數(shù)據(jù)可視化 課件 第3章 Matplotlib的進(jìn)階使用

1數(shù)據(jù)可視化第一章Matplotlib的基本使用第二章Matplotlib的進(jìn)階使用第三章…第四章目錄Contents…第五章緒論2第三章Matplotlib的進(jìn)階使用進(jìn)階設(shè)置進(jìn)階圖形1234引言擴(kuò)充功能3引言1.41引言上一章講述了使用Matplotlib繪制基本圖形的方法，幫助用戶掌握了一些常見(jiàn)圖形的函數(shù)使用以及其參數(shù)含義。但是，這樣的簡(jiǎn)單圖形顯然不能滿足用戶更復(fù)雜的實(shí)際需求。本章重點(diǎn)講解如何對(duì)Matplotlib圖形進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)置，以及如何繪制更復(fù)雜和完善的圖形，使用戶能夠更美觀、更全面、更靈活地展示數(shù)據(jù)，真正做到用數(shù)據(jù)講故事。5進(jìn)階設(shè)置2.62進(jìn)階設(shè)置72進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置在添加標(biāo)題的過(guò)程中，如果標(biāo)題為中文，會(huì)存在不顯示的問(wèn)題82進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置

解決辦法是添加以下兩行命令92進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置這就涉及到了rc參數(shù)的相關(guān)問(wèn)題。實(shí)際上，matplotlib使用matplotlibrc（matplotlibresourceconfigurations）配置文件來(lái)自定義各種屬性，我們稱之為rc配置或者rc參數(shù)。通過(guò)rc參數(shù)可以修改默認(rèn)的屬性，包括窗體大小、每英寸的點(diǎn)數(shù)、線條寬度、顏色、樣式、坐標(biāo)軸、坐標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)屬性、文本、字體等。102進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置lines：設(shè)置線條屬性。包括線條顏色、寬度和標(biāo)記等。patch：填充2D空間的圖形對(duì)象。font：字體類別、風(fēng)格、粗細(xì)和大小等。text：文本顏色等。axes：坐標(biāo)軸的背景顏色、邊緣顏色，刻度線的大小，刻度標(biāo)簽大小等。xtick、ytick：x軸和y軸刻度線大小、寬度，刻度線顏色、標(biāo)簽大小等。grid：網(wǎng)格顏色、線條設(shè)置、透明度等。legend：圖例的文本大小，線框風(fēng)格等。figure：畫布標(biāo)題大小、粗細(xì)，畫布分辨率等。savefig：保存畫布圖像的分辨率、背景顏色等。配置文件matplotlibrc主要包括以下配置要素：112進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置可以通過(guò)以下代碼代碼查看這些參數(shù)的默認(rèn)值122進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置還可以直接查找rc參數(shù)的源文件查看對(duì)應(yīng)默認(rèn)參數(shù)132進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置這樣，就可以通過(guò)修改rc參數(shù)這種方式直接修改函數(shù)曲線的顏色、粗細(xì)等142進(jìn)階設(shè)置——rc參數(shù)的設(shè)置回歸到最初解決中文顯示的問(wèn)題上，除了“SimHei”，還有以下字體與其對(duì)應(yīng)的參數(shù)152進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置在正常顯示中文標(biāo)題后，我們就可以開(kāi)始對(duì)圖形進(jìn)行美化了。讓我們先來(lái)學(xué)習(xí)坐標(biāo)軸設(shè)置的相關(guān)操作162進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置坐標(biāo)軸顏色設(shè)置坐標(biāo)軸顏色設(shè)置思路如下：獲取坐標(biāo)軸修改顏色172進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置當(dāng)前的圖表和子圖可以使用plt.gcf()和plt.gca()獲得，分別代表GetCurrentFigure和GetCurrentAxes。