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
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]。
其他回答
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
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。
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()
更新:下面的例子展示了老熊猫。Rolling_mean函数,该函数在最近版本的pandas中已被删除。该函数调用的现代等价函数将使用pandas.Series.rolling:
In [8]: pd.Series(x).rolling(window=N).mean().iloc[N-1:].values
Out[8]:
array([ 0.49815397, 0.49844183, 0.49840518, ..., 0.49488191,
0.49456679, 0.49427121])
pandas比NumPy或SciPy更适合这一点。它的函数rolling_mean很方便地完成了这项工作。当输入是一个数组时,它还返回一个NumPy数组。
使用任何定制的纯Python实现都很难在性能上击败rolling_mean。下面是针对两个提议的解决方案的性能示例:
In [1]: import numpy as np
In [2]: import pandas as pd
In [3]: def running_mean(x, N):
...: cumsum = np.cumsum(np.insert(x, 0, 0))
...: return (cumsum[N:] - cumsum[:-N]) / N
...:
In [4]: x = np.random.random(100000)
In [5]: N = 1000
In [6]: %timeit np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid')
10 loops, best of 3: 172 ms per loop
In [7]: %timeit running_mean(x, N)
100 loops, best of 3: 6.72 ms per loop
In [8]: %timeit pd.rolling_mean(x, N)[N-1:]
100 loops, best of 3: 4.74 ms per loop
In [9]: np.allclose(pd.rolling_mean(x, N)[N-1:], running_mean(x, N))
Out[9]: True
关于如何处理边缘值,也有很好的选项。
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。
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