Módulo 4·Regresión combinada y pronósticos con intervalos

Modelos Completos Tendencia + Estacionalidad

Los tres modelos principales: polinomial estacional, log-polinomial y exponencial-polinomial. Pronósticos puntuales e intervalos de predicción. Ejemplo completo: cemento Portland.

Ecuación general aditivaModelo log-polinomial estacionalCorrección por transformaciónIntervalos de predicciónEjemplo: Cemento Portland

El modelo completo: tendencia + estacionalidad juntas

En los módulos anteriores modelaste la tendencia sola (Módulo 2) y la estacionalidad sola (Módulo 3). En la práctica, ambas componentes coexisten y deben estimarse de forma conjunta en un único modelo de regresión. Hacerlo por separado introduce sesgo: la tendencia absorbe parte de la estacionalidad y viceversa.

Este módulo ensambla el modelo completo: tendencia + estacionalidad + corrección de sesgo + pronóstico con intervalos. También aprenderás a comparar el modelo aditivo vs multiplicativo de forma rigurosa, y a evaluar la calidad del pronóstico con métricas ex-post.

4.1 Ecuaciones generales del modelo completo

Sea pp el grado del polinomio de tendencia y ss el periodo estacional. Los tres modelos principales, ordenados de menor a mayor complejidad conceptual:

Modelo 1 — Polinomial-estacional aditivo

Yt=β0+∑j=1pβjtj+∑i=1s−1δiIi,t+Et,Et∼iidN(0,σ2)Y_t = \beta_0 + \sum_{j=1}^{p} \beta_j t^j + \sum_{i=1}^{s-1} \delta_i I_{i,t} + E_t, \quad E_t \overset{\text{iid}}{\sim} N(0,\sigma^2)

Adecuado cuando la serie tiene varianza constante y la amplitud estacional no crece con el nivel. Se estima directamente con lm() sobre YtY_t. Los parámetros se interpretan en las unidades originales.

Modelo 2 — Log-polinomial-estacional (completamente multiplicativo)

log⁡(Yt)=β0+∑j=1pβjtj+∑i=1s−1δiIi,t+εt,εt∼iidN(0,σ2)\log(Y_t) = \beta_0 + \sum_{j=1}^{p} \beta_j t^j + \sum_{i=1}^{s-1} \delta_i I_{i,t} + \varepsilon_t, \quad \varepsilon_t \overset{\text{iid}}{\sim} N(0,\sigma^2)

Apropiado cuando el gráfico de la serie muestra amplitud estacional que crece con el nivel (patrón en abanico). El modelo se ajusta con lm() sobre log⁡(Yt)\log(Y_t) y las predicciones se corrigen con el factor de Duan:

Y^t≈exp⁡ ⁣(log⁡Yt^+MSE2)\hat{Y}_t \approx \exp\!\left(\widehat{\log Y_t} + \frac{MSE}{2}\right)

Modelo 3 — Exponencial-polinomial (parcialmente multiplicativo)

Yt=exp⁡ ⁣(β0+∑j=1pβjtj+∑i=1s−1δiIi,t)+EtY_t = \exp\!\left(\beta_0 + \sum_{j=1}^{p} \beta_j t^j + \sum_{i=1}^{s-1} \delta_i I_{i,t}\right) + E_t

La tendencia y la estacionalidad interactúan multiplicativamente, pero el error EtE_t es aditivo en escala original. Requiere mínimos cuadrados no lineales (regexponencialv02()).

Variante trigonométrica

En todos los modelos, las indicadoras ∑i=1s−1δiIi,t\sum_{i=1}^{s-1} \delta_i I_{i,t} pueden reemplazarse por armónicos de Fourier ∑j=1k[αjsin⁡(2πFjt)+γjcos⁡(2πFjt)]\sum_{j=1}^k [\alpha_j \sin(2\pi F_j t) + \gamma_j \cos(2\pi F_j t)]. La lógica de estimación es idéntica, solo cambia el conjunto de predictores.

¿Cómo elegir entre Modelo 1 y Modelo 2?

