1 Matplotlib简介
1.1 什么是 Matplotlib
- 专门用于开发2D图表(包括3D图表)
- 使用起来极其简单
- 以渐进、交互式方式实现数据可视化
matplotlib名称由来:
- mat - matrix 矩阵(二维数据 - 二维图表)
- plot - 画图
- lib - library库
matlab 矩阵实验室:
- mat - matrix
- lab - 实验室
1.2 Matplotlib作用
可视化是在整个数据挖掘的关键辅助工具,可以清晰的理解数据,从而调整我们的分析方法。
- 能将数据进行可视化,更直观的呈现
- 使数据更加客观、更具说服力
网页端动态可视化库:js库 - D3 echarts
1.3 第一个Matplotlib图
import matplotlib.pyplot as plt %matplotlib inline plt.figure( # 创建画布 plt.plot([1, 0, 9], [4, 5, 6]) # 画图 plt.show() # 图显示
1.4 Matplotlib三层结构
1.4.1 容器层
容器层主要由Canvas、Figure、Axes组成。
- Canvas是位于最底层的系统层,在绘图的过程中充当画板的角色,即放置画布(Figure)的工具。
- Figure是Canvas上方的第一层,也是需要用户来操作的应用层的第一层,在绘图的过程中充当画布的角色。
- Axes是应用层的第二层,在绘图的过程中相当于画布上的坐标系/绘图区的角色。
说明:
- Figure:指整个图形(可以通过 plt.figure()设置画布的大小和分辨率等)
- Axes(坐标系)数据的绘图区域,plt.subplot()
- Axis(坐标轴):坐标系中的一条轴,包含大小限制、刻度和刻度标签
特点为:
- 一个figure(画布)可以包含多个axes(坐标系/绘图区),但是一个axes只能属于一个 figure
- 一个axes(坐标系/绘图区)可以包含多个axis(坐标轴),包含两个即为2d坐标系,3个即为3d坐标系
1.4.2 辅助显示层
辅助显示层为Axes(绘图区)内的除了根据数据绘制出的图像以外的内容,主要包括Axes外观(facecolor)、边框线(spines)、坐标轴(axis)、坐标轴名称(axis label)、坐标轴刻度(tick)、坐标轴刻度标签(tick label)、网格线(grid)、图例(legend)、标题(title)等内容。
该层的设置可使图像显示更加直观更加容易被用户理解,但又不会对图像产生实质的影响。
1.4.3 图像层
图像层指Axes内通过plot、scatter、bar、histogram、pie等函数根据数据绘制出的图像。
总结:
- Canvas(画板)位于最底层,用户一般接触不到
- Figure(画布)建立在 Canvas之上
- Axes(绘图区)建立在 Figure之上
- 坐标轴(axis)、图例(legend)等辅助显示层以及图像层都是建立在Axes之上
2 折线图(plot)与基础绘图功能
2.1 折线图绘制与保存图片
为了更好地理解所有基础绘图功能,我们通过天气温度变化的绘图来融合所有的基础API使用
2.1.1
matplotlib.pyplot
模块matplotlib.pyplot包含了一系列类似于matlab的画图函数。它的函数作用于当前图形( figure)的当前坐标系(axes)。
import matplotlib.pyplot as plt
2.1.2 折线图绘制与显示
展现上海一周的天气,比如从星期一到星期日的天气温度如下
# 1、创建画布 # plt.figure() plt.figure(figsize = (20, 8), dpi = 80) # 2、绘制图像 plt.plot([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], [17, 17, 18, 15, 11, 11, 13]) # 保存图像 plt.savefig("test.png") # 3、显示图像 plt.show()
注意: plt.show会释放figure资源,如果在显示图像之后保存图片将只能保存空图片,所以plt.savefig(“xx.png”)要在plt.show()之前。
2.1.3 设置画布属性与图片保存
plt.figure(figsize = ), dpi = ) figsize:指定图的长宽,画布大小 dpi:图像的清晰度,dot per inch 图像的清晰度 返回fig对象 plt.savefig(path) path:图片存储路径
2.2 完善原始折线图1(辅助显示层)
案例:显示温度变化状况需求:画岀某城市11点到12点一小时内每分钟的温度变化折线图,温度范围在15度 ∼ ∼ ∼ ∼ \sim ∼ ∼∼∼ 18度
2.2.1 准备数据并画出初始折线图
import random import matplotlib.pyplot as plt # 1、准备数据 x y x = range(60) y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x] # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制图像 plt.plot(x, y_shanghai) # 4、显示图 plt.show()
