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

虽然这里有这个问题的解决方案，但请看看我的解决方案。这是非常简单和工作良好。

import numpy as np
dataset = np.asarray([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7])
ma = list()
window = 3
for t in range(0, len(dataset)):
    if t+window <= len(dataset):
        indices = range(t, t+window)
        ma.append(np.average(np.take(dataset, indices)))
else:
    ma = np.asarray(ma)

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。

比起numpy或scipy，我建议熊猫们更快地做到这一点:

df['data'].rolling(3).mean()

这取列“数据”的3个周期的移动平均值(MA)。你也可以计算移位的版本，例如排除当前单元格的版本(向后移位一个)可以很容易地计算为:

df['data'].shift(periods=1).rolling(3).mean()

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。

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