【Matplotlib】（一）绘制图像函数

1.前言

matplotlib 是 python 最著名的绘图库，它提供了一整套和 matlab 相似的命令 API，十分适合交互式进行绘图。

它的文档相当完备，并且 Gallery 页面 中有上百幅缩略图，打开之后都有源程序。因此如果你需要绘制某种类型的图，只需要在这个页面中浏览/复制/粘贴一下，基本上都能搞定。

这是要实现的效果图，利用 Matplotlib 绘制函数 y = x^2^ 的图像。

1.1 代码实现

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

# Figure 并指定大小
plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
# 绘制 y=x^2 的图像，设置 color 为 red，线宽度是 1，线的样式是 --
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

# 设置 x，y 轴的范围以及 label 标注
plt.xlim(-1,2)
plt.ylim(-2,3)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')

# 设置坐标轴刻度线 
# Tick X 范围 (-1，2) Tick Label(-1，-0.25，0.5，1.25，2) 刻度数量 5 个
new_ticks=np.linspace(-1,2,5)
plt.xticks(new_ticks)

# Tick Y 范围(-2.2,-1,1,1.5,2.4) ，Tick Label (-2.2, -1, 1, 1.5, 2.4) 别名(下面的英文)
plt.yticks([-2.2,-1,1,1.5,2.4],
          [r'$really\ bad$',r'$bad$',r'$normal$',r'$good$',r'$really\ good$'])


# 设置坐标轴 gca() 获取坐标轴信息
ax=plt.gca()
# 使用.spines设置边框：x轴；将右边颜色设置为 none。
# 使用.set_position设置边框位置：y=0的位置；（位置所有属性：outward，axes，data）
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')

# 移动坐标轴
# 将 bottom 即是 x 坐标轴设置到 y=0 的位置。
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))

# 将 left 即是 y 坐标轴设置到 x=0 的位置。
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data',0))

# 设置标签
ax.set_title('y = x^2',fontsize=14,color='r')

# 显示图像
plt.show()

首先一幅 Matplotlib 的图像组成部分介绍。

1.2 基本构成

在 matplotlib 中，整个图像为一个 Figure 对象。在 Figure 对象中可以包含一个或者多个 Axes 对象。每个 Axes(ax) 对象都是一个拥有自己坐标系统的绘图区域。

所属关系如下（图片来自网络）：

图上：Title 为图像标题，Axis 为坐标轴, Label 为坐标轴标注，Tick 为刻度线，Tick Label 为刻度注释。

各个对象关系可以梳理成以下内容（图片来自网络）：

2. Matplotlib绘制步骤

上面虽然贴了全部的代码，有 matplotlib 基础的人一看便懂，但是对于初学者来说，就比较抓脑了。

2.1 Matplotlib实现简单图像

使用 import 导入模块 matplotlib.pyplot，并简写成 plt ，使用 import 导入模块 numpy，并简写成 np。

#导入 module
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

使用 np.linspace 定义 x：范围是 (-3，3)，个数是50，仿真一维数据组 (x ,y) 表示曲线。

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

使用 plt.figure 定义一个图像窗口，使用 plt.plot 画 (x ,y) 曲线，使用 plt.show 显示图像。

#绘制及显示
plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.show()

最终代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

plt.figure()
plt.plot(x, y)
plt.show()

运行结果

看到这个，是不是和最终效果图差距很大，没关系，我们接着往下看。

2.2 设置Figure图像

使用 plt.figure 定义一个图像窗口：编号为 3，大小为  (8, 5)。使用plt.plot画(x ,y)曲线，曲线的颜色属性(color)为红色。曲线的宽度(linewidth)为1.0。曲线的类型(linestyle)为虚线， 使用plt.show显示图像。

plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

最终代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

# Figure 并指定大小
plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
# 绘制 y=x^2 的图像，设置 color 为 red，线宽度是 1，线的样式是 --
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

plt.show()

运行效果

2.3 设置坐标轴

设置 x，y 轴坐标范围及标注 label

使用 plt.xlim 设置x坐标轴范围：(-1, 2)； 使用 plt.ylim 设置 y 坐标轴范围：(-2, 3)；

使用 plt.xlabel 设置 x 坐标轴名称：’x’； 使用 plt.ylabel 设置 y 坐标轴名称：’I am y’；

代码实现

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

# Figure 并指定大小
plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
# 绘制 y=x^2 的图像，设置 color 为 red，线宽度是 1，线的样式是 --
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

# 设置 x，y 轴的范围以及 label 标注
plt.xlim(-1,2)
plt.ylim(-2,3)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')

plt.show()

运行结果

设置 x, y 刻度范围及刻度标注

设置 x 轴：使用 np.linspace 定义范围以及个数：范围是(-1,2); 个数是 5。

使用 plt.xticks 设置 x 轴刻度：范围是(-1,2); 个数是5。

设置 y 轴：使用 plt.yticks 设置 y 轴刻度以及名称：刻度为 [-2, -1.8, -1, 1.22, 3]；对应刻度的名称为 [‘really bad’,’bad’,’normal’,’good’, ‘really good’]。

# 设置坐标轴刻度线 
# Tick X 范围 (-1，2) Tick Label(-1，-0.25，0.5，1.25，2) 刻度数量 5 个
new_ticks=np.linspace(-1,2,5)
plt.xticks(new_ticks)

# Tick Y 范围(-2.2,-1,1,1.5,2.4) ，Tick Label (-2.2, -1, 1, 1.5, 2.4) 别名(下面的英文)
plt.yticks([-2.2,-1,1,1.5,2.4],
          [r'$really\ bad$',r'$bad$',r'$normal$',r'$good$',r'$really\ good$'])