2.2.2 添加自定义x,y刻度
plt.xticks(x, [labels], **kwargs) x:要显示的刻度值的位置 [labels]:用于设置每个间隔的显示标签 **kwargs:用于设置标签字体倾斜度和颜色等外观属性 plt.yticks(y, [labels], **kwargs) y:要显示的刻度值的位置 [labels]:用于设置每个间隔的显示标签 **kwargs:用于设置标签字体倾斜度和颜色等外观属性
示例:
# 修改x、y刻度 # 准备 x 的刻度说明 x_label = ["11点{}分".format(i) for i in x] plt.xticks(x[::5], x_label[::5]) # 准备 y 的刻度说明 plt.yticks(range(0, 40, 5)) # plt.yticks(range(40)[::5])
如果没有解决过中文问题的话,会显示这个样子
2.2.3 中文显示问题解决
添加两行代码即可:
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
- 1
2.2.4 添加网格显示
为了更加清楚地观察图形对应的值:
plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5)
2.2.5 添加描述信息
添加 x 轴、y 轴描述信息及标题:
plt.xlabel("时间变化") plt.ylabel("温度变化") plt.title("某城市11点到12点每分钟的温度变化状况")
2.3 完善原始折线图2(图像层)
需求:再添加一个城市的温度变化
收集到北京当天温度变化情况,温度在1度到3度。
2.3.1 多次plot
怎么去添加另一个在同一坐标系当中的不同图形,其实很简单只需要再次plot即可,但是需要区分线条,如下显示
# 1、准备数据 x y x = range(60) y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x] y_beijing = [random.uniform(1, 3) for i in x] # 增加北京的温度数据 # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制图像 plt.plot(x, y_shanghai, color="r", linestyle="-.", label="上海") plt.plot(x, y_beijing, color="b", label="北京") # 使用多次plot可以画多个折线 # 显示图例 plt.legend() # 图像右上角说明 # 修改x、y刻度 # 准备x的刻度说明 x_label = ["11点{}分".format(i) for i in x] plt.xticks(x[::5], x_label[::5]) plt.yticks(range(0, 40, 5)) # 添加网格显示 plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5) # 添加描述信息 plt.xlabel("时间变化") plt.ylabel("温度变化") plt.title("上海、北京11点到12点每分钟的温度变化状况") # 4、显示图 plt.show()
用到了两个新的地方,一个是对于不同的折线展示效果,一个是添加图例。
2.3.2 设置图形风格
颜色字符 风格字符 r 红色 - 实线 g 绿色 - -虚线 b 蓝色 -. 点划线 w 白色 :点虚线 c 青色 ’ ’ 留空、空格 m 洋红 y 黄色 k 黑色 2.3.3 显示图例
注意:如果只在plt.plot( )中设置label还不能最终显示出图例,还需要通过 plt. legend( )将图例显示出来。
plt.legend() # 默认best plt.legend(loc="best") plt.legend(loc=0) loc:显示图例的位置
Location String Location Code ‘best’(默认) 0 ‘upper right’ 1 ‘upper left’ 2 ‘lower left’ 3 ‘lower right’ 4 ‘right’ 5 ‘center left’ 6 ‘center right’ 7 ‘lower center’ 8 ‘upper center’ 9 ‘center’ 10 2.4 多个坐标系显示 - plt.subplots(面向对象的画图方法)
需求:将上海和北京的天气图显示在同一个图的不同坐标系当中
可以通过
subplots
函数实现(旧的版本中有 subplot,使用起来不方便),推荐subplots
函数
matplotlib.pyplot.subplots(nrows=1, ncols=1, **fig_kw)
创建一个带有多个axes
(坐标系/绘图区)的图Parameters: nrows,ncols: int, optional, default:1, Number of rows/columns of the subplot grid.(几行几列) **fig_kw : All additional keyword arguments are passed to the figure() call. Returns(返回对象): fig:图对象 ax:绘图区 设置标题等方法不同: set_xticks set_yticks set_xlabel set_ylabel
