A new chart based on sample variances for monitoring the covariance matrix of multivariate processes

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Monitoring the mean vector and the covariance ­matrix of multivariate processes with sample means and sample ranges

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The use of principal components and univariate charts to control multivariate processes

In this article, we evaluate the performance of the T2 chart based on the principal components (PC chart) and the simultaneous univariate control charts based on the original variables (SU X̄ charts) or based on the principal components (SUPC charts). The main reason to consider the PC chart lies on the dimensionality reduction. However, depending on the disturbance and on the way the original variables are related, the chart is very slow in signaling, except when all variables are negatively correlated and the principal component is wisely selected. Comparing the SU X̄, the SUPC and the T 2 charts we conclude that the SU X̄ charts (SUPC charts) have a better overall performance when the variables are positively (negatively) correlated. We also develop the expression to obtain the power of two S 2 charts designed for monitoring the covariance matrix. These joint S2 charts are, in the majority of the cases, more efficient than the generalized variance |S| chart.

A single chart with supplementary runs rules for monitoring the mean vector and the covariance matrix of multivariate processes

The MRMAX chart is a single chart based on the standardized sample means and sample ranges for monitoring the mean vector and the covariance matrix of multivariate processes. User's familiarity with the computation of these statistics is a point in favor of the MRMAX chart. As a single chart, the recently proposed MRMAX chart is very appropriate for supplementary runs rules. In this article, we compare the supplemented MRMAX chart and the synthetic MRMAX chart with the standard MRMAX chart. The supplementary and the synthetic runs rules enhance the performance of the MRMAX chart. © 2013 Elsevier Ltd.

Multifractality in the random parameter model for multivariate time series

The Random Parameter model was proposed to explain the structure of the covariance matrix in problems where most, but not all, of the eigenvalues of the covariance matrix can be explained by Random Matrix Theory. In this article, we explore the scaling properties of the model, as observed in the multifractal structure of the simulated time series. We use the Wavelet Transform Modulus Maxima technique to obtain the multifractal spectrum dependence with the parameters of the model. The model shows a scaling structure compatible with the stylized facts for a reasonable choice of the parameter values. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Biomimetic oxidative treatment of spruce wood studied by pyrolysis-molecular beam mass spectrometry coupled with multivariate analysis and (13)C-labeled tetramethylammonium hydroxide thermochemolysis: implications for fungal degradation of wood

In this work, pyrolysis-molecular beam mass spectrometry analysis coupled with principal components analysis and (13)C-labeled tetramethylammonium hydroxide thermochemolysis were used to study lignin oxidation, depolymerization, and demethylation of spruce wood treated by biomimetic oxidative systems. Neat Fenton and chelator-mediated Fenton reaction (CMFR) systems as well as cellulosic enzyme treatments were used to mimic the nonenzymatic process involved in wood brown-rot biodegradation. The results suggest that compared with enzymatic processes, Fenton-based treatment more readily opens the structure of the lignocellulosic matrix, freeing cellulose fibrils from the matrix. The results demonstrate that, under the current treatment conditions, Fenton and CMFR treatment cause limited demethoxylation of lignin in the insoluble wood residue. However, analysis of a water-extractable fraction revealed considerable soluble lignin residue structures that had undergone side chain oxidation as well as demethoxylation upon CMFR treatment. This research has implications for our understanding of nonenzymatic degradation of wood and the diffusion of CMFR agents in the wood cell wall during fungal degradation processes.

