Python_机器学习_常用科学计算库_第3章_Matplotlib

Python_机器学习_常用科学计算库_第3章_Matplotlib

Matplotlib

学习目标

• 应用Matplotlib的基本功能实现图形显示
• 应用Matplotlib实现多图显示
• 应用Matplotlib实现不同画图种类

1.1 库的安装

学习目标

• 搭建好机器学习基础阶段的环境

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1 安装需要的库

1.1通过自己搭建虚拟环境安装机器学习阶段环境

整个机器学习基础阶段会用到Matplotlib、Numpy、Pandas等库，为了统一版本号在环境中使用，将所有的库及其版本放到了文件requirements.txt当中，然后统一安装。

新建一个用于人工智能环境的虚拟环境

知识拓展：如何在电脑中安装虚拟环境

mkvirtualenv ai

把如下内容放到 requirements.txt文件中：

matplotlib==2.2.2
numpy==1.14.2
pandas==0.20.3
tables==3.4.2
jupyter==1.0.0

注意：

• 每个包安装的过程中，尽量指定稳定版本进行安装

使用pip命令安装

pip3 install -r requirements.txt

ps: requirements.txt中包含上面虚拟环境中内容.

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1.2 通过anaconda安装机器学习阶段环境

• 其他方法搭建机器学习基础阶段的环境：通过Anaconda进行安装

  该方法和1.1中的方法，选择任意一种安装就OK。

2 小结

• 机器学习(科学计算库)阶段环境的搭建和基本库的安装
  • 注意：最好安装指定的稳定版本

2.2 基础绘图功能 — 以折线图为例

学习目标

• 掌握给图形添加辅助功能(如：标注、x,y轴名称、标题等)
• 知道图形的保存
• 知道如何多次plot绘制图形
• 知道如何多个坐标系显示图形
• 知道折线图的应用场景

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1 完善原始折线图

为了更好地理解所有基础绘图功能，我们通过天气温度变化的绘图来融合所有的基础API使用

需求：画出某城市11点到12点1小时内每分钟的温度变化折线图，温度范围在15度~18度

效果：

1.1 准备数据并画出初始折线图

import matplotlib.pyplot as plt
import random

# 画出温度变化图

# 0.准备x, y坐标的数据
x = range(60)
y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x]

# 1.创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80)

# 2.绘制折线图
plt.plot(x, y_shanghai)

# 3.显示图像
plt.show()

1.2 添加自定义x,y刻度

• plt.xticks(x, **kwargs)
  • x:要显示的刻度值
• plt.yticks(y, **kwargs)
  • y:要显示的刻度值

# 增加以下两行代码

# 构造x轴刻度标签
x_ticks_label = ["11点{}分".format(i) for i in x]
# 构造y轴刻度
y_ticks = range(40)

# 修改x,y轴坐标的刻度显示
plt.xticks(x[::5], x_ticks_label[::5])
plt.yticks(y_ticks[::5])

如果没有解决过中文问题的话，会显示这个样子：

1.3 中文显示问题解决

解决方案一：

下载中文字体（黑体，看准系统版本）

• 步骤一：下载 [SimHei] 字体（或者其他的支持中文显示的字体也行）

• 步骤二：安装字体

  • linux下：拷贝字体到 usr/share/fonts 下：

    sudo cp ~/SimHei.ttf /usr/share/fonts/SimHei.ttf
    

  • windows和mac下：双击安装

• 步骤三：删除~/.matplotlib中的缓存文件

cd ~/.matplotlib
rm -r *

• 步骤四：修改配置文件matplotlibrc

vi ~/.matplotlib/matplotlibrc

将文件内容修改为：

font.family         : sans-serif
font.sans-serif         : SimHei
axes.unicode_minus  : False

解决方案二：

在Python脚本中动态设置matplotlibrc,这样也可以避免由于更改配置文件而造成的麻烦，具体代码如下：

from pylab import mpl
# 设置显示中文字体
mpl.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]

有时候，字体更改后，会导致坐标轴中的部分字符无法正常显示，此时需要更改axes.unicode_minus参数：

# 设置正常显示符号
mpl.rcParams["axes.unicode_minus"] = False

1.4 添加网格显示

为了更加清楚地观察图形对应的值

plt.grid(True, linestyle='--', alpha=0.5)

1.5 添加描述信息

添加x轴、y轴描述信息及标题

通过fontsize参数可以修改图像中字体的大小

plt.xlabel("时间")
plt.ylabel("温度")
plt.title("中午11点0分到12点之间的温度变化图示", fontsize=20)