實(shí)際上，在pyplot模塊中，許多函數(shù)都是對(duì)當(dāng)前Figure或Axes對(duì)象進(jìn)行操作的。坐標(biāo)軸顏色設(shè)置182進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置既然可以改變顏色，也可以通過(guò)設(shè)置坐標(biāo)軸顏色為白色，以達(dá)到“隱藏”坐標(biāo)軸的目的。坐標(biāo)軸顏色設(shè)置192進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置雖然設(shè)置成“white”和“none”看起來(lái)都可以達(dá)到“隱藏”坐標(biāo)軸的目的。但二者也存在一定區(qū)別。當(dāng)figure顏色為黑色時(shí)，設(shè)置成“white”還是會(huì)顯示出來(lái)的，而設(shè)置成“none”還是不會(huì)顯示出來(lái)。坐標(biāo)軸顏色設(shè)置202進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置坐標(biāo)軸刻度的設(shè)置若只想顯示一定范圍內(nèi)的圖形，可以通過(guò)xlim和ylim兩個(gè)函數(shù)來(lái)設(shè)置坐標(biāo)的顯示范圍，接收的參數(shù)為一個(gè)元組。212進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置如果想修改坐標(biāo)軸刻度的值，可以通過(guò)xticks()和yticks()兩個(gè)函數(shù)來(lái)設(shè)置，接受的參數(shù)為一個(gè)列表。坐標(biāo)軸刻度的設(shè)置222進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置我們也可以將坐標(biāo)軸刻度用文字來(lái)表示，只需要再加入一個(gè)列表即可。此時(shí)會(huì)在第一個(gè)列表中進(jìn)行坐標(biāo)軸刻度劃分，在第二個(gè)列表中找到所需要表達(dá)的文字坐標(biāo)軸刻度的設(shè)置232進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置坐標(biāo)軸位置的設(shè)置數(shù)學(xué)中的x-y直角坐標(biāo)系，x軸與y軸相交于(0,0)點(diǎn)。在Matplotlib，也可以調(diào)整坐標(biāo)軸的位置，繪制出x-y直角坐標(biāo)系下的圖形。實(shí)現(xiàn)思路如下：（1）獲取坐標(biāo)軸。（2）設(shè)置右邊和上方坐標(biāo)軸顏色為none。（3）將左邊和下方的坐標(biāo)軸調(diào)至中心處。242進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置坐標(biāo)軸位置的設(shè)置還可以通過(guò)設(shè)置左邊和下方的坐標(biāo)軸到0點(diǎn)達(dá)到同樣的效果252進(jìn)階設(shè)置——坐標(biāo)軸的設(shè)置坐標(biāo)軸標(biāo)簽的設(shè)置如果想要給x軸或y軸添加名稱，則需要使用函數(shù)xlabel()和ylabel()。同樣可以通過(guò)fontsize調(diào)整字體大小，通過(guò)color設(shè)置字體顏色等262進(jìn)階設(shè)置——圖例的設(shè)置在繪圖區(qū)域中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)圖形，如果沒(méi)有圖例進(jìn)行區(qū)分，是很難識(shí)別出這些圖形的主要內(nèi)容的。因此，對(duì)于有兩條及兩條以上曲線的圖形，需要添加圖例進(jìn)行區(qū)分。在Matplotlib中，通過(guò)pyplot.legend()創(chuàng)建圖例，但是需要在繪圖過(guò)程中加上labels名稱，如plt.plot(x,y,labels='1')。272進(jìn)階設(shè)置——圖例的設(shè)置pyplot.legend()常見(jiàn)參數(shù)如下:loc：int或str?？蛇x參數(shù)見(jiàn)表3.1，可使用左側(cè)的字符串或者右側(cè)的整型代號(hào)。默認(rèn)為'best'，同時(shí)，'best'意味會(huì)自行調(diào)節(jié)位置以不遮擋內(nèi)容，運(yùn)行速度相對(duì)要慢。若使用了bbox_to_anchor，該項(xiàng)無(wú)效。