2.1.7
Regressão Quantílica
Resumo
- A regressão quantílica estima diretamente quantis arbitrários — como a mediana ou o 10o percentil — em vez de apenas a média.
- A minimização da perda pinball proporciona robustez a valores atípicos e acomoda ruído assimétrico.
- Modelos independentes podem ser ajustados para diferentes quantis, e empilhá-los forma intervalos de previsão.
- O escalonamento de características e a regularização ajudam a estabilizar a convergência e manter a generalização.
Intuição #
Este método deve ser interpretado por meio de suas suposições, condições dos dados e como as escolhas de parâmetros afetam a generalização.
Explicação Detalhada #
Formulação Matemática #
Com resíduo \(r = y - \hat{y}\) e nível quantílico \(\tau \in (0, 1)\), a perda pinball é definida como
$$ L_\tau(r) = \begin{cases} \tau r & (r \ge 0) \\ (\tau - 1) r & (r < 0) \end{cases} $$Minimizar essa perda produz um preditor linear para o \(\tau\)-quantil. Definindo \(\tau = 0.5\) recuperamos a mediana e chegamos à mesma solução da regressão de desvios absolutos mínimos.
Experimentos em Python #
Usamos o QuantileRegressor para estimar os quantis 0.1, 0.5 e 0.9 e compará-los com os mínimos quadrados ordinários.
from __future__ import annotations
import japanize_matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.linear_model import LinearRegression, QuantileRegressor
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
def run_quantile_regression_demo(
taus: tuple[float, ...] = (0.1, 0.5, 0.9),
n_samples: int = 400,
xlabel: str = "input x",
ylabel: str = "output y",
label_observations: str = "observations",
label_mean: str = "mean (OLS)",
label_template: str = "quantile τ={tau}",
title: str | None = None,
) -> dict[float, tuple[float, float]]:
"""Fit quantile regressors alongside OLS and plot the conditional bands.
Args:
taus: Quantile levels to fit (each in (0, 1)).
n_samples: Number of synthetic observations to generate.
xlabel: Label for the x-axis.
ylabel: Label for the y-axis.
label_observations: Legend label for the scatter plot.
label_mean: Legend label for the OLS line.
label_template: Format string for quantile labels.
title: Optional title for the plot.
Returns:
Mapping of quantile level to (min prediction, max prediction).
"""
japanize_matplotlib.japanize()
rng = np.random.default_rng(123)
x_values: np.ndarray = np.linspace(0.0, 10.0, n_samples, dtype=float)
noise: np.ndarray = rng.gamma(shape=2.0, scale=1.0, size=n_samples) - 2.0
y_values: np.ndarray = 1.5 * x_values + 5.0 + noise
X: np.ndarray = x_values[:, np.newaxis]
quantile_models: dict[float, make_pipeline] = {}
for tau in taus:
model = make_pipeline(
StandardScaler(with_mean=True),
QuantileRegressor(alpha=0.001, quantile=float(tau), solver="highs"),
)
model.fit(X, y_values)
quantile_models[tau] = model
ols = LinearRegression()
ols.fit(X, y_values)
grid: np.ndarray = np.linspace(0.0, 10.0, 200, dtype=float)[:, np.newaxis]
preds = {tau: model.predict(grid) for tau, model in quantile_models.items()}
ols_pred: np.ndarray = ols.predict(grid)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 5))
ax.scatter(X, y_values, s=15, alpha=0.4, label=label_observations)
color_cycle = plt.rcParams["axes.prop_cycle"].by_key().get("color", ["#1f77b4", "#ff7f0e", "#2ca02c"])
for idx, tau in enumerate(taus):
color = color_cycle[idx % len(color_cycle)]
ax.plot(
grid,
preds[tau],
color=color,
linewidth=2,
label=label_template.format(tau=tau),
)
ax.plot(grid, ols_pred, color="#9467bd", linestyle="--", label=label_mean)
ax.set_xlabel(xlabel)
ax.set_ylabel(ylabel)
if title:
ax.set_title(title)
ax.legend()
fig.tight_layout()
plt.show()
summary: dict[float, tuple[float, float]] = {
tau: (float(pred.min()), float(pred.max())) for tau, pred in preds.items()
}
return summary
summary = run_quantile_regression_demo()
for tau, (ymin, ymax) in summary.items():
print(f"tau={tau:.1f}: min prediction {ymin:.2f}, max prediction {ymax:.2f}")

Leitura dos resultados #
- Cada quantil produz uma reta diferente, capturando a dispersão vertical dos dados.
- Comparada com o modelo OLS focado na média, a regressão quantílica se adapta a ruído assimétrico.
- Combinar múltiplos quantis produz intervalos de previsão que comunicam incerteza relevante para a tomada de decisões.
Referências #
- Koenker, R., & Bassett, G. (1978). Regression Quantiles. Econometrica, 46(1), 33–50.
- Koenker, R. (2005). Quantile Regression. Cambridge University Press.