Python数据分析之绘图和可视化详解

时间:2022-11-03 17:43:11

一、前言

matplotlib是一个用于创建出版质量图表的桌面绘图包(主要是2D方面)。该项目是由John Hunter于2002年启动的,其目的是为Python构建一个MATLAB式的绘图接口。matplotlibIPython社区进行合作,简化了从IPython shell(包括现在的Jupyter notebook)进行交互式绘图。matplotlib支持各种操作系统上许多不同的GUI后端,而且还能将图片导出为各种常见的矢量(vector)和光栅(raster)图:PDF、SVG、JPG、PNG、BMP、GIF等。除了几张,本书中的大部分图都是用它生成的。

对于创建用于打印或网页的静态图形,我建议默认使用matplotlib和附加的库,比如pandasseaborn。对于交互式图形以便在Web上发布,可以使用Plotly和Boken

学习本章代码案例的最简单方法是在Jupyter notebook进行交互式绘图。在Jupyter notebook中执行下面的语句:%matplotlib notebook

二、matplotlib API 入门

1.引入matplotlib,并创建简单的图形

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

data = np.arange(10)
plt.plot(data)

虽然seaborn这样的库和pandas的内置绘图函数能够处理许多普通的绘图任务,但如果需要自定义一些高级功能的话就必须学习matplotlib API。matplotlib示例库文档是学习高级特性的最好资源。

2.matplotlib的图像都位于Figure对象中。你可以用plt.figure创建一个新的Figure,但不能通过空Figure绘图。必须用add_subplot创建一个或多个subplot才行:

fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(2, 2, 1)
ax2 = fig.add_subplot(2, 2, 2)
ax3 = fig.add_subplot(2, 2, 3)
plt.plot(np.random.randn(50).cumsum(), "k--")  # 在最后一个用过的subplot上进行绘制,隐藏创建figure和subplot的过程

提示:使用Jupyter notebook有一点不同,即每个小窗重新执行后,图形会被重置。因此,对于复杂的图形,,你必须将所有的绘图命令存在一个小窗里。

由fig.add_subplot所返回的对象是AxesSubplot对象,直接调用它们的实例方法就可以在其它空着的格子里面画图了

ax1.hist(np.random.randn(100), bins=20, color="k", alpha=0.3)
ax2.scatter(np.arange(30), np.arange(30) + 3 * np.random.randn(30))

3.plt.subplots,它可以创建一个新的Figure,并返回一个含有已创建的subplot对象的NumPy数组:fig, axes = plt.subplots(2, 3)。可以轻松地对axes数组进行索引,就好像是一个二维数组一样,例如axes[0,1]。还可以通过sharexsharey指定subplot应该具有相同的X轴或Y轴。在比较相同范围的数据时,这也是非常实用的,否则,matplotlib会自动缩放各图表的界限。

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4.利用Figure的subplots_adjust(也是个*函数)方法可以轻而易举地修改间距:subplots_adjust(left=None, bottom=None, right=None, top=None, wspace=None, hspace=None),其中wspacehspace用于控制宽度和高度的百分比,可以用作subplot之间的间距。

5.在plot函数中可以通过字符串来指定颜色和线型:ax.plot(x, y,"g--")
这种更为明确的方式也能得到同样的效果:ax.plot(x, y, linestyle="--", color="g")
常用的颜色可以使用颜色缩写,也可以指定颜色码(例如,#CECECE

IPythonJupyter中使用plot?可以查看文档说明。

6.线图可以使用标记强调数据点。因为matplotlib可以创建连续线图,在点之间进行插值,因此有时可能不太容易看出真实数据点的位置。标记也可以放到格式字符串中,但标记类型和线型必须放在颜色后面:

from numpy.random import randn
plt.plot(randn(30).cumsum(), "ko--")
plot(randn(30).cumsum(), color="k", linestyle="dashed", marker="o")

7.在线型图中,非实际数据点默认是按线性方式插值的。可以通过drawstyle选项修改

data = np.random.randn(30).cumsum()
plt.plot(data,"k--", label="Default")
plt.plot(data,"k-", drawstyle="steps-post", label="steps-post")
plt.legend(loc="best")

