Python數(shù)據(jù)分析之Matplotlib數(shù)據(jù)可視化怎么使用

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1.前言

數(shù)據(jù)展示，即數(shù)據(jù)可視化，是數(shù)據(jù)分析的第五個步驟，大部分人對圖形敏感度高于數(shù)字，好的數(shù)據(jù)展示方式能讓人快速發(fā)現(xiàn)問題或規(guī)律，找到數(shù)據(jù)背后隱藏的價值。

2.Matplotlib概念

Matplotlib 是 Python 中常用的 2D 繪圖庫，它能輕松地將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，作出精美的圖表。Matplotlib 模塊很龐大，其中最常用的一個子模塊是 pyplot，通常以一下方式將其導(dǎo)入：

 import matplotlib.pyplot as plt

 因?yàn)樵诔绦蛑薪?jīng)常使用，所以給 matplotlib.pyplot 起了個別名plt，以減少大量重復(fù)代碼

3.Matplotlib.pyplot基本使用

pyplot 中最基礎(chǔ)的作圖方式是以點(diǎn)作圖，即給出每個點(diǎn)的坐標(biāo)，pyplot 會將這些點(diǎn)在坐標(biāo)系中畫出，并用線將這些點(diǎn)連起來。以正弦函數(shù)為例，用 pyplot 畫出圖像：

代碼段1：

 import numpy as np
 import matplotlib.pyplot as plt
 
 x = np.arange(0,2*np.pi,0.1) #生成一個0到2pi、步長為0.1的數(shù)組x
 y = np.sin(x) #將x的值傳入正弦函數(shù)，得到對應(yīng)的值存入數(shù)組y
 plt.plot(x,y) #傳入plt.plot()，將x，y轉(zhuǎn)換成對應(yīng)坐標(biāo)。
 plt.show() #顯示圖像

上面程序畫出了以下圖像：

注：選擇x的步長為0.1是為了讓每個點(diǎn)間隔較小，讓圖像更加接近真實(shí)情況，否則如果步長過大，則會變成折線，若步長為1則會變成以下情況：

除了 np.sin()方法外，numpy 中也有 np.cos()、np.tan()等計算三角函數(shù)的方法。上面這些方法，最重要的是 plt.plot()方法，plt.plot()方法可以接收任意對數(shù)的 x 和 y ，它會將這些圖像在一張圖上都畫出來，例如在原來的正弦圖像上增加余弦圖像，可以這樣寫：

 import numpy as np
 import matplotlib.pyplot as plt
 
 x = np.arange(0,2*np.pi,0.1) #生成一個0到2pi，步長為0.1的數(shù)組x
 y1 = np.sin(x) #將x的值傳入正弦函數(shù)，得到對應(yīng)的值存入數(shù)組y1
 y2 = np.cos(x) #將x的值傳入余弦函數(shù)，得到對應(yīng)的值存入數(shù)組y1
 plt.plot(x,y1,x,y2) #傳入plt.plot()，將(x，y1)、(x,y2)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)坐標(biāo)。
 plt.show() #顯示圖像

 以上程序公用了同一個x，當(dāng)然也可以重新定義一個新的 x，最終得到的圖像如下：

代碼段2使用一次 plt.plot()方法直接將兩個數(shù)字轉(zhuǎn)換 成對應(yīng)坐標(biāo)，當(dāng)然也可以調(diào)用兩次，以下兩行代碼和上面第7行代碼是等價的。

 plt.plot(x,y1)
 plt.plot(x,y2)

對每一對 x 和 y，有一個可選格式化參數(shù)，進(jìn)行指定線條的顏色、點(diǎn)標(biāo)記和線條的類型。

代碼段3：

 import numpy as np
 import matplotlib.pyplot as plt
 
 x = np.arange(0,2*np.pi,0.1) #生成一個0到2pi，步長為0.1的數(shù)組x
 y1 = np.sin(x) #將x的值傳入正弦函數(shù)，得到對應(yīng)的值存入數(shù)組y1
 y2 = np.cos(x) #將x的值傳入余弦函數(shù)，得到對應(yīng)的值存入數(shù)組y1
 plt.plot(x,y1,'ro--',x,y2,'b*-.') #將(x，y1)、(x,y2)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)坐標(biāo)，并選用格式化參數(shù)
 plt.show() #顯示圖像

將代碼段2傳入了格式化參數(shù)后，最終圖像如下所示：

以其中的參數(shù)'ro--'為例，它分為三部分：r 代表紅色(red)，o 代表在坐標(biāo)點(diǎn)采用圓點(diǎn)標(biāo)記，-- 代表虛線。'ro--'整體來說就是線條為虛線、坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為圓點(diǎn)。格式化參數(shù)這三部分都是可選的，即傳入一部分也是可以的，并且沒有順序要求，

