python數(shù)據(jù)分析工具之 matplotlib詳解

更新時間：2020年04月09日 09:04:50 作者：小田學(xué)Python

對于 Python 來說，matplotlib 是最著名的繪圖庫，它主要用于二維繪圖，當(dāng)然也可以進行簡單的三維繪圖。這篇文章主要介紹了python數(shù)據(jù)分析工具之 matplotlib的相關(guān)知識,需要的朋友可以參考下

不論是數(shù)據(jù)挖掘還是數(shù)學(xué)建模，都免不了數(shù)據(jù)可視化的問題。對于 Python 來說，matplotlib 是最著名的繪圖庫，它主要用于二維繪圖，當(dāng)然也可以進行簡單的三維繪圖。它不但提供了一整套和 Matlab 相似但更為豐富的命令，讓我們可以非常快捷地用 python 可視化數(shù)據(jù)。

matplotlib基礎(chǔ)

# 安裝
pip install matplotlib

兩種繪圖風(fēng)格：

MATLAB風(fēng)格：

基本函數(shù)是 plot，分別取 x，y 的值，然后取到坐標（x，y）后，對不同的連續(xù)點進行連線。

面向?qū)ο螅?/p>

創(chuàng)建一個圖形 fig 和一個坐標 ax 。

fig：figure(plt.Figure) 是一個能容納各種坐標軸，圖形，文字和標簽的容器。
ax：axes(plt.Axes) 是一個帶有刻度和標簽的矩形，最終會包含各種可視化元素。

示例：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 圖形顯示風(fēng)格
plt.style.use('seaborn-whitegrid')

# 創(chuàng)建fig和ax
fig = plt.figure()
ax = plt.axes()

x = np.linspace(0,10,100)
# 顯示sin函數(shù)圖形
plt.plot(x, np.sin(x))
# 顯示cos函數(shù)圖形
plt.plot(x, np.cos(x))

plt.show()

這就是利用面向?qū)ο蟮姆绞嚼L圖，在交互模式中可以看到，每畫一個圖就是產(chǎn)生一個對象，最后再顯示出來。

繪圖樣式

# 調(diào)整坐標軸上下限
plt.xlim([xmin, xmax])
plt.ylim([ymin, ymax])

plt.axis([xmin, xmax, ymin, ymax])
# 參數(shù)：tight：把圖形設(shè)置成緊湊模式，不留多余的部分
# equal：圖形顯示分辨率為1:1

線形圖

文字設(shè)置

圖形標題：plt.title

坐標軸標題：plt.xlabel, plt.ylabel

基礎(chǔ)圖例：plt.legend

注意：對中文不友好，需要額外方法，盡量使用英文

# 示例
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(1, 10, 100)
plt.plot(x, np.sin(x))
plt.title('sin-function')
plt.xlabel('x-value')
plt.ylabel('y-label')
plt.show()

圖例

通過legend可以設(shè)置圖例，同時通過參數(shù)的調(diào)整可以細膩的設(shè)置圖例的位置、形式等。參數(shù)主要包括：

loc：圖例的位置
frameon：是否帶邊框
framealpha：顏色透明
shadow：陰影

# 示例
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(1, 10, 100)

fig, ax = plt.subplots()

ax.plot(x, np.sin(x), color='red', label='sin-function')
ax.plot(x, np.cos(x), color='blue', label='cos-function')

ax.legend(loc='upper right', frameon=True, shadow=True, framealpha=0.2)
# 設(shè)置圖例位置為右上，有邊框，有陰影，且透明度為0.2

plt.show()

顏色條

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(1, 10, 100)
I = np.sin(x) * np.cos(x[:,np.newaxis])

plt.imshow(I)
plt.colorbar()
plt.show()

散點圖

散點圖基礎(chǔ)

散點圖主要以點為主，數(shù)據(jù)是不連續(xù)的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置線的型號來完成。型號包括‘o'、‘+'、‘*'、‘1'、‘h'、‘D'等等，具體使用探索一下就好，用不到太多。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 圖形顯示風(fēng)格
plt.style.use('seaborn-whitegrid')

x = np.linspace(0, 10, 30)
y = np.sin(x)

# 通過設(shè)置線型為點來完成散點圖的繪制
plt.plot(x, y, 'o', color='blue')
plt.show()

如果設(shè)置線型為點線結(jié)合，那么將繪制出連續(xù)的線，對應(yīng)點處為所設(shè)置的點型。

畫散點圖還可以使用scatter函數(shù)來畫，他有很多更細節(jié)的描述，用法與plot類似，對于數(shù)據(jù)量較大的可視化時，plot的效率更高一些。

誤差線

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 圖形顯示風(fēng)格
plt.style.use('seaborn-whitegrid')

x = np.linspace(0, 10, 30)
dy = x * 0.5
y = np.sin(x) + dy

plt.errorbar(x, y, yerr=dy, fmt='.k', ecolor='blue')
plt.show()

連續(xù)誤差線表示的是連續(xù)量，可以使用 plt.plot 和 plt.fill_between 來畫出。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 圖形顯示風(fēng)格
plt.style.use('seaborn-whitegrid')

x = np.linspace(0, 10, 30)
ysin = np.sin(x)
ycos = np.cos(x)

plt.plot(x, ysin, color='red')
plt.plot(x, ycos, color='blue')

plt.fill_between(x, ysin, ycos, color='gray', alpha=0.2)
plt.show()