Application of multivariate statistical process control to fuel cell manufacturing

Univariate statistical control charts, such as the Shewhart chart, do not satisfy the requirements for process monitoring on a high volume automated fuel cell manufacturing line. This is because of the number of variables that require monitoring. The risk of elevated false alarms, due to the nature of the process being high volume, can present problems if univariate methods are used. Multivariate statistical methods are discussed as an alternative for process monitoring and control. The research presented is conducted on a manufacturing line which evaluates the performance of a fuel cell. It has three stages of production assembly that contribute to the final end product performance. The product performance is assessed by power and energy measurements, taken at various time points throughout the discharge testing of the fuel cell. The literature review performed on these multivariate techniques are evaluated using individual and batch observations. Modern techniques using multivariate control charts on Hotellings T2 are compared to other multivariate methods, such as Principal Components Analysis (PCA). The latter, PCA, was identified as the most suitable method. Control charts such as, scores, T2 and DModX charts, are constructed from the PCA model. Diagnostic procedures, using Contribution plots, for out of control points that are detected using these control charts, are also discussed. These plots enable the investigator to perform root cause analysis. Multivariate batch techniques are compared to individual observations typically seen on continuous processes. Recommendations, for the introduction of multivariate techniques that would be appropriate for most high volume processes, are also covered.

Binding under Conflict Conditions: State-Space Analysis of Multivariate EEG Synchronization.

Real-world objects are often endowed with features that violate Gestalt principles. In our experiment, we examined the neural correlates of binding under conflict conditions in terms of the binding-by-synchronization hypothesis. We presented an ambiguous stimulus ("diamond illusion") to 12 observers. The display consisted of four oblique gratings drifting within circular apertures. Its interpretation fluctuates between bound ("diamond") and unbound (component gratings) percepts. To model a situation in which Gestalt-driven analysis contradicts the perceptually explicit bound interpretation, we modified the original diamond (OD) stimulus by speeding up one grating. Using OD and modified diamond (MD) stimuli, we managed to dissociate the neural correlates of Gestalt-related (OD vs. MD) and perception-related (bound vs. unbound) factors. Their interaction was expected to reveal the neural networks synchronized specifically in the conflict situation. The synchronization topography of EEG was analyzed with the multivariate S-estimator technique. We found that good Gestalt (OD vs. MD) was associated with a higher posterior synchronization in the beta-gamma band. The effect of perception manifested itself as reciprocal modulations over the posterior and anterior regions (theta/beta-gamma bands). Specifically, higher posterior and lower anterior synchronization supported the bound percept, and the opposite was true for the unbound percept. The interaction showed that binding under challenging perceptual conditions is sustained by enhanced parietal synchronization. We argue that this distributed pattern of synchronization relates to the processes of multistage integration ranging from early grouping operations in the visual areas to maintaining representations in the frontal networks of sensory memory.

Exploration of geological variability and possible processes through the use of compositional data analysis: an example using scottish metamorphosed

Developments in the statistical analysis of compositional data over the last twodecades have made possible a much deeper exploration of the nature of variability,and the possible processes associated with compositional data sets from manydisciplines. In this paper we concentrate on geochemical data sets. First we explainhow hypotheses of compositional variability may be formulated within the naturalsample space, the unit simplex, including useful hypotheses of subcompositionaldiscrimination and specific perturbational change. Then we develop through standardmethodology, such as generalised likelihood ratio tests, statistical tools to allow thesystematic investigation of a complete lattice of such hypotheses. Some of these tests are simple adaptations of existing multivariate tests but others require specialconstruction. We comment on the use of graphical methods in compositional dataanalysis and on the ordination of specimens. The recent development of the conceptof compositional processes is then explained together with the necessary tools for astaying- in-the-simplex approach, namely compositional singular value decompositions. All these statistical techniques are illustrated for a substantial compositional data set, consisting of 209 major-oxide and rare-element compositions of metamorphosed limestones from the Northeast and Central Highlands of Scotland.Finally we point out a number of unresolved problems in the statistical analysis ofcompositional processes

Multiparametric brainstem segmentation using a modified multivariate mixture of Gaussians

The human brainstem is a densely packed, complex but highly organised structure. It not only serves as a conduit for long projecting axons conveying motor and sensory information, but also is the location of multiple primary nuclei that control or modulate a vast array of functions, including homeostasis, consciousness, locomotion, and reflexive and emotive behaviours. Despite its importance, both in understanding normal brain function as well as neurodegenerative processes, it remains a sparsely studied structure in the neuroimaging literature. In part, this is due to the difficulties in imaging the internal architecture of the brainstem in vivo in a reliable and repeatable fashion. A modified multivariate mixture of Gaussians (mmMoG) was applied to the problem of multichannel tissue segmentation. By using quantitative magnetisation transfer and proton density maps acquired at 3 T with 0.8 mm isotropic resolution, tissue probability maps for four distinct tissue classes within the human brainstem were created. These were compared against an ex vivo fixated human brain, imaged at 0.5 mm, with excellent anatomical correspondence. These probability maps were used within SPM8 to create accurate individual subject segmentations, which were then used for further quantitative analysis. As an example, brainstem asymmetries were assessed across 34 right-handed individuals using voxel based morphometry (VBM) and tensor based morphometry (TBM), demonstrating highly significant differences within localised regions that corresponded to motor and vocalisation networks. This method may have important implications for future research into MRI biomarkers of pre-clinical neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease.

Why Italy and not Spain?: comparing two industrialization processes from a dissagregate time-series perspective

This study presents new evidence concerning the uneven processes of industrialization innineteenth century Spain and Italy based on a disaggregate analysis of the productivesectors from which the behaviour of the aggregate indices is comprised. The use of multivariate time-series analysis techniques can aid our understanding and characterization of these two processes of industrialization. The identification of those sectors with key rolesin leading industrial growth provides new evidence concerning the factors that governed thebehaviour of the aggregates in the two economies. In addition, the analysis of the existenceof interindustry linkages reveals the scale of the industrialization process, and wheresignificant differences exist, accounts for many of the divergences recorded in the historiography for the period 1850-1913.

Why Italy and not Spain?: comparing two industrialization processes from a dissagregate time-series perspective

This study presents new evidence concerning the uneven processes of industrialization innineteenth century Spain and Italy based on a disaggregate analysis of the productivesectors from which the behaviour of the aggregate indices is comprised. The use of multivariate time-series analysis techniques can aid our understanding and characterization of these two processes of industrialization. The identification of those sectors with key rolesin leading industrial growth provides new evidence concerning the factors that governed thebehaviour of the aggregates in the two economies. In addition, the analysis of the existenceof interindustry linkages reveals the scale of the industrialization process, and wheresignificant differences exist, accounts for many of the divergences recorded in the historiography for the period 1850-1913.

Factor models, VARMA processes and parameter instability with applications in macroeconomics