格式化參數(shù)常用的選型及含義如下表所示:

3.數(shù)據(jù)展示

3.1如何選擇展示方式

我們通過數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行決策，那么使用合適的圖表來準(zhǔn)確地展示數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。實(shí)際使用中，我們會用到各種各樣地幾十種圖表，按照數(shù)據(jù)展示的目標(biāo)可以把它們分為五種，分別是：趨勢、比較、構(gòu)成、分布和聯(lián)系。

• 趨勢：最常見的一種時間序列關(guān)系，關(guān)心數(shù)據(jù)如何隨時間變化，趨勢里的圖標(biāo)能直觀反映出每年、每月、每天的變化趨勢，增長、減少、上下波動還是基本不變，最常見的是折線圖，它能很好地表現(xiàn)指標(biāo)隨時間呈現(xiàn)的趨勢。

• 構(gòu)成：主要關(guān)注每個部分整體的占比，如果逆向分析的目標(biāo)如“份額”、“百分比”等。展示構(gòu)成關(guān)系的圖表類型，最常見的是餅圖。

• 比較：可以展示某個維度上的排列順序，分析某維度之間的對比是差不多，還是“大于”、“小于”，比如分析男生和女生的身高差別。

• 分布：當(dāng)你關(guān)心數(shù)據(jù)集中，頻率、分布時，比如根據(jù)地理位置數(shù)據(jù)，通過地圖來展示不同分布特征。比較常用的圖表有地圖、直方圖、散點(diǎn)圖。

• 聯(lián)系：主要查看兩個變量之間是否表達(dá)出我們所要證明的相關(guān)關(guān)系，比如預(yù)期銷售額可能隨著優(yōu)惠折扣的增長而增長，常用于表打“與......有關(guān)”、“隨......而增長”、“隨......而不同”等維度的關(guān)系。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化時，要先明確分析的目標(biāo)，再來選擇五種合適的分類，最后選擇某個分類里合適的圖表類型。

3.2繪制折線圖

其實(shí)在前面已經(jīng)用過折線圖了，就是使用 plot.plot() 方法。之前我們傳入的時x和y坐標(biāo)點(diǎn)，而折線圖的 x 和 y 分別是時間點(diǎn)和對應(yīng)的數(shù)據(jù)，下面以兩個商品的銷量走勢為例：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
 
x = ['周一','周二','周三','周四','周五','周六','周日']
y1 = [61,42,52,72,86,91,73]
y2 = [23,26,67,38,46,55,33]
#傳入label參數(shù)
plt.rcParams['font.family'] = ['SimHei'] #設(shè)置字體防止亂碼
plt.plot(x, y1, label='商品A') #增加折線圖例“商品A”
plt.plot(x, y2, label='商品B') #增加折線圖例“商品B”
#設(shè)置x軸標(biāo)簽
plt.xlabel('時間')
plt.ylabel('銷量')
#設(shè)置圖表標(biāo)題
plt.title('商品銷量對比圖')
#顯示圖例、圖像
plt.legend(loc='best') #顯示圖例，并設(shè)置在“最佳位置”
plt.show()

得到的圖像如下圖所示：

因?yàn)樯蠄D中有中文，所以通過 plt.rcParams['font.family'] = ['SimHei'] 來設(shè)置中文字體來防止亂碼，如果想設(shè)置其他字體只需將 SimHei(黑體)替換成相應(yīng)的名稱即可。通過一下代碼獲得，自己編譯器所在環(huán)境安裝的字體：

import matplotlib.font_manager as fm
for font in fm.fontManager.ttflist:
    print(font.name)

 圖例位置是一個可選參數(shù)，默認(rèn) matplotlib 會自動選擇合適位置，也可以指定其他位置。

具體的如下表所示：

plt.legend() 方法的 loc 參數(shù)選擇 參數(shù)含義參數(shù)含義best最佳位置center居中upper right右上角center right靠右居中upper left左上角center left靠左居中l(wèi)ower left左下角lower center靠下居中l(wèi)ower right右下角upper center靠上居中

3.3繪制柱狀圖

柱狀圖描述的是分類數(shù)據(jù)，展示的是每一類的數(shù)量。柱狀圖分為很多種，有普通柱狀圖、堆疊柱狀圖、分組柱狀圖等。

3.3.1普通柱狀圖

 普通柱狀圖調(diào)用 plt.bar() 方式實(shí)現(xiàn)。我們至少需要傳入兩個參數(shù)，第一個參數(shù)是 x 軸上刻度的標(biāo)簽序列（列表、元組、數(shù)組等），第二個參數(shù)用于指定每個柱子的高度，也就是具體的數(shù)據(jù)。下面以一個班級體育課選課的情況為例：

import matplotlib.font_manager as fm
for font in fm.fontManager.ttflist:
    print(font.name)