关于axes子坐标系的更多方法:参考https://matplotlib.org/api/axes_api.html#matplotlib.axes.Axes
figure, axes = plt.subplot(nrows=1, ncols=2, **fig_kw) # 1行2列 axes[0].set_方法名():第一张图 axes[1]:第二张图
注意:
plt.函数名()
相当于面向过程的画图方法,axes.set_方法名()
相当于面向对象的画图方法。# 1、准备数据 x y x = range(60) y_shanghai = [random.uniform(15, 18) for i in x] y_beijing = [random.uniform(1, 3) for i in x] # 2、创建画布 # plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) figure, axes = plt.subplots(nrows=1, ncols=2, figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制图像 axes[0].plot(x, y_shanghai, color="r", linestyle="-.", label="上海") axes[1].plot(x, y_beijing, color="b", label="北京") # 显示图例 axes[0].legend() axes[1].legend() # 修改x、y刻度 # 准备x的刻度说明 x_label = ["11点{}分".format(i) for i in x] # axes[0].set_xticks(x[::5],x_label[::5])替换下述两行 axes[0].set_xticks(x[::5]) axes[0].set_xticklabels(x_label) # x轴刻度具体时间显示 axes[0].set_yticks(range(0, 40, 5)) axes[1].set_xticks(x[::5]) axes[1].set_xticklabels(x_label) axes[1].set_yticks(range(0, 40, 5)) # 添加网格显示 axes[0].grid(linestyle="--", alpha=0.5) axes[1].grid(linestyle="--", alpha=0.5) # 添加描述信息 axes[0].set_xlabel("时间变化") axes[0].set_ylabel("温度变化") axes[0].set_title("上海11点到12点每分钟的温度变化状况") axes[1].set_xlabel("时间变化") axes[1].set_ylabel("温度变化") axes[1].set_title("北京11点到12点每分钟的温度变化状况") # 4、显示图 plt.show()
2.5 折线图的应用场景
某指标随时间变化:
- 呈现公司产品(不同区域)每天活跃用户数
- 呈现app每天下载数量
- 呈现产品新功能上线后,用户点击次数随时间的变化
- 拓展:画各种数学函数图像
注意:plt.plot( )除了可以画折线图,也可以用于画各种数学函数图
绘制数学函数图像import numpy as np # 1、准备x,y数据 # 正弦函数数据 # x = np.linspace(-10, 10, 1000) # 生成(-10,10)等间距数 y = np.sin(x) # 二次函数图像数据 x = np.linspace(-1, 1, 1000) y = 2 * x * x # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制图像 plt.plot(x, y) # 添加网格显示 plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5) # 4、显示图像 plt.show()
3 常见图形种类及意义
3.1 折线图
- 折线图:以折线的上升或下降来表示统计数量的增减变化的统计图
特点:能够显示数据的变化趋势,反映事物的变化情况。(变化)
3.2 散点图
- 散点图:用两组数据构成多个坐标点,考察坐标点的分布,判断两变量之间是否存在某种关联或总结坐标点的分布模式
特点:判断变量之间是否存在数量关联趋势,展示离群点(分布规律)
3.3 柱状图
- 柱状图:排列在工作表的列或行中的数据可以绘制到柱状图中。
特点:绘制连离散的数据,能够一眼看岀各个数据的大小,比较数据之间的差别。(统计/对比)
3.4 直方图
- 直方图:由一系列高度不等的纵向条纹或线段表示数据分布的情况。一般用横轴表示数据范围,纵轴表示分布情况。
特点:
- 绘制连续性的数据展示一组或者多组数据的分布状况(统计)
- 通过直方图还可以观察和估计哪些数据比较集中,异常或者孤立的数据分布在何处
3.5 饼图
- 饼图:用于表示不同分类的占比情况,通过弧度大小来对比各种分类。
特点:分类数据的占比情况(占比)
4 散点图(scatter)
需求:探究房屋面积和房屋价格的关系
