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一文帶你掌握Matplotlib圖形繪制

 更新時(shí)間:2023年09月21日 10:51:12   作者:盼小輝丶  
Matplotlib是一個(gè)基于Python的繪圖庫,它提供了一整套與Matlab相似的命令A(yù)PI,非常適合交互式繪圖,這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Matplotlib圖形繪制的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

1. 2D 圖形繪制

1.2 曲線圖

在《Matplotlib快速入門》中,作為入門示例,我們已經(jīng)了解了曲線圖的繪制方法,為了完整起見,本節(jié)中我們首先簡(jiǎn)單回顧下,如何在使用 Matplotlib 繪制曲線圖,同時(shí)介紹多曲線圖等更復(fù)雜曲線圖的繪制。

1.2.1 簡(jiǎn)單曲線圖的繪制

在以下示例中,我們繪制曲線 c o s ( x ) cos(x) cos(x), x x x 在 [ 0 , 2 π ] [0, 2\pi] [0,2π] 區(qū)間內(nèi):

# cos_1.py
import math
import matplotlib.pyplot as plt
scale = range(100)
x = [(2 * math.pi * i) / len(scale) for i in scale]
y = [math.cos(i) for i in x]
plt.plot(x, y)
plt.show()

sin(x)

我們已經(jīng)知道, Matplotlib 使用的數(shù)據(jù)可以有不同來源,接下來,我們以使用 Numpy 獲取的數(shù)據(jù)為例,繪制 [-10,10] 區(qū)間內(nèi)的曲線 y = x 3 + 5 x − 10 :

# plot_np.py
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-10, 10, 800)
y = x ** 3 + 5 * x - 10
plt.plot(x, y)
plt.show()

y=x^3+5x-10

1.2.2 繪制多曲線圖

很多時(shí)候我們需要對(duì)比多組數(shù)據(jù),以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的異同,此時(shí)就需要在一張圖片上繪制多條曲線——多曲線圖,下圖展示了在同一圖片中繪制函數(shù) y = x y=x y=x、 y = x 2 y=x^2 y=x2, y = l o g e x y=log_ex y=loge?x 以及 y = s i n ( x ) y=sin(x) y=sin(x):

# plot_multi_curve.py
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(0.1, 2 * np.pi, 100)
y_1 = x
y_2 = np.square(x)
y_3 = np.log(x)
y_4 = np.sin(x)
plt.plot(x,y_1)
plt.plot(x,y_2)
plt.plot(x,y_3)
plt.plot(x,y_4)
plt.show()

多曲線圖

Note: 一條曲線的繪制需要調(diào)用一次 plt.plot() ,而 plt.show() 只需調(diào)用一次。這種延遲呈現(xiàn)機(jī)制是 Matplotlib 的關(guān)鍵特性,我們可以在代碼中的任何地方調(diào)用繪圖函數(shù),但只有在調(diào)用 plt.show() 時(shí)才會(huì)渲染顯示圖形。為了更好的說明這種延遲呈現(xiàn)機(jī)制,我們編寫以下代碼:

# deferred_rendering.py
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def plot_func(x, y):
x_s = x[1:] - y[:-1]
y_s = y[1:] - x[:-1]
plt.plot(x[1:], x_s / y_s)
x = np.linspace(-5, 5, 200)
y = np.exp(-x ** 2)
plt.plot(x, y)
plot_func(x, y)
plt.show()

延遲呈現(xiàn)示例

可以看到,盡管其中一個(gè) plt.plot() 是在 plot_func 函數(shù)中調(diào)用的,它對(duì)圖形的呈現(xiàn)沒有任何影響,因?yàn)?plt.plot() 只是聲明了我們要呈現(xiàn)的內(nèi)容,但還沒有執(zhí)行渲染。因此可以使用延遲呈現(xiàn)特性結(jié)合 for 循環(huán)、條件判斷等語法完成復(fù)雜圖形的繪制,同時(shí)也可以在同一張圖中組合不同類型的統(tǒng)計(jì)圖。

1.2.3 讀取數(shù)據(jù)文件繪制曲線圖

很多情況下數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)于文件中,因此,需要首先讀取文件中的數(shù)據(jù),再進(jìn)行繪制,說明起見,以 .txt 文件為例,其他諸如 Excel 、 CSV文件 等同樣可以進(jìn)行讀取,并用于可視化繪制。假設(shè)存在 data.txt 文件如下:

0 11 22 54 175 266 37

讀取數(shù)據(jù)和繪制的代碼如下:

