R Academy · Lección

Escritura de modelos de Stan en R

Defina bloques de datos, parámetros y el bloque del modelo con la sintaxis de Stan.

Escritura de modelos de Stan en R es una lección gratuita de R Academy en CoddyKit. Esta es la lección 2 de 4. Puedes leer la lección completa abajo gratuitamente — luego la practicas en el navegador con un editor de código integrado y un tutor de IA 24/7. Forma parte de la ruta de aprendizaje de R Academy, y tu progreso se sincroniza en la web y la app de CoddyKit. El curso de R Academy incluye 4 lecciones en total.

¿Qué es Stan?

Stan es un lenguaje de programación probabilística para el modelado estadístico bayesiano. RStan es la interfaz de R para Stan. Usted escribe el modelo en el lenguaje de Stan (similar a C++) y Stan lo compila en código C++ eficiente que ejecuta muestreo Monte Carlo Hamiltoniano (HMC) para aproximar la posterior.

# Stan installation check
library(rstan)

# Check version
cat('RStan version:', as.character(packageVersion('rstan')), '\n')

# Enable parallel chains
options(mc.cores = parallel::detectCores())

# Reuse compiled models across sessions
rstan_options(auto_write = TRUE)

cat('Stan ready. Cores:', parallel::detectCores(), '\n')

Estructura de un modelo de Stan

Un modelo de Stan puede tener hasta seis bloques con nombre: data, transformed data, parameters, transformed parameters, model y generated quantities. Los tres bloques esenciales son data, parameters y model.

library(rstan)

# Stan model as a character string in R
stan_code <- '
data {
  int<lower=0> N;       // number of observations
  vector[N] x;          // predictor
  vector[N] y;          // response
}
parameters {
  real alpha;           // intercept
  real beta;            // slope
  real<lower=0> sigma;  // noise (must be positive)
}
model {
  // Priors
  alpha ~ normal(0, 10);
  beta  ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(1);

  // Likelihood
  y ~ normal(alpha + beta * x, sigma);
}
'

cat('Stan model defined as a string in R\n')
cat('Blocks: data, parameters, model\n')

data{}: declarar los datos de entrada

El bloque data declara todos los datos externos que el modelo recibe de R. Los tipos incluyen int, real, vector[N], matrix[M,N] y array. Las restricciones como <lower=0> se comprueban durante la ejecución.

library(rstan)

# Comprehensive data block examples
data_block_examples <- '
data {
  // Scalars
  int<lower=1> N;               // at least 1 observation
  int<lower=2> K;               // at least 2 groups

  // Constrained scalars
  real<lower=0, upper=1> rate;  // probability

  // Vectors
  vector[N] y;                  // continuous response
  array[N] int<lower=0, upper=1> z;  // binary outcomes

  // Matrix
  matrix[N, K] X;               // design matrix

  // Integer array
  array[N] int group;           // group membership 1..K
}
'

cat(data_block_examples)

parameters{}: Tipos de parámetros

El bloque parameters declara las incógnitas que Stan muestreará. Las restricciones de este bloque definen el espacio de parámetros: <lower=0> para cantidades positivas y <lower=0, upper=1> para probabilidades. Stan aplica automáticamente correcciones jacobianas de la log-probabilidad para los parámetros restringidos.

library(rstan)

# Common parameter declarations
param_examples <- '
parameters {
  // Unconstrained
  real mu;                        // mean
  vector[K] beta;                 // regression coefficients

  // Positive (sigma, lambda, variance)
  real<lower=0> sigma;
  real<lower=0> lambda;

  // Probability
  real<lower=0, upper=1> theta;

  // Simplex (sums to 1, for mixture weights)
  simplex[K] pi;

  // Correlation matrix
  corr_matrix[K] Omega;

  // Cholesky factor of covariance
  cholesky_factor_cov[K] L_Sigma;
}
'
cat(param_examples)

model{}: Distribuciones previas y verosimilitud

El bloque model acumula el logaritmo de la distribución posterior mediante la sintaxis ~ (tilde). y ~ normal(mu, sigma) es una forma abreviada de sumar el logaritmo de la densidad Normal a target. Puede escribir incrementos explícitos de la log-probabilidad con target += normal_lpdf(y | mu, sigma).

library(rstan)

model_block_example <- '
model {
  // --- Priors ---
  mu    ~ normal(0, 10);          // weakly informative
  sigma ~ cauchy(0, 2.5);         // half-Cauchy for scale
  beta  ~ normal(0, 1);           // standardised coefficients

  // --- Likelihood ---
  // Tilde notation (most common)
  y ~ normal(mu + X * beta, sigma);

  // Equivalent explicit notation:
  // target += normal_lpdf(y | mu + X * beta, sigma);

  // For loop (less common but valid)
  // for (i in 1:N)
  //   target += normal_lpdf(y[i] | mu, sigma);
}
'
cat(model_block_example)

