Optimized linear regression over multiple timeseries and expanding time window in a Pandas dataframe

I have a dataframe holding multiple timeseries and I want to fit a line on each one and return the slope and intercept, and I want to do it in an expanding way: so first compute the intercept at the first time point, then at the second, …, all the way to the last.

This is how the dataframe looks like:

>>> df
                  S1        S2        S3
Date
2019-01-02  0.019552  0.021958  0.001586
2019-01-03  0.000000  0.020325  0.000000
2019-01-04  0.007540  0.023239  0.001586
2019-01-07  0.007124  0.026128  0.002945
2019-01-08  0.010660  0.026203  0.002266
...              ...       ...       ...
2024-06-28  0.918257  0.467164  0.909070
2024-07-01  0.950133  0.497262  0.914810
2024-07-02  0.968436  0.551025  0.902500
2024-07-03  0.975092  0.589036  0.944868
2024-07-05  1.000000  0.601924  0.926365

In my understanding, Pandas expanding() can’t return more than one scalar (ref, or I misunderstand how to use the method=table), so I do:

minimum_data_samples = 10

def fit_linear_refression(signal_column):
  if signal_column.empty or len(signal_column) < minimum_data_samples:
    return np.nan, np.nan, np.nan, np.nan
 
  X = np.arange(len(signal_column)).reshape(-1, 1)
  reg = LinearRegression(n_jobs=-1).fit(X, signal_column)
  return reg.coef_, reg.intercept_

# fit once and return slopes
slopes = df.expanding().apply(lambda x: fit_linear_regression(x)[0])

# fit second time and return intercepts
intercepts = df.expanding().apply(lambda x: fit_linear_regression(x)[1])

# concatenate the two dataframes
slopes_and_intercepts = pd.concat([slopes, intercepts], keys=['slopes', 'residuals'], axis=1)

and looks like this (figuratively, numbers do not correspond to the above):

           intercepts                        slopes
                   S1        S2        S3        S1        S2        S3
Date
2014-01-02        NaN       NaN       NaN       NaN       NaN       NaN
2014-01-03        NaN       NaN       NaN       NaN       NaN       NaN
2014-01-06        NaN       NaN       NaN       NaN       NaN       NaN
2014-01-07        NaN       NaN       NaN       NaN       NaN       NaN
2014-01-08        NaN       NaN       NaN       NaN       NaN       NaN
...              ...       ...       ...       ...       ...       ...
2018-06-27   0.105235 -0.117916  0.063601  0.000141  0.001361  0.000162
2018-06-28   0.105115 -0.120374  0.063536  0.000142  0.001360  0.000162
2018-06-29   0.105001 -0.122802  0.063457  0.000142  0.001360  0.000162
2018-07-02   0.104905 -0.125193  0.063283  0.000143  0.001359  0.000162
2018-07-03   0.104788 -0.127579  0.062910  0.000143  0.001359  0.000163

This works but fitting the same model twice, once to get the slopes and once to get the residuals, feels a waste of compute and time. To somewhat avoid the second call I considered memoize-ing fit_linear_regression in expense of memory (or disk) but it still feels that there is a better way.

I wonder if there is a way to accomplish the above but with a single call to fit_linear_regression.

The situation shares similarities with that in Pandas’ expanding with apply function on multiple columns and it differs in three points:

  1. here, X is derived from the index
  2. each column in the input is a separate timeseries that we need to fit
  3. the output doesn’t have to be added to the input dataframe and can be a new dataframe

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật