【免費贈書】Python如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化？

太極混元天尊 2018-05-26

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Python擁有眾多的第三方庫使我們可以方便地進行一些數(shù)據(jù)的可視化操作。目前很多庫的可視化應用都是建立在matplotlib的基礎(chǔ)上的。所以這里重點介紹matplotlib庫的基本使用方法。

基本操作

先看一個示例代碼來了解一張圖的組成部分，如下所示。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(-2, 2, 100)
y = np.cos(np.pi*x)

plt.plot(x, y, 'go')
plt.title(r'$y=\cos(\pi \times x)$')
plt.show()

運行輸出如圖所示。

下面進行簡要說明。

import matplotlib.pyplot as plt

一般用到的就是pyplot，且按照慣例導入為plt。

plt.plot(x,y,'go')

這里就比較明確了，x、y是自變量和因變量數(shù)據(jù)。后面的'go'是對樣式的控制：其中g表示選擇綠色，o表示選擇點的方式顯示。更多參數(shù)設(shè)置可使用幫助命令help(plt.plot)進一步學習。

plt.title(r'$y=\cos(\pi \times x)$')

為圖添加一個標題。值得注意的是，這里使用了LaTeX的格式，因為matplotlib是兼容LaTeX的。這對書寫公式提供了極大的便利。讀者可能會遇到無法顯示中文的情況，這一點接下來會進行專門的講解。

plt.show()

通過show來展示圖像，在pandas和seaborn中也使用這句代碼進行圖像的展示操作。

這里只是創(chuàng)建了一個圖像，然后加了標題，還可以通過其他的設(shè)置使得圖表信息更加豐富，也更加美觀。

首先看一下增強版本的代碼，如下所示。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(-2, 2, 100)
y1 = np.cos(np.pi * x)
y2 = np.sin(np.pi * x)

plt.plot(x, y1, 'go',label=r'$y1=\cos(\pi \times x)$', alpha=0.8, linewidth=0.7)
plt.plot(x, y2, 'r-',label=r'$y2=\sin(\pi \times x)$', alpha=0.8, linewidth=0.7)

plt.annotate('Important Point', (0,1), xytext=(-1.5, 1.1),
                arrowprops=dict(arrowstyle='->'))

plt.xlabel('x-axis')
plt.ylabel('y-axis')

# 設(shè)置座標范圍[xmin, xmax, ymin, ymax]
plt.axis([-2.1, 2.1, -1.2, 1.2])

# 顯示標簽
plt.legend()
# 顯示網(wǎng)格
plt.grid(alpha=0.4)

plt.title('Two plots', color=(0.1,0.3, 0.5))
plt.show()

運行輸出如圖所示。

下面進行簡要說明。

alpha

alpha參數(shù)代表透明度，從0到1表示顏色逐漸加深。

linewidth

代表線條或者點的粗細程度。

axis

按照（xmin、xmax、ymin、ymax）的格式來限制座標軸的范圍。

legend

在plot里面使用lable，記錄了當前圖的圖例，可以通過調(diào)用legend使其顯示。在默認情況下，圖例會顯示在最合適的空白處，當然也可以手動調(diào)節(jié)其位置。

grid

顯示背景網(wǎng)格線，也可以通過alpha參數(shù)設(shè)置其透明度。

color=(0.1, 0.3, 0.5)

在有些情況下，matplotlib自帶的顏色達不到效果，此時可以通過設(shè)置歸一化到[0,1]的RGB元組來指定顏色。也可以使用HTML的十六進制字符串，如'#eeefff'來指定顏色。

中文顯示問題

在初次使用matplotlib時一般都會遇到無法顯示中文的問題，無論是Windows還是Ubuntu之類的Linux系統(tǒng)。這里分別給出解決的辦法。

對于Windows，解決方法相對較為簡單，只需要在開頭處加上下面三行代碼，一般就可以了。

import matplotlib as mpl
mpl.rcParams['font.sans-serif'] =['Microsoft YaHei']
mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

對于Ubuntu系統(tǒng)，需要手動指定字體來實現(xiàn)中文的顯示。

設(shè)置代碼如下。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl
zhfont =mpl.font_manager.FontProperties(fname='/home/shensir/Downloads/Fonts/msyh.ttc')

plt.plot([1, 2, 3], label='標簽')
plt.title('中文標題', fontproperties=zhfont)
plt.xlabel('x軸', fontproperties=zhfont)
plt.ylabel('y軸', fontproperties=zhfont)
plt.legend(prop=zhfont)
plt.show()

運行輸出如圖所示。

注意：這里表示字體的.ttc文件是從Windows系統(tǒng)中拷貝過來的，可以放到任意路徑，通過程序指定其路徑即可。當然讀者也可以從網(wǎng)上尋找其他永久設(shè)置的方法，由于大部分都比較煩瑣，這里就不展開介紹了。

matplotlib的進階使用

繪制子圖

下面介紹怎樣在一張圖上繪制多個子圖，代碼如下。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 繪制子圖[subplot]
plt.style.use('ggplot')  # 設(shè)置繪圖風格
x = np.linspace(-2, 2, 100)
y1 = np.sin(np.pi * x)
y2 = np.cos(np.pi * x)
y3 = np.tan(np.pi * x)
y4 = x

plt.subplot(221)
plt.plot(x, y1)

plt.subplot(222)
plt.plot(x, y2)

plt.subplot(223)
plt.plot(x, y3)

plt.subplot(224)
plt.plot(x, y4)

plt.show()

運行輸出如圖所示。

下面進行簡要說明。

plt.style.use('ggplot')

這里設(shè)置matplotlib的做圖的風格為ggplot（熟悉R語言的讀者可能對此并不陌生，因為ggplot2包具有強大的可視化功能）。除此之外還有很多種其他的風格，可以通過print(plt.style.available)查看。

plt.subplot(221)

這里subplot的參數(shù)221，應當分別解讀。22代表要繪制兩行兩列共四個子圖。1代表在第一位置做圖。這里的1可以看作（1，1），對應的2、3、4可以看作座標（1，2）、（2，1）、（2，2）

繪制填充圖

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(0, 1, 500)
y = np.sin(4 * np.pi * x) * np.exp(-5 * x)

fig, ax = plt.subplots()
ax.fill(x, y)
plt.show()