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。

上面有很多关于计算运行平均值的答案。我的回答增加了两个额外的特征:

忽略nan值 计算N个相邻值的平均值，不包括兴趣值本身

这第二个特征对于确定哪些值与总体趋势有一定的差异特别有用。

我使用numpy。cumsum，因为这是最省时的方法(参见上面Alleo的回答)。

N=10 # number of points to test on each side of point of interest, best if even
padded_x = np.insert(np.insert( np.insert(x, len(x), np.empty(int(N/2))*np.nan), 0, np.empty(int(N/2))*np.nan ),0,0)
n_nan = np.cumsum(np.isnan(padded_x))
cumsum = np.nancumsum(padded_x) 
window_sum = cumsum[N+1:] - cumsum[:-(N+1)] - x # subtract value of interest from sum of all values within window
window_n_nan = n_nan[N+1:] - n_nan[:-(N+1)] - np.isnan(x)
window_n_values = (N - window_n_nan)
movavg = (window_sum) / (window_n_values)

这段代码只适用于偶数n。它可以通过改变np来调整奇数。插入padded_x和n_nan。

输出示例(黑色为raw，蓝色为movavg):

这段代码可以很容易地修改，以删除从小于cutoff = 3的非nan值计算的所有移动平均值。

window_n_values = (N - window_n_nan).astype(float) # dtype must be float to set some values to nan
cutoff = 3
window_n_values[window_n_values<cutoff] = np.nan
movavg = (window_sum) / (window_n_values)

我知道这是一个老问题，但这里有一个解决方案，它不使用任何额外的数据结构或库。它在输入列表的元素数量上是线性的，我想不出任何其他方法来使它更有效(实际上，如果有人知道更好的分配结果的方法，请告诉我)。

注意:使用numpy数组而不是列表会快得多，但我想消除所有依赖关系。通过多线程执行也可以提高性能

该函数假设输入列表是一维的，所以要小心。

### Running mean/Moving average
def running_mean(l, N):
    sum = 0
    result = list( 0 for x in l)

    for i in range( 0, N ):
        sum = sum + l[i]
        result[i] = sum / (i+1)

    for i in range( N, len(l) ):
        sum = sum - l[i-N] + l[i]
        result[i] = sum / N

    return result

例子

假设我们有一个列表data =[1,2,3,4,5,6]，我们想在它上面计算周期为3的滚动平均值，并且你还想要一个与输入列表相同大小的输出列表(这是最常见的情况)。

第一个元素的索引为0，因此滚动平均值应该在索引为-2、-1和0的元素上计算。显然，我们没有data[-2]和data[-1](除非您想使用特殊的边界条件)，因此我们假设这些元素为0。这相当于对列表进行零填充，除了我们实际上不填充它，只是跟踪需要填充的索引(从0到N-1)。

所以，对于前N个元素，我们只是在累加器中不断地把元素加起来。

result[0] = (0 + 0 + 1) / 3  = 0.333    ==   (sum + 1) / 3
result[1] = (0 + 1 + 2) / 3  = 1        ==   (sum + 2) / 3
result[2] = (1 + 2 + 3) / 3  = 2        ==   (sum + 3) / 3

从元素N+1开始，简单的累加是行不通的。我们期望的结果是[3]=(2 + 3 + 4)/3 = 3，但这与(sum + 4)/3 = 3.333不同。

计算正确值的方法是用sum+4减去数据[0]= 1，从而得到sum+4 - 1 = 9。

这是因为目前sum =数据[0]+数据[1]+数据[2]，但对于每个i >= N也是如此，因为在减法之前，sum是数据[i-N] +…+ data[i-2] + data[i-1]。

如果你必须为非常小的数组(少于200个元素)重复这样做，我发现只用线性代数就能得到最快的结果。 最慢的部分是建立你的乘法矩阵y，你只需要做一次，但之后可能会更快。

import numpy as np
import random 

N = 100      # window size
size =200     # array length

x = np.random.random(size)
y = np.eye(size, dtype=float)

# prepare matrix
for i in range(size):
  y[i,i:i+N] = 1./N
  
# calculate running mean
z = np.inner(x,y.T)[N-1:]

有点晚了，但我已经做了我自己的小函数，它不环绕端点或垫与零，然后用于查找平均值。进一步的处理是，它还在线性间隔点上对信号进行重新采样。随意定制代码以获得其他特性。

该方法是一个简单的矩阵乘法与规范化高斯核。

def running_mean(y_in, x_in, N_out=101, sigma=1):
    '''
    Returns running mean as a Bell-curve weighted average at evenly spaced
    points. Does NOT wrap signal around, or pad with zeros.
    
    Arguments:
    y_in -- y values, the values to be smoothed and re-sampled
    x_in -- x values for array
    
    Keyword arguments:
    N_out -- NoOf elements in resampled array.
    sigma -- 'Width' of Bell-curve in units of param x .
    '''
    import numpy as np
    N_in = len(y_in)

    # Gaussian kernel
    x_out = np.linspace(np.min(x_in), np.max(x_in), N_out)
    x_in_mesh, x_out_mesh = np.meshgrid(x_in, x_out)
    gauss_kernel = np.exp(-np.square(x_in_mesh - x_out_mesh) / (2 * sigma**2))
    # Normalize kernel, such that the sum is one along axis 1
    normalization = np.tile(np.reshape(np.sum(gauss_kernel, axis=1), (N_out, 1)), (1, N_in))
    gauss_kernel_normalized = gauss_kernel / normalization
    # Perform running average as a linear operation
    y_out = gauss_kernel_normalized @ y_in

    return y_out, x_out

正弦信号加正态分布噪声的一个简单用法:

我觉得使用瓶颈可以很好地解决这个问题

参见下面的基本示例:

import numpy as np
import bottleneck as bn

a = np.random.randint(4, 1000, size=100)
mm = bn.move_mean(a, window=5, min_count=1)

“mm”是“a”的移动平均值。 “窗口”是考虑移动均值的最大条目数。 "min_count"是考虑移动平均值的最小条目数(例如，对于前几个元素或如果数组有nan值)。

好在瓶颈有助于处理nan值，而且非常高效。