# 1、准备数据 x = [225.98, 247.07, 253.14, 457.85, 241.58, 301.01, 20.67, 288.64, 163.56, 120.06, 207.83, 342.75, 147.9 , 53.06, 224.72, 29.51, 21.61, 483.21, 245.25, 399.25, 343.35] # 房屋面积数据 y = [196.63, 203.88, 210.75, 372.74, 202.41, 247.61, 24.9 , 239.34, 140.32, 104.15, 176.84, 288.23, 128.79, 49.64, 191.74, 33.1 , 30.74, 400.02, 205.35, 330.64, 283.45] # 房屋价格数据 # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制图像 plt.scatter(x, y) # 4、显示图像 plt.show()
- 1
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5 柱状图(bar)
matplotlib.pyplot.bar(x, y, width, align='center', **kwargs)
Parameters: x: sequence of scalars,柱状图横轴中心点 y: 纵坐标 width: scalar or array-like, optional(柱状图的宽度) align:{'center‘,'edge’},optional, default:'center' Alignment of the bars to the x coordinates 'center':Center the base on the x positions 'edge':Align the left edges of the bars with the x positions(每个柱状图的位置对齐方式) **kwargs: color:选择柱状图的颜色 Returns: '.BarContainer' Container with all the bars and optionally errorbars
5.1 需求1-对比每部电影的票房收入
# 1、准备数据 movie_names = ['雷神3:诸神黄昏','正义联盟','东方快车谋杀案','寻梦环游记','全球风暴', '降魔传','追捕','七十七天','密战','狂兽','其它'] tickets = [73853,57767,22354,15969,14839,8725,8716,8318,7916,6764,52222]# 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 用来正常显示中文标签 plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei' # 3、绘制柱状图 x_ticks = range(len(movie_names)) plt.bar(x_ticks, tickets, color=['b','r','g','y','c','m','y','k','c','g','b']) # 修改x刻度 plt.xticks(x_ticks, movie_names) # 添加标题 plt.title("电影票房收入对比") # 添加网格显示 plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5) # 4、显示图像 plt.show()
5.2 需求2-如何对比电影票房收入才更能加有说服力?
比较相同天数的票房
有时候为了公平起见,我们需要对比不同电影首日和首周的票房
# 1、准备数据 movie_name = ['雷神3:诸神黄昏','正义联盟','寻梦环游记'] first_day = [10587.6,10062.5,1275.7] first_weekend=[36224.9,34479.6,11830] x = range(len(movie_name)) # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制柱状图 plt.bar(x, first_day, width=0.2, label="首日票房") # plt.bar([0.2, 1.2, 2.2], first_weekend, width=0.2, label="首周票房") plt.bar([i+0.2 for i in x], first_weekend, width=0.2, label="首周票房") # 显示图例 plt.legend() # 修改刻度 plt.xticks([0.1, 1.1, 2.1], movie_name) # 4、显示图像 plt.show()
6 直方图(histogram)
6.1 直方图介绍
直方图,形状类似柱状图却有着与柱状图完全不同的含义。直方图牵涉统计学的概念,首先要对数据进行分组,然后统计每个分组内数据元的数量。在坐标系中,横轴标出每个组的端点,纵轴表示频数,每个矩形的高代表对应的频数,称这样的统计图为频数分布直方图。
示例:
- 某校初三(1)班36位同学的身高的频数分布直方图如下图所示
(1)身高在哪一组的同学最多?