1.6 图像保存

# 保存图片到指定路径
plt.savefig("test.png")

• 注意：plt.show()会释放figure资源，如果在显示图像之后保存图片将只能保存空图片。

完整代码：

import matplotlib.pyplot as plt
import random
from pylab import mpl

# 设置显示中文字体
mpl.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]
# 设置正常显示符号
mpl.rcParams["axes.unicode_minus"] = False

# 0.准备数据
x = range(60)
y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x]

# 1.创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=100)

# 2.绘制图像
plt.plot(x, y_shanghai)

# 2.1 添加x,y轴刻度
# 构造x,y轴刻度标签
x_ticks_label = ["11点{}分".format(i) for i in x]
y_ticks = range(40)

# 刻度显示
plt.xticks(x[::5], x_ticks_label[::5])
plt.yticks(y_ticks[::5])

# 2.2 添加网格显示
plt.grid(True, linestyle="--", alpha=0.5)

# 2.3 添加描述信息
plt.xlabel("时间")
plt.ylabel("温度")
plt.title("中午11点--12点某城市温度变化图", fontsize=20)

# 2.4 图像保存
plt.savefig("./test.png")

# 3.图像显示
plt.show()

2 在一个坐标系中绘制多个图像

2.1 多次plot

需求：再添加一个城市的温度变化

收集到北京当天温度变化情况，温度在1度到3度。怎么去添加另一个在同一坐标系当中的不同图形，其实很简单只需要再次plot即可，但是需要区分线条，如下显示

# 增加北京的温度数据
y_beijing = [random.uniform(1, 3) for i in x]

# 绘制折线图
plt.plot(x, y_shanghai)
# 使用多次plot可以画多个折线
plt.plot(x, y_beijing, color='r', linestyle='--')

我们仔细观察，用到了两个新的地方，一个是对于不同的折线展示效果，一个是添加图例。

2.2 设置图形风格

颜色字符	风格字符
r 红色	- 实线
g 绿色	- - 虚线
b 蓝色	-. 点划线
w 白色	: 点虚线
c 青色	’ ’ 留空、空格
m 洋红
y 黄色
k 黑色

2.3 显示图例

• 注意：如果只在plt.plot()中设置label还不能最终显示出图例，还需要通过plt.legend()将图例显示出来。

# 绘制折线图
plt.plot(x, y_shanghai, label="上海")
# 使用多次plot可以画多个折线
plt.plot(x, y_beijing, color='r', linestyle='--', label="北京")

# 显示图例
plt.legend(loc="best")

Location String	Location Code
‘best’	0
‘upper right’	1
‘upper left’	2
‘lower left’	3
‘lower right’	4
‘right’	5
‘center left’	6
‘center right’	7
‘lower center’	8
‘upper center’	9
‘center’	10

完整代码：

# 0.准备数据
x = range(60)
y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x]
y_beijing = [random.uniform(1,3) for i in x]

# 1.创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=100)

# 2.绘制图像
plt.plot(x, y_shanghai, label="上海")
plt.plot(x, y_beijing, color="r", linestyle="--", label="北京")

# 2.1 添加x,y轴刻度
# 构造x,y轴刻度标签
x_ticks_label = ["11点{}分".format(i) for i in x]
y_ticks = range(40)

# 刻度显示
plt.xticks(x[::5], x_ticks_label[::5])
plt.yticks(y_ticks[::5])

# 2.2 添加网格显示
plt.grid(True, linestyle="--", alpha=0.5)

# 2.3 添加描述信息
plt.xlabel("时间")
plt.ylabel("温度")
plt.title("中午11点--12点某城市温度变化图", fontsize=20)

# 2.4 图像保存
plt.savefig("./test.png")

# 2.5 添加图例
plt.legend(loc=0)


# 3.图像显示
plt.show()

2.4 练一练

练习多次plot流程(从上面复制代码,到自己电脑,确保每人环境可以正常运行),

同时明确每个过程执行实现的具体效果

3 多个坐标系显示

如果我们想要将上海和北京的天气图显示在同一个图的不同坐标系当中，效果如下：

可以通过subplots函数实现(旧的版本中有subplot，使用起来不方便)，推荐subplots函数

• matplotlib.pyplot.subplots(nrows=1, ncols=1, **fig_kw) 创建一个带有多个axes(坐标系/绘图区)的图

Parameters:    

nrows, ncols : 设置有几行几列坐标系
    int, optional, default: 1, Number of rows/columns of the subplot grid.