最终代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

# Figure 并指定大小
plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
# 绘制 y=x^2 的图像，设置 color 为 red，线宽度是 1，线的样式是 --
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

# 设置 x，y 轴的范围以及 label 标注
plt.xlim(-1,2)
plt.ylim(-2,3)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')

# 设置坐标轴刻度线 
# Tick X 范围 (-1，2) Tick Label(-1，-0.25，0.5，1.25，2) 刻度数量 5 个
new_ticks=np.linspace(-1,2,5)
plt.xticks(new_ticks)

# Tick Y 范围(-2.2,-1,1,1.5,2.4) ，Tick Label (-2.2, -1, 1, 1.5, 2.4) 别名(下面的英文)
plt.yticks([-2.2,-1,1,1.5,2.4],
          [r'$really\ bad$',r'$bad$',r'$normal$',r'$good$',r'$really\ good$'])

# 显示图像
plt.show()

运行效果，注意看 x, y 轴刻度以及标注变化

2.4 移动坐标轴

隐藏右边框和上边框：

• 使用 plt.gca 获取当前坐标轴信息。

• 使用 .spines 设置边框：右侧边框；使用.set_color设置边框颜色：默认白色；使用 .spines 设置边框：上边框；使用.set_color设置边框颜色：默认白色；

调整坐标轴至中心（将 left 边框调整到 x=0 处，将 bottom 边框调整到 y=0 处）：

• 使用 .xaxis.set_ticks_position 设置 x 坐标刻度数字或名称的位置：bottom。（所有位置：top，bottom，both，default，none）。

• 使用 .spines 设置边框：x 轴；使用 .set_position设置边框位置：y=0 的位置；（位置所有属性：outward，axes，data）

# 设置坐标轴 gca() 获取坐标轴信息
ax=plt.gca()
# 使用.spines设置边框：x轴；将右边颜色设置为 none。
# 使用.set_position设置边框位置：y=0的位置；（位置所有属性：outward，axes，data）
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')

# 移动坐标轴
# 将 bottom 即是 x 坐标轴设置到 y=0 的位置。
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))

# 将 left 即是 y 坐标轴设置到 x=0 的位置。
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data',0))

最终代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

# Figure 并指定大小
plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
# 绘制 y=x^2 的图像，设置 color 为 red，线宽度是 1，线的样式是 --
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

# 设置 x，y 轴的范围以及 label 标注
plt.xlim(-1,2)
plt.ylim(-2,3)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')

# 设置坐标轴刻度线 
# Tick X 范围 (-1，2) Tick Label(-1，-0.25，0.5，1.25，2) 刻度数量 5 个
new_ticks=np.linspace(-1,2,5)
plt.xticks(new_ticks)

# Tick Y 范围(-2.2,-1,1,1.5,2.4) ，Tick Label (-2.2, -1, 1, 1.5, 2.4) 别名(下面的英文)
plt.yticks([-2.2,-1,1,1.5,2.4],
          [r'$really\ bad$',r'$bad$',r'$normal$',r'$good$',r'$really\ good$'])

# 设置坐标轴 gca() 获取坐标轴信息
ax=plt.gca()
# 使用.spines设置边框：x轴；将右边颜色设置为 none。
# 使用.set_position设置边框位置：y=0的位置；（位置所有属性：outward，axes，data）
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')

# 移动坐标轴
# 将 bottom 即是 x 坐标轴设置到 y=0 的位置。
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))

# 将 left 即是 y 坐标轴设置到 x=0 的位置。
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data',0))

# 显示图像
plt.show()

运行结果

2.5 设置标题

使用 .set_title 设置标题，声明标题为 y = x^2^，字体大小 14，颜色为 red。

# 设置标签
ax.set_title('y = x^2',fontsize=14,color='r')

最终代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 定义 x 变量的范围 (-3，3) 数量 50 
x=np.linspace(-3,3,50)
y=x**2

# Figure 并指定大小
plt.figure(num=3,figsize=(8,5))
# 绘制 y=x^2 的图像，设置 color 为 red，线宽度是 1，线的样式是 --
plt.plot(x,y,color='red',linewidth=1.0,linestyle='--')

# 设置 x，y 轴的范围以及 label 标注
plt.xlim(-1,2)
plt.ylim(-2,3)
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')

# 设置坐标轴刻度线 
# Tick X 范围 (-1，2) Tick Label(-1，-0.25，0.5，1.25，2) 刻度数量 5 个
new_ticks=np.linspace(-1,2,5)
plt.xticks(new_ticks)

# Tick Y 范围(-2.2,-1,1,1.5,2.4) ，Tick Label (-2.2, -1, 1, 1.5, 2.4) 别名(下面的英文)
plt.yticks([-2.2,-1,1,1.5,2.4],
          [r'$really\ bad$',r'$bad$',r'$normal$',r'$good$',r'$really\ good$'])


# 设置坐标轴 gca() 获取坐标轴信息
ax=plt.gca()
# 使用.spines设置边框：x轴；将右边颜色设置为 none。
# 使用.set_position设置边框位置：y=0的位置；（位置所有属性：outward，axes，data）
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')

# 移动坐标轴
# 将 bottom 即是 x 坐标轴设置到 y=0 的位置。
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))

# 将 left 即是 y 坐标轴设置到 x=0 的位置。
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data',0))

# 设置标签
ax.set_title('y = x^2',fontsize=14,color='r')

# 显示图像
plt.show()

运行结果

最后，附上 matplotlib 整体结构图（图片来自网络）：

默认阅读顺序：从右→左，顺时针方向。
思维导图软件：XMind

参考

1. Matplotlib 系列之「绘制函数图像」

2. 【笔记】Python（七）数据可视化之「Matplotlib」