Ajuste de un modelo Normal sencillo

Este es un flujo de trabajo completo y mínimo en Stan: definir la cadena del modelo, preparar la lista de datos, llamar a stan() e inspeccionar los resultados con print(). Stan compila el modelo la primera vez y lo almacena en caché para las ejecuciones posteriores.

library(rstan)

# Stan model: estimate mean and SD of a normal distribution
normal_model <- '
data {
  int<lower=0> N;
  vector[N] y;
}
parameters {
  real mu;
  real<lower=0> sigma;
}
model {
  mu    ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(0.1);
  y     ~ normal(mu, sigma);
}
'

# Simulate data
set.seed(42)
y_data <- rnorm(50, mean = 5, sd = 2)

# Fit the model
fit <- stan(
  model_code = normal_model,
  data       = list(N = length(y_data), y = y_data),
  chains     = 2,
  iter       = 1000,
  warmup     = 500,
  refresh    = 0  # suppress iteration output
)

print(fit, pars = c('mu', 'sigma'))

Regresión lineal en Stan

Stan facilita la regresión lineal bayesiana: especifique distribuciones previas normales para los coeficientes y una distribución previa exponencial o half-Cauchy para sigma. La distribución posterior proporciona la distribución completa de la incertidumbre de cada coeficiente, no solo estimaciones puntuales.

library(rstan)

lin_reg_model <- '
data {
  int<lower=0> N;
  vector[N] x;
  vector[N] y;
}
parameters {
  real alpha;
  real beta;
  real<lower=0> sigma;
}
model {
  alpha ~ normal(0, 10);
  beta  ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(1);
  y ~ normal(alpha + beta * x, sigma);
}
generated quantities {
  vector[N] y_rep;  // posterior predictive
  for (i in 1:N)
    y_rep[i] = normal_rng(alpha + beta * x[i], sigma);
}
'

set.seed(7)
n <- 80
x <- rnorm(n); y <- 2 + 3 * x + rnorm(n, 0, 1)

fit <- stan(model_code = lin_reg_model,
            data = list(N = n, x = x, y = y),
            chains = 2, iter = 1000, refresh = 0)
print(fit, pars = c('alpha', 'beta', 'sigma'))

Bloque transformed parameters{}

El bloque transformed parameters calcula cantidades derivadas a partir de los parámetros muestreados. Estas cantidades resultan útiles para parametrizar modelos de forma numéricamente estable (por ejemplo, mediante descomposiciones de Cholesky y transformaciones logarítmicas), manteniendo interpretables los parámetros principales.

library(rstan)

# Model with transformed parameters
trans_param_example <- '
data {
  int<lower=0> N;
  array[N] int<lower=0> y;  // counts
}
parameters {
  real log_lambda;           // work in log space for stability
}
transformed parameters {
  real<lower=0> lambda;
  lambda = exp(log_lambda);  // transform back to original scale
}
model {
  log_lambda ~ normal(1, 2);  // prior on log scale
  y ~ poisson(lambda);
}
'

set.seed(42)
y_counts <- rpois(30, lambda = 5)

fit_poisson <- stan(
  model_code = trans_param_example,
  data       = list(N = length(y_counts), y = y_counts),
  chains     = 2, iter = 1000, refresh = 0
)
print(fit_poisson, pars = c('log_lambda', 'lambda'))

Bloque generated quantities{}

El bloque generated quantities se ejecuta después del muestreo para calcular cantidades adicionales: muestras predictivas posteriores (y_rep), la log-verosimilitud para LOO-CV o parámetros transformados para los resúmenes. Los valores de este bloque se muestrean de la distribución predictiva posterior.

library(rstan)

# Use generated quantities for posterior predictive checks
model_with_gq <- '
data {
  int<lower=0> N;
  vector[N] y;
}
parameters {
  real mu;
  real<lower=0> sigma;
}
model {
  mu    ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(0.5);
  y     ~ normal(mu, sigma);
}
generated quantities {
  vector[N] y_rep;           // replicated datasets
  real mean_y_rep;           // mean of replicated data
  for (i in 1:N)
    y_rep[i] = normal_rng(mu, sigma);
  mean_y_rep = mean(y_rep);
}
'

set.seed(1)
y_obs <- rnorm(40, 3, 1.5)
fit <- stan(model_code = model_with_gq,
            data = list(N = length(y_obs), y = y_obs),
            chains = 2, iter = 1000, refresh = 0)
print(fit, pars = c('mu', 'sigma', 'mean_y_rep'))

Pasar datos de R a Stan

El argumento data de stan() es una lista con nombre de R. Los nombres deben coincidir exactamente con los nombres de las variables declaradas en el bloque data{} de Stan. Los vectores se convierten en vector[N] de Stan; los enteros, en int; y las matrices de R, en matrix[M,N] de Stan.

