Текущий метод, используя transform
In [44]: grp = df["signal"].groupby(g)
In [45]: result2 = df["signal"].groupby(g).transform(np.mean)
In [47]: %timeit df["signal"].groupby(g).transform(np.mean)
1 loops, best of 3: 535 ms per loop
Использование «трансляции» результатов
In [43]: result = pd.concat([ Series([r]*len(grp.groups[i])) for i, r in enumerate(grp.mean().values) ],ignore_index=True)
In [42]: %timeit pd.concat([ Series([r]*len(grp.groups[i])) for i, r in enumerate(grp.mean().values) ],ignore_index=True)
10 loops, best of 3: 119 ms per loop
In [46]: result.equals(result2)
Out[46]: True
Я думаю, вам может потребоваться установить индекс возвращенного в эфир результат (он работает здесь, потому что его индекс по умолчанию
result = pd.concat([ Series([r]*len(grp.groups[i])) for i, r in enumerate(grp.mean().values) ],ignore_index=True)
result.index = df.index