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

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。

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)

移动平均过滤器怎么样?它也是一个单行程序，它的优点是，如果你需要矩形以外的东西，你可以很容易地操作窗口类型。一个n长的简单移动平均数组a:

lfilter(np.ones(N)/N, [1], a)[N:]

应用三角形窗口后:

lfilter(np.ones(N)*scipy.signal.triang(N)/N, [1], a)[N:]

注:我通常会在最后丢弃前N个样本作为假的，因此[N:]，但这是没有必要的，只是个人选择的问题。

上面有很多关于计算运行平均值的答案。我的回答增加了两个额外的特征:

忽略nan值 计算N个相邻值的平均值，不包括兴趣值本身

这第二个特征对于确定哪些值与总体趋势有一定的差异特别有用。

我使用numpy。cumsum，因为这是最省时的方法(参见上面Alleo的回答)。

N=10 # number of points to test on each side of point of interest, best if even
padded_x = np.insert(np.insert( np.insert(x, len(x), np.empty(int(N/2))*np.nan), 0, np.empty(int(N/2))*np.nan ),0,0)
n_nan = np.cumsum(np.isnan(padded_x))
cumsum = np.nancumsum(padded_x) 
window_sum = cumsum[N+1:] - cumsum[:-(N+1)] - x # subtract value of interest from sum of all values within window
window_n_nan = n_nan[N+1:] - n_nan[:-(N+1)] - np.isnan(x)
window_n_values = (N - window_n_nan)
movavg = (window_sum) / (window_n_values)

这段代码只适用于偶数n。它可以通过改变np来调整奇数。插入padded_x和n_nan。

输出示例(黑色为raw，蓝色为movavg):

这段代码可以很容易地修改，以删除从小于cutoff = 3的非nan值计算的所有移动平均值。

window_n_values = (N - window_n_nan).astype(float) # dtype must be float to set some values to nan
cutoff = 3
window_n_values[window_n_values<cutoff] = np.nan
movavg = (window_sum) / (window_n_values)

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。