 得到如下圖像：

 plt.bar() 前兩個參數(shù)是必選的，當(dāng)然還有一些可選參數(shù)，常用的有 width 和 color ，分別是用于設(shè)置柱子的寬度（默認(rèn)0.8）和顏色。比如我們將柱子寬度改成0.6，將柱子的顏色設(shè)成好看的天藍(lán)色只需將 plt.bar() 改為 plt.bar(names, nums, width=0.6, color='skyblue') 即可。之前在折線圖部分用到的 plt.xlabel() 、plt.ylabel() 、plt.title() 和 plt.legend() 方法都是通用方法，并不局限于一種圖表，所有的圖表都適用。

3.3.2堆疊柱狀圖

 柱狀圖能直觀地展現(xiàn)出不同數(shù)據(jù)上的差異，但有時候我們需要進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)的分布，比如每門選修課的男女比例，這時就需要用到堆疊柱狀圖。

下面就是進(jìn)一步分析每一門選修課中男女比例為例編寫程序：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
 
plt.rcParams['font.family'] = ['SimHei'] #設(shè)置字體防止亂碼
name = ['乒乓球','羽毛球','網(wǎng)球']
nums_boy = [16,5,11]
nums_girl = [10,15,8]
 
plt.bar(name, nums_boy, width=0.6, color='skyblue', label='男')
plt.bar(name, nums_girl, bottom=nums_boy, width=0.6, color='pink', label='女')
plt.legend()
plt.show()

最終得到圖像：

上面的代碼和普通柱狀圖相比，多調(diào)用了一次，plt.bar() 方法，并傳入了 bottom 參數(shù)，每調(diào)用一次 plt.bar() 方法都會畫出對應(yīng)的柱狀圖，而 bottom 參數(shù)作用就是控制柱狀圖低端的位置。我們將前一個柱狀圖的高度傳進(jìn)去，這樣就形成了堆疊柱狀圖。而如果沒有 bottom 參數(shù)，后面的圖形會蓋在原來的圖形之上，

就像下面這樣：

3.3.3分組柱狀圖

分組柱狀圖經(jīng)常用于不同組間數(shù)據(jù)的比較，這些組都包含了相同分類的數(shù)據(jù)。

先來看一下效果圖：

 繪制上圖的代碼如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
 
x = np.arange(3)
width = 0.3
 
names = ['籃球', '羽毛球', '乒乓球']
nums_boy = [16, 5, 11]
nums_girl = [10, 15, 8]
plt.rcParams['font.family'] = ['SimHei'] #設(shè)置字體防止亂碼
plt.bar(x - width / 2, nums_boy, width=width, color='skyblue', label='男')
plt.bar(x + width / 2, nums_girl, width=width, color='pink', label='女')
plt.xticks(x, names)
plt.legend()
plt.show()

這次的方法和之前有些不同，首先使用 np.arange(3) 方法創(chuàng)建了一個數(shù)組 x ，值為[0,1,2]。并定義了一個變量 width 用于指定柱子的寬度。在調(diào)用 plt.bar() 時，第一個參數(shù)不再是刻度線上的標(biāo)簽，而是對應(yīng)的刻度。以[0,1,2]為基準(zhǔn)，分別加上或減去柱子的寬度得到[-0.15,0.85,1,85]和[0.15,1.15,2.15]，這些刻度將分別作為兩組柱子的中點(diǎn)，并且柱子的寬度為0.3。

因?yàn)閭魅氲氖强潭?，而不是刻度的?biāo)簽。所以調(diào)用 plt.xticks() 方法來將 x 軸上刻度改為對應(yīng)的標(biāo)簽，該方法第一個參數(shù)時要改的刻度序列，第二個參數(shù)時與之對于的標(biāo)簽序列。同理，使用plt.yticks() 方法來更改y軸上刻度的標(biāo)簽。

3.3.4餅圖

餅圖廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，用于表示不同分類的占比情況，通過弧度大小來對比各種分類。餅圖通過將一個圓餅按照分類的占比劃分成多個區(qū)塊，整個圓餅代表數(shù)據(jù)的總量，每個區(qū)塊(圓?。┍硎驹摲诸愓伎傮w的比例大小，所有區(qū)塊（圓?。┑募雍偷扔?00%。

 餅圖的繪制很簡單，只需要傳入數(shù)據(jù)和對于的標(biāo)簽給 plt.pie() 方法即可。以2018年國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）三大產(chǎn)業(yè)的占比為例，可以畫出這樣的餅圖：

