Как рассчитать скользящее среднее (среднее арифметическое) в Pandas

В этом посте вы узнаете, как рассчитать скользящее среднее в Pandas с использованием функции rolling(). Скользящие средние также известны как переменные средние

Создание скользящего среднего позволяет "сгладить" небольшие колебания в наборах данных, позволяя при этом прослеживать тенденции. Часто это используется в макроэкономике, например, при анализе уровня безработицы, валового внутреннего продукта и цен на акции. Скользящее среднее используется для создания подмножества полных данных и расчета среднего для этого подмножества. Это позволяет сгладить данные с высокой степенью колебаний.

К концу этого учебного пособия вы научитесь:

• Как рассчитать скользящее среднее в Pandas

• Как понять синтаксис метода .rolling()

• Как изменить центр скользящего среднего

• Как рассчитать скользящее среднее значение групп с помощью Pandas .groupby()

• Как использовать другие параметры, такие как относительно новый параметр step=

Обновлено в 2023 году для включения более продвинутых способов использования, включая вычисление скользящего среднего по группам ваших данных и новый параметр step= , введенный в версии Pandas 1.5.

Влияние скользящего среднего на ваши данные

Оглавление

• Загрузка нашего набора данных

• Объяснение функции Pandas Rolling()

• Создание скользящего среднего в Pandas

• Визуализация скользящей средней в Pandas

• Изменение центра скользящего среднего в Pandas

• Понимание параметра min_ periods в скользящем среднем Pandas

• Вычисление скользящего среднего с помощью объекта GroupBy в Pandas

• Вычислить скользящее среднее в Pandas с подсчетом шагов

• Заключение

• Дополнительные ресурсы

Загрузка нашего набора данных

Давайте загрузим набор данных для исследования функции сдвига. Мы использовать функцию date_range в Pandas для создания диапазона дат

import pandas as pd

prices = [62, 64, 63, 69, 71, 73, 74, 76, 75, 74, 72, 86, 98, 85, 103, 92, 93, 96, 96, 75, 84, 91, 71, 108, 106, 106, 115, 116, 122, 108, 101, 125, 119, 107, 123, 109, 163, 149, 99, 137, 110, 187, 116, 123, 144, 119, 176, 155, 179, 179, 123, 133, 200, 193, 136, 167, 131, 179, 200, 192, 138, 164, 210, 174, 257, 180, 173, 221, 204, 187, 283, 198, 223, 218, 198, 168, 279, 187, 261, 210, 221, 201, 257, 160, 312, 169, 239, 277, 148, 236, 255]

dates = pd.date_range('2022-04-01', periods=len(prices))

df = pd.DataFrame(data=zip(dates, prices), columns=['Date', 'Price'])
print(df.head())

Мы вывели на печать первые пять строк, используя функцию head:

#         Date  Price
# 0 2022-04-01     62
# 1 2022-04-02     64
# 2 2022-04-03     63
# 3 2022-04-04     69
# 4 2022-04-05     71

Объяснение функции Pandas Rolling()

Для расчета скользящего среднего в Pandas используется сочетание функций rolling() и mean(). Давайте рассмотрим функцию rolling() в Pandas подробнее:

# Понимание метода Pandas .rolling()
DataFrame.rolling(window, min_periods=None, center=False, win_type=None, on=None, axis=0, closed=None, step=None, method='single')

В таблице ниже представлены различные параметры метода .rolling(), включая их значения по умолчанию и принятые значения:

Параметр	Значение по умолчанию	Описание	Принятые значения
window	Required	Размер скользящего окна (количество периодов, включаемых в расчет среднего значения)	Integer > 0
min_periods	1	Минимальное количество периодов, необходимое для получения достоверного результата (гарантирует, что в окне достаточно периодов для приемлемого среднего расчета).	Integer >= 0 (If None, defaults to window value)
center	False	Указывает, следует ли установить окно в центре точек данных или использовать завершающее окно (True устанавливает центр окна, False использует завершающее окно)	Boolean (True or False)
win_type	None	Тип окна, используемый для расчета среднего значения, влияющий на определение границ окна. Если нет, все баллы имеют одинаковый вес.	None or string: {‘boxcar’, ‘triang’, ‘blackman’, ‘hamming’, ‘bartlett’, ‘parzen’, ‘bohman’, ‘blackmanharris’, ‘nuttall’, ‘barthann’, ‘kaiser’, ‘gaussian’, ‘general_gaussian’, ‘slepian’, ‘dpss’, ‘chebwin’, ‘exponential’, ‘tukey’, ‘taylor’}
on	None	Для DataFrame — столбец, по которому рассчитывается скользящее среднее. Если нет, используется индекс.	Column label or None
axis	0	Ось, по которой вычисляется скользящее среднее	Integer {0 or 1} or string {‘index’, ‘columns’}
closed	‘right’	Сторона интервала окна, которую нужно закрыть (либо оба конца, либо только правый конец, либо только левый конец). Определяет, какие точки данных включены, при этом «право» является значением по умолчанию.	{‘right’, ‘left’, ‘both’, ‘neither’}
step	None	размер шага окна
method	'single'	метод вычисления окна	'single' используется для обычных оконных функций, 'table' для более сложных операций.

Теперь, когда у вас есть хорошее понимание метода .rolling(), давайте начнем вычислять скользящее среднее в Pandas.

Создание скользящего среднего в Pandas

В предыдущем разделе вы узнали, что метод .rolling() в Pandas возвращает скользящее окно заданного размера. Предположим, мы хотим рассчитать скользящее окно размера 7, мы можем просто передать целое число 7.

# Вычисление скользящего среднего с помощью Pandas
df['Rolling'] = df['Price'].rolling(7).mean()

print(df.head(10))

Возвращает это:

        Date  Price    Rolling
0 2022-04-01     62        NaN
1 2022-04-02     64        NaN
2 2022-04-03     63        NaN
3 2022-04-04     69        NaN
4 2022-04-05     71        NaN
5 2022-04-06     73        NaN
6 2022-04-07     74  68.000000
7 2022-04-08     76  70.000000
8 2022-04-09     75  71.571429
9 2022-04-10     74  73.142857

Давайте разберем, что мы здесь сделали:

1. Мы создали новый столбец, используя метод rolling()

2. Мы использовали значение 7 для создания скользящего 7-дневного окна.

3. Мы затем применили метод .mean() для расчёта среднего значения этого скользящего окна.

Важно отметить, что здесь необходимо передавать цепочечный метод. В противном случае Python выдаст ошибку. Здесь вы можете передать различные методы для расчета других скользящих статистик.

Визуализация скользящей средней в Pandas

Давайте создадим визуализацию, чтобы продемонстрировать преимущества использования скользящего среднего. Чтобы визуализировать данные без использования скользящего среднего, мы можем написать следующий код:

# Визуализация данных без скользящих средних
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(df['Date'], df['Price'])
plt.title('Данные без скользящего среднего')

plt.show()

Данные без скользящего среднего

Чтобы визуализировать, какое влияние оказывает скользящее среднее на сглаживание данных, мы можем построить два столбца на одном графике:

# Построение графика с учетом эффекта скользящего среднего
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(df['Date'], df['Price'])
plt.plot(df['Date'], df['Rolling'])
plt.title('Данные со скользящим средним')

plt.show()

Это возвращает следующее изображение:

Эффект скользящего среднего в Pandas

Изменение центра скользящего среднего в Pandas

По умолчанию Pandas использует крайнее правое значение для результатов, полученных в окне. Поэтому наши данные начинаются с седьмого дня, так как данных за первые шесть дней не существует. Мы можем изменить это поведение, модифицируя аргумент center= на True. Это приведет к тому, что значение "сдвинется" к центру индекса окна.