Avec les avancements de la technologie de l'information, les données temporelles économiques et financières sont de plus en plus disponibles. Par contre, si les techniques standard de l'analyse des séries temporelles sont utilisées, une grande quantité d'information est accompagnée du problème de dimensionnalité. Puisque la majorité des séries d'intérêt sont hautement corrélées, leur dimension peut être réduite en utilisant l'analyse factorielle. Cette technique est de plus en plus populaire en sciences économiques depuis les années 90. Étant donnée la disponibilité des données et des avancements computationnels, plusieurs nouvelles questions se posent. Quels sont les effets et la transmission des chocs structurels dans un environnement riche en données? Est-ce que l'information contenue dans un grand ensemble d'indicateurs économiques peut aider à mieux identifier les chocs de politique monétaire, à l'égard des problèmes rencontrés dans les applications utilisant des modèles standards? Peut-on identifier les chocs financiers et mesurer leurs effets sur l'économie réelle? Peut-on améliorer la méthode factorielle existante et y incorporer une autre technique de réduction de dimension comme l'analyse VARMA? Est-ce que cela produit de meilleures prévisions des grands agrégats macroéconomiques et aide au niveau de l'analyse par fonctions de réponse impulsionnelles? Finalement, est-ce qu'on peut appliquer l'analyse factorielle au niveau des paramètres aléatoires? Par exemple, est-ce qu'il existe seulement un petit nombre de sources de l'instabilité temporelle des coefficients dans les modèles macroéconomiques empiriques? Ma thèse, en utilisant l'analyse factorielle structurelle et la modélisation VARMA, répond à ces questions à travers cinq articles. Les deux premiers chapitres étudient les effets des chocs monétaire et financier dans un environnement riche en données. Le troisième article propose une nouvelle méthode en combinant les modèles à facteurs et VARMA. Cette approche est appliquée dans le quatrième article pour mesurer les effets des chocs de crédit au Canada. La contribution du dernier chapitre est d'imposer la structure à facteurs sur les paramètres variant dans le temps et de montrer qu'il existe un petit nombre de sources de cette instabilité. Le premier article analyse la transmission de la politique monétaire au Canada en utilisant le modèle vectoriel autorégressif augmenté par facteurs (FAVAR). Les études antérieures basées sur les modèles VAR ont trouvé plusieurs anomalies empiriques suite à un choc de la politique monétaire. Nous estimons le modèle FAVAR en utilisant un grand nombre de séries macroéconomiques mensuelles et trimestrielles. Nous trouvons que l'information contenue dans les facteurs est importante pour bien identifier la transmission de la politique monétaire et elle aide à corriger les anomalies empiriques standards. Finalement, le cadre d'analyse FAVAR permet d'obtenir les fonctions de réponse impulsionnelles pour tous les indicateurs dans l'ensemble de données, produisant ainsi l'analyse la plus complète à ce jour des effets de la politique monétaire au Canada. Motivée par la dernière crise économique, la recherche sur le rôle du secteur financier a repris de l'importance. Dans le deuxième article nous examinons les effets et la propagation des chocs de crédit sur l'économie réelle en utilisant un grand ensemble d'indicateurs économiques et financiers dans le cadre d'un modèle à facteurs structurel. Nous trouvons qu'un choc de crédit augmente immédiatement les diffusions de crédit (credit spreads), diminue la valeur des bons de Trésor et cause une récession. Ces chocs ont un effet important sur des mesures d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et financiers. Contrairement aux autres études, notre procédure d'identification du choc structurel ne requiert pas de restrictions temporelles entre facteurs financiers et macroéconomiques. De plus, elle donne une interprétation des facteurs sans restreindre l'estimation de ceux-ci. Dans le troisième article nous étudions la relation entre les représentations VARMA et factorielle des processus vectoriels stochastiques, et proposons une nouvelle classe de modèles VARMA augmentés par facteurs (FAVARMA). Notre point de départ est de constater qu'en général les séries multivariées et facteurs associés ne peuvent simultanément suivre un processus VAR d'ordre fini. Nous montrons que le processus dynamique des facteurs, extraits comme combinaison linéaire des variables observées, est en général un VARMA et non pas un VAR comme c'est supposé ailleurs dans la littérature. Deuxièmement, nous montrons que même si les facteurs suivent un VAR d'ordre fini, cela implique une représentation VARMA pour les séries observées. Alors, nous proposons le cadre d'analyse FAVARMA combinant ces deux méthodes de réduction du nombre de paramètres. Le modèle est appliqué dans deux exercices de prévision en utilisant des données américaines et canadiennes de Boivin, Giannoni et Stevanovic (2010, 2009) respectivement. Les résultats montrent que la partie VARMA aide à mieux prévoir les importants agrégats macroéconomiques relativement aux modèles standards. Finalement, nous estimons les effets de choc monétaire en utilisant les données et le schéma d'identification de Bernanke, Boivin et Eliasz (2005). Notre modèle FAVARMA(2,1) avec six facteurs donne les résultats cohérents et précis des effets et de la transmission monétaire aux États-Unis. Contrairement au modèle FAVAR employé dans l'étude ultérieure où 510 coefficients VAR devaient être estimés, nous produisons les résultats semblables avec seulement 84 paramètres du processus dynamique des facteurs. L'objectif du quatrième article est d'identifier et mesurer les effets des chocs de crédit au Canada dans un environnement riche en données et en utilisant le modèle FAVARMA structurel. Dans le cadre théorique de l'accélérateur financier développé par Bernanke, Gertler et Gilchrist (1999), nous approximons la prime de financement extérieur par les credit spreads. D'un côté, nous trouvons qu'une augmentation non-anticipée de la prime de financement extérieur aux États-Unis génère une récession significative et persistante au Canada, accompagnée d'une hausse immédiate des credit spreads et taux d'intérêt canadiens. La composante commune semble capturer les dimensions importantes des fluctuations cycliques de l'économie canadienne. L'analyse par décomposition de la variance révèle que ce choc de crédit a un effet important sur différents secteurs d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et credit spreads. De l'autre côté, une hausse inattendue de la prime canadienne de financement extérieur ne cause pas d'effet significatif au Canada. Nous montrons que les effets des chocs de crédit au Canada sont essentiellement causés par les conditions globales, approximées ici par le marché américain. Finalement, étant donnée la procédure d'identification des chocs structurels, nous trouvons des facteurs interprétables économiquement. Le comportement des agents et de l'environnement économiques peut varier à travers le temps (ex. changements de stratégies de la politique monétaire, volatilité de chocs) induisant de l'instabilité des paramètres dans les modèles en forme réduite. Les modèles à paramètres variant dans le temps (TVP) standards supposent traditionnellement les processus stochastiques indépendants pour tous les TVPs. Dans cet article nous montrons que le nombre de sources de variabilité temporelle des coefficients est probablement très petit, et nous produisons la première évidence empirique connue dans les modèles macroéconomiques empiriques. L'approche Factor-TVP, proposée dans Stevanovic (2010), est appliquée dans le cadre d'un modèle VAR standard avec coefficients aléatoires (TVP-VAR). Nous trouvons qu'un seul facteur explique la majorité de la variabilité des coefficients VAR, tandis que les paramètres de la volatilité des chocs varient d'une façon indépendante. Le facteur commun est positivement corrélé avec le taux de chômage. La même analyse est faite avec les données incluant la récente crise financière. La procédure suggère maintenant deux facteurs et le comportement des coefficients présente un changement important depuis 2007. Finalement, la méthode est appliquée à un modèle TVP-FAVAR. Nous trouvons que seulement 5 facteurs dynamiques gouvernent l'instabilité temporelle dans presque 700 coefficients.

