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Matplotlib 二维图像绘制

此为实验楼楼+机器学习前置课程Matplotlib 数据绘图基础课程学习笔记

准备

在notebook上需要在文件开头输入 %matplotlib inline，而本地环境只需在最后执行 plt.show() 即可

导入相关的库

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from matplotlib import pyplot as plt

API一览表

方法 含义
matplotlib.pyplot.angle_spectrum 绘制电子波谱图
matplotlib.pyplot.bar 绘制柱状图
matplotlib.pyplot.barh 绘制直方图
matplotlib.pyplot.broken_barh 绘制水平直方图
matplotlib.pyplot.contour 绘制等高线图
matplotlib.pyplot.errorbar 绘制误差线
matplotlib.pyplot.hexbin 绘制六边形图案
matplotlib.pyplot.hist 绘制柱形图
matplotlib.pyplot.hist2d 绘制水平柱状图
matplotlib.pyplot.pie 绘制饼状图
matplotlib.pyplot.quiver 绘制量场图
matplotlib.pyplot.scatter 散点图
matplotlib.pyplot.specgram 绘制光谱图

打印简单图像

打印折线

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plt.plot([1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 5, 4, 3, 2, 1])

自定义横坐标打印

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y = [1, 2, 3, 2, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 5, 4, 3, 2, 1]
x_start_idx = 2
x = [i for i in range(x_start_idx, x_start_idx + len(y))]
plt.plot(x, y)

绘制正弦线

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import numpy as np  # 载入数值计算模块

# 在 -2PI 和 2PI 之间等间距生成 1000 个值，也就是 X 坐标
X = np.linspace(-2*np.pi, 2*np.pi, 1000)
# 计算 y 坐标
y = np.sin(X)

# 向方法中 `*args` 输入 X，y 坐标
plt.plot(X, y)

绘制柱形图

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plt.bar([1, 2, 3], [4, 5, 6])

绘制散点图

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# X,y 的坐标均有 numpy 在 0 到 1 中随机生成 1000 个值
X = np.random.ranf(1000)
y = np.random.ranf(1000)

# 向方法中 `*args` 输入 X，y 坐标
plt.scatter(X, y)

绘制饼状图

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plt.pie([1, 2, 3, 4, 5])

绘制向量图

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X, y = np.mgrid[0:10, 0:10]
plt.quiver(X, y)

设置绘制参数

绘制二维直线

参数 含义
alpha= 设置线型的透明度，从 0.0 到 1.0
color= 设置线型的颜色
fillstyle= 设置线型的填充样式
linestyle= 设置线型的样式
linewidth= 设置线型的宽度
marker= 设置标记点的样式
…… ……

官方文档

绘制三角函数曲线

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# 在 -2PI 和 2PI 之间等间距生成 1000 个值，也就是 X 坐标
X = np.linspace(-2 * np.pi, 2 * np.pi, 1000)
# 计算 sin() 对应的纵坐标
y1 = np.sin(X)
# 计算 cos() 对应的纵坐标
y2 = np.cos(X)

# 向方法中 `*args` 输入 X，y 坐标
plt.plot(X, y1, color='r', linestyle='--', linewidth=2, alpha=0.8)
plt.plot(X, y2, color='b', linestyle='-', linewidth=2)

绘制散点图

参数 含义
s= 散点大小
c= 散点颜色
marker= 散点样式
cmap= 定义多类别散点的颜色
alpha= 点的透明度
edgecolors= 散点边缘颜色

官方文档

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# 生成随机数据
x = np.random.rand(100)
y = np.random.rand(100)
colors = np.random.rand(100)
#                       start size count
size = np.random.normal(50, 60, 10)

plt.scatter(x, y, s=size, c=colors)  # 绘制散点图

绘制饼状图

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# 各类别标签
label = 'Cat', 'Dog', 'Cattle', 'Sheep', 'Horse'

# 各类别颜色
color = 'r', 'g', 'r', 'g', 'y'

# 各类别占比
size = [1, 2, 3, 4, 5]

# 各类别的偏移半径
explode = (0, 0, 0, 0, 0.2)

# 绘制饼状图
plt.pie(size, colors=color, explode=explode,
        labels=label, shadow=True, autopct='%1.1f%%')

# 饼状图呈正圆
plt.axis('equal')

组合绘制

将需要绘制的代码放在一起就可以了

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x = [1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19]
y_bar = [3, 4, 6, 8, 9, 10, 9, 11, 7, 8]
y_line = [2, 3, 5, 7, 8, 9, 8, 10, 6, 7]

plt.bar(x, y_bar)
plt.plot(x, y_line, '-o', color='y')