fontsize：設(shè)置圖例字體大小。frameon：設(shè)置圖例的邊框，默認(rèn)為True,設(shè)置為False時(shí)不顯示。title：圖例的標(biāo)題。shadow：是否為圖例邊框添加陰影。markerfirst：True表示圖例標(biāo)簽在句柄右側(cè)，false反之。markerscale：圖例標(biāo)記為原圖標(biāo)記中的多少倍大小。fancybox：是否將圖例框的邊角設(shè)為圓形。framealpha：控制圖例框的透明度。bbox_to_anchor：(橫向看右，縱向看下)，如果要自定義圖例位置或者將圖例畫在坐標(biāo)外邊，使用到的參數(shù)一般配合著ax.get_position()等參數(shù)使用。282進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置我們有時(shí)需要在圖形中添加參考線或參考區(qū)域，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。例如，在對(duì)營(yíng)業(yè)收入進(jìn)行分析時(shí)，會(huì)用到帕累托分析，找出營(yíng)業(yè)收入超過(guò)80%的點(diǎn)。292進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置參考線的設(shè)置在Matplotlib中，通過(guò)pyplot.axhline()繪制平行于x軸的水平參考線，通過(guò)pyplot.axvline()繪制平行于y軸的垂直參考線。302進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置y：水平參考線的出發(fā)點(diǎn)。xmin&xmax：x最?。ㄗ畲螅┛潭人及俜直?，取值范圍為[0,1]。如：設(shè)置xmin=0.5，即為參考線起始處到左坐標(biāo)軸的距離占50%。缺省時(shí)繪制平行于整個(gè)坐標(biāo)軸的參考線。c：參考線的顏色。ls：參考線的線條風(fēng)格。lw：參考線的寬度。其中axhline()常見(jiàn)參數(shù)如下：參考線的設(shè)置312進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置axvline()和axhline()使用方法基本一致，唯一的區(qū)別在于axhline()繪制的是平行于x軸的參考線，axvline()繪制的是平行于y軸的參考線，因此在參數(shù)上由axhline()中的y，xmin和xmax對(duì)應(yīng)變成axvline()中的x,ymin和ymax。參考線的設(shè)置322進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置參考線可以滿足一定的需求，但如果需要對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記的話，用參考線是不夠的，這時(shí)就要使用到參考區(qū)域。Matplotlib通過(guò)pyplot.axhspan()創(chuàng)建平行于x軸的參考區(qū)域；通過(guò)pyplot.axvspan()創(chuàng)建平行于y軸的參考區(qū)域。參考區(qū)域的設(shè)置332進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置其中，axhspan()常見(jiàn)參數(shù)如下：xmin&xmax：區(qū)域的左、右坐標(biāo)對(duì)于整個(gè)圖表的位置，范圍在0到1之間。缺省時(shí)xmin取0，xmax取1。ymin&ymax：區(qū)域的上、下坐標(biāo)對(duì)于整個(gè)圖表的位置。同樣可以通過(guò)alpha參數(shù)調(diào)整透明度，通過(guò)facecolor調(diào)整區(qū)域顏色，通過(guò)edgecolor調(diào)整邊框顏色等參考區(qū)域的設(shè)置342進(jìn)階設(shè)置——參考線/區(qū)域的設(shè)置與axhline()和axvline()類似，axvspan()和axhspan()的唯一區(qū)別在于axvspan()的ymin和ymax在缺省時(shí)分別為0和1。參考區(qū)域的設(shè)置需要注意的是，參考區(qū)域和參考線之間還是有區(qū)別的。例如，參考區(qū)域中必選參數(shù)如axhspan()中的ymin和ymax是實(shí)際的坐標(biāo)軸刻度值，范圍不屬于[0,1]。這是我們?cè)诶L圖過(guò)程中需要十分注意的。