library(rstan)

# Data preparation: names must match Stan data block exactly
set.seed(42)
n <- 60
x1 <- rnorm(n)
x2 <- rnorm(n)
y  <- 1.5 + 2 * x1 - 0.8 * x2 + rnorm(n, 0, 0.5)

# Build the design matrix
X <- cbind(x1, x2)  # 60 x 2 matrix

# Named list passed to stan(data = ...)
stan_data <- list(
  N = n,          # int
  K = ncol(X),    # int
  X = X,          # matrix[N, K]
  y = y           # vector[N]
)

cat('Stan data list elements:\n')
for (nm in names(stan_data)) {
  cat(' ', nm, ': class =', class(stan_data[[nm]]),
      'dim =', paste(dim(stan_data[[nm]]), collapse = 'x'),
      '\n')
}

Visualizar el modelo compilado

Después del ajuste, use print(fit) para ver los resúmenes posteriores (media, se_mean, sd, cuantiles, Rhat, n_eff) de todos los parámetros. Use stan_plot(fit) para obtener un gráfico visual de intervalos y traceplot(fit) para evaluar la mezcla de las cadenas.

library(rstan)

# Reuse the simple normal model from scene 6
normal_model <- '
data { int<lower=0> N; vector[N] y; }
parameters { real mu; real<lower=0> sigma; }
model {
  mu ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(0.1);
  y ~ normal(mu, sigma);
}
'

set.seed(5)
fit <- stan(model_code = normal_model,
            data = list(N = 50, y = rnorm(50, 7, 3)),
            chains = 2, iter = 1000, refresh = 0)

# Detailed summary table
print(fit)

# Extract as data frame
posterior_df <- as.data.frame(fit)
cat('\nPosterior samples shape:', nrow(posterior_df),
    'rows x', ncol(posterior_df), 'cols\n')

Comprobación rápida

En un modelo de Stan, desea restringir un parámetro para que sea estrictamente positivo (por ejemplo, una desviación estándar). ¿Qué declaración es correcta?

Repaso: escritura de modelos de Stan

Conclusiones clave:

Un modelo de Stan tiene tres bloques esenciales: data{}, parameters{}, model{}
Restricciones: <lower=0>, <upper=1>, <lower=0, upper=1> para probabilidades
Tipos: int, real, vector[N], matrix[M,N], simplex[K]
Bloque model: use la sintaxis de tilde y ~ normal(mu, sigma) para las distribuciones previas y la verosimilitud
transformed parameters{} para cantidades derivadas; generated quantities{} para operaciones posteriores al muestreo
Pase los datos como una lista con nombre de R cuyos nombres coincidan exactamente con los nombres de los bloques de Stan
rstan_options(auto_write = TRUE) almacena en caché los modelos compilados

library(rstan)

# Stan model skeleton
model_skeleton <- '
data    { int N; vector[N] y; }
parameters { real mu; real<lower=0> sigma; }
model   { mu ~ normal(0,10); sigma ~ exponential(1); y ~ normal(mu, sigma); }
'
cat(model_skeleton)
cat('\nFit with: stan(model_code = model_skeleton, data = list(N=..., y=...), chains=4)\n')

Preguntas frecuentes

¿La lección «Escritura de modelos de Stan en R» es gratis?

Sí — el texto completo de «Escritura de modelos de Stan en R» es gratis para leer aquí en la web. Para practicarla de forma interactiva (editor de código integrado y tutor de IA 24/7) y desbloquear el resto del curso de R Academy, actualiza a CoddyKit PRO. El curso de R Academy incluye 4 lecciones en total.

¿Qué aprenderé en «Escritura de modelos de Stan en R»?

Defina bloques de datos, parámetros y el bloque del modelo con la sintaxis de Stan. Practicas R Academy con código real que ejecutas directamente en el navegador, y un tutor de IA 24/7 responde tus preguntas mientras trabajas en la lección.

¿Necesito experiencia previa para empezar R Academy?

No se requiere experiencia previa. R Academy en CoddyKit está estructurado para principiantes hasta estudiantes avanzados, así que puedes empezar aquí o desde el inicio y avanzar a tu ritmo. Esta es la lección 2 de 4.

¿Cuánto tiempo toma la lección «Escritura de modelos de Stan en R»?

La mayoría de las lecciones de CoddyKit toman alrededor de 5–10 minutos. Cada una es compacta e interactiva, así que avanzas constantemente y retomas exactamente por donde dejaste en la web y la app.

¿Puedo escribir y ejecutar código en esta lección de R Academy?

Sí. Cada lección de R Academy incluye un editor de código integrado, así que escribes y ejecutas código real directamente en tu navegador y obtienes retroalimentación instantánea de IA — sin configuración local necesaria.

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