Давайте посмотрим, как мы можем сделать это в Pandas:

# Модификация центра окна
df = pd.DataFrame(data=zip(dates, prices), columns=['Date', 'Price'])
df['Rolling'] = df['Price'].rolling(7).mean()

df['Rolling Center'] = df['Price'].rolling(7, center=True).mean()

print(df.head(10))

# Returns:
#         Date  Price    Rolling  Rolling Center
# 0 2022-04-01     62        NaN             NaN
# 1 2022-04-02     64        NaN             NaN
# 2 2022-04-03     63        NaN             NaN
# 3 2022-04-04     69        NaN       68.000000
# 4 2022-04-05     71        NaN       70.000000
# 5 2022-04-06     73        NaN       71.571429
# 6 2022-04-07     74  68.000000       73.142857
# 7 2022-04-08     76  70.000000       73.571429
# 8 2022-04-09     75  71.571429       75.714286
# 9 2022-04-10     74  73.142857       79.285714

Мы видим, что окно было скорректировано. В результате этой коррекции, прокручиваемые данные начались с центра окна (который в данном случае был 4-й записью).

Понимание параметра min_ periods в скользящем среднем Pandas

Параметр min_periods играет ключевую роль в расчете скользящих средних в конкретных сценариях. Иногда для получения значимых результатов необходимо иметь достаточное количество данных в движущемся окне.

Параметр min_periods позволяет указать минимальное количество периодов, необходимых для получения допустимого результата при расчете скользящего среднего. Если в окне недостаточно периодов, функция вернет NaN (не число) для данного скользящего окна.

Этот параметр полезен для управления ситуациями, когда у вас есть нерегулярные или отсутствующие данные, или когда вы хотите обеспечить наличие достаточного количества данных для надежного расчета скользящего среднего.

Давайте исследуем параметр min_periods с нашим предыдущим набором данных:

# Изменение минимального количества периодов
import pandas as pd

prices = [62, 64, 63, 69, 71, 73, 74, 76, 75, 74, 72, 86, 98, 85, 103, 92, 93, 96, 96, 75, 84, 91, 71, 108, 106, 106, 115, 116, 122, 108, 101, 125, 119, 107, 123, 109, 163, 149, 99, 137, 110, 187, 116, 123, 144, 119, 176, 155, 179, 179, 123, 133, 200, 193, 136, 167, 131, 179, 200, 192, 138, 164, 210, 174, 257, 180, 173, 221, 204, 187, 283, 198, 223, 218, 198, 168, 279, 187, 261, 210, 221, 201, 257, 160, 312, 169, 239, 277, 148, 236, 255]

dates = pd.date_range('2022-04-01', periods=len(prices))
df = pd.DataFrame(data=zip(dates, prices), columns=['Date', 'Price'])

df['With Min Periods'] = df['Price'].rolling(window=4, min_periods=2).mean()
print(df.head())

# Returns:
#         Date  Price  With Min Periods
# 0 2022-04-01     62               NaN
# 1 2022-04-02     64             63.00
# 2 2022-04-03     63             63.00
# 3 2022-04-04     69             64.50
# 4 2022-04-05     71             66.75

Давайте разберем, что делает этот блок кода:

1. Начнем с создания DataFrame df с нашими образцами данных.

2. Затем мы вызываем метод rolling() для столбца 'Price' с размером окна в 4 периода и аргументом min_periods=2. Это указывает на то, что для получения допустимого результата нам требуется минимум 2 точки данных внутри скользящего окна. Если точек данных меньше 2, расчет приведет к NaN.

3. Затем мы используем функцию mean() для расчета скользящего среднего для каждого окна.

4. Наконец, мы присваиваем это новому столбцу, `'С минимальным количеством периодов'

Используя параметр min_periods, мы можем эффективно управлять ситуациями, когда для значимых расчетов скользящего среднего необходим минимальный объем данных. Это полезно для избежания потенциальных предвзятостей или ошибок при обработке нерегулярных или неполных данных в анализе.

