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?

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。

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

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:]

这个问题现在甚至比NeXuS上个月写的时候更古老，但我喜欢他的代码处理边缘情况的方式。然而，因为它是一个“简单移动平均”，它的结果滞后于它们应用的数据。我认为，通过对基于卷积()的方法应用类似的方法，可以以比NumPy的模式valid、same和full更令人满意的方式处理边缘情况。

我的贡献使用了一个中央运行平均值，以使其结果与他们的数据相一致。当可供使用的全尺寸窗口的点太少时，将从数组边缘的连续较小窗口计算运行平均值。[实际上，从连续较大的窗口，但这是一个实现细节。]

import numpy as np

def running_mean(l, N):
    # Also works for the(strictly invalid) cases when N is even.
    if (N//2)*2 == N:
        N = N - 1
    front = np.zeros(N//2)
    back = np.zeros(N//2)

    for i in range(1, (N//2)*2, 2):
        front[i//2] = np.convolve(l[:i], np.ones((i,))/i, mode = 'valid')
    for i in range(1, (N//2)*2, 2):
        back[i//2] = np.convolve(l[-i:], np.ones((i,))/i, mode = 'valid')
    return np.concatenate([front, np.convolve(l, np.ones((N,))/N, mode = 'valid'), back[::-1]])

它相对较慢，因为它使用了卷积()，并且可能会被真正的Pythonista修饰很多，但是，我相信这个想法是成立的。

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。