(2)身高在160.5cm以上的同学有多少人?相关概念:
- 组数:在统计数据时,我们把数据按照不同的范围分成几个组,分成的组的个数称为组数
- 组距:每一组两个端点的差
6.2 直方图与柱状图的对比
- 柱状图:矩形的长度 → → → → \to → →→→ 每一组的频数或数量,宽度(表示类别) → → → → \to → →→→ 固定的,利于较小的数据集分析。
- 直方图:描述的是一组数据的频次分布,矩形的长度 → → → → \to→ →→→ 每一组的频数或数量,宽度 → → → → \to → →→→ 各组的组距,因此其高度与宽度均有意义,利于展示大量数据集的统计结果。
- 直方图有助于了解数据的分布情况,诸如众数、中位数的大致位置、数据是否存在缺口或者异常值。
1. 直方图展示数据的分布,柱状图比较数据的大小 → → → → \to → →→→ 最根本的区别。
直方图展示的是一组数据,在划分的区间中的分布情况,但是看不出在一个区间里,单个数据的具体大小。
而在柱状图里,能看到的是每个数据的大小,并且进行比较。
2. 直方图 x 轴为定量数据,柱状图 x 轴为分类数据。
- 在直方图中,x轴上的变量是一个个连续的区间,这些区间通常表现为数字,例如代表苹果重量的“0-10g,10-20g…”,代表时间长度的“0-10min,10-20min……
- 而在柱状图中,x轴上的变量是一个个分类数据,例如不同的国家名称、不同的游戏类型。
- 直方图上的每根柱子都是不可移动的,x轴上的区间是连续的、固定的。
- 而柱状图上的每根柱子是可以随意排序的,有的情况下需要按照分类数据的名称排列,有的则需要按照数值的大小排列。
3. 直方图柱子无间隔,柱状图柱子有间隔
- 因为直方图中的区间是连续的。而柱状图的区间是离散的。
4. 直方图柱子宽度可不一,柱状图柱子宽度须一致
- 柱状图柱子的宽度因为没有数值含义,所以宽度必须一致。
- 在直方图中,柱子的宽度代表了区间的长度,根据区间的不同,柱子的宽度可以不同,但理论上应为单位长度的倍数。
例如,美国人口普查局(TheU.s. Census bureau)调查了124亿人的上班通勤时间,由于通勤时间在45-150分钟的人数太少,因此区间改为45-60分钟、60-90分钟、90-150分钟,其他组距则均为5。
- 可以看到,Y轴的数据为“人数/组距”,在这种情况下,每个柱子的面积相加就等于调查的总人数,柱子的面积就有了意义。
- 当上图的Y轴表达的是“区间人数/总人数/组距”,这个直方图就是我们初中学习的“频率分布直方图”,频率指的是“区间数量/总数量”。在这样的直方图中,所有柱子的面积相加等于1。
6.3 直方图绘制
需求:电影时长分布状况
现有250部电影的时长,希望统计出这些电影时长的分布状态比如时长为100分钟到120分钟电影的数量,出现的频率等信息,你应该如何呈现这些数据?
