使用NumPy高效聚合多维数组：按指定间隔求均值

本教程详细介绍了如何利用NumPy的reshape和mean函数，将多维数组中特定维度的数据（例如按年份排列的数据）高效地聚合到预设的固定间隔（如5年）中。文章通过具体示例，阐释了reshape参数的含义及mean函数中axis参数的选择，确保在聚合的同时保持其他维度的独立性，从而实现自动化的数据分组和统计。

NumPy多维数组按间隔聚合求均值

在数据分析中，我们经常需要对多维数组中的数据进行分组聚合，例如将按年记录的数据聚合为按5年或10年为间隔的统计量。NumPy提供了强大且高效的工具来完成此类任务，特别是通过结合reshape和mean函数。本文将以一个具体的示例，详细讲解如何在NumPy中实现这一操作。

场景描述

假设我们有一个NumPy数组，其中包含按年份和性别划分的数据。例如，一个形状为(10, 2)的数组，第一维代表10个连续的年份数据，第二维代表男性和女性的数据。我们的目标是将这些数据按每5年为一个间隔进行聚合，并分别计算每个性别在每个5年间隔内的均值。

以下是原始数据示例：

import numpy as np

# 原始数据，第一列为女性数据，第二列为男性数据
# 每一行代表一个年份的数据
arr = np.array([
    [0, 1],  # 年份0
    [2, 3],  # 年份1
    [3, 4],  # 年份2
    [4, 5],  # 年份3
    [5, 6],  # 年份4
    [7, 8],  # 年份5
    [8, 9],  # 年份6
    [9, 10], # 年份7
    [10, 11],# 年份8
    [11, 12] # 年份9
])

print("原始数组形状:", arr.shape)
print("原始数组:\n", arr)

如果手动计算，我们需要分别提取每5年的数据进行求均值，这在数据量大时效率极低且易出错：

# 手动计算示例
mean_1st_5_yrs_female = np.mean([0, 2, 3, 4, 5])
mean_1st_5_yrs_male = np.mean([1, 3, 4, 5, 6])
mean_2nd_5_yrs_female = np.mean([7, 8, 9, 10, 11])
mean_2nd_5_yrs_male = np.mean([8, 9, 10, 11, 12])

print("\n手动计算结果 (女性第一五年):", mean_1st_5_yrs_female)
print("手动计算结果 (男性第一五年):", mean_1st_5_yrs_male)

NumPy自动化解决方案

NumPy提供了一种简洁而强大的方法来自动完成这种聚合，即结合使用reshape和mean函数。

核心代码如下：

result = arr.reshape(-1, 5, 2).mean(axis=1)
print("\nNumPy自动化聚合结果:\n", result)

输出结果：

[[ 2.8  3.8]
 [ 9.  10. ]]

这个结果与我们手动计算的预期结果一致：

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• 第一个5年间隔（年份0-4）的女性均值为 (0+2+3+4+5)/5 = 2.8，男性均值为 (1+3+4+5+6)/5 = 3.8。
• 第二个5年间隔（年份5-9）的女性均值为 (7+8+9+10+11)/5 = 9.0，男性均值为 (8+9+10+11+12)/5 = 10.0。

详细解析

1. arr.reshape(-1, 5, 2)

   • reshape函数的作用： 改变数组的形状，但不改变其数据。它将原始数组的数据元素重新组织成一个新的维度结构。
   • -1： 这是一个特殊的占位符，表示NumPy会自动计算此维度的大小。在本例中，原始数组的第一维大小为10，我们希望每5个元素组成一个组，因此NumPy会自动计算出 10 // 5 = 2，即会有2个这样的5年周期。
   • 5： 这表示我们希望将原始数组的第一维（年份）按照每5个元素为一个“块”进行分组。这对应于我们希望的“5年间隔”。
   • 2： 这表示原始数组的第二维（性别）保持不变。
   • 重塑后的数组形状： 原始数组 (10, 2) 被重塑为 (2, 5, 2)。
     • 第一个维度 (2) 代表了2个5年周期。
     • 第二个维度 (5) 代表了每个周期内的5个年份。
     • 第三个维度 (2) 代表了每个年份的2个性别数据。

   为了更好地理解，我们可以查看重塑后的数组：

   reshaped_arr = arr.reshape(-1, 5, 2)
   print("\n重塑后的数组形状:", reshaped_arr.shape)
   print("重塑后的数组:\n", reshaped_arr)

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   输出：

   [[[ 0  1]
     [ 2  3]
     [ 3  4]
     [ 4  5]
     [ 5  6]]
   
    [[ 7  8]
     [ 8  9]
     [ 9 10]
     [10 11]
     [11 12]]]

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   可以看到，数据被正确地分成了两个5年块，每个块内部包含了5个年份的男女数据。

2. .mean(axis=1)

   • mean函数的作用： 计算数组元素的平均值。
   • axis参数： 指定沿哪个轴计算平均值。
     • 在重塑后的数组 (2, 5, 2) 中：
       • axis=0 代表在不同5年周期之间求平均（例如，第一个5年周期的女性均值与第二个5年周期的女性均值求平均）。
       • axis=1 代表在每个5年周期内部，沿着5个年份数据求平均。这正是我们想要做的：对每个5年周期内的5个年份数据进行聚合。
       • axis=2 代表在每个年份内部，沿着性别数据求平均（例如，某个年份的男女数据求平均）。
     • 因此，axis=1 将对每个5年周期内的5个年份数据求均值，同时保持不同性别的数据独立。

   最终，result数组的形状将变为 (2, 2)，其中：

   • 第一个维度 (2) 对应于2个5年周期。
   • 第二个维度 (2) 对应于2个性别。 每个元素就是相应周期和性别的均值。

注意事项

• 维度匹配： 使用reshape进行聚合时，原始数组被聚合的维度（本例中的年份维度）的大小必须是聚合间隔（本例中的5）的整数倍。如果不是整数倍，reshape操作会失败，或者需要更复杂的切片和填充逻辑来处理剩余的数据。
• 重塑顺序： reshape的参数顺序至关重要。例如，如果尝试 arr.reshape(-1, 2, 5)，虽然它也能重塑，但数据的逻辑结构会被打乱。原始数据中，[0, 1]是第一个年份的男女数据，[2, 3]是第二个年份的男女数据。reshape(-1, 5, 2) 保持了这种“年份内部性别”的结构。而 reshape(-1, 2, 5) 会将原始数组的每一行（即每个年份的男女数据）拆分，然后将5个这样的元素组合起来，这会破坏原始数据的逻辑分组。因此，确保重塑后的维度顺序符合你的聚合逻辑非常重要。

总结

NumPy的reshape和mean函数组合为多维数组的按间隔聚合提供了一个优雅且高效的解决方案。通过理解reshape中维度参数的含义以及mean中axis参数的选择，我们可以轻松地对复杂数据集进行自动化统计分析。这种方法不仅代码简洁，而且在处理大规模数据时具有卓越的性能优势。

以上就是使用NumPy高效聚合多维数组：按指定间隔求均值的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！