python数据可视化系列教程——matplotlib绘图全解

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全栈工程师开发手册 （作者：栾鹏）
python教程全解

matplotlib是受MATLAB的启发构建的。MATLAB是数据绘图领域广泛使用的语言和工具。MATLAB语言是面向过程的。利用函数的调用，MATLAB中可以轻松的利用一行命令来绘制直线，然后再用一系列的函数调整结果。

matplotlib有一套完全仿照MATLAB的函数形式的绘图接口，在matplotlib.pyplot模块中。这套函数接口方便MATLAB用户过度到matplotlib包

 import matplotlib.pyplot as plt

在绘图结构中，figure创建窗口，subplot创建子图。所有的绘画只能在子图上进行。plt表示当前子图，若没有就创建一个子图。所有你会看到一些教程中使用plt进行设置，一些教程使用子图属性进行设置。他们往往存在对应功能函数。

配置参数：

axex: 设置坐标轴边界和表面的颜色、坐标刻度值大小和网格的显示
figure: 控制dpi、边界颜色、图形大小、和子区( subplot)设置
font: 字体集（font family）、字体大小和样式设置
grid: 设置网格颜色和线性
legend: 设置图例和其中的文本的显示
line: 设置线条（颜色、线型、宽度等）和标记
patch: 是填充2D空间的图形对象，如多边形和圆。控制线宽、颜色和抗锯齿设置等。
savefig: 可以对保存的图形进行单独设置。例如，设置渲染的文件的背景为白色。
verbose: 设置matplotlib在执行期间信息输出，如silent、helpful、debug和debug-annoying。
xticks和yticks: 为x,y轴的主刻度和次刻度设置颜色、大小、方向，以及标签大小。

线条相关属性标记设置

线条风格linestyle或ls		 描述

‘-‘							实线	
‘:’							虚线	 
‘–’							破折线	
‘None’,’ ‘,’’				什么都不画	 
‘-.’						点划线

线条标记

标记maker			   描述

‘o’					圆圈	
‘.’					点
‘D’					菱形	
‘s’					正方形
‘h’					六边形1	
‘*’					星号
‘H’					六边形2	
‘d’					小菱形
‘_’					水平线	
‘v’					一角朝下的三角形
‘8’					八边形	
‘<’					一角朝左的三角形
‘p’					五边形	
‘>’					一角朝右的三角形
‘,’					像素	
‘^’					一角朝上的三角形
‘+’					加号	
‘\	‘				竖线
‘None’,’’,’ ‘		无	
‘x’					X

颜色

别名			   颜色	

b				蓝色	
g				绿色
r				红色	
y				黄色
c				青色
k				黑色	 
m				洋红色	
w				白色

如果这两种颜色不够用，还可以通过两种其他方式来定义颜色值：

1、使用HTML十六进制字符串 color=‘#123456’ 使用合法的HTML颜色名字（’red’,’chartreuse’等）。
2、也可以传入一个归一化到[0,1]的RGB元祖。 color=(0.3,0.3,0.4)

背景色

通过向如matplotlib.pyplot.axes()或者matplotlib.pyplot.subplot()这样的方法提供一个axisbg参数，可以指定坐标这的背景色。

subplot(111,axisbg=(0.1843,0.3098,0.3098)）

以下示例需要引入的库包括

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.ticker import MultipleLocator

绘图操作步骤（以点图、线图为例）

#使用numpy产生数据
x=np.arange(-5,5,0.1)
y=x*3

#创建窗口、子图
#方法1：先创建窗口，再创建子图。（一定绘制）
fig = plt.figure(num=1, figsize=(15, 8),dpi=80)     #开启一个窗口，同时设置大小，分辨率
ax1 = fig.add_subplot(2,1,1)  #通过fig添加子图，参数：行数，列数，第几个。
ax2 = fig.add_subplot(2,1,2)  #通过fig添加子图，参数：行数，列数，第几个。
print(fig,ax1,ax2)
#方法2：一次性创建窗口和多个子图。（空白不绘制）
fig,axarr = plt.subplots(4,1)  #开一个新窗口，并添加4个子图，返回子图数组
ax1 = axarr[0]    #通过子图数组获取一个子图
print(fig,ax1)
#方法3：一次性创建窗口和一个子图。（空白不绘制）
ax1 = plt.subplot(1,1,1,facecolor='white')      #开一个新窗口，创建1个子图。facecolor设置背景颜色
print(ax1)
#获取对窗口的引用，适用于上面三种方法
# fig = plt.gcf()   #获得当前figure
# fig=ax1.figure   #获得指定子图所属窗口