Actuarial applications of multivariate phase-type distributions : model calibration and credibility

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

On the design of customized risk measures in insurance, the problem of capital allocation and the theory of fluctuations for Lévy processes

Dans cette thèse, nous étudions quelques problèmes fondamentaux en mathématiques financières et actuarielles, ainsi que leurs applications. Cette thèse est constituée de trois contributions portant principalement sur la théorie de la mesure de risques, le problème de l’allocation du capital et la théorie des fluctuations. Dans le chapitre 2, nous construisons de nouvelles mesures de risque cohérentes et étudions l’allocation de capital dans le cadre de la théorie des risques collectifs. Pour ce faire, nous introduisons la famille des "mesures de risque entropique cumulatifs" (Cumulative Entropic Risk Measures). Le chapitre 3 étudie le problème du portefeuille optimal pour le Entropic Value at Risk dans le cas où les rendements sont modélisés par un processus de diffusion à sauts (Jump-Diffusion). Dans le chapitre 4, nous généralisons la notion de "statistiques naturelles de risque" (natural risk statistics) au cadre multivarié. Cette extension non-triviale produit des mesures de risque multivariées construites à partir des données financiéres et de données d’assurance. Le chapitre 5 introduit les concepts de "drawdown" et de la "vitesse d’épuisement" (speed of depletion) dans la théorie de la ruine. Nous étudions ces concepts pour des modeles de risque décrits par une famille de processus de Lévy spectrallement négatifs.