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笔记:你必须调用plt.legend(或使用ax.legend,如果引用了轴的话)来创建图例,无论你绘图时是否传递label标签选项。

8.pyplot接口的设计目的就是交互式使用,含有诸如xlimxticksxticklabels之类的方法。它们分别控制图表的范围、刻度位置、刻度标签等。其使用方式有以下两种:

  • 调用时不带参数,则返回当前的参数值(例如,plt.xlim()返回当前的X轴绘图范围)。
  • 调用时带参数,则设置参数值(例如,plt.xlim([0,10])会将X轴的范围设置为0到10)。

所有这些方法都是对当前或最近创建的AxesSubplot起作用的。它们各自对应subplot对象上的两个方法,以xlim为例,就是ax.get_xlimax.set_xlim

9. 设置标题、轴标签、刻度以及刻度标签

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
ax.plot(np.random.randn(1000).cumsum())  # 创建随机漫步数据
ticks = ax.set_xticks([0,250,500,750,1000])  # 改变x轴刻度
labels = ax.set_xticklabels(["one","two","three","four","five"], rotation=30, fontsize="small")  # 设置轴标签
ax.set_title("My first matplotlib plot")  # 设置题目
ax.set_xlabel("Stages")  # 设置轴名称
props ={
    "title":"My first matplotlib plot",
    "xlabel":"Stages"
}
ax.set(**props)  # 设置题目和轴名称

10.图例(legend)是另一种用于标识图表元素的重要工具。最简单的是在添加subplot的时候传入label参数。要从图例中去除一个或多个元素,不传入label或传入label="nolegend‘即可。

fig = plt.figure(); ax = fig.add_subplot(1,1,1)
ax.plot(randn(1000).cumsum(),"k", label="one")
ax.plot(randn(1000).cumsum(),"k--", label="two")
ax.plot(randn(1000).cumsum(),"k.", label="three")
ax.legend(loc="best")  # 必须调用legend方法才能显示图例

11.注解以及在Subplot上绘图

  • 注解和文字可以通过text、arrow和annotate函数进行添加。text可以将文本绘制在图表的指定坐标(x,y),还可以加上一些自定义格式:ax.text(x, y,"Hello world!", family="monospace", fontsize=10)
  • 注解中可以既含有文本也含有箭头。
  • 要在图表中添加一个图形,你需要创建一个块对象shp,然后通过ax.add_patch(shp)将其添加到subplot中:
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(1,1,1)
rect = plt.Rectangle((0.2,0.75),0.4,0.15, color="k", alpha=0.3)
circ = plt.Circle((0.7,0.2),0.15, color="b", alpha=0.3)
pgon = plt.Polygon([[0.15,0.15],[0.35,0.4],[0.2,0.6]],
                   color="g", alpha=0.5)
ax.add_patch(rect)
ax.add_patch(circ)
ax.add_patch(pgon)

12.将图表保存到文件

  • plt.savefig可以将当前图表保存到文件。该方法相当于Figure对象的实例方法savefig

参数:
dpi:控制“每英寸点数”分辨率;
bbox_inches:可以剪除当前图表周围的空白部分
plt.savefig("figpath.png", dpi=400, bbox_inches="tight")

  • savefig并非一定要写入磁盘,也可以写入任何文件型的对象,比如BytesIO
from io importBytesIO
buffer =BytesIO()
plt.savefig(buffer)
plot_data = buffer.getvalue()

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13.matplotlib自带一些配色方案,以及为生成出版质量的图片而设定的默认配置信息。几乎所有默认行为都能通过一组全局参数进行自定义,它们可以管理图像大小、subplot边距、配色方案、字体大小、网格类型等。一种Python编程方式配置系统的方法是使用rc方法。