Esta es la decisión más importante del módulo. El procedimiento es:

  1. Grafica la serie — ¿las oscilaciones estacionales crecen con el nivel? Si sí → candidato a Modelo 2.
  2. Ajusta ambos modelos y compara MAPE. El modelo con menor MAPE gana en precisión.
  3. Revisa los residuos de cada modelo — el que produce residuos más cercanos a ruido blanco es el correcto.
  4. Si los residuos del Modelo 1 tienen varianza creciente (embudo), usa el Modelo 2 (log).

AIC y BIC no son directamente comparables entre Modelo 1 y Modelo 2 porque las variables de respuesta son distintas (YtY_t vs log⁡Yt\log Y_t). Para comparar, usa el MAPE calculado en escala original.

4.2 Pronósticos puntuales e intervalos de predicción

Con origen en t=nt = n, el pronóstico a LL periodos adelante se obtiene evaluando la ecuación estimada en t=n+Lt = n + L. El vector de predictores para el horizonte LL es:

x0=(1,  n+L,  (n+L)2,  …,  (n+L)p,  I1, n+L,  …,  Is−1, n+L)T\mathbf{x}_0 = \bigl(1,\; n{+}L,\; (n{+}L)^2,\; \ldots,\; (n{+}L)^p,\; I_{1,\,n+L},\; \ldots,\; I_{s-1,\,n+L}\bigr)^T

El intervalo de predicción al nivel (1−α)×100%(1-\alpha)\times 100\% para el Modelo 1 es:

Y^n(L)±tα/2,  n−k  MSE ⁣[1+x0T(XTX)−1x0]\hat{Y}_n(L) \pm t_{\alpha/2,\; n-k}\; \sqrt{MSE\!\left[1 + \mathbf{x}_0^T (\mathbf{X}^T\mathbf{X})^{-1} \mathbf{x}_0\right]}

Para el Modelo 2 (log), el intervalo se construye en escala log y se transforma con exp⁡(⋅)\exp(\cdot). Esto produce bandas asimétricas en escala original —el límite superior está más alejado del pronóstico central que el inferior. Ese es el comportamiento correcto, porque los valores negativos son imposibles.

¿Por qué los intervalos son asimétricos?

En escala log, el intervalo es simétrico: pronóstico ± t × SE. Al aplicar exp(), la simetría se rompe. Por ejemplo, si el pronóstico en log es 5.5 con SE = 0.1:

  • Límite inferior: exp(5.5 − 0.196) = exp(5.304) ≈ 201
  • Pronóstico: exp(5.5) ≈ 245
  • Límite superior: exp(5.5 + 0.196) = exp(5.696) ≈ 298

El intervalo en escala original es [201, 298] — no simétrico alrededor de 245. Eso es correcto: refleja que la distribución de Y en escala original es log-normal (asimétrica a la derecha).

4.3 Ejemplo A — AirPassengers: modelo multiplicativo

El dataset AirPassengers (base R) contiene el número mensual de pasajeros internacionales de aerolíneas (miles) de enero de 1949 a diciembre de 1960 (n=144n = 144, s=12s = 12). Es el ejemplo clásico de serie multiplicativa: tendencia creciente con amplitud estacional que también crece. Estrategia: log(Y_t).

¿Qué vas a ver al ejecutar el código?

  1. El summary() del modelo con los 12 coeficientes (1 intercepto + 1 tendencia + 11 dummies mensuales). Todos deberían ser significativos.
  2. El MAPE dentro de muestra: típicamente entre 2% y 5% para este modelo — excelente para una serie de 11 años.
  3. La serie observada (gris) vs la curva ajustada (azul): deberían seguirse de cerca.
▶ AirPassengers — ajuste log-lineal + dummies mensuales (Modelo 2)

El factor de Duan para AirPassengers es típicamente muy cercano a 1.0 (corrección de <1%), lo que indica que el MSE en escala log es pequeño. Aun así, omitir la corrección introduciría un sesgo sistemático hacia abajo en todos los pronósticos.

▶ AirPassengers — pronóstico 24 meses con IC 95% asimétrico

Observa en la salida de texto que el intervalo es asimétrico: la amplitud hacia arriba es mayor que hacia abajo. Eso es correcto para una variable positiva con distribución log-normal.