# read_txt.py
import matplotlib.pyplot as plt
x, y = [], []
for line in open('data.txt', 'r'):
values = [float(s) for s in line.split()]
x.append(values[0])
y.append(values[1])
plt.plot(x, y)
plt.show()

繪制圖形

1.2 散點(diǎn)圖

當(dāng)繪制曲線圖時(shí),我們假設(shè)點(diǎn)與點(diǎn)之間存在序列關(guān)系。而散點(diǎn)圖是簡(jiǎn)單地繪制點(diǎn),它們之間并不存在連接。散點(diǎn)圖來為兩個(gè)序列中的每個(gè)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)在坐標(biāo)軸中對(duì)應(yīng)的位置畫一個(gè)點(diǎn)。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data = np.random.rand(1000, 2)
plt.scatter(data[:,0], data[:,1])
plt.show()

散點(diǎn)圖

可以看到,函數(shù) plt.scatter() 的調(diào)用方式與 plt.plot() 完全相同,分別將點(diǎn)的 x 和 y 坐標(biāo)序列作為輸入?yún)?shù)。

1.3 條形圖

條形圖具有豐富的表現(xiàn)形式,常見的類型包括單組條形圖,多組條形圖,堆積條形圖和對(duì)稱條形圖等。

1.3.1 單組條形圖

條形圖的每種表現(xiàn)形式都可以繪制成垂直條形圖或水平條形圖,以單組條形圖的兩種繪制方式為例。

(1) 垂直條形圖

import matplotlib.pyplot as plt
data = [10., 20., 5., 15.]
plt.bar(range(len(data)), data)
plt.show()

垂直條形圖

plt.bar() 函數(shù)的作用是:接收兩個(gè)參數(shù),包括每個(gè)條形的 x 坐標(biāo)和每個(gè)條形的高度。通過使用可選參數(shù) width , plt.bar() 還可以控制條形圖中條形的寬度:

import matplotlib.pyplot as plt
data = [10., 20., 5., 15.]
plt.bar(range(len(data)), data, width=0.5)
plt.show()

修改條形圖寬度

(2) 水平條形圖

如果更喜歡水平條形外觀,就可以使用 plt.barh() 函數(shù),在用法方面與 plt.bar() 基本相同,但是修改條形寬度(或者在水平條形圖中應(yīng)該稱為高度),需要使用參數(shù) height

import matplotlib.pyplot as plt
data = [10., 20., 5., 15.]
plt.barh(range(len(data)), data, height=0.5)
plt.show()

水平條形圖

1.3.2 多組條形圖

當(dāng)需要比較不同年份相應(yīng)季度的銷量等此類需求時(shí),我們可能需要多組條形圖。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data = [[10., 20., 30., 20.],[40., 25., 53., 18.],[6., 22., 52., 19.]]
x = np.arange(4)
plt.bar(x + 0.00, data[0], color = 'b', width = 0.25)
plt.bar(x + 0.25, data[1], color = 'g', width = 0.25)
plt.bar(x + 0.50, data[2], color = 'r', width = 0.25)
plt.show()

多組條形圖

1.3.3 堆積條形圖

通過使用 plt.bar() 函數(shù)中的可選參數(shù),可以繪制堆積條形圖, plt.bar() 函數(shù)的可選參數(shù) bottom 允許指定條形圖的起始值。

import matplotlib.pyplot as plt
y_1 = [3., 25., 45., 22.]
y_2 = [6., 25., 50., 25.]
x = range(4)
plt.bar(x, y_1, color = 'b')
plt.bar(x, y_2, color = 'r', bottom = y_1)
plt.show()

堆積條形圖

可以結(jié)合 for 循環(huán),利用延遲呈現(xiàn)機(jī)制可以堆疊更多的條形:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data = np.array([[5., 30., 45., 22.], [5., 25., 50., 20.], [1., 2., 1., 1.]])
x = np.arange(data.shape[1])
for i in range(data.shape[0]):
plt.bar(x, data[i], bottom = np.sum(data[:i], axis = 0))
plt.show()

堆疊條形圖

1.3.4 對(duì)稱條形圖

例如,當(dāng)我們想要繪制不同年齡段的男性與女性數(shù)量的對(duì)比時(shí),一個(gè)簡(jiǎn)單且有用的技巧是對(duì)稱繪制兩個(gè)條形圖:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
w_pop = np.array([5., 30., 45., 22.])
m_pop = np.array( [5., 25., 50., 20.])
x = np.arange(4)
plt.barh(x, w_pop)
plt.barh(x, -m_pop)
plt.show()

對(duì)稱條形圖

圖中女性人口的條形圖照常繪制。然而,男性人口的條形圖的條形圖的條形圖向左延伸,而不是向右延伸??梢允褂脭?shù)據(jù)的負(fù)值來快速實(shí)現(xiàn)對(duì)稱條形圖的繪制。

