Python 初学者之Matplotlib库（一）
一.什么是Matplotlib
Matplotlib 是 Python 中最受欢迎的数据可视化软件包之一，支持跨平台运行，它是 Python 常用的 2D 绘图库，同时它也提供了一部分 3D 绘图接口。Matplotlib 通常与 NumPy、Pandas 一起使用，是数据分析中不可或缺的重要工具之一。
Matplotlib 是 Python 中类似 MATLAB 的绘图工具，如果您熟悉 MATLAB，那么可以很快的熟悉它。Matplotlib 提供了一套面向对象绘图的 API，它可以轻松地配合 Python GUI 工具包（比如 PyQt，WxPython、Tkinter）在应用程序中嵌入图形。与此同时，它也支持以脚本的形式在 Python、IPython Shell、Jupyter Notebook 以及 Web 应用的服务器中使用。
Matplotlib 主要特点是将数据可视化：
数据可视化：数据可视化是一个新兴名词，它表示用图表的形式对数据进行展示。当您对一个数据集进行分析时，如果使用数据可视化的方式，那么您会很容易地确定数据集的分类模式、缺失数据、离群值等等。下图展示了五个常用的数据可视化图表：
Matplotlib架构组成：
Matplotlib 由三个不同的层次结构组成，分别是脚本层、美工层和后端层。
1) 脚本层
脚本层是 Matplotlib 结构中的最顶层。我们编写的绘图代码大部分代码都在该层运行，它的主要工作是负责生成图形与坐标系。
2) 美工层
美工层是结构中的第二层，它提供了绘制图形的元素时的给各种功能，例如，绘制标题、轴标签、坐标刻度等。
3) 后端层
后端层是 Matplotlib 最底层，它定义了三个基本类，首先是 FigureCanvas（图层画布类），它提供了绘图所需的画布，其次是 Renderer（绘图操作类），它提供了在画布上进行绘图的各种方法，最后是 Event（事件处理类），它提供了用来处理鼠标和键盘事件的方法。
Matplotlib图形组成
Matplotlib 生成的图形主要由以下几个部分构成：
- Figure：指整个图形，您可以把它理解成一张画布，它包括了所有的元素，比如标题、轴线等；
- Axes：绘制 2D 图像的实际区域，也称为轴域区，或者绘图区；
- Axis：指坐标系中的垂直轴与水平轴，包含轴的长度大小（图中轴长为 7）、轴标签（指 x 轴，y轴）和刻度标签；
- Artist：您在画布上看到的所有元素都属于 Artist 对象，比如文本对象（title、xlabel、ylabel）、Line2D 对象（用于绘制2D图像）等。
Matplotlib功能扩展包
许多第三方工具包都对 Matplotlib 进行了功能扩展，其中有些安装包需要单独安装，也有一些允许与 Matplotlib 一起安装。常见的工具包如下：
- Bashmap：这是一个地图绘制工具包，其中包含多个地图投影，海岸线和国界线；
- Cartopy：这是一个映射库，包含面向对象的映射投影定义，以及任意点、线、面的图像转换能力；
- Excel tools： 这是 Matplotlib 为了实现与 Microsoft Excel 交换数据而提供的工具；
- Mplot3d：它用于 3D 绘图；
- Natgrid：这是 Natgrid 库的接口，用于对间隔数据进行不规则的网格化处理。
Matplotlib 中的 pyplot 模块是一个类似命令风格的函数集合，这使得 Matplotlib 的工作模式和 MATLAB 相似。
pyplot 模块提供了可以用来绘图的各种函数，比如创建一个画布，在画布中创建一个绘图区域，或是在绘图区域添加一些线、标签等。以下表格对这些函数做了简单地介绍。
绘图类型
| 函数名称 | 描述 |
|---|---|
| Bar | 绘制条形图 |
| Barh | 绘制水平条形图 |
| Boxplot | 绘制箱型图 |
| Hist | 绘制直方图 |
| his2d | 绘制2D直方图 |
| Pie | 绘制饼状图 |
| Plot | 在坐标轴上画线或者标记 |
| Polar | 绘制极坐标图 |
| Scatter | 绘制x与y的散点图 |
| Stackplot | 绘制堆叠图 |
| Stem | 用来绘制二维离散数据绘制（又称为“火柴图”） |
| Step | 绘制阶梯图 |
| Quiver | 绘制一个二维按箭头 |
Image函数
| 函数名称 | 描述 |
|---|---|
| Imread | 从文件中读取图像的数据并形成数组。 |
