25. NumPy和Matplotlib绘图

1. 前言

Matplotlib 是 Python 的绘图库，它经常与 NumPy 一起使用，从而提供一种能够代替 Matlab 的方案。不仅如此 Matplotlib 还可以与 PyQt 和 wxPython 等图形工具包一起使用。

Matplotlib 最初由 John D. Hunter 编写，目前，它的最新的版本是 3.3.1，最后一个支持 Python 2 的版本是 2.2.5 。您可以通过 Python 包管理器 pip 来安装 Matplotlib，命令如下：

pip3 install matplotlib

安装成功后，我们可以使用下面的引包方式，将其导入：

from matplotlib import pyplot as plt

2. 绘制线性函数图像

Matplotlib 的子模块模块 pyplot 是用来绘制 2D 图像的重要模块。下面示例绘制了函数 y = 2x + 5 的图像：

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
x = np.arange(1,11)
y = 2 * x + 5
#绘制坐标标题
plt.title("Matplotlib demo")
#绘制x、y轴备注
plt.xlabel("x axis")
plt.ylabel("y axis")
plt.plot(x,y)
plt.show()

输出结果如下：

图1：Matplotlib绘制线性图

您可以向 plot() 函数中添加格式化字符，来实现不同样式的显示或标记。 下表列举了常用的格式化字符：

字符	描述
'-'	实线样式
'--'	短横线样式
'-.'	点划线样式
':'	虚线样式
'.'	点标记
','	像素标记
'o'	圆标记
'v'	倒三角标记
'^'	正三角标记
'<'	左三角标记
'>'	右三角标记
'1'	下箭头标记
'2'	上箭头标记
'3'	左箭头标记
'4'	右箭头标记
's'	正方形标记
'p'	五边形标记
'*'	星形标记
'h'	六边形标记 1
'H'	六边形标记 2
'+'	加号标记
'x'	X 标记
'D'	菱形标记
'd'	窄菱形标记
'|'	竖直线标记
'_'	水平线标记

同时 Matplotlib 还定义了一些颜色字符，如下所示：

字符	颜色
'b'	蓝色
'g'	绿色
'r'	红色
'c'	青色
'm'	品红色
'y'	黄色
'k'	黑色
'w'	白色

如果想要以圆点的样式，来代替图 1 中的线条样式，那么可以使用“ ob”作为 plot() 的格式化字符。如下所示：

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
x = np.arange(1,11)
y = 2 * x + 5
plt.title("Matplotlib demo1")
plt.xlabel("x axis")
plt.ylabel("y axis")
plt.plot(x,y,"ob")
plt.show() 

输出结果如下图：

图2：Matplotlib绘制圆点图

3. 绘制正弦波图

您也可以使用 Matplotlib 生成正弦波图。示例如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt 
# 计算正弦曲线上的x和y坐标
x = np.arange(0, 3 * np.pi, 0.1)
y = np.sin(x)
plt.title("sine wave image")
# 使用matplotlib制图
plt.plot(x, y)
plt.show() 

输出结果：

图3：Matplotlib绘图正弦图

4. subplot()

subplot() 允许您在同一画布中的不同位置绘制多个图像，可以理解为对画布按行、列分割，函数的语法格式如下：

plt.subplot(nrows, ncols, index, **kwargs)

参数说明：该函数使用三个整数描述子图的位置信息，这三个整数是行数、列数和索引值（此处索引值从1开始），子图将分布在设定的索引位置上。从右上角增加到右下角。比如，plt.subplot(2, 3, 5) 表示子图位于 2 行 3 列 中的第 5 个位置上。

图4：subplot画布分割

下面示例是在同一画布中绘制正弦和余弦图像，代码如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt 
  
#计算正弦和余弦曲线上的点的 x 和 y 坐标 
x = np.arange(0, 3 * np.pi, 0.1)
y_sin = np.sin(x)
y_cos = np.cos(x) 
  
#绘制subplot 网格为2行1列
#激活第一个 subplot
plt.subplot(2, 1, 1)
#绘制第一个图像
plt.plot(x, y_sin)
plt.title('Sine') 
#将第二个 subplot 激活，并绘制第二个图像
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(x, y_cos)
plt.title('Cosine')
#展示图像
plt.show()

输出结果如下：

图5：Matplotlib绘制波形图

5. bar()柱状图

pyplot 子模块中提供了 bar() 函数来生成柱状图。下面示例代码，生成了两组数据的柱状图：

from matplotlib import pyplot as plt
#第一组数据
x1 = [5,8,10]
y1 = [12,16,6] 
#第二组数据
x2 = [6,9,11]
y2 = [6,15,7]
plt.bar(x1, y1, align = 'center')
plt.bar(x2, y2, color = 'g', align = 'center')
plt.title('Bar graph')
#设置x轴与y轴刻度
plt.ylabel('Y axis')
plt.xlabel('X axis') 
plt.show()