Valor máximo por diagonal en matriz 2d

Tengo una matriz y necesito un máximo de diferencia móvil con la ventana dinámica.

a = np.array([8, 18, 5,15,12])
print (a)
[ 8 18  5 15 12]

Entonces, primero creo la diferencia por sí mismo:

b = a - a[:, None]
print (b)
[[  0  10  -3   7   4]
 [-10   0 -13  -3  -6]
 [  3  13   0  10   7]
 [ -7   3 -10   0  -3]
 [ -4   6  -7   3   0]]

Luego reemplace la matriz del triángulo superior a 0:

c = np.tril(b)
print (c)
[[  0   0   0   0   0]
 [-10   0   0   0   0]
 [  3  13   0   0   0]
 [ -7   3 -10   0   0]
 [ -4   6  -7   3   0]]

Última necesidad de valores máximos por diagonal, por lo que significa:

max([0,0,0,0,0]) = 0  
max([-10,13,-10,3]) = 13
max([3,3,-7]) = 3
max([-7,6]) = 6
max([-4]) = -4

Entonces la salida esperada es:

[0, 13, 3, 6, -4]

¿Cuál es una buena solución vectorizada? ¿O es posible alguna otra forma de salida esperada?

No estoy seguro de cuán eficiente es esto considerando la indexación avanzada involucrada, pero esta es una forma de hacerlo:

import numpy as np

a = np.array([8, 18, 5, 15, 12])
b = a[:, None] - a
# Fill lower triangle with largest negative
b[np.tril_indices(len(a))] = np.iinfo(b.dtype).min  # np.finfo for float
# Put diagonals as rows
s = b.strides[1]
diags = np.ndarray((len(a) - 1, len(a) - 1), b.dtype, b, offset=s, strides=(s, (len(a) + 1) * s))
# Get maximum from each row and add initial zero
c = np.r_[0, diags.max(1)]
print(c)
# [ 0 13  3  6 -4]

EDITAR:

Sin embargo, otra alternativa, que puede no ser lo que estaba buscando, es usar Numba, por ejemplo, así:

import numpy as np
import numba as nb

def max_window_diffs_jdehesa(a):
    a = np.asarray(a)
    dtinf = np.iinfo(b.dtype) if np.issubdtype(b.dtype, np.integer) else np.finfo(b.dtype)
    out = np.full_like(a, dtinf.min)
    _pwise_diffs(a, out)
    return out

@nb.njit(parallel=True)
def _pwise_diffs(a, out):
    out[0] = 0
    for w in nb.prange(1, len(a)):
        for i in range(len(a) - w):
            out[w] = max(a[i] - a[i + w], out[w])

a = np.array([8, 18, 5, 15, 12])
print(max_window_diffs(a))
# [ 0 13  3  6 -4]

Comparando estos métodos con el original:

import numpy as np
import numba as nb

def max_window_diffs_orig(a):
    a = np.asarray(a)
    b = a - a[:, None]
    out = np.zeros(len(a), b.dtype)
    out[-1] = b[-1, 0]
    for i in range(1, len(a) - 1):
        out[i] = np.diag(b, -i).max()
    return out

def max_window_diffs_jdehesa_np(a):
    a = np.asarray(a)
    b = a[:, None] - a
    dtinf = np.iinfo(b.dtype) if np.issubdtype(b.dtype, np.integer) else np.finfo(b.dtype)
    b[np.tril_indices(len(a))] = dtinf.min
    s = b.strides[1]
    diags = np.ndarray((len(a) - 1, len(a) - 1), b.dtype, b, offset=s, strides=(s, (len(a) + 1) * s))
    return np.concatenate([[0], diags.max(1)])

def max_window_diffs_jdehesa_nb(a):
    a = np.asarray(a)
    dtinf = np.iinfo(b.dtype) if np.issubdtype(b.dtype, np.integer) else np.finfo(b.dtype)
    out = np.full_like(a, dtinf.min)
    _pwise_diffs(a, out)
    return out

@nb.njit(parallel=True)
def _pwise_diffs(a, out):
    out[0] = 0
    for w in nb.prange(1, len(a)):
        for i in range(len(a) - w):
            out[w] = max(a[i] - a[i + w], out[w])

np.random.seed(0)
a = np.random.randint(0, 100, size=100)
r = max_window_diffs_orig(a)
print((max_window_diffs_jdehesa_np(a) == r).all())
# True
print((max_window_diffs_jdehesa_nb(a) == r).all())
# True

%timeit max_window_diffs_orig(a)
# 348 µs ± 986 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000 loops each)
%timeit max_window_diffs_jdehesa_np(a)
# 91.7 µs ± 1.3 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000 loops each)
%timeit max_window_diffs_jdehesa_nb(a)
# 19.7 µs ± 88.1 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000 loops each)

np.random.seed(0)
a = np.random.randint(0, 100, size=10000)
%timeit max_window_diffs_orig(a)
# 651 ms ± 26 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)
%timeit max_window_diffs_jdehesa_np(a)
# 1.61 s ± 6.19 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)
%timeit max_window_diffs_jdehesa_nb(a)
# 22 ms ± 967 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)

El primero puede ser un poco mejor para arreglos más pequeños, pero no funciona bien para los más grandes. Numba por otro lado es bastante bueno en todos los casos.

Utilizar ndarray.diagonal

v = [max(c.diagonal(-i)) for i in range(b.shape[0])]
print(v) # [0, 13, 3, 6, -4]

Puedes usar numpy.diagonal:

a = np.array([8, 18, 5,15,12])
b = a - a[:, None]
c = np.tril(b)
for i in range(b.shape[0]):
    print(max(c.diagonal(-i)))

Salida:

0
13
3
6
-4

Aquí hay una solución vectorizada con strides-

from skimage.util import view_as_windows

n = len(a)
z = np.zeros(n-1,dtype=a.dtype)
p = np.concatenate((a,z))

s = view_as_windows(p,n)
mask = np.tri(n,k=-1,dtype=bool)[:,::-1]
v = s[0]-s
out = np.where(mask,v.min()-1,v).max(1)

Con un bucle para la eficiencia de la memoria:

n = len(a)
out = [max(a[:-i+n]-a[i:]) for i in range(n)]

Use np.maxen lugar de maxpara un mejor uso de la memoria de matriz.

Se puede abusar del hecho de que la remodelación de matrices no cuadradas de forma (N+1, N)que (N, N+1)hará diagonales aparecen como columnas

from scipy.linalg import toeplitz
a = toeplitz([1,2,3,4], [1,4,3])
# array([[1, 4, 3],
#        [2, 1, 4],
#        [3, 2, 1],
#        [4, 3, 2]])
a.reshape(3, 4)
# array([[1, 4, 3, 2],
#        [1, 4, 3, 2],
#        [1, 4, 3, 2]])

Que luego puede usar como (tenga en cuenta que he cambiado el signo y establecí el triángulo inferior en cero)

smallv = -10000  # replace this with np.nan if you have floats

a = np.array([8, 18, 5,15,12])
b = a[:, None] - a

b[np.tril_indices(len(b), -1)] = smallv
d = np.vstack((b, np.full(len(b), smallv)))

d.reshape(len(d) - 1, -1).max(0)[:-1]
# array([ 0, 13,  3,  6, -4])