発表者名
      Takaki Sato and Yasumasa Matsuda
    • 学会等名
      Korean Statistical Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SAR(p)-GARCH(k, l) Models for High-Dimensional Financial Time Series2019

    • 著者名/発表者名
      Takaki Sato and Yasumasa Matsuda
    • 学会等名
      The 12th World Conference of the spatial econometrics association
    • 国際学会
  • [学会発表] SAR(p)-GARCH(k, l) Models for High-Dimensional Financial Time Series2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤宇樹, 松田安昌
    • 学会等名
      2019年度統計関連学会連合大会
  • [学会発表] Analysis of regional economic growth against crisis: US-Japan comparative study before-after Lehman's shock.2019

    • 著者名/発表者名
      G. Fitrianto, S. Tanaka and R. Nishii
    • 学会等名
      The 62th ISI World Statistics Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] 正定値行列の一般化平均 - 色認知空間上の楕円予測-2019

    • 著者名/発表者名
      江口 真透, 中本 尊元, 西井 龍映
    • 学会等名
      2019年度統計関連学会連合大会
  • [学会発表] Spatial perception for structured and unstructured data in topological data analysis2019

    • 著者名/発表者名
      Kitanishi, Y., Ishioka, F., Iizuka, M., Kurihara, K.
    • 学会等名
      16th Conference of the International Federation of Classification Societies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cluster Detection Based on Restricted Hierarchical Structure for Large Scale Data2019

    • 著者名/発表者名
      Takemura, Y. Ishioka, F., Kurihara, K.
    • 学会等名
      Data Science, Statistics and Visualization 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Cluster Detection Based on Restricted Hierarchical Structure for Large Scale Hotspot Detection for Epidemiological Data Analysis Using R Shiny2019

    • 著者名/発表者名
      Kajinishi, S., Ishioka, F., Kurihara, K.
    • 学会等名
      Data Science, Statistics and Visualization 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] On Gaussian Semiparametric Estimation of Two-Dimensional Intrinsically Stationary Random Fields2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiro Yajima
    • 学会等名
      The 62th ISI World Statistics Congress
    • 国際学会
  • [図書] 時空間統計解析2019

    • 著者名/発表者名
      矢島美寛・田中潮
    • 総ページ数
      256
    • 出版者
      共立出版株式会社
    • ISBN
      978-4-320-11352-7
  • [学会・シンポジウム開催] Workshop on Recent Progress in Time Series: in honour of Peter Robinson2019

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公開日: 2021-12-27  

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