  • 要将全局的图像默认大小设置为10×10,可以执行:plt.rc("figure", figsize=(10,10))
  • rc的第一个参数是希望自定义的对象,如"figure"、"axes"、"xtick"、"ytick"、"grid"、"legend"等。其后可以跟上一系列的关键字参数。一个简单的办法是将这些选项写成一个字典:
font_options ={
	"family":"monospace",
	"weight":"bold",
	"size":"small"
}
plt.rc("font",**font_options)

三、使用pandas和seaborn绘图

pandas中,我们有多列数据,还有行和列标签。pandas自身就有内置的方法,用于简化从DataFrameSeries绘制图形。另一个库seaborn简化了许多常见可视类型的创建。

提示:引入seaborn会修改matplotlib默认的颜色方案和绘图类型,以提高可读性和美观度。即使你不使用seaborn API,你可能也会引入seaborn,作为提高美观度和绘制常见matplotlib图形的简化方法。

1.Series和DataFrame都有一个用于生成各类图表的plot方法。默认情况下,它们所生成的是线型图:

s = pd.Series(np.random.randn(10).cumsum(), index=np.arange(0, 100, 10))
s.plot()

Series对象的索引会被传给matplotlib,并用以绘制X轴。可以通过use_index=False禁用该功能。X轴的刻度和界限可以通过xticksxlim选项进行调节,Y轴就用yticksylim

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2.pandas的大部分绘图方法都有一个可选的ax参数,它可以是一个matplotlibsubplot对象。这使你能够在网格布局中更为灵活地处理subplot的位置。DataFrameplot方法会在一个subplot中为各列绘制一条线,并自动创建图例

df = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 4).cumsum(0), columns=["A", "B", "C", "D"], index=np.arange(0, 100, 10))
df.plot()

plot属性包含一批不同绘图类型的方法。例如,df.plot()等价于df.plot.line()

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笔记:plot的其他关键字参数会被传给相应的matplotlib绘图函数,所以要更深入地自定义图表,就必须学习更多有关matplotlib API的知识。

3.plot.bar()和plot.barh()分别绘制水平和垂直的柱状图。这时,SeriesDataFrame的索引将会被用作X(bar)或Y(barh)刻度

fig, axes = plt.subplots(2, 1)
data = pd.Series(np.random.rand(16), index=list("abcdefghijklmnop"))
data.plot.bar(ax=axes[0], color="k", alpha=0.7)  # alpha设置透明度
data.plot.barh(ax=axes[1], color="k", alpha=0.7)

4.对于DataFrame,柱状图会将每一行的值分为一组,并排显示

df = pd.DataFrame(np.random.rand(6, 4), index=["one", "two", "three", "four", "five", "six"], columns=pd.Index(["A", "B", "C", "D"], name="Genus"))
df.plot.bar()

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5.设置stacked=True即可为DataFrame生成堆积柱状图,这样每行的值就会被堆积在一起:df.plot.barh(stacked=True, alpha=0.5)

笔记:柱状图有一个非常不错的用法:利用value_counts图形化显示Series中各值的出现频率,比如s.value_counts().plot.bar()

6.做一张堆积柱状图以展示每天各种聚会规模的数据点的百分比。

In [75]: tips = pd.read_csv("pydata-book-2nd-edition/")
In [76]: party_counts = pd.crosstab(tips["day"], tips["size"])
In [77]: party_counts
Out[77]: 
size  1   2   3   4  5  6
day                      
Fri   1  16   1   1  0  0
Sat   2  53  18  13  1  0
Sun   0  39  15  18  3  1
Thur  1  48   4   5  1  3
# Not many 1- and 6-person parties
In [78]: party_counts = party_counts.loc[:, 2:5]
In [79]: party_pcts = party_counts.div(party_counts.sum(1), axis=0)  # 进行规格化,使得各行的和为1
In [81]: party_pcts.plot.bar()

7.对于在绘制一个图形之前,需要进行合计的数据,使用seaborn可以减少工作量。seaborn的绘制函数使用data参数,它可能是pandasDataFrame。其它的参数是关于列的名字。因为一天的每个值有多次观察,柱状图的值是tip_pct的平均值。绘制在柱状图上的黑线代表95%置信区间(可以通过可选参数配置)。

