Python中是否有SciPy函数或NumPy函数或模块来计算给定特定窗口的1D数组的运行平均值?
当前回答
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。
其他回答
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。
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]。
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。
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
Python标准库解决方案
这个生成器函数接受一个可迭代对象和一个窗口大小为N的值,并生成窗口内当前值的平均值。它使用了deque,这是一种类似于列表的数据结构,但针对在两端进行快速修改(弹出、追加)进行了优化。
from collections import deque
from itertools import islice
def sliding_avg(iterable, N):
it = iter(iterable)
window = deque(islice(it, N))
num_vals = len(window)
if num_vals < N:
msg = 'window size {} exceeds total number of values {}'
raise ValueError(msg.format(N, num_vals))
N = float(N) # force floating point division if using Python 2
s = sum(window)
while True:
yield s/N
try:
nxt = next(it)
except StopIteration:
break
s = s - window.popleft() + nxt
window.append(nxt)
下面是函数的运行情况:
>>> values = range(100)
>>> N = 5
>>> window_avg = sliding_avg(values, N)
>>>
>>> next(window_avg) # (0 + 1 + 2 + 3 + 4)/5
>>> 2.0
>>> next(window_avg) # (1 + 2 + 3 + 4 + 5)/5
>>> 3.0
>>> next(window_avg) # (2 + 3 + 4 + 5 + 6)/5
>>> 4.0
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