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numpy 如何用 np.nanmean / np.nanstd 处理 nan 的统计函数

冰川箭仙

冰川箭仙

发布时间:2026-01-29 15:29:27

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来源于php中文网

原创

np.nanmean和np.nanstd自动跳过NaN与inf,不修改原数组,全NaN时返回nan;需检查结果是否为nan并处理,注意dtype、axis、ddof及keepdims用法,避免手动布尔索引导致性能与内存问题。

numpy 如何用 np.nanmean / np.nanstd 处理 nan 的统计函数

np.nanmean 和 np.nanstd 会自动跳过 NaN,但不改变原数组

这两个函数是 np.meannp.std 的“忽略 NaN”版本,内部对输入做 np.isfinite 判断,只保留非 NaN、非 inf 的值参与计算。它们不会修改原始数据,也不会报错——哪怕整列全是 NaN,也会返回 nan(不是报错)。

常见错误现象:np.nanmean([1, 2, np.nan]) 返回 1.5,但 np.nanmean([np.nan, np.nan]) 返回 nan,容易被误认为“没生效”或“出 bug”。其实这是设计行为,需手动检查结果是否为 nan 再决定后续逻辑。

  • 若想强制返回标量(比如 0),可加 np.nan_to_num(..., nan=0)
  • 注意:np.nanstd 默认使用「样本标准差」的自由度(ddof=0),和 np.std 一致;若要匹配 pandas.Series.std()(默认 ddof=1),得显式传参 ddof=1
  • 多维数组中,axis 参数行为与普通统计函数完全一致,例如 np.nanmean(arr, axis=1) 按行算均值,跳过每行内的 NaN

用 np.nanmean / np.nanstd 前,先确认数据里真有有效值

直接调用函数很安全,但结果不可靠常源于上游:比如从 CSV 读入时把空字符串或占位符(如 "NULL""missing")当成了字符串,没转成 np.nan,导致这些值被当作合法对象参与计算(甚至触发类型错误)。

典型场景:用 pandas.read_csv(..., na_values=["NULL", ""]) 或手动替换 df.replace({"missing": np.nan}),再转 df.values.astype(float),否则 np.nanmean 对 object 类型数组可能抛 TypeError: unsupported operand type(s)

  • np.nanmeannp.nanstd 只对数值型数组(float64int32 等)有效;遇到 object dtype 会失败
  • 检查方式:np.any(np.isnan(arr)) 看有没有 NaN;更稳妥的是 np.isfinite(arr).sum() 看剩下多少有效数
  • 如果数组含 infnp.nanmean 也会把它当无效值跳过(因为 np.isfinite(inf) == False

性能上,np.nanmean 比先用布尔索引再 mean 略快,但差别不大

有人会写 arr[~np.isnan(arr)].mean() 来等效替代 np.nanmean(arr),这在小数组上没问题,但有隐患:它会新建一个掩码数组 + 新切片数组,内存开销翻倍;而 np.nanmean 是底层 C 实现的单次遍历,跳过 NaN 不分配中间数组。

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实测(百万级 float64 数组):np.nanmean 比布尔索引快约 1.2–1.5 倍,且内存友好。但若你已在用布尔索引做其他过滤(比如同时剔除 inf 和负值),那继续用索引更自然。

  • 不要为了“看起来更底层”而手写 arr[np.isfinite(arr)].mean() —— np.nanmean 本质就是这么做的,还更健壮
  • 多维时尤其别自己写循环 + 切片:比如 [np.nanmean(row) for row in arr]np.nanmean(arr, axis=1) 慢一个数量级
  • 如果需要同时计算多个统计量(均值、标准差、计数),建议用 scipy.stats.describe(arr, nan_policy="omit"),避免多次遍历

axis 和 keepdims 参数用法和普通 numpy 函数一致,但要注意广播兼容性

np.nanmean(arr, axis=0, keepdims=True) 返回形状为 (1, n_cols) 的二维数组,这对后续和原数组做减法(中心化)很有用;但如果你忘了 keepdims=True,得到一维结果,直接 arr - result 会触发广播错误或静默错位。

另一个易错点:在三维或更高维数组上指定 axis=(0, 2)np.nanmean 支持元组 axis(numpy ≥ 1.7),但 np.nanstd 在旧版本(如 1.19 之前)不支持,会报 TypeError: an integer is required。升级 numpy 或改用两次单轴调用更稳妥。

  • keepdims 对所有 nan* 函数都有效,不只是 nanmean
  • 跨多个轴聚合时,优先用 axis=tuple(axes)(新版本),或分步降维(兼容旧环境)
  • 如果输出要和原始 shape 对齐(比如画热力图),keepdims=True 是刚需,否则 reshape 容易出错

实际用的时候,最麻烦的往往不是函数本身,而是搞不清数据里到底有哪些值被算进去了——多打一行 print(np.isfinite(arr).sum(), "/", arr.size),比反复猜结果靠谱得多。

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