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利用Python和Spark求曲线与X轴上方的面积

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有n组标本(1, 2, 3, 4), 每组由m个( , , ...)元素( , )组成(m值不定), . 各组样本的分布 曲线如下图所示. 通过程序近似实现各曲线与oc, cd直线围成的⾯积.

在这里插入图片描述

思路

  1. 可以将图像分成若干个梯形,每个梯形的底边长为(Xn+1 - Xn-1),面积为矩形的一半,其面积 = (底边长 X 高)/2,即S = (Xn+1 - Xn-1) * (Yn+1 + Yn+2),对于整个图形,面积为所有梯形面积之和。 [图片]
  2. 求曲线与其下方x轴的面积,本质上是一个求积分的过程。可以对所有点进行积分,可以调用np.tapz(x, y)来求

代码

"""Calculate the area between the coordinates and the X-axis
"""

import typing
from pandas import read_parquet

def calc_area(file_name: str) -> typing.Any:
    """⾯积计算.
    Args:
    file_name: parquet⽂件路径, eg: data.parquet
    Returns:
    计算后的结果
    """

    res = []

    # Load data from .parquet
    initial_data = read_parquet(file_name)

    # Get number of groups
    group_numbers = initial_data["gid"].drop_duplicates().unique()

    # Loop through the results for each group
    for i in group_numbers:
        data = initial_data[initial_data["gid"] == i]
        data = data.reset_index(drop=True)

        # Extract the list of x\y
        x_coordinates = data["x"]
        y_coordinates = data["y"]

        # Calculate area between (x[i], y[i]) and (x[i+1], y[i+1])
        rect_areas = [
            (x_coordinates[i + 1] - x_coordinates[i])
            * (y_coordinates[i + 1] + y_coordinates[i])
            / 2
            for i in range(len(x_coordinates) - 1)
        ]

        # Sum the total area
        result = sum(rect_areas)
        res.append(result)

        # Also we can use np for convenience
        # import numpy as np
        # result_np = np.trapz(y_coordinates, x_coordinates)
    return res

calc_area("./data.parquet")

或者使用pyspark

"""Calculate the area between the coordinates and the X-axis
"""

import typing
from pyspark.sql import Window
from pyspark.sql.functions import lead, lit
from pyspark.sql import SparkSession

def calc_area(file_name: str) -> typing.Any:
    """⾯积计算.
    Args:
    file_name: parquet⽂件路径, eg: data.parquet
    Returns:
    计算后的结果
    """

    res = []

    # Create a session with spark
    spark = SparkSession.builder.appName("Area Calculation").getOrCreate()

    # Load data from .parquet
    initial_data = spark.read.parquet(file_name, header=True)

    # Get number of groups
    df_unique = initial_data.dropDuplicates(subset=["gid"]).select("gid")
    group_numbers = df_unique.collect()

    # Loop through the results for each group
    for row in group_numbers:
        # Select a set of data
        data = initial_data.filter(initial_data["gid"] == row[0])

        # Adds a column of delta_x to the data frame representing difference
        # from the x value of an adjacent data point
        window = Window.orderBy(data["x"])
        data = data.withColumn("delta_x", lead("x").over(window) - data["x"])

        # Calculated trapezoidal area
        data = data.withColumn(
            "trap",
            (
                data["delta_x"]
                * (data["y"] + lit(0.5) * (lead("y").over(window) - data["y"]))
            ),
        )

        result = data.agg({"trap": "sum"}).collect()[0][0]

        res.append(result)
    return res

calc_area("./data.parquet")

提高计算的效率

  • 可以使用更高效的算法,如自适应辛普森方法或者其他更快的积分方法
  • 可以在数据上进行并行化处理,对pd DataFrame\spark DataFrame进行分区并使用分布式计算
  • 在使用spark的时候可以为window操作制定分区来提高性能

以下为与本例无关的笼统的提高效率的方法:

  1. 并行计算:使用多核CPU或分布式计算系统,将任务分解成多个子任务并行处理。
  2. 数据压缩:压缩大数据以减少存储空间和带宽,加快读写速度。
  3. 数据分块:对大数据进行分块处理,可以减小内存需求并加快处理速度。
  4. 缓存优化:优化缓存策略,减少磁盘访问和读取,提高计算效率。
  5. 算法优化:使用高效率的算法,比如基于树的算法和矩阵算法,可以提高计算效率。