PYTHON 画图神器 Matplotlib

Matplotlib 是 Python 的一个绘图库。它包含了大量的工具，你可以使用这些工具创建各种图形，包括简单的散点图，正弦曲线，甚至是三维图形。

# 导入相关模块
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

画一个简单的图形

这里我们通过画出一个正弦曲线图来讲解下基本用法。

首先通过 np.linspace 方式生成 x，它包含了 50 个元素的数组，这 50 个元素均匀的分布在 [0, 2pi] 的区间上。然后通过 np.sin(x) 生成 y。

x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 50)
y = np.sin(x)

有了 x 和 y 数据之后，我们通过 plt.plot(x, y) 来画出图形，并通过 plt.show() 来显示。

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

image

在一张图纸里绘制多个图形

有时候，可能需要在一个图纸里绘制多个图形，这里我们同时绘制了 (x, y), (x, y * 2)两个图形。

plt.plot(x, y)
plt.plot(x, y * 2)
plt.show()

image

绘制出图形之后，我们可以自己调整更多的样式，比如颜色、点、线。

plt.plot(x, y, 'y*-')
plt.plot(x, y * 2, 'm--')
plt.show()

image

可以看到，设置样式时，就是增加了一个字符串参数，比如 'y-' ，其中 y 表示黄色， 表示 星标的点，- 表示实线。

这里列举一些常见的颜色表示方式：

颜色	表示方式
蓝色	b
绿色	g
红色	r
青色	c
品红	m
黄色	y
黑色	k
白色	w

常见的点的表示方式：

点的类型	表示方式
点	.
像素	,
圆	o
方形	s
三角形	^

常见的线的表示方式：

线的类型	表示方式
直线	-
虚线	--
点线	:
点划线	-.

更多设置

Matplotlib 支持各种灵活的设置，这里我们列举一些常见的内容。

• 设置 figure

你可以认为Matplotlib绘制的图形都在一个默认的 figure 中，当然了，你可以自己创建 figure，好处就是可以控制更多的参数，常见的就是控制图形的大小，这里创建一个 figure，设置大小为 (6, 3)。

plt.figure(figsize=(6, 3))
plt.plot(x, y)
plt.plot(x, y * 2)
plt.show()

image

• 设置标题

来看下如何设置标题。

plt.plot(x, y)
plt.plot(x, y * 2)
plt.title("sin(x) & 2sin(x)")
plt.show()

image

直接通过 plt.title 即可设置图形标题。

• 设置坐标轴

来看下如何设置坐标轴的范围以及名称。

plt.plot(x, y)
plt.plot(x, y * 2)

plt.xlim((0, np.pi + 1))
plt.ylim((-3, 3))
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('Y')

plt.show()

image

通过 xlim 和 ylim 来设限定轴的范围，通过 xlabel 和 ylabel 来设置轴的名称。

此外，我们也可以通过 xticks 和 yticks 来设置轴的刻度。

plt.plot(x, y)
plt.plot(x, y * 2)
plt.xticks((0, np.pi * 0.5, np.pi, np.pi * 1.5, np.pi * 2))
plt.show()

image

• 设置 label 和 legend
  设置 label 和 legend 的目的就是为了区分出每个数据对应的图形名称。

plt.plot(x, y, label="sin(x)")
plt.plot(x, y * 2, label="2sin(x)")
# plt.legend()
plt.legend(loc='best')
plt.show()

image

• 添加注释

有时候我们需要对特定的点进行标注，我们可以使用 plt.annotate 函数来实现。

这里我们要标注的点是(x0, y0) = (π, 0)。

我们也可以使用 plt.text 函数来添加注释。

plt.plot(x, y)

x0 = np.pi
y0 = 0

# 画出标注点
plt.scatter(x0, y0, s=50)

plt.annotate('sin(np.pi)=%s' % y0, xy=(np.pi, 0), xycoords='data', xytext=(+30, -30),
             textcoords='offset points', fontsize=16,
             arrowprops=dict(arrowstyle='->', connectionstyle="arc3,rad=.2"))

plt.text(0.5, -0.25, "sin(np.pi) = 0", fontdict={'size': 16, 'color': 'r'})

plt.show()

image

对于 annotate 函数的参数，做一个简单解释：
'sin(np.pi)=%s' % y0 代表标注的内容，可以通过字符串 %s 将 y0 的值传入字符串；
参数xycoords='data'是说基于数据的值来选位置;
xytext=(+30, -30) 和textcoords='offset points'表示对于标注位置的描述 和 xy 偏差值，即标注位置是 xy 位置向右移动 30，向下移动30；
arrowprops 是对图中箭头类型和箭头弧度的设置，需要用 dict 形式传入。