In [83]: import seaborn as sns
In [84]: %matplotlib inline  # 在jupyter中输入,避免无法显示图的问题
In [85]: tips["tip_pct"] = tips["tip"] / (tips["total_bill"] - tips["tip"])
In [86]: tips.head()
Out[86]: 
   total_bill   tip smoker  day    time  size   tip_pct
0       16.99  1.01     No  Sun  Dinner     2  0.063204
1       10.34  1.66     No  Sun  Dinner     3  0.191244
2       21.01  3.50     No  Sun  Dinner     3  0.199886
3       23.68  3.31     No  Sun  Dinner     2  0.162494
4       24.59  3.61     No  Sun  Dinner     4  0.172069
In [86]: sns.barplot(x="tip_pct", y="day", data=tips, orient="h")
In [87]: sns.barplot(x="tip_pct", y="day", hue="time", data=tips, orient="h")  # 根据time列进行颜色区分
In [90]: sns.set(style="whitegrid")  # 设置图形外观

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8.直方图(histogram)是一种可以对值频率进行离散化显示的柱状图。数据点被拆分到离散的、间隔均匀的面元中,绘制的是各面元中数据点的数量。

tips["tip_pct"].plot.hist(bins=50)  # bins表示柱的数量

9.密度图是通过计算“可能会产生观测数据的连续概率分布的估计”而产生的。一般的过程是将该分布近似为一组核(即诸如正态分布之类的较为简单的分布)。因此,密度图也被称作KDE(Kernel Density Estimate,核密度估计)图。使用plot.kde和标准混合正态分布估计即可生成一张密度图:tips["tip_pct"].plot.density()

10.seaborn的distplot方法绘制直方图和密度图更加简单,还可以同时画出直方图和连续密度估计图。作为例子,考虑一个双峰分布,由两个不同的标准正态分布组成:

In [96]: comp1 = np.random.normal(0, 1, size=200)
In [97]: comp2 = np.random.normal(10, 2, size=200)
In [98]: values = pd.Series(np.concatenate([comp1, comp2]))
In [99]: sns.distplot(values, bins=100, color="k")

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11.点图或散布图是观察两个一维数据序列之间的关系的有效手段。在下面这个例子中,我加载了来自statsmodels项目的macrodata数据集,选择了几个变量,然后计算对数差:

In [100]: macro = pd.read_csv("examples/macrodata.csv")
In [101]: data = macro[["cpi", "m1", "tbilrate", "unemp"]]
In [102]: trans_data = np.log(data).diff().dropna()
In [103]: trans_data[-5:]
Out[103]: 
          cpi        m1  tbilrate     unemp
198 -0.007904  0.045361 -0.396881  0.105361
199 -0.021979  0.066753 -2.277267  0.139762
200  0.002340  0.010286  0.606136  0.160343
201  0.008419  0.037461 -0.200671  0.127339
202  0.008894  0.012202 -0.405465  0.042560
In [104]: sns.regplot("m1", "unemp", data=trans_data)  # 做一个散布图,并加上一条线性回归的线
In [107]: sns.pairplot(trans_data, diag_kind="kde", plot_kws={"alpha": 0.2})  # 生成散布图矩阵,pairplot支持在对角线上放置每个变量的直方图或密度估计

plot_kws参数可以传递配置选项到非对角线元素上的图形使用。

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12.有多个分类变量的数据可视化的一种方法是使用小面网格。seaborn有一个有用的内置函数factorplot,可以简化制作多种分面图

sns.factorplot(x="day", y="tip_pct", hue="time", col="smoker", kind="bar", data=tips[tips.tip_pct < 1])
sns.factorplot(x="day", y="tip_pct", row="time", col="smoker", kind="bar", data=tips[tips.tip_pct < 1])  # 通过给每个时间值添加一行来扩展分面网格

factorplot支持其它的绘图类型,如盒图(它可以显示中位数,四分位数,和异常值):

sns.factorplot(x="tip_pct", y="day", kind="box", data=tips[tips.tip_pct < 0.5])

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