# fig.subplots_adjust(left=0)                         #设置窗口左内边距为0，即左边留白为0。

#设置子图的基本元素
ax1.set_title('python-drawing')            #设置图体，plt.title
ax1.set_xlabel('x-name')                    #设置x轴名称,plt.xlabel
ax1.set_ylabel('y-name')                    #设置y轴名称,plt.ylabel
plt.axis([-6,6,-10,10])                  #设置横纵坐标轴范围，这个在子图中被分解为下面两个函数
ax1.set_xlim(-5,5)                           #设置横轴范围，会覆盖上面的横坐标,plt.xlim
ax1.set_ylim(-10,10)                         #设置纵轴范围，会覆盖上面的纵坐标,plt.ylim

xmajorLocator = MultipleLocator(2)   #定义横向主刻度标签的刻度差为2的倍数。就是隔几个刻度才显示一个标签文本
ymajorLocator = MultipleLocator(3)   #定义纵向主刻度标签的刻度差为3的倍数。就是隔几个刻度才显示一个标签文本

ax1.xaxis.set_major_locator(xmajorLocator) #x轴 应用定义的横向主刻度格式。如果不应用将采用默认刻度格式
ax1.yaxis.set_major_locator(ymajorLocator) #y轴 应用定义的纵向主刻度格式。如果不应用将采用默认刻度格式

ax1.xaxis.grid(True, which='major')      #x坐标轴的网格使用定义的主刻度格式
ax1.yaxis.grid(True, which='major')      #x坐标轴的网格使用定义的主刻度格式

ax1.set_xticks([])     #去除坐标轴刻度
ax1.set_xticks((-5,-3,-1,1,3,5))  #设置坐标轴刻度
ax1.set_xticklabels(labels=['x1','x2','x3','x4','x5'],rotation=-30,fontsize='small')  #设置刻度的显示文本，rotation旋转角度，fontsize字体大小

plot1=ax1.plot(x,y,marker='o',color='g',label='legend1')   #点图：marker图标
plot2=ax1.plot(x,y,linestyle='--',alpha=0.5,color='r',label='legend2')   #线图：linestyle线性，alpha透明度，color颜色，label图例文本

ax1.legend(loc='upper left')            #显示图例,plt.legend()
ax1.text(2.8, 7, r'y=3*x')                #指定位置显示文字,plt.text()
ax1.annotate('important point', xy=(2, 6), xytext=(3, 1.5),  #添加标注，参数：注释文本、指向点、文字位置、箭头属性
            arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
            )
#显示网格。which参数的值为major(只绘制大刻度)、minor(只绘制小刻度)、both，默认值为major。axis为'x','y','both'
ax1.grid(b=True,which='major',axis='both',alpha= 0.5,color='skyblue',linestyle='--',linewidth=2)


axes1 = plt.axes([.2, .3, .1, .1], facecolor='y')       #在当前窗口添加一个子图，rect=[左, 下, 宽, 高]，是使用的绝对布局，不和以存在窗口挤占空间
axes1.plot(x,y)  #在子图上画图
plt.savefig('aa.jpg',dpi=400,bbox_inches='tight')   #savefig保存图片，dpi分辨率，bbox_inches子图周边白色空间的大小
plt.show()    #打开窗口，对于方法1创建在窗口一定绘制，对于方法2方法3创建的窗口，若坐标系全部空白，则不绘制

plot时可以设置的属性包括如下：

属性						值类型
alpha					浮点值
animated				[True / False]
antialiased or aa		[True / False]
clip_box				matplotlib.transform.Bbox 实例
clip_on					[True / False]
clip_path				Path 实例， Transform，以及Patch实例
color or c				任何 matplotlib 颜色
contains				命中测试函数
dash_capstyle			['butt' / 'round' / 'projecting']
dash_joinstyle			['miter' / 'round' / 'bevel']
dashes					以点为单位的连接/断开墨水序列
data					(np.array xdata, np.array ydata)
figure					matplotlib.figure.Figure 实例
label					任何字符串
linestyle or ls			[ '-' / '--' / '-.' / ':' / 'steps' / ...]
linewidth or lw			以点为单位的浮点值
lod						[True / False]
marker					[ '+' / ',' / '.' / '1' / '2' / '3' / '4' ]
markeredgecolor or mec	任何 matplotlib 颜色
markeredgewidth or mew	以点为单位的浮点值
markerfacecolor or mfc	任何 matplotlib 颜色
markersize or ms		浮点值
markevery				[ None / 整数值 / (startind, stride) ]
picker					用于交互式线条选择
pickradius				线条的拾取选择半径
solid_capstyle			['butt' / 'round' / 'projecting']
solid_joinstyle			['miter' / 'round' / 'bevel']
transform				matplotlib.transforms.Transform 实例
visible					[True / False]
xdata					np.array
ydata					np.array
zorder					任何数值

一个窗口多个图

#一个窗口，多个图，多条数据
sub1=plt.subplot(211,facecolor=(0.1843,0.3098,0.3098))  #将窗口分成2行1列，在第1个作图，并设置背景色
sub2=plt.subplot(212)   #将窗口分成2行1列，在第2个作图
sub1.plot(x,y)          #绘制子图
sub2.plot(x,y)          #绘制子图

axes1 = plt.axes([.2, .3, .1, .1], facecolor='y')  #添加一个子坐标系，rect=[左, 下, 宽, 高]
plt.plot(x,y)           #绘制子坐标系，
axes2 = plt.axes([0.7, .2, .1, .1], facecolor='y')  #添加一个子坐标系，rect=[左, 下, 宽, 高]
plt.plot(x,y)
plt.show()