352進(jìn)階設(shè)置——注釋文本的設(shè)置我們?cè)趫D形展示中經(jīng)常要展示一些特殊的點(diǎn)，并且要進(jìn)行標(biāo)記，這時(shí)就需要注釋文本了。在Matplotlib中，注釋文本有兩種方式：text()為無(wú)指向型注釋文本，annotate()為指向型注釋文本。362進(jìn)階設(shè)置——注釋文本的設(shè)置無(wú)指向型注釋文本無(wú)指向型注釋文本，文如其名，是指沒(méi)有指向型的注釋。它通過(guò)pyplot.text()創(chuàng)建。基本思想是：1.定位到需要注釋的位置2.添加注釋。372進(jìn)階設(shè)置——注釋文本的設(shè)置無(wú)指向型注釋文本無(wú)指向型注釋文本常用參數(shù)如下：x,y：注釋開(kāi)始的位置坐標(biāo)。string：表示說(shuō)明文字。fontsize：表示字體大小。verticalalignment：垂直對(duì)齊方式，可選參數(shù)有：[‘center’,‘top’,‘bottom’,‘baseline’]。horizontalalignment：水平對(duì)齊方式，可選參數(shù)有：[‘center’,‘right’,‘left’]。wight：字體的粗細(xì)，可選參數(shù)有：[‘normal’,‘bold’,‘bolder’,‘lighter’]。bbox：給字體添加框。以字典的形式，可以修改框內(nèi)的顏色、字體顏色、邊框顏色等。382進(jìn)階設(shè)置——注釋文本的設(shè)置指向型注釋文本無(wú)指向型注釋文本對(duì)于只有一個(gè)圖形的說(shuō)明性較好，若圖形中包含兩個(gè)及以上的函數(shù)曲線，那么指向型注釋文本的效果會(huì)更好。在matplotlib中通過(guò)pyplot.annotate()創(chuàng)建指向型注釋文本。實(shí)現(xiàn)思路是：1.定位被注釋的坐標(biāo)點(diǎn)2.定位注釋文本的坐標(biāo)點(diǎn)3.添加注釋。392進(jìn)階設(shè)置——注釋文本的設(shè)置指向型注釋文本指向型注釋文本常用參數(shù)如下：s：為注釋文本內(nèi)容xy：為被注釋的坐標(biāo)點(diǎn)xytext：為注釋文字的坐標(biāo)位置arrowprops：設(shè)置指向箭頭的參數(shù)，包含：arrowstyle：設(shè)置箭頭的樣式，可選參數(shù)：['->','|-|','-|>','simple','fancy']等；connectionstyle：設(shè)置箭頭的形狀可選參數(shù)['arc3','arc','angle','angle3']；color：設(shè)置箭頭顏色。headlength：箭頭的長(zhǎng)度。headwidth：箭頭的寬度。width：箭尾的寬度。若指定了arrowstyle，則不能通過(guò)這三個(gè)參數(shù)個(gè)性化設(shè)置箭頭。bbox：為注釋文本添加邊框。40進(jìn)階圖形3.413進(jìn)階圖形423進(jìn)階圖形——復(fù)雜柱形圖復(fù)雜柱形圖包括很多種，本章從并列柱形圖、堆積柱形圖、誤差棒柱形圖來(lái)講解復(fù)雜柱形圖的繪制思路、流程以及代碼實(shí)現(xiàn)。433進(jìn)階圖形——復(fù)雜柱形圖并列柱形圖當(dāng)對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行某個(gè)因素的比較時(shí)，如對(duì)多個(gè)班級(jí)某次考試的語(yǔ)數(shù)英三門成績(jī)平均分進(jìn)行比較時(shí)，就可以用到并列柱形圖。繪制思路如下:（1）繪制第一個(gè)班級(jí)的語(yǔ)數(shù)英成績(jī)柱形圖；（2）間隔一定的距離繪制第二個(gè)班級(jí)的語(yǔ)數(shù)英成績(jī)柱形圖，以此類推；（3）補(bǔ)充x、y軸名稱，完善圖形443進(jìn)階圖形——復(fù)雜柱形圖堆積柱形圖堆積柱形圖，即將若干柱形圖堆疊起來(lái)的統(tǒng)計(jì)圖形。它也可以類似于餅圖展示數(shù)據(jù)的分布。繪制思路如下：（1）繪制第一個(gè)柱形圖；（2）以第一個(gè)柱形圖為底繪制第二個(gè)柱形圖，以此類推；（3）完善圖形。453進(jìn)階圖形——復(fù)雜柱形圖堆積柱形圖如果想要繪制能夠反映數(shù)據(jù)的百分比分布的堆積柱形圖，則需要先計(jì)算百分比值，再繪制圖形。463進(jìn)階圖形——復(fù)雜柱形圖誤差棒柱形圖在前一章講過(guò)了誤差棒圖的繪制。誤差棒圖實(shí)際上還可以和柱形圖結(jié)合使用，需要在pyplot.bar()中補(bǔ)充一些參數(shù)，補(bǔ)充參數(shù)含義如下:xerr,yerr：分別針對(duì)水平型、垂直型誤差。