从头开始的可视化数据 matplotlib：初学者努力绘制数据图

从头开始学习使用 matplotlib 可视化数据，对于初学者来说，可能会有些挑战，但 matplotlib 的核心理念非常清晰：绘制图表需要了解如何设置图形、坐标轴以及如何用数据填充它们。我们可以通过一些简单的例子来逐步介绍基本步骤。

1. 安装 matplotlib

在开始之前，请确保你已经安装了 matplotlib。如果没有，可以通过以下命令安装：

pip install matplotlib

2. matplotlib 的基本构造

matplotlib 中最常见的绘图库是 pyplot 模块，它提供了类似于 MATLAB 的接口。我们通常这样引入它：

import matplotlib.pyplot as plt

3. 绘制第一个简单的图表

我们先从一个非常简单的折线图开始：

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据：x轴和y轴
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [1, 4, 9, 16, 25]

# 创建图表
plt.plot(x, y)

# 添加标题和标签
plt.title("Simple Line Plot")
plt.xlabel("X Axis")
plt.ylabel("Y Axis")

# 显示图表
plt.show()

代码解读：

• plt.plot(x, y)：使用 plot() 函数绘制折线图，x 和 y 是数据点的坐标。
• plt.title()：为图表添加标题。
• plt.xlabel() 和 plt.ylabel()：为 x 轴和 y 轴添加标签。
• plt.show()：显示图表。

这段代码将会生成一个简单的线性关系的图表，x 轴是 1 到 5，y 轴是它们对应的平方值。

4. 绘制散点图

如果你想展示数据点之间的关系而不是使用折线，可以绘制散点图。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [1, 4, 9, 16, 25]

# 创建散点图
plt.scatter(x, y)

# 添加标题和标签
plt.title("Simple Scatter Plot")
plt.xlabel("X Axis")
plt.ylabel("Y Axis")

# 显示图表
plt.show