4.4 Ejemplo B — UKDriverDeaths: modelo aditivo vs multiplicativo

El dataset UKDriverDeaths (base R) registra el número mensual de conductores muertos o gravemente heridos en el Reino Unido, de enero de 1969 a diciembre de 1984 (n=192n = 192, s=12s = 12). A diferencia de AirPassengers, la amplitud estacional no crece claramente con el nivel. Compararemos ambos modelos con MAPE.

¿Qué vas a ver al ejecutar el código?

La comparación imprimirá dos MAPE: el del modelo aditivo y el del modelo log. Para UKDriverDeaths, los MAPEs suelen ser similares, lo que confirma que ambas especificaciones son razonables —pero el modelo aditivo es preferible por parsimonia conceptual (no requiere corrección de sesgo). También notarás un descenso brusco en los datos alrededor de 1983 — corresponde a la introducción del cinturón de seguridad obligatorio en el Reino Unido, un efecto estructural no capturado por el modelo de regresión.

▶ UKDriverDeaths — aditivo vs multiplicativo: comparación MAPE

La caída brusca alrededor de 1983 es el efecto del cinturón de seguridad obligatorio. Un modelo de regresión sin variable de intervención no puede capturar ese quiebre estructural — es una limitación conocida del enfoque determinístico.

4.5 Evaluación de la calidad del modelo

La evaluación combina criterios de ajuste dentro de muestra (AIC, BIC, R² ajustado) y precisión de pronóstico ex-post (MAE, RMSE, MAPE, cobertura de intervalos). La evaluación ex-post es la más realista: ajusta el modelo con una parte de los datos y evalúa con el resto.

| Medida | Fórmula | Interpretación | |---|---|---| | MAE | 1h∑l=1h∥Yn+l−Y^n(l)∥\frac{1}{h}\sum_{l=1}^h \|Y_{n+l} - \hat{Y}_n(l)\| | Error absoluto medio (mismas unidades que Y) | | RMSE | 1h∑∥el∥2\sqrt{\frac{1}{h}\sum \|e_l\|^2} | Penaliza errores grandes más que MAE | | MAPE | 100h∑∥el/Yn+l∥\frac{100}{h}\sum \|e_l / Y_{n+l}\| | Error porcentual; comparable entre series | | Cobertura IC | 1h∑1[Yn+l∈IC95]\frac{1}{h}\sum \mathbf{1}[Y_{n+l} \in IC_{95}] | Debe estar cerca del 95% para IC bien calibrado |

Guía de interpretación del MAPE

Como referencia práctica en series de tiempo económicas y de negocios:

  • MAPE < 5% — excelente, modelo muy preciso
  • MAPE 5–10% — bueno, aceptable para la mayoría de aplicaciones
  • MAPE 10–20% — razonable, margen de mejora
  • MAPE > 20% — el modelo no captura bien la dinámica de la serie

La cobertura del IC debería estar cerca del nivel nominal (95%). Si es significativamente menor, los intervalos son demasiado estrechos (subestiman la incertidumbre). Si es mucho mayor, son innecesariamente anchos.

▶ Validación ex-post — AirPassengers (últimos 24 meses)

Si MAPE < 5% y cobertura cercana al 95%, el modelo está bien especificado y calibrado. Si la cobertura real es 70% cuando el IC nominal es 95%, los residuos tienen más varianza de la que el modelo asume.

Residuos con ciclos — diagnóstico y solución

Si el ACF de los residuos muestra barras significativas, el modelo de regresión no captura toda la estructura de dependencia. Alternativas:

  • Si el patrón residual tiene la misma frecuencia que la estacionalidad → añadir más armónicos de Fourier o dummies adicionales.
  • Si hay correlación de largo plazo → modelar el error con ARIMA (ARIMAX — modelos con variables externas).
  • Si hay cambios de nivel o pendiente → variables de intervención.
  • STL + ARIMA sobre el componente residual (Módulo 5).

Ciclo de modelado: lo que has aprendido hasta aquí

Graficar→Transformar (log?)→Ajustar T+S→Evaluar MAPE→Revisar ACF residuos→Iterar

Este ciclo es el núcleo del análisis de series de tiempo determinístico. Cada iteración mejora el modelo. El criterio de parada es cuando los residuos son ruido blanco —verificado con Ljung-Box y el ACF— y los pronósticos tienen un MAPE aceptable.