error_kw：設(shè)置誤差記號(hào)的相關(guān)參數(shù)，例如，elinewidth設(shè)置線型粗細(xì)，ecolor設(shè)置顏色，capsize設(shè)置誤差線邊界橫線的長(zhǎng)度。473進(jìn)階圖形——復(fù)雜條形圖復(fù)雜條形圖如并列條形圖、堆積條形圖、帶誤差棒的條形圖，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程與復(fù)雜柱形圖相比沒(méi)有很大的區(qū)別，基本上和柱形圖與條形圖的繪制流程一致，此處不再贅述。本小節(jié)主要介紹如何通過(guò)條形圖達(dá)到類似甘特圖的效果。483進(jìn)階圖形——復(fù)雜條形圖在Matplotlib中通過(guò)pyplot.broken_barh()繪制類似甘特圖的間斷條形圖。其中，常用參數(shù)如下:xranges：(xmin,xwidth)組成的數(shù)組，其中xmin是每個(gè)起始點(diǎn)的坐標(biāo)，xwidth是每個(gè)塊的寬度。yranges：（ymin,ymax）規(guī)定某一組方塊的y坐標(biāo)位置，ymin為起始坐標(biāo)，ymax是寬度。493進(jìn)階圖形——堆疊圖堆疊圖主要用于顯示部分對(duì)整體隨時(shí)間的變化關(guān)系，它與餅圖很相似，但是，堆疊圖反映的是數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的變化關(guān)系。在Matplotlib中通過(guò)pyplot.stackplot()繪制堆疊圖。主要參數(shù)如下:x：維度為n的一維數(shù)組；y：2維數(shù)組（維度m×n）或1維數(shù)組的序列（每維1×n）503進(jìn)階圖形——子圖子圖是將整個(gè)畫布劃分成若干塊，再在每一塊上繪制的圖形。在Matplotlib中，有兩種子圖：規(guī)則劃分的子圖與不規(guī)則劃分的子圖。在正式介紹子圖之前，先解釋一個(gè)概念。以subplot()為例，subplot(n1,n2,n3)表示將整個(gè)畫布劃分成n1×n2的矩陣，該plot為第n3個(gè)圖。subplot(n1,n2,n3)也可以寫作subplot(n1n2n3)，中間省略逗號(hào)也是可以運(yùn)行成功的，但不提倡這么做。513進(jìn)階圖形——子圖規(guī)則劃分的子圖通過(guò)pyplot.subplot()創(chuàng)建幾何形狀相同的子圖。不過(guò)需要記得在調(diào)用pyplot.subplot()前要先調(diào)用pyplot.figure()獲取畫布，才能進(jìn)行后續(xù)操作。523進(jìn)階圖形——子圖還可以在整個(gè)畫布中顯示奇數(shù)個(gè)圖形規(guī)則劃分的子圖533進(jìn)階圖形——子圖不規(guī)則劃分的子圖在上一節(jié)中，即使繪制的是奇數(shù)個(gè)圖形，但還是規(guī)則劃分的。如果想要將畫布不規(guī)則劃分，需要使用函數(shù)pyplot.subplot2grid()。首先對(duì)subplot2grid()參數(shù)的含義進(jìn)行解釋。以subplot2grid((3,3),(1,0),colspan=2,rowspan=2)為例，該命令表示將整個(gè)畫布看作3×3的矩陣，該圖形起始于(1,0)，占2列2行。其中參數(shù)colspan和rowspan的缺省值為1。543進(jìn)階圖形——等高線圖等高線圖經(jīng)常用在繪制梯度下降算法的相關(guān)示意圖中。在Matplotlib中通過(guò)pyplot.contour()繪制等高線。繪制等高線最基本、最重要的三個(gè)參數(shù)是長(zhǎng)、寬、高，對(duì)應(yīng)x、y和z。553進(jìn)階圖形——等高線圖如果需要的是填充等高線，使用命令pyplot.contourf()563進(jìn)階圖形——熱力圖熱力圖，也可以稱作熱圖、密度表等，主要用于展示數(shù)據(jù)的分布情況。標(biāo)準(zhǔn)的熱力圖由三個(gè)維度的數(shù)據(jù)組成，兩組連續(xù)的數(shù)據(jù)作為x軸和y軸，第三組數(shù)據(jù)通過(guò)顏色深淺程度反映。熱力圖在機(jī)器學(xué)習(xí)中的使用頻率較高。Matplotlib中繪制熱力圖需要使用到兩個(gè)函數(shù)—pyplot.imshow()和pyplot.colorbar()573進(jìn)階圖形——熱力圖其中，imshow()的cmap用來(lái)修改色系，有以下參數(shù)：hot：從黑色平滑過(guò)度到紅色、橙色和黃色的背景色，然后到白色。cool：包含青綠色和品紅色的陰影色。從青綠色平滑變化到品紅色。gray：返回線性灰度色圖。