等高線（密度）

plt.contour 等高線
plt.contourf 自帶填充顏色
plt.imshow 顯示圖形

等高線繪制方法：z = f（x，y），z表示高度。當(dāng)只有一個顏色繪圖時，虛線表示負值，實線表示正值。meshgrid 可以將一維數(shù)據(jù)變成二維網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

def f(x, y):
 return np.sin(x) ** 10 + np.cos(10 + y * x) * np.cos(x)

x = np.linspace(0, 5, 50)
y = np.linspace(0, 5, 40)

# 得到網(wǎng)格點矩陣
x, y =np.meshgrid(x, y)

# 計算z軸的值
z = f(x, y)

# 繪制圖形
plt.contour(x, y, z, colors='green')
# plt.contour(x, y, z, 50, cmap='RdGy') # 更改配色，值50等分，紅灰配色
plt.show()

plt.contourf(x, y, z, 50, cmap='RdGy') # 改為contourf，自動填充顏色，則變?yōu)檫B續(xù)的

直方圖

基本畫法：plt.hist 可以直接畫直方圖，參數(shù)主要包括：

bins：劃分段（柱數(shù)）
color：顏色
alpha：透明度
histtype：圖類型

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

data = np.random.randn(1000)
plt.hist(data, bins=30, alpha=0.3, histtype='stepfilled', color='blue', edgecolor='none')
plt.show()

程序中 random.randn 與 random.rand 相比，randn表示隨機生成的數(shù)符合正態(tài)分布，因此畫出圖來是如上圖所示。

子圖

plt.subplot(2,1,1) # 子圖，（2,1,1）代表，創(chuàng)建2*1的畫布，并且定位于畫布1 ；等效于plt.subplot(211)，即去掉逗號
# subplots 可以同時創(chuàng)建多個子圖
figure,ax = plt.subplots(2, 3) 
# 這是一個靈活創(chuàng)建子圖的方法，可以創(chuàng)建任意組合的圖形，不必一一對齊，以下為示例：
grid = plt.GridSpec(2, 3, wspace=0.3, hspace=0.2)
plt.subplot(grid[,:2])
plt.subplot(grid[1,1:3])

圖例配置

文字注釋

通過不同的坐標變換，可以把文字放在不同的位置：

ax.transData：以數(shù)據(jù)為基準
ax.transAxes：以軸為基準

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
ax.axis = ([0, 1, 0, 1])

ax.text(0.5, 0.5, "Data:(0.5, 0.5)", transform=ax.transData)
ax.text(0.5, 0.1, "Axes:(0.5, 0.1)", transform=ax.transAxes)
plt.show()

箭頭注釋

plt.arrow：產(chǎn)生SVG向量圖形式的箭頭，會隨著分辨率改變而改變，不推薦
plt.annotate：可以創(chuàng)建文字和箭頭

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()

x = np.linspace(0, 20, 1000)
ax.plot(x, np.cos(x))
ax.axis('equal')

ax.annotate("max", xy=(6.28, 1), xytext=(10, 4), arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05))
ax.annotate('min', xy=(5 * np.pi, -1), xytext=(2, -6), arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle='angle3, angleA=0, angleB=-90'))
plt.show()

三維圖

基礎(chǔ)三維圖

matplotlib 中繪制三維圖用到 mplot3d 包。導(dǎo)入 mplot3d 包后，可以利用 projection 參數(shù)，控制繪制三維圖。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits import mplot3d

fig = plt.figure()
ax = plt.axes(projection='3d')

plt.show()

三維圖中當(dāng)然包含三個軸，x，y，z。畫線 ax.plot3D，畫點 ax.scatter3D。為了三維效果，它會自動將遠處的點顏色變淺。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits import mplot3d

fig = plt.figure()
ax = plt.axes(projection='3d')

z = np.linspace(0, 15, 100)
x = np.sin(z)
y = np.cos(z)

ax.plot3D(x, y, z, 'red')
ax.scatter3D(x, y, z, 'blue')
plt.show()

三維等高線

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits import mplot3d

fig = plt.figure()
ax = plt.axes(projection='3d')

def f(x, y):
 return np.sin(np.sqrt(x ** 2 + y ** 2))

x = np.linspace(-6, 6, 30)
y = np.linspace(-6, 6, 30)
X, Y =np.meshgrid(x, y)
Z = f(X, Y)

ax.contour3D(X, Y, Z, 50)
plt.show()

圖形繪制出來后，可以通過 ax.view_init 來控制觀察的角度，便于理解。

俯仰角度：x-y 平面的旋轉(zhuǎn)角度
方位角度：沿著 z 軸順時針旋轉(zhuǎn)角度

pandas繪圖

上篇文章講述了 pandas 的基本用法，pandas 是數(shù)據(jù)分析中最重要的工具之一，這里補充一下 pandas 繪圖。

Series繪圖

# 這是一個小栗子
s1 = Series(np.random.randint(1000).cumsum()) # 創(chuàng)建series，cumsum()是指疊加求和，本位數(shù)是前幾項之和
s1.plot() # series有自己的plot函數(shù)，里面可以寫入想要的參數(shù)

DataFrame繪圖

df = DataFrame(
 np.random.randint(1,10,40).reshape(10,4),
 columns=['A','B','C','D']
 )
df.plot()
# dataframe也有自己的plot，按列畫出來，參數(shù)包含ax，選擇輸出的畫布
# 參數(shù)：stacked=True,表示一個堆疊的情況，同一個index下，columns一不同顏色疊在一起

總結(jié)

到此這篇關(guān)于python數(shù)據(jù)分析工具之 matplotlib詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)python數(shù)據(jù)分析 matplotlib內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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