定义图片位置

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 # 生成数据 0 - 10之间均匀生成20个数
x = np.linspace(0, 10, 20)
y = x * x + 2

# 新建图形对象
fig = plt.figure()

# 控制画布的左, 下, 宽度, 高度
axes = fig.add_axes([0.5, 0.5, 0.8, 0.8])
axes.plot(x, y, 'r')

当然，也可以表中套表

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x = np.linspace(0, 10, 20)
y = x * x + 2

fig = plt.figure()
axes1 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.8, 0.8])
axes2 = fig.add_axes([0.2, 0.5, 0.4, 0.3])

axes1.plot(x, y, 'r')  # 大画布
axes2.plot(y, x, 'g')  # 小画布

也可以利用 plt.subplots() 实现对子图的控制

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# 子图为 1 行，2 列
fig, axes = plt.subplots(nrows=1, ncols=2)
for ax in axes:
    ax.plot(x, y, 'r')

同样，也可以实现对画布尺寸和精度的调节

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# 通过 figsize 调节尺寸, dpi 调节显示精度
fig, axes = plt.subplots(
    figsize=(16, 9), dpi=50)
axes.plot(x, y, 'r')

规范绘图方法

基础格式

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# 生成绘图对象
fig, axes = plt.subplots()

# 设置相关的参数
axes.set_xlabel('x label')
axes.set_ylabel('y label')
axes.set_title('title')

# 进行绘图操作
axes.plot(x, x**2)
axes.plot(x, x**3)
axes.legend(["y = x**2", "y = x**3"], loc=0)

各种线条的颜色

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fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 6))

# 线宽
ax.plot(x, x+1, color="blue", linewidth=0.25)
ax.plot(x, x+2, color="blue", linewidth=0.50)
ax.plot(x, x+3, color="blue", linewidth=1.00)
ax.plot(x, x+4, color="blue", linewidth=2.00)

# 虚线类型
ax.plot(x, x+5, color="red", lw=2, linestyle='-')
ax.plot(x, x+6, color="red", lw=2, ls='-.')
ax.plot(x, x+7, color="red", lw=2, ls=':')

# 虚线交错宽度
line, = ax.plot(x, x+8, color="black", lw=1.50)
line.set_dashes([5, 10, 15, 10])

# 符号
ax.plot(x, x + 9, color="green", lw=2, ls='--', marker='+')
ax.plot(x, x+10, color="green", lw=2, ls='--', marker='o')
ax.plot(x, x+11, color="green", lw=2, ls='--', marker='s')
ax.plot(x, x+12, color="green", lw=2, ls='--', marker='1')

# 符号大小和颜色
ax.plot(x, x+13, color="purple", lw=1, ls='-', marker='o', markersize=2)
ax.plot(x, x+14, color="purple", lw=1, ls='-', marker='o', markersize=4)
ax.plot(x, x+15, color="purple", lw=1, ls='-',
        marker='o', markersize=8, markerfacecolor="red")
ax.plot(x, x+16, color="purple", lw=1, ls='-', marker='s', markersize=8,
        markerfacecolor="yellow", markeredgewidth=2, markeredgecolor="blue")

画布网格、坐标轴范围

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fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))

# 显示网格
axes[0].plot(x, x**2, x, x**3, lw=2)
axes[0].grid(True)

# 设置坐标轴范围
axes[1].plot(x, x**2, x, x**3)
axes[1].set_ylim([0, 60])
axes[1].set_xlim([2, 5])

标注图片

Matplotlib 中，文字标注的方法由 matplotlib.pyplot.text() 实现。最基本的样式为 matplotlib.pyplot.text(x, y, s)，其中 x, y 用于标注位置定位，s 代表标注的字符串。除此之外，你还可以通过 fontsize= , horizontalalignment= 等参数调整标注字体的大小，对齐样式等。

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fig, axes = plt.subplots()

x_bar = [10, 20, 30, 40, 50]  # 柱形图横坐标
y_bar = [0.5, 0.6, 0.3, 0.4, 0.8]  # 柱形图纵坐标
bars = axes.bar(x_bar, y_bar, color='blue', label=x_bar, width=2)  # 绘制柱形图
for i, rect in enumerate(bars):
    # 获取柱形图横坐标
    x_text = rect.get_x()
    # 获取柱子的高度并增加 0.01
    y_text = rect.get_height() + 0.01
    plt.text(x_text, y_text, '%.1f' % y_bar[i])  # 标注文字