极坐标

属性设置同点图、线图中。

fig = plt.figure(2)                                #新开一个窗口
ax1 = fig.add_subplot(1,2,1,polar=True)                  #启动一个极坐标子图
theta=np.arange(0,2*np.pi,0.02)              #角度数列值
ax1.plot(theta,2*np.ones_like(theta),lw=2)   #画图，参数：角度，半径，lw线宽
ax1.plot(theta,theta/6,linestyle='--',lw=2)           #画图，参数：角度，半径，linestyle样式，lw线宽

ax2 = fig.add_subplot(1,2,2,polar=True)                  #启动一个极坐标子图
ax2.plot(theta,np.cos(5*theta),linestyle='--',lw=2)
ax2.plot(theta,2*np.cos(4*theta),lw=2)

ax2.set_rgrids(np.arange(0.2,2,0.2),angle=45)   #距离网格轴，轴线刻度和显示位置
ax2.set_thetagrids([0,45,90])                   #角度网格轴，范围0-360度

plt.show()

柱形图

属性设置同点图、线图中。

plt.figure(3)
x_index = np.arange(5)   #柱的索引
x_data = ('A', 'B', 'C', 'D', 'E')
y1_data = (20, 35, 30, 35, 27)
y2_data = (25, 32, 34, 20, 25)
bar_width = 0.35   #定义一个数字代表每个独立柱的宽度


rects1 = plt.bar(x_index, y1_data, width=bar_width,alpha=0.4, color='b',label='legend1')            #参数：左偏移、高度、柱宽、透明度、颜色、图例
rects2 = plt.bar(x_index + bar_width, y2_data, width=bar_width,alpha=0.5,color='r',label='legend2') #参数：左偏移、高度、柱宽、透明度、颜色、图例
#关于左偏移，不用关心每根柱的中心不中心，因为只要把刻度线设置在柱的中间就可以了
plt.xticks(x_index + bar_width/2, x_data)   #x轴刻度线
plt.legend()    #显示图例
plt.tight_layout()  #自动控制图像外部边缘，此方法不能够很好的控制图像间的间隔
plt.show()

直方图

fig,(ax0,ax1) = plt.subplots(nrows=2,figsize=(9,6))     #在窗口上添加2个子图
sigma = 1   #标准差
mean = 0    #均值
x=mean+sigma*np.random.randn(10000)   #正态分布随机数
ax0.hist(x,bins=40,normed=False,histtype='bar',facecolor='yellowgreen',alpha=0.75)   #normed是否归一化，histtype直方图类型，facecolor颜色，alpha透明度
ax1.hist(x,bins=20,normed=1,histtype='bar',facecolor='pink',alpha=0.75,cumulative=True,rwidth=0.8) #bins柱子的个数,cumulative是否计算累加分布，rwidth柱子宽度
plt.show()  #所有窗口运行

散点图

fig = plt.figure(4)          #添加一个窗口
ax =fig.add_subplot(1,1,1)   #在窗口上添加一个子图
x=np.random.random(100)      #产生随机数组
y=np.random.random(100)      #产生随机数组
ax.scatter(x,y,s=x*1000,c='y',marker=(5,1),alpha=0.5,lw=2,facecolors='none')  #x横坐标，y纵坐标，s图像大小，c颜色，marker图片，lw图像边框宽度
plt.show()  #所有窗口运行

三维图

fig = plt.figure(5)
ax=fig.add_subplot(1,1,1,projection='3d')     #绘制三维图

x,y=np.mgrid[-2:2:20j,-2:2:20j]  #获取x轴数据，y轴数据
z=x*np.exp(-x**2-y**2)   #获取z轴数据

ax.plot_surface(x,y,z,rstride=2,cstride=1,cmap=plt.cm.coolwarm,alpha=0.8)  #绘制三维图表面
ax.set_xlabel('x-name')     #x轴名称
ax.set_ylabel('y-name')     #y轴名称
ax.set_zlabel('z-name')     #z轴名称

plt.show()

画矩形、多边形、圆形和椭圆

fig = plt.figure(6)   #创建一个窗口
ax=fig.add_subplot(1,1,1)   #添加一个子图
rect1 = plt.Rectangle((0.1,0.2),0.2,0.3,color='r')  #创建一个矩形，参数：(x,y),width,height
circ1 = plt.Circle((0.7,0.2),0.15,color='r',alpha=0.3)  #创建一个椭圆，参数：中心点，半径，默认这个圆形会跟随窗口大小进行长宽压缩
pgon1 = plt.Polygon([[0.45,0.45],[0.65,0.6],[0.2,0.6]])  #创建一个多边形，参数：每个顶点坐标

ax.add_patch(rect1)  #将形状添加到子图上
ax.add_patch(circ1)  #将形状添加到子图上
ax.add_patch(pgon1)  #将形状添加到子图上

fig.canvas.draw()  #子图绘制
plt.show()