| Imsave | 将数组另存为图像文件。 |
| Imshow | 在数轴区域内显示图像。 |
Axis函数
| 函数名称 | 描述 |
|---|---|
| Axes | 在画布(Figure)中添加轴 |
| Text | 向轴添加文本 |
| Title | 设置当前轴的标题 |
| Xlabel | 设置x轴标签 |
| Xlim | 获取或者设置x轴区间大小 |
| Xscale | 设置x轴缩放比例 |
| Xticks | 获取或设置x轴刻标和相应标签 |
| Ylabel | 设置y轴的标签 |
| Ylim | 获取或设置y轴的区间大小 |
| Yscale | 设置y轴的缩放比例 |
| Yticks | 获取或设置y轴的刻标和相应标签 |
Figure函数
| 函数名称 | 描述 |
|---|---|
| Figtext | 在画布上添加文本 |
| Figure | 创建一个新画布 |
| Show | 显示数字 |
| Savefig | 保存当前画布 |
| Close | 关闭画布窗口 |
import matplotlib.pyplot as plt
data = {'apples': 10, 'oranges': 15, 'lemons': 5, 'limes': 20}
names = list(data.keys())
values = list(data.values())
fig, axs = plt.subplots(1, 3, figsize=(9, 3), sharey=True)
axs[0].bar(names, values)
axs[1].scatter(names, values)
axs[2].plot(names, values)
fig.suptitle('Categorical Plotting')
plt.show()
第一个绘图程序
首先导入 Matplotlib 包中的 Pyplot 模块，并以 as 别名的形式简化引入包的名称。
import matplotlib.pyplot as plt
接下来，使用 NumPy 提供的函数 arange() 创建一组数据来绘制图像。
#引入numpy包
import numpy as np
#获得0到2π之间的ndarray对象
x = np.arange(0, math.pi*2, 0.05)上述所得 x 的值作用到 x 轴上，而该值对应的正弦值，也就是 y 值，使用以下方法获取：
y = np.sin(x)使用 plot() 函数对 x、y 进行绘制。
plt.plot(x,y)主要的绘图工作已经完成，不过还需要绘制一些细节，需要我们补充一下，比如图像的标题(title)、x 轴与 y 轴的标签（label）等。
plt.xlabel("angle")
plt.ylabel("sine")
plt.title('sine wave')完整的程序代码如下：
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import math
#调用math.pi方法弧度转为角度
x = np.arange(0, math.pi*2, 0.05)
y = np.sin(x)
plt.plot(x,y)
plt.xlabel("angle")
plt.ylabel("sine")
plt.title('sine wave')
#使用show展示图像
plt.show()代码执行后，显示结果如下：
图1：sine正弦函数图像
第二个绘图程序
柱状图是一种用矩形柱来表示数据分类的图表，柱状图可以垂直绘制，也可以水平绘制，它的高度与其所表示的数值成正比关系。柱状图显示了不同类别之间的比较关系，图表的水平轴 X 指定被比较的类别，垂直轴 Y 则表示具体的类别值。
Matplotlib 提供了bar()函数来绘制柱状图，它可以应用在 MATLAB 样式以及面向对象的绘图方法中。当它与 axes 对象一起使用时，其语法格式如下：
ax.bar(x, height, width, bottom, align)
该函数的参数说明，如下表所示：
| x | 一个标量序列，代表柱状图的x坐标，默认x取值是每个柱状图所在的中点位置，或者也可以是柱状图左侧边缘位置。 |
| height | 一个标量或者是标量序列，代表柱状图的高度。 |
| width | 可选参数，标量或类数组，柱状图的默认宽度值为 0.8。 |
| bottom | 可选参数，标量或类数组，柱状图的y坐标默认为None。 |
| algin | 有两个可选项 {"center","edge"}，默认为 'center'，该参数决定 x 值位于柱状图的位置。 |