Returns:    
fig : 图对象
axes : 返回相应数量的坐标系

设置标题等方法不同：
    set_xticks
    set_yticks
    set_xlabel
    set_ylabel

关于axes子坐标系的更多方法：参考https://matplotlib.org/api/axes_api.html#matplotlib.axes.Axes

• 注意：**plt.函数名()**相当于面向过程的画图方法，**axes.set_方法名()**相当于面向对象的画图方法。

# 0.准备数据
x = range(60)
y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x]
y_beijing = [random.uniform(1, 5) for i in x]

# 1.创建画布
# plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=100)
fig, axes = plt.subplots(nrows=1, ncols=2, figsize=(20, 8), dpi=100)


# 2.绘制图像
# plt.plot(x, y_shanghai, label="上海")
# plt.plot(x, y_beijing, color="r", linestyle="--", label="北京")
axes[0].plot(x, y_shanghai, label="上海")
axes[1].plot(x, y_beijing, color="r", linestyle="--", label="北京")

# 2.1 添加x,y轴刻度
# 构造x,y轴刻度标签
x_ticks_label = ["11点{}分".format(i) for i in x]
y_ticks = range(40)

# 刻度显示
# plt.xticks(x[::5], x_ticks_label[::5])
# plt.yticks(y_ticks[::5])
axes[0].set_xticks(x[::5])
axes[0].set_yticks(y_ticks[::5])
axes[0].set_xticklabels(x_ticks_label[::5])
axes[1].set_xticks(x[::5])
axes[1].set_yticks(y_ticks[::5])
axes[1].set_xticklabels(x_ticks_label[::5])

# 2.2 添加网格显示
# plt.grid(True, linestyle="--", alpha=0.5)
axes[0].grid(True, linestyle="--", alpha=0.5)
axes[1].grid(True, linestyle="--", alpha=0.5)

# 2.3 添加描述信息
# plt.xlabel("时间")
# plt.ylabel("温度")
# plt.title("中午11点--12点某城市温度变化图", fontsize=20)
axes[0].set_xlabel("时间")
axes[0].set_ylabel("温度")
axes[0].set_title("中午11点--12点某城市温度变化图", fontsize=20)
axes[1].set_xlabel("时间")
axes[1].set_ylabel("温度")
axes[1].set_title("中午11点--12点某城市温度变化图", fontsize=20)

# # 2.4 图像保存
plt.savefig("./test.png")

# # 2.5 添加图例
# plt.legend(loc=0)
axes[0].legend(loc=0)
axes[1].legend(loc=0)


# 3.图像显示
plt.show()

4 折线图的应用场景

• 呈现公司产品(不同区域)每天活跃用户数

• 呈现app每天下载数量

• 呈现产品新功能上线后,用户点击次数随时间的变化

• 拓展：画各种数学函数图像

  • 注意：plt.plot()除了可以画折线图，也可以用于画各种数学函数图像

代码：

import numpy as np
# 0.准备数据
x = np.linspace(-10, 10, 1000)
y = np.sin(x)

# 1.创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=100)

# 2.绘制函数图像
plt.plot(x, y)
# 2.1 添加网格显示
plt.grid()

# 3.显示图像
plt.show()

5 小结

• 添加x,y轴刻度【知道】
  • plt.xticks()
  • plt.yticks()
  • 注意:在传递进去的第一个参数必须是数字,不能是字符串,如果是字符串吗,需要进行替换操作
• 添加网格显示【知道】
  • plt.grid(linestyle=“–”, alpha=0.5)
• 添加描述信息【知道】
  • plt.xlabel()
  • plt.ylabel()
  • plt.title()
• 图像保存【知道】
  • plt.savefig(“路径”)
• 多次plot【了解】
  • 直接进行添加就OK
• 显示图例【知道】
  • plt.legend(loc=“best”)
  • 注意:一定要在plt.plot()里面设置一个label,如果不设置,没法显示
• 多个坐标系显示【了解】
  • plt.subplots(nrows=, ncols=)
• 折线图的应用【知道】
  • 1.应用于观察数据的变化
  • 2.可是画出一些数学函数图像=

2.3 常见图形绘制

学习目标

• 掌握常见统计图及其意义

---

Matplotlib能够绘制折线图、散点图、柱状图、直方图、饼图。

我们需要知道不同的统计图的意义，以此来决定选择哪种统计图来呈现我们的数据。

1 常见图形种类及意义

---

• 折线图：以折线的上升或下降来表示统计数量的增减变化的统计图

特点：能够显示数据的变化趋势，反映事物的变化情况。(变化)

api：plt.plot(x, y)

---

• **散点图：**用两组数据构成多个坐标点，考察坐标点的分布,判断两变量之间是否存在某种关联或总结坐标点的分布模式。

  特点：判断变量之间是否存在数量关联趋势,展示离群点(分布规律)

  api：plt.scatter(x, y)