6.3.1直方图绘制api
matplotlib.pyplot.hist(x, bins=None, normed=None, **kwargs)
Parameters: x:(n,) array or sequence of(n,)arrays,数据 bins:integer or sequence or 'auto',optional(组数) normed:是否显示频率,默认为频数
6.3.2 绘制
- 设置组距
- 设置组数(通常对于数据较少的情况,分为5~12组,数据较多,更换图形显示方式)
- 通常设置组数会有相应公式:组数(bins)=极差/组距=(max-min)/组距(取整//)
# 1、准备数据 time = [131, 98, 125, 131, 124, 139, 131, 117, 128, 108, 135, 138, 131, 102, 107, 114, 119, 128, 121, 142, 127, 130, 124, 101, 110, 116, 117, 110, 128, 128, 115, 99, 136, 126, 134, 95, 138, 117, 111,78, 132, 124, 113, 150, 110, 117, 86, 95, 144, 105, 126, 130,126, 130, 126, 116, 123, 106, 112, 138, 123, 86, 101, 99, 136,123, 117, 119, 105, 137, 123, 128, 125, 104, 109, 134, 125, 127,105, 120, 107, 129, 116, 108, 132, 103, 136, 118, 102, 120, 114,105, 115, 132, 145, 119, 121, 112, 139, 125, 138, 109, 132, 134,156, 106, 117, 127, 144, 139, 139, 119, 140, 83, 110, 102,123,107, 143, 115, 136, 118, 139, 123, 112, 118, 125, 109, 119, 133,112, 114, 122, 109, 106, 123, 116, 131, 127, 115, 118, 112, 135,115, 146, 137, 116, 103, 144, 83, 123, 111, 110, 111, 100, 154,136, 100, 118, 119, 133, 134, 106, 129, 126, 110, 111, 109, 141,120, 117, 106, 149, 122, 122, 110, 118, 127, 121, 114, 125, 126,114, 140, 103, 130, 141, 117, 106, 114, 121, 114, 133, 137, 92,121, 112, 146, 97, 137, 105, 98, 117, 112, 81, 97, 139, 113,134, 106, 144, 110, 137, 137, 111, 104, 117, 100, 111, 101, 110,105, 129, 137, 112, 120, 113, 133, 112, 83, 94, 146, 133, 101,131, 116, 111, 84, 137, 115, 122, 106, 144, 109, 123, 116, 111,111, 133, 150] # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制直方图 distance = 2 group_num = int((max(time) - min(time)) / distance) # 取整 plt.hist(time, bins=group_num, density=True) # 修改x轴刻度 plt.xticks(range(min(time), max(time) + 2, distance)) # 添加网格 plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5) # 4、显示图像 plt.show()
6.3.3 直方图注意点
- 注意组距
组距会影响直方图呈现出来的数据分布,因此在绘制直方图的时候需要多次尝试改变组距。
- 注意Y轴所代表的变量
Y轴上的变量可以是频次(数据出现了多少次)、频率(频次/总次数)、频率/组距,不同的变量会让直方图描述的数据分布意义不同。7 饼图(pie)
7.1 饼图介绍
饼图用于表示不同分类的占比情况,通过弧度大小来对比各种分类。
饼图通过将个圆饼按照分类的占比划分成多个区块,整个圆饼代表数据的总量,每个区块(圆弧)表示该分类占总体的比例大小,所有区块(圆弧)的加和等于100%。
7.2 饼图绘制
饼图api介绍:注意显示的百分比的位数
pit.pie(x, labels= , autopct= , colors)
- x:数量,自动算百分比
- labels:每部分名称
- autopct占比显示指定%1.2f%%
- %1.2f%%:显示百分数,%-浮点数,1.2f-占一个位置,保留一位小数,%-转义字符,%-百分号输出
- colors:每部分颜色
需求:显示不同的电影的排片占比
# 1、准备数据 movie_name = ['雷神3:诸神黄昏','正义联盟','东方快车谋杀案','寻梦环游记','全球风暴','降魔传','追捕','七十七天','密战','狂兽','其它'] place_count = [60605,54546,45819,28243,13270,9945,7679,6799,6101,4621,20105] # 2、创建画布 plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80) # 3、绘制饼图 plt.pie(place_count, labels=movie_name, colors=['b','r','g','y','c','m','y','k','c','g','y'], autopct="%1.2f%%") # 显示图例 plt.legend() # 显示的饼图保持圆形 plt.axis('equal') # 4、显示图像 plt.show()
7.3 添加axis
为了让显示的饼图保持圆形,需要添加axis保证长宽一样
plt.axis('equal')
,否则输出饼形图为椭圆形。8 总结
视频:黑马Python教程4天快速入手Python数据挖掘https://www.bilibili.com/video/BV1xt411v7z9?from=search&seid=1374736475069929050