1.4 餅圖

餅圖可以用于對(duì)比數(shù)量間的相對(duì)關(guān)系, plt.pie() 函數(shù)將一系列值作為輸入,將值傳遞給 Matplolib ,它就會(huì)自動(dòng)計(jì)算各個(gè)值在餅圖中的相對(duì)面積,并進(jìn)行繪制:

import matplotlib.pyplot as plt
data = [10, 15, 30, 20]
plt.pie(data)
plt.show()

餅圖

1.5 直方圖

直方圖是概率分布的圖形表示。事實(shí)上,直方圖只是一種特殊的條形圖。我們可以很容易地使用 Matplotlib 的條形圖函數(shù),并進(jìn)行一些統(tǒng)計(jì)運(yùn)算來生成直方圖。但是,鑒于直方圖的使用頻率非常高,因此 Matplotlib 提供了一個(gè)更加方便的函數(shù)—— plt.hist() 。 plt.hist() 函數(shù)的作用是:獲取一系列值作為輸入。值的范圍將被劃分為大小相等的范圍(默認(rèn)情況下數(shù)量為 10 ),然后生成條形圖,一個(gè)范圍對(duì)應(yīng)一個(gè)條柱,一個(gè)條柱的高度是相應(yīng)范圍內(nèi)中的值的數(shù)量,條柱的數(shù)量由可選參數(shù) bins 確定。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.random.randn(1024)
plt.hist(x, bins = 20)
plt.show()

直方圖

1.6 箱形圖

箱形圖可以通過方便地顯示一組值的中位數(shù)、四分位數(shù)、最大值和最小值來比較值的分布。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data = np.random.randn(200)
plt.boxplot(data)
plt.show()

箱型圖

Tips:plt.boxplot()函數(shù)的作用是:獲取一組值,并自動(dòng)計(jì)算平均值、中位數(shù)和其他統(tǒng)計(jì)量。 

箱形圖描述:

  • 圖中黃線是分布的中位數(shù)。
  • 方形箱框包括從下四分位數(shù)Q1到上四分位數(shù)Q3的50%的數(shù)據(jù)。
  • 下盒須的下四分位延伸到1.5 (Q3-Q1)。
  • 上盒須從上四分位延伸至1.5 (Q3-Q1)。
  • 離盒須較遠(yuǎn)的數(shù)值用圓圈標(biāo)記。

要在單個(gè)圖形中繪制多個(gè)箱形圖,對(duì)每個(gè)箱形圖調(diào)用一次 plt.boxplot() 是不可行。它會(huì)將所有箱形圖畫在一起,形成一個(gè)混亂的、不可讀的圖形。如果想要到達(dá)符合要求的效果,只需在一次調(diào)用 plt.boxplot() 中,同時(shí)繪制多個(gè)箱形圖即可,如下所示:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
data = np.random.randn(200, 6)
plt.boxplot(data)
plt.show()

多箱形圖

2. 3D 圖形繪制

繪制 3D 圖形的函數(shù)使用方式與 2D 非常相似,在上節(jié)中,我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了一系列 2D 圖形的繪制,接下里,我們?cè)趫D中再添加一個(gè)維度以展示更多信息。

2.1 3D 散點(diǎn)圖

3D 散點(diǎn)圖的繪制方式與 2D 散點(diǎn)圖基本相同。

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
# Dataset generation
a, b, c = 10., 28., 8. / 3.
def lorenz_map(x, dt = 1e-2):
x_dt = np.array([a * (x[1] - x[0]), x[0] * (b - x[2]) - x[1], x[0] * x[1] - c * x[2]])
return x + dt * x_dt
points = np.zeros((2000, 3))
x = np.array([.1, .0, .0])
for i in range(points.shape[0]):
points[i], x = x, lorenz_map(x)
# Plotting
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
ax.set_xlabel('X axis')
ax.set_ylabel('Y axis')
ax.set_zlabel('Z axis')
ax.set_title('Lorenz Attractor a=%0.2f b=%0.2f c=%0.2f' % (a, b, c))
ax.scatter(points[:, 0], points[:, 1],points[:, 2], zdir = 'z', c = 'c')
plt.show()

3D散點(diǎn)圖

需要注意的是,在彈出的交互式繪圖窗口中,按住鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)鼠標(biāo)可以旋轉(zhuǎn)查看三維圖形。接下來,我們?cè)敿?xì)講解如何使用 Matplotlib 進(jìn)行三維繪圖,我們首先需要導(dǎo)入 Matplotlib 的三維擴(kuò)展 Axes3D