---

• **柱状图：**排列在工作表的列或行中的数据可以绘制到柱状图中。

  特点：绘制连离散的数据,能够一眼看出各个数据的大小,比较数据之间的差别。(统计/对比)

  api：plt.bar(x, width, align=‘center’, **kwargs)

Parameters:    
x : 需要传递的数据

width : 柱状图的宽度

align : 每个柱状图的位置对齐方式
    {‘center’, ‘edge’}, optional, default: ‘center’

**kwargs :
color:选择柱状图的颜色

---

• **直方图：**由一系列高度不等的纵向条纹或线段表示数据分布的情况。 一般用横轴表示数据范围，纵轴表示分布情况。

  特点：绘制连续性的数据展示一组或者多组数据的分布状况(统计)

  api：matplotlib.pyplot.hist(x, bins=None)

Parameters:    
x : 需要传递的数据
bins : 组数

---

• **饼图：**用于表示不同分类的占比情况，通过弧度大小来对比各种分类。

  特点：分类数据的占比情况(占比)

  api：plt.pie(x, labels=,autopct=,colors)

Parameters:  
x:数量，自动算百分比
labels:每部分名称
autopct:占比显示指定%1.2f%%
colors:每部分颜色

2 散点图绘制

需求：探究房屋面积和房屋价格的关系

房屋面积数据：

x = [225.98, 247.07, 253.14, 457.85, 241.58, 301.01,  20.67, 288.64,
       163.56, 120.06, 207.83, 342.75, 147.9 ,  53.06, 224.72,  29.51,
        21.61, 483.21, 245.25, 399.25, 343.35]

房屋价格数据：

y = [196.63, 203.88, 210.75, 372.74, 202.41, 247.61,  24.9 , 239.34,
       140.32, 104.15, 176.84, 288.23, 128.79,  49.64, 191.74,  33.1 ,
        30.74, 400.02, 205.35, 330.64, 283.45]

代码：

# 0.准备数据
x = [225.98, 247.07, 253.14, 457.85, 241.58, 301.01,  20.67, 288.64,
       163.56, 120.06, 207.83, 342.75, 147.9 ,  53.06, 224.72,  29.51,
        21.61, 483.21, 245.25, 399.25, 343.35]
y = [196.63, 203.88, 210.75, 372.74, 202.41, 247.61,  24.9 , 239.34,
       140.32, 104.15, 176.84, 288.23, 128.79,  49.64, 191.74,  33.1 ,
        30.74, 400.02, 205.35, 330.64, 283.45]

# 1.创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=100)

# 2.绘制散点图
plt.scatter(x, y)

# 3.显示图像
plt.show()

3 柱状图绘制

需求-对比每部电影的票房收入

电影数据如下图所示：

• 准备数据

['雷神3：诸神黄昏','正义联盟','东方快车谋杀案','寻梦环游记','全球风暴', '降魔传','追捕','七十七天','密战','狂兽','其它']
[73853,57767,22354,15969,14839,8725,8716,8318,7916,6764,52222]

• 绘制柱状图

代码：

# 0.准备数据
# 电影名字
movie_name = ['雷神3：诸神黄昏','正义联盟','东方快车谋杀案','寻梦环游记','全球风暴','降魔传','追捕','七十七天','密战','狂兽','其它']
# 横坐标
x = range(len(movie_name))
# 票房数据
y = [73853,57767,22354,15969,14839,8725,8716,8318,7916,6764,52222]

# 1.创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=100)

# 2.绘制柱状图
plt.bar(x, y, width=0.5, color=['b','r','g','y','c','m','y','k','c','g','b'])

# 2.1b修改x轴的刻度显示
plt.xticks(x, movie_name)

# 2.2 添加网格显示
plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5)

# 2.3 添加标题
plt.title("电影票房收入对比")

# 3.显示图像
plt.show()

参考链接： https://matplotlib.org/index.html

4 小结

• 折线图【知道】
  • 能够显示数据的变化趋势，反映事物的变化情况。(变化)
  • plt.plot()
• 散点图【知道】
  • 判断变量之间是否存在数量关联趋势,展示离群点(分布规律)
  • plt.scatter()
• 柱状图【知道】
  • 绘制连离散的数据,能够一眼看出各个数据的大小,比较数据之间的差别。(统计/对比)
  • plt.bar(x, width, align=“center”)
• 直方图【知道】
  • 绘制连续性的数据展示一组或者多组数据的分布状况(统计)
  • plt.hist(x, bins)
• 饼图【知道】
  • 用于表示不同分类的占比情况，通过弧度大小来对比各种分类
  • plt.pie(x, labels, autopct, colors)