该函数的返回值是一个 Matplotlib 容器对象，该对象包含了所有柱状图。
下面是一个关于 Matplotlib 柱状图的简单示例。它用来显示了不同编程语言的学习人数。
import matplotlib.pyplot as plt
#创建图形对象
fig = plt.figure()
#添加子图区域，参数值表示[left, bottom, width, height ]
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
#准备数据
langs = ['C', 'C++', 'Java', 'Python', 'PHP']
students = [23,17,35,29,12]
#绘制柱状图
ax.bar(langs,students)
plt.show()输出结果如下：
图2：matplotlib bar()绘图
通过调整柱状图的宽度，可以实现在同一 x 轴位置绘制多个柱状图。您可以将它们设置成不同的颜色，从而使它们更容易区分。下面示例描述了某工程学院过去四年中，三个专业录取的统招学生数量。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#准备数据
data =
[[30, 25, 50, 20],
[40, 23, 51, 17],
[35, 22, 45, 19]]
X = np.arange(4)
fig = plt.figure()
#添加子图区域
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
#绘制柱状图
ax.bar(X + 0.00, data[0], color = 'b', width = 0.25)
ax.bar(X + 0.25, data[1], color = 'g', width = 0.25)
ax.bar(X + 0.50, data[2], color = 'r', width = 0.25)上述代码执行后，将显示四个柱状图，将每个柱状图又均分为三个小柱状图，每个柱状图占据 0.25 个单位。
图3：matplotlib绘图
柱状图除了上述使用方法外，还有另外一种堆叠柱状图。所谓堆叠柱状图就是将不同数组别的柱状图堆叠在一起，堆叠后的柱状图高度显示了两者相加的结果值。
bar() 函数提供了一个可选参数bottom，该参数可以指定柱状图开始堆叠的起始值，一般从底部柱状图的最大值开始，依次类推。
下面是一个不同国家参加奥林匹克运动会所得奖牌（金银铜）的柱状堆叠图示例，如下所示：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
countries = ['USA', 'India', 'China', 'Russia', 'Germany']
bronzes = np.array([38, 17, 26, 19, 15])
silvers = np.array([37, 23, 18, 18, 10])
golds = np.array([46, 27, 26, 19, 17])
# 此处的 _ 下划线表示将循环取到的值放弃，只得到[0,1,2,3,4]
ind = [x for x, _ in enumerate(countries)]
#绘制堆叠图
plt.bar(ind, golds, width=0.5, label='golds', color='gold', bottom=silvers+bronzes)
plt.bar(ind, silvers, width=0.5, label='silvers', color='silver', bottom=bronzes)
plt.bar(ind, bronzes, width=0.5, label='bronzes', color='#CD853F')
#设置坐标轴
plt.xticks(ind, countries)
plt.ylabel("Medals")
plt.xlabel("Countries")
plt.legend(loc="upper right")
plt.title("2019 Olympics Top Scorers")
plt.show()在上述代码中，第一次调用plt.bar()绘制了黄色柱状图， 第二次调用plot.bar()时绘制了灰色柱状图，最后一次调用plt.bar()则绘制最底部的柱状图。两个柱状图相接触的位置就是顶部与底部的位置，这样就构成了柱状堆叠图。
图4：柱状堆叠图