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。

虽然这里有这个问题的解决方案，但请看看我的解决方案。这是非常简单和工作良好。

import numpy as np
dataset = np.asarray([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7])
ma = list()
window = 3
for t in range(0, len(dataset)):
    if t+window <= len(dataset):
        indices = range(t, t+window)
        ma.append(np.average(np.take(dataset, indices)))
else:
    ma = np.asarray(ma)

如果你选择自己生成，而不是使用现有的库，请注意浮点错误并尽量减少其影响:

class SumAccumulator:
    def __init__(self):
        self.values = [0]
        self.count = 0

    def add( self, val ):
        self.values.append( val )
        self.count = self.count + 1
        i = self.count
        while i & 0x01:
            i = i >> 1
            v0 = self.values.pop()
            v1 = self.values.pop()
            self.values.append( v0 + v1 )

    def get_total(self):
        return sum( reversed(self.values) )

    def get_size( self ):
        return self.count

如果所有的值都是大致相同的数量级，那么这将通过始终添加大致相似的数量级值来帮助保持精度。

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()

出于教学目的，让我再添加两个Numpy解决方案(比cumsum解决方案慢):

import numpy as np
from numpy.lib.stride_tricks import as_strided

def ra_strides(arr, window):
    ''' Running average using as_strided'''
    n = arr.shape[0] - window + 1
    arr_strided = as_strided(arr, shape=[n, window], strides=2*arr.strides)
    return arr_strided.mean(axis=1)

def ra_add(arr, window):
    ''' Running average using add.reduceat'''
    n = arr.shape[0] - window + 1
    indices = np.array([0, window]*n) + np.repeat(np.arange(n), 2)
    arr = np.append(arr, 0)
    return np.add.reduceat(arr, indices )[::2]/window

使用的函数:as_strided, add.reduceat