• 使用子图

有时候我们需要将多张子图展示在一起，可以使用 subplot() 实现。即在调用 plot() 函数之前需要先调用 subplot() 函数。该函数的第一个参数代表子图的总行数，第二个参数代表子图的总列数，第三个参数代表活跃区域。

ax1 = plt.subplot(2, 2, 1) # （行，列，活跃区）
plt.plot(x, np.sin(x), 'r')

ax2 = plt.subplot(2, 2, 2, sharey=ax1) # 与 ax1 共享y轴
plt.plot(x, 2 * np.sin(x), 'g')

ax3 = plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(x, np.cos(x), 'b')

ax4 = plt.subplot(2, 2, 4, sharey=ax3) # 与 ax3 共享y轴
plt.plot(x, 2 * np.cos(x), 'y')

plt.show()

image

上面的 subplot(2, 2, x) 表示将图像窗口分为 2 行 2 列。x 表示当前子图所在的活跃区。

可以看到，上面的每个子图的大小都是一样的。有时候我们需要不同大小的子图。比如将上面第一张子图完全放置在第一行，其他的子图都放在第二行。

ax1 = plt.subplot(2, 1, 1) # （行，列，活跃区）
plt.plot(x, np.sin(x), 'r')

ax2 = plt.subplot(2, 3, 4)
plt.plot(x, 2 * np.sin(x), 'g')

ax3 = plt.subplot(2, 3, 5, sharey=ax2)
plt.plot(x, np.cos(x), 'b')

ax4 = plt.subplot(2, 3, 6, sharey=ax2)
plt.plot(x, 2 * np.cos(x), 'y')

plt.show()

image

简单解释下，plt.subplot(2, 1, 1) 将图像窗口分为了 2 行 1 列, 当前活跃区为 1。

使用 plt.subplot(2, 3, 4) 将整个图像窗口分为 2 行 3 列, 当前活跃区为 4。

解释下为什么活跃区为 4，因为上一步中使用 plt.subplot(2, 1, 1) 将整个图像窗口分为 2 行 1 列, 第1个小图占用了第1个位置, 也就是整个第1行. 这一步中使用 plt.subplot(2, 3, 4) 将整个图像窗口分为 2 行 3 列, 于是整个图像窗口的第1行就变成了3列, 也就是成了3个位置, 于是第2行的第1个位置是整个图像窗口的第4个位置。

常见的图形

这里带大家画一些常见的示例图。

• 散点图
  首先来看下如何绘制散点图。

k = 500
x = np.random.rand(k) 
y = np.random.rand(k)
size = np.random.rand(k) * 50 # 生成每个点的大小
colour = np.arctan2(x, y) # 生成每个点的颜色大小
plt.scatter(x, y, s=size, c=colour)
plt.colorbar() # 添加颜色栏

plt.show()

image

上面我们首先生成了要绘制的数据的点x 和 y，接下来为每个数据点生成控制大小的数组 size，然后未每个数据点生成控制颜色的数组 colour。最后通过 colorbar() 来增加一个颜色栏。

• 柱状图
  柱状图我们经常会用到，我们来看下如何画出柱状图，并在图上标注出数据对应的数值。

k = 10
x = np.arange(k)
y = np.random.rand(k)
plt.bar(x, y) # 画出 x 和 y 的柱状图

# 增加数值
for x, y in zip(x, y):
    plt.text(x, y , '%.2f' % y, ha='center', va='bottom')

plt.show()

image

生成数据 x 和 y 之后，调用 plt.bar 函数绘制出柱状图，然后通过 plt.text 标注数值，设置参数 ha='center' 横向居中对齐，设置 va='bottom'纵向底部（顶部）对齐。

• 中文乱码解决
  Matplotlib 有个让人恼火的问题是，默认情况下，Matplotlib 中文会乱码。

x = ['北京', '上海', '深圳', '广州']
y = [60000, 58000, 50000, 52000]
plt.plot(x, y)
plt.show()

image

可以看到，上面所有的中文都乱码了，显示成方框了，如何解决呢？

其实只需要配置下后台字体即可。

plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False #用来正常显示负号

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

image