一个新的卷积配方被合并到Python 3.10中。

鉴于

import collections, operator

from itertools import chain, repeat


size = 3 + 1
kernel = [1/size] * size                                              

Code

def convolve(signal, kernel):
    # See:  https://betterexplained.com/articles/intuitive-convolution/
    # convolve(data, [0.25, 0.25, 0.25, 0.25]) --> Moving average (blur)
    # convolve(data, [1, -1]) --> 1st finite difference (1st derivative)
    # convolve(data, [1, -2, 1]) --> 2nd finite difference (2nd derivative)
    kernel = list(reversed(kernel))
    n = len(kernel)
    window = collections.deque([0] * n, maxlen=n)
    for x in chain(signal, repeat(0, n-1)):
        window.append(x)
        yield sum(map(operator.mul, kernel, window))

Demo

list(convolve(range(1, 6), kernel))
# [0.25, 0.75, 1.5, 2.5, 3.5, 3.0, 2.25, 1.25]

细节

卷积是一种可以应用于移动平均的一般数学运算。其思想是，给定一些数据，您将数据子集(窗口)作为“掩码”或“内核”在数据中滑动，在每个窗口上执行特定的数学操作。在移动平均的情况下，核是平均值:

现在可以通过more_itertools.convolve使用这个实现。 More_itertools是一个流行的第三方包;通过> PIP Install more_itertools安装。

上述所有的解决方案都很差，因为它们缺乏

由于本机python而不是numpy向量化实现， 数值稳定性，由于numpy使用不当。cumsum或 由于O(len(x) * w)实现为卷积的速度。

鉴于

import numpy
m = 10000
x = numpy.random.rand(m)
w = 1000

注意x_[:w].sum()等于x[:w-1].sum()。因此，对于第一个平均值，numpy.cumsum(…)加上x[w] / w(通过x_[w+1] / w)，并减去0(从x_[0] / w)。结果是x[0:w].mean()

通过cumsum，您将通过添加x[w+1] / w并减去x[0] / w来更新第二个平均值，从而得到x[1:w+1].mean()。

这将一直进行，直到到达x[-w:].mean()。

x_ = numpy.insert(x, 0, 0)
sliding_average = x_[:w].sum() / w + numpy.cumsum(x_[w:] - x_[:-w]) / w

这个解是向量化的，O(m)，可读且数值稳定。

你可以用以下方法计算运行平均值:

import numpy as np

def runningMean(x, N):
    y = np.zeros((len(x),))
    for ctr in range(len(x)):
         y[ctr] = np.sum(x[ctr:(ctr+N)])
    return y/N

但是速度很慢。

幸运的是，numpy包含一个卷积函数，我们可以用它来加快速度。运行均值相当于将x与一个长度为N的向量进行卷积，其中所有元素都等于1/N。卷积的numpy实现包括起始瞬态，所以你必须删除前N-1点:

def runningMeanFast(x, N):
    return np.convolve(x, np.ones((N,))/N)[(N-1):]

在我的机器上，快速版本要快20-30倍，这取决于输入向量的长度和平均窗口的大小。

请注意，卷积确实包括一个“相同”模式，它似乎应该解决开始的瞬态问题，但它在开始和结束之间分割。

有关现成的解决方案，请参见https://scipy-cookbook.readthedocs.io/items/SignalSmooth.html。 它提供了平窗类型的运行平均值。请注意，这比简单的do-it-yourself卷积方法要复杂一些，因为它试图通过反射数据来处理数据开头和结尾的问题(在您的情况下可能有效，也可能无效……)。

首先，你可以试着:

a = np.random.random(100)
plt.plot(a)
b = smooth(a, window='flat')
plt.plot(b)

更新:已经提出了更有效的解决方案，scipy的uniform_filter1d可能是“标准”第三方库中最好的，还有一些更新的或专门的库可用。

你可以用np。卷积得到:

np.convolve(x, np.ones(N)/N, mode='valid')

解释

The running mean is a case of the mathematical operation of convolution. For the running mean, you slide a window along the input and compute the mean of the window's contents. For discrete 1D signals, convolution is the same thing, except instead of the mean you compute an arbitrary linear combination, i.e., multiply each element by a corresponding coefficient and add up the results. Those coefficients, one for each position in the window, are sometimes called the convolution kernel. The arithmetic mean of N values is (x_1 + x_2 + ... + x_N) / N, so the corresponding kernel is (1/N, 1/N, ..., 1/N), and that's exactly what we get by using np.ones(N)/N.

边缘

np的模态参数。Convolve指定如何处理边缘。我在这里选择有效模式，因为我认为这是大多数人期望的运行方式，但您可能有其他优先级。下面是一个图表，说明了模式之间的差异:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
modes = ['full', 'same', 'valid']
for m in modes:
    plt.plot(np.convolve(np.ones(200), np.ones(50)/50, mode=m));
plt.axis([-10, 251, -.1, 1.1]);
plt.legend(modes, loc='lower center');
plt.show()

另一种不使用numpy或pandas找到移动平均线的方法

import itertools
sample = [2, 6, 10, 8, 11, 10]
list(itertools.starmap(
    lambda a,b: b/a, 
    enumerate(itertools.accumulate(sample), 1))
)

将打印[2.0,4.0,6.0,6.5,7.4,7.83333333333333333]

2.0 = (2)/1 4.0 is (2 + 6) / 2 6.0 = (2 + 6 + 10) / 3 .