高效的解决方案

卷积比直接的方法好得多，但(我猜)它使用FFT，因此相当慢。但是，下面的方法特别适用于计算运行平均值

def running_mean(x, N):
    cumsum = numpy.cumsum(numpy.insert(x, 0, 0)) 
    return (cumsum[N:] - cumsum[:-N]) / float(N)

要检查的代码

In[3]: x = numpy.random.random(100000)
In[4]: N = 1000
In[5]: %timeit result1 = numpy.convolve(x, numpy.ones((N,))/N, mode='valid')
10 loops, best of 3: 41.4 ms per loop
In[6]: %timeit result2 = running_mean(x, N)
1000 loops, best of 3: 1.04 ms per loop

注意numpy。allclose(result1, result2)为True，两个方法等价。 N越大，时间差异越大。

警告:虽然cumsum更快，但会增加浮点错误，这可能导致您的结果无效/不正确/不可接受

这里的评论指出了这个浮点错误问题，但我在回答中让它更明显。

# demonstrate loss of precision with only 100,000 points
np.random.seed(42)
x = np.random.randn(100000)+1e6
y1 = running_mean_convolve(x, 10)
y2 = running_mean_cumsum(x, 10)
assert np.allclose(y1, y2, rtol=1e-12, atol=0)

the more points you accumulate over the greater the floating point error (so 1e5 points is noticable, 1e6 points is more significant, more than 1e6 and you may want to resetting the accumulators) you can cheat by using np.longdouble but your floating point error still will get significant for relatively large number of points (around >1e5 but depends on your data) you can plot the error and see it increasing relatively fast the convolve solution is slower but does not have this floating point loss of precision the uniform_filter1d solution is faster than this cumsum solution AND does not have this floating point loss of precision

仅使用Python标准库(内存高效)

只提供标准库deque的另一个版本。令我惊讶的是，大多数答案都使用pandas或numpy。

def moving_average(iterable, n=3):
    d = deque(maxlen=n)
    for i in iterable:
        d.append(i)
        if len(d) == n:
            yield sum(d)/n

r = moving_average([40, 30, 50, 46, 39, 44])
assert list(r) == [40.0, 42.0, 45.0, 43.0]

实际上，我在python文档中找到了另一个实现

def moving_average(iterable, n=3):
    # moving_average([40, 30, 50, 46, 39, 44]) --> 40.0 42.0 45.0 43.0
    # http://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
    it = iter(iterable)
    d = deque(itertools.islice(it, n-1))
    d.appendleft(0)
    s = sum(d)
    for elem in it:
        s += elem - d.popleft()
        d.append(elem)
        yield s / n

然而，在我看来，实现似乎比它应该的要复杂一些。但它肯定在标准python文档中是有原因的，有人能评论一下我的实现和标准文档吗?

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)

我的解决方案是基于维基百科上的“简单移动平均”。

from numba import jit
@jit
def sma(x, N):
    s = np.zeros_like(x)
    k = 1 / N
    s[0] = x[0] * k
    for i in range(1, N + 1):
        s[i] = s[i - 1] + x[i] * k
    for i in range(N, x.shape[0]):
        s[i] = s[i - 1] + (x[i] - x[i - N]) * k
    s = s[N - 1:]
    return s

与之前建议的解决方案相比，它比scipy最快的解决方案“uniform_filter1d”快两倍，并且具有相同的错误顺序。 速度测试:

import numpy as np    
x = np.random.random(10000000)
N = 1000

from scipy.ndimage.filters import uniform_filter1d
%timeit uniform_filter1d(x, size=N)
95.7 ms ± 9.34 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
%timeit sma(x, N)
47.3 ms ± 3.42 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)

错误的比较:

np.max(np.abs(np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid') - uniform_filter1d(x, size=N, mode='constant', origin=-(N//2))[:-(N-1)]))
8.604228440844963e-14
np.max(np.abs(np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid') - sma(x, N)))
1.41886502547095e-13

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。