Вычисление скользящего среднего с помощью объекта GroupBy в Pandas

В некоторых случаях вам может потребоваться вычислить скользящее среднее для различных групп в вашем наборе данных. Это тот случай, когда сочетание метода groupby со скользящим средним оказывается очень полезным. В этом разделе мы продемонстрируем, как использовать объект groupby для расчета скользящих средних для отдельных групп, используя набор данных, где мы добавляем дополнительный столбец для представления каждой группы.

Сначала давайте создадим образец DataFrame Pandas с колонкой 'group':

# Добавление группы в наш DataFrame
import pandas as pd

data = {
    'date': pd.date_range(start='1/1/2021', periods=15),
    'value': [1, 4, 6, 4, 5, 3, 6, 8, 10, 7, 6, 4, 2, 1, 3],
    'group': ['A', 'A', 'B', 'B', 'A', 'A', 'B', 'B', 'A', 'A', 'B', 'B', 'A', 'A', 'B']
}

df = pd.DataFrame(data)

Теперь давайте вычислим скользящее среднее для каждой группы, используя окно из 3 периодов:

# Вычисление скользящего среднего по группам
df['Avg'] = df.groupby('group')['value'].transform(lambda x: x.rolling(3, 3).mean())
print(df.head(7))

# Returns:
#          date  value group       Avg
# 0  2021-01-01      1     A       NaN
# 1  2021-01-02      4     A       NaN
# 2  2021-01-03      6     B       NaN
# 3  2021-01-04      4     B       NaN
# 4  2021-01-05      5     A  3.333333
# 5  2021-01-06      3     A  4.000000
# 6  2021-01-07      6     B  5.333333

Давайте разберем, что мы сделали в приведенном выше блоке кода:

1. Сначала мы используем df.groupby('group') для группировки данных по столбцу ‘group’. В нашем примере есть две группы: ‘A’ и ‘B’.

2. После этого мы применяем вычисление скользящего среднего для столбца value, используя построение цепочки ['value'].rolling(window=3, min_periods=3). Это указывает Pandas вычислять скользящее среднее для каждой группы отдельно, используя окно из 3 периодов и минимум 3 периода для получения допустимого результата.

3. Мы используем функцию mean() для расчета фактического скользящего среднего для каждого окна внутри групп.

DataFrame rolling_avg_group теперь содержит значения скользящего среднего для каждой группы (A и B), рассчитанные независимо.

Вычислить скользящее среднее в Pandas с подсчетом шагов

Если вы хотите вычислить скользящее среднее, используя количество шагов, вы можете использовать параметр step=. Этот параметр относительно новый и был введен только в Pandas версии 1.5.

Это работает так же, как и первоначальное разделение данных с помощью [::step], но избавляет вас от необходимости пропускать данные в вашем DataFrame. Чтобы рассчитать скользящее среднее с шагом в Pandas, вы можете использовать следующее:

df['Stepped Rolling'] = df['Price'].rolling(3, step=3).mean()
print(df.head(7))

# Returns:
#         Date  Price  Stepped Rolling
# 0 2022-04-01     62              NaN
# 1 2022-04-02     64              NaN
# 2 2022-04-03     63              NaN
# 3 2022-04-04     69        65.333333
# 4 2022-04-05     71              NaN
# 5 2022-04-06     73              NaN
# 6 2022-04-07     74        72.666667

Мы видим, что первое значение формируется после существования трех полных значений. Затем среднее значение рассчитывается только для каждого третьего значения.

Заключение

В этом уроке вы научились вычислять скользящее среднее с использованием Pandas. Вы узнали, что такое скользящее среднее и почему оно полезно. Затем вы научились использовать функцию .rolling() в Pandas для создания скользящего окна, к которому применялся метод .mean(). Вы также научились визуализировать данные, а также изменять центр скользящего окна.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о схожих темах, ознакомьтесь с приведенными ниже учебными материалами:

• Среднее значение Pandas: рассчитать среднее значение Pandas для одного или нескольких столбцов

• Линейные диаграммы Matplotlib – узнайте все, что вам нужно знать

• Чтобы узнать больше о функции прокрутки, ознакомьтесь с официальной документацией.

• Ссылка на код статьи