除了文字标注之外，还可以通过 matplotlib.pyplot.annotate() 方法向图像中添加箭头等样式标注。向上面的例子中增添一行增加箭头标记的代码。

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plt.annotate('Min', xy=(32, 0.3), xytext=(36, 0.3),
                 arrowprops=dict(facecolor='black', width=1, headwidth=7))

实战

绘制如下的图形

自己的代码

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%matplotlib inline
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np

fig, axes = plt.subplots(figsize=(10, 6))

# 生成数据
x = np.linspace(-np.pi, np.pi, 2000)
sin_y = np.sin(x)
cos_y = np.cos(x)

# 绘制坐标轴,居中
axes.spines['top'].set_color('none')
axes.spines['right'].set_color('none')
axes.xaxis.set_ticks_position('bottom')
axes.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
axes.yaxis.set_ticks_position('left')
axes.spines['left'].set_position(('data', 0))

# 绘制坐标轴刻度
plt.xticks([-np.pi, -np.pi / 2, 0, np.pi / 2, np.pi],
          [r'$-\pi$', r'$-\frac{\pi}{2}$', r'0',
           r'$\frac{\pi}{2}$', r'$\frac{3\pi}{4}$', r'$\pi$'])
plt.yticks([-1,1])

# 绘制箭头注释的是参考答案的
# 定位
t = 2 * np.pi / 3
# 添加箭头注释
plt.annotate(r'$\sin(\frac{2\pi}{3})=\frac{\sqrt{3}}{2}$',
             xy=(t, np.sin(t)), xycoords='data',
             xytext=(+10, +30), textcoords='offset points', fontsize=16,
             arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2"))
plt.annotate(r'$\cos(\frac{2\pi}{3})=-\frac{1}{2}$',
             xy=(t, np.cos(t)), xycoords='data',
             xytext=(-90, -50), textcoords='offset points', fontsize=16,
             arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2"))

# 添加点注释
plt.scatter([t, ], [np.cos(t), ], 50, color='blue')
plt.scatter([t, ], [np.sin(t), ], 50, color='red')

# 添加线注释
plt.plot([t, t], [0, np.cos(t)],
         color='blue', linewidth=1.5, linestyle="--")
plt.plot([t, t], [0, np.sin(t)],
         color='red', linewidth=1.5, linestyle="--")

# 绘图
axes.plot(x, sin_y, color="red")
axes.plot(x, cos_y, color="blue")

参考答案

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# Copyright (c) 2015, Nicolas P. Rougier. All Rights Reserved.
# Distributed under the (new) BSD License. See LICENSE.txt for more info.
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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(8, 5), dpi=80)
ax = plt.subplot(111)
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))

X = np.linspace(-np.pi, np.pi, 256, endpoint=True)
C, S = np.cos(X), np.sin(X)

plt.plot(X, C, color="blue", linewidth=2.5, linestyle="-", label="Cos Function")
plt.plot(X, S, color="red", linewidth=2.5, linestyle="-", label="Sin Function")

plt.xlim(X.min() * 1.1, X.max() * 1.1)
plt.xticks([-np.pi, -np.pi / 2, 0, np.pi / 2, np.pi],
           [r'$-\pi$', r'$-\pi/2$', r'$0$', r'$+\pi/2$', r'$+\pi$'])

plt.ylim(C.min() * 1.1, C.max() * 1.1)
plt.yticks([-1, +1],
           [r'$-1$', r'$+1$'])

t = 2 * np.pi / 3
plt.plot([t, t], [0, np.cos(t)],
         color='blue', linewidth=1.5, linestyle="--")
plt.scatter([t, ], [np.cos(t), ], 50, color='blue')
plt.annotate(r'$\sin(\frac{2\pi}{3})=\frac{\sqrt{3}}{2}$',
             xy=(t, np.sin(t)), xycoords='data',
             xytext=(+10, +30), textcoords='offset points', fontsize=16,
             arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2"))

plt.plot([t, t], [0, np.sin(t)],
         color='red', linewidth=1.5, linestyle="--")
plt.scatter([t, ], [np.sin(t), ], 50, color='red')
plt.annotate(r'$\cos(\frac{2\pi}{3})=-\frac{1}{2}$',
             xy=(t, np.cos(t)), xycoords='data',
             xytext=(-90, -50), textcoords='offset points', fontsize=16,
             arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2"))

plt.legend(loc='upper left', frameon=False)
plt.show()