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

對(duì)于三維繪圖,需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) Figure 實(shí)例并附加一個(gè) Axes3D 實(shí)例:

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

之后,三維散點(diǎn)圖的繪制方式與二維散點(diǎn)圖完全相同:

ax.scatter(points[:, 0], points[:, 1],points[:, 2], zdir = 'z', c = 'c')

需要注意的是,繪制 3D 散點(diǎn)圖需要調(diào)用 Axes3D 實(shí)例的 scatter() 方法,而非 plt 中的 scatter 方法。只有 Axes3D 中的 scatter() 方法才能解釋三維數(shù)據(jù)。同時(shí) 2D 統(tǒng)計(jì)圖中的注釋也可以在 3D 圖中使用,例如 set_title() 、 set_xlabel() 、 set_ylabel() set_zlabel() 等。

2.2 3D曲線圖

與在 3D 空間中繪制散點(diǎn)圖類似,繪制 3D 曲線圖同樣需要設(shè)置一個(gè) Axes3D 實(shí)例,然后調(diào)用其 plot() 方法:

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
# Dataset generation
a, b, c = 10., 28., 8. / 3.
def lorenz_map(x, dt = 1e-2):
x_dt = np.array([a * (x[1] - x[0]), x[0] * (b - x[2]) - x[1], x[0] * x[1] - c * x[2]])
return x + dt * x_dt
points = np.zeros((8000, 3))
x = np.array([.1, .0, .0])
for i in range(points.shape[0]):
points[i], x = x, lorenz_map(x)
# Plotting
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
ax.set_xlabel('X axis')
ax.set_ylabel('Y axis')
ax.set_zlabel('Z axis')
ax.set_title('Lorenz Attractor a=%0.2f b=%0.2f c=%0.2f' % (a, b, c))
ax.plot(points[:, 0], points[:, 1], points[:, 2], c = 'c')
plt.show()

3D曲線圖

2.3 3D標(biāo)量場(chǎng)

到目前為止,我們看到的 3D 繪圖方式類似與相應(yīng)的 2D 繪圖方式,但也有許多特有的三維繪圖功能,例如將二維標(biāo)量場(chǎng)繪制為 3D 曲面, plot_surface() 方法使用 x x x、 y y y 和 z z z 三個(gè)序列將標(biāo)量場(chǎng)顯示為三維曲面:

import numpy as np
from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-3, 3, 256)
y = np.linspace(-3, 3, 256)
x_grid, y_grid = np.meshgrid(x, y)
z = np.sinc(np.sqrt(x_grid ** 2 + y_grid ** 2))
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
ax.plot_surface(x_grid, y_grid, z, cmap=cm.viridis)
plt.show()

3D標(biāo)量場(chǎng)

可以看到曲面上線條帶有顯著的色彩標(biāo)識(shí),如果不希望看到三維曲面上顯示的曲線色彩,可以使用 plot_surface() 的附加可選參數(shù):

ax.plot_surface(x_grid, y_grid, z, cmap=cm.viridis, linewidth=0, antialiased=False)

3D標(biāo)量場(chǎng)

同樣,我們也可以僅保持曲線色彩,而曲面不使用其他顏色,這也可以通過 plot_surface() 的可選參數(shù)來完成:

import numpy as np
from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-3, 3, 256)
y = np.linspace(-3, 3, 256)
x_grid, y_grid = np.meshgrid(x, y)
z = np.sinc(np.sqrt(x_grid ** 2 + y_grid ** 2))
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
ax.plot_surface(x_grid, y_grid, z, edgecolor='b',color='w')
plt.show()

3D標(biāo)量場(chǎng)

而如果我們希望消除曲面,而僅使用線框進(jìn)行繪制,可以使用 plot_wireframe() 函數(shù), plot_wireframe() 參數(shù)與 plot_surface() 相同,使用兩個(gè)可選參數(shù) rstride cstride 用于令 Matplotlib 跳過 x x x 和 y y y 軸上指定數(shù)量的坐標(biāo),用于減少曲線的密度:

ax.plot_wireframe(x_grid, y_grid, z, cstride=10, rstride=10,color='c')

3D標(biāo)量場(chǎng)

2.4 繪制3D曲面

在前述方法中,使用 plot_surface() 來繪制標(biāo)量:即 f(x, y)=z 形式的函數(shù),但 Matplotlib 也能夠使用更通用的方式繪制三維曲面:

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
# Generate torus mesh
angle = np.linspace(0, 2 * np.pi, 32)
theta, phi = np.meshgrid(angle, angle)
r, r_w = .25, 1.
x = (r_w + r * np.cos(phi)) * np.cos(theta)
y = (r_w + r * np.cos(phi)) * np.sin(theta)
z = r * np.sin(phi)
# Display the mesh
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
ax.set_xlim3d(-1, 1)
ax.set_ylim3d(-1, 1)
ax.set_zlim3d(-1, 1)
ax.plot_surface(x, y, z, color = 'c', edgecolor='m', rstride = 2, cstride = 2)
plt.show()

繪制3D曲面

同樣可以使用 plot_wireframe() 替換對(duì) plot_surface() 的調(diào)用,以便獲得圓環(huán)的線框視圖:

ax.plot_wireframe(x, y, z, edgecolor='c', rstride = 2, cstride = 1)

繪制3D曲面

2.5 在3D坐標(biāo)軸中繪制2D圖形

注釋三維圖形的一種有效方法是使用二維圖形:

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-3, 3, 256)
y = np.linspace(-3, 3, 256)
x_grid, y_grid = np.meshgrid(x, y)
z = np.exp(-(x_grid ** 2 + y_grid ** 2))
u = np.exp(-(x ** 2))
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
ax.set_zlim3d(0, 3)
ax.plot(x, u, zs=3, zdir='y', lw = 2, color = 'm')
ax.plot(x, u, zs=-3, zdir='x', lw = 2., color = 'c')
ax.plot_surface(x_grid, y_grid, z, color = 'b')
plt.show()

注釋三維圖形

Axes3D 實(shí)例同樣支持常用的二維渲染命令,如 plot()

ax.plot(x, u, zs=3, zdir='y', lw = 2, color = 'm')

Axes3D 實(shí)例對(duì) plot() 的調(diào)用有兩個(gè)新的可選參數(shù):

zdir :用于決定在哪個(gè)平面上繪制2D繪圖,可選值包括 x、y 或 z;

zs :用于決定平面的偏移。

因此,要將二維圖形嵌入到三維圖形中,只需將二維原語用于 Axes3D 實(shí)例,同時(shí)使用可選參數(shù),zdir 和 zs,來放置所需渲染圖形平面。接下來,讓我們實(shí)際查看下在 3D 空間中堆疊 2D 條形圖的示例:

import numpy as np
from matplotlib import cm
import matplotlib.colors as col
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
# Data generation
alpha = 1. / np.linspace(1, 8, 5)
t = np.linspace(0, 5, 16)
t_grid, a_grid = np.meshgrid(t, alpha)
data = np.exp(-t_grid * a_grid)
# Plotting
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
cmap = cm.ScalarMappable(col.Normalize(0, len(alpha)), cm.viridis)
for i, row in enumerate(data):
ax.bar(4 * t, row, zs=i, zdir='y', alpha=0.8, color=cmap.to_rgba(i))
plt.show()

堆疊2D圖形

2.6 3D 柱狀圖

最后,我們來介紹 3D 柱狀圖的繪制。

import numpy as np
from matplotlib import cm
import matplotlib.colors as col
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
# Data generation
alpha = np.linspace(1, 8, 5)
t = np.linspace(0, 5, 16)
t_grid, a_grid = np.meshgrid(t, alpha)
data = np.exp(-t_grid * (1. / a_grid))
# Plotting
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection = '3d')
xi = t_grid.flatten()
yi = a_grid.flatten()
zi = np.zeros(data.size)
dx = .30 * np.ones(data.size)
dy = .30 * np.ones(data.size)
dz = data.flatten()
ax.set_xlabel('T')
ax.set_ylabel('Alpha')
ax.bar3d(xi, yi, zi, dx, dy, dz, color = 'c')
plt.show()

3D柱形圖

3D 柱體以網(wǎng)格布局定位, bar3d() 方法接受六個(gè)必需參數(shù)作為輸入。前三個(gè)參數(shù)是每個(gè)柱體下端的 x y z 坐標(biāo):

xi = t_grid.flatten()
yi = a_grid.flatten()
zi = np.zeros(data.size)

bar3d() 方法將坐標(biāo)列表作為輸入,而不是網(wǎng)格坐標(biāo),因此需要對(duì)矩陣 a_grid t_grid 調(diào)用flatten方法。 bar3d() 方法的另外三個(gè)必需參數(shù)是每個(gè)柱體在每個(gè)維度的值。這里,柱狀圖的高度取自數(shù)據(jù)矩陣。柱形寬度和深度設(shè)置為 0.30

dx = .30 * np.ones(data.size)
dy = .30 * np.ones(data.size)
dz = data.flatten()

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總結(jié) 

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