繪制上圖的代碼如下：

import matplotlib.pyplot as plt
 
plt.rcParams['font.family'] = ['SimHei'] #設(shè)置字體防止亂碼
data = [64745.2, 364835.2, 489700.8]
labels = ['第一產(chǎn)業(yè)', '第二產(chǎn)業(yè)', '第三產(chǎn)業(yè)']
explode = (0.1, 0, 0)
plt.pie(data, explode=explode, labels=labels,autopct='%0.1f%%')
plt.show()

 plt.pie() 方法的第一個參數(shù)是繪圖需要的數(shù)據(jù)；參數(shù) explode 是可選參數(shù)，用于突出顯示某一區(qū)塊，默認(rèn)數(shù)值都是0，數(shù)值越大，區(qū)塊抽離越明顯；參數(shù) lables 是數(shù)據(jù)對應(yīng)的標(biāo)簽；參數(shù) autopct 則給餅圖自動添加百分比顯示。

參數(shù) autopct 的格式用到了字符串格式化輸出的知識，代碼中 '%0.1f%%' 可以分成兩部分。一部分是 %0.1f 表示保留一位小數(shù)，同理 %0.2f 表示保留兩位小數(shù)；另一部分是 %% ,它表示輸出一個 %，因?yàn)? 在字符串格式化輸出中有特殊的含義，所以想要輸出 % 就得寫成 %% 。所以，'%0.1f%%' 的含義是保留一位小數(shù)的百分?jǐn)?shù)，例如：66.6%。

4.繪制子圖

Matplotlib 提供了子圖的概念，通過使用子圖，可以在一張圖里繪制多個圖表。在 matplotlib 中，調(diào)用 plt.subplot() 方法來添加子圖。plt.subplot() 方法的前兩個參數(shù)分別是子圖的行數(shù)和列數(shù)，第三個參數(shù)是子圖的序號（從1開始）。

ax1 = plt.subplot(2, 2, 1)
ax2 = plt.subplot(2, 2, 2)
ax3 = plt.subplot(2, 2, 3)
ax4 = plt.subplot(2, 2, 4)

 plt.subplot(2,2,1) 的作用是生成一個兩行兩列的子圖，并選擇其中序號為1的子圖，所以上面四行代碼將一張圖分成了4個子圖，并用1、2、3、4來選擇對應(yīng)的子圖。

我們也可以繪制不規(guī)則的子圖，比如上面兩張子圖，下面一張子圖。

方法如下：

ax1 = plt.subplot(2, 2, 1)
ax2 = plt.subplot(2, 2, 2)
ax3 = plt.subplot(2, 1, 2)

之所以第三行代碼是 plt.subplot(2, 1, 2) ，因?yàn)樽訄D序號是獨(dú)立的，與之前創(chuàng)建的子圖沒有關(guān)系。plt.subplot(2, 2, 1) 選擇并展示了2*2的子圖中的第一個。plt.subplot(2, 2, 2) 選擇并展示了2*2的子圖中的第二個，它們兩個合起來占了2*2子圖的第一行。而 plt.subplot(2, 1, 2) 則是生成了兩行一列的子圖，并選擇了第二行。即占滿第二行的子圖，正好填補(bǔ)了之前2*2子圖第二行剩下的空間，因此生成的圖表是這樣的：

圖表的框架畫好了，就可以往里面填充圖像了，之前調(diào)用的是 plt 上的方法繪圖，只要將其改成 plt.subplot() 方法的返回值上調(diào)用相應(yīng)的方法繪圖即可。

舉個栗子，下面是在一張圖上繪制了 sin、cos 和 tan 三個函數(shù)的圖像的代碼：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
 
plt.rcParams['font.family'] = ['SimHei'] #設(shè)置字體防止亂碼
 
x = np.arange(0, 2 * np.pi, 0.1)
 
plt.suptitle('三角函數(shù)可視化')
ax1 = plt.subplot(2,2,1)
ax1.set_title('sin函數(shù)')
y1 = np.sin(x)
ax1.plot(x,y1)
 
ax2 = plt.subplot(2,2,2)
ax2.set_title('cos函數(shù)')
y2 = np.cos(x)
ax2.plot(x,y2)
 
ax3 = plt.subplot(2,1,2)
ax3.set_title('tan函數(shù)')
y3 = np.tan(x)
ax3.plot(x,y3)
 
plt.show()

得到的圖像是：

上面程序中，使用 set_title() 方法為每個子圖設(shè)置單獨(dú)的標(biāo)題。需要注意的是，如果想要給帶有子圖的圖表設(shè)置總的標(biāo)題的話，不是使用的 plt.titie() 方法，而是通過 plt.suptitile() 方法來設(shè)置帶有子圖的圖表標(biāo)題。 

讀到這里，這篇“Python數(shù)據(jù)分析之Matplotlib數(shù)據(jù)可視化怎么使用”文章已經(jīng)介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點(diǎn)還需要大家自己動手實(shí)踐使用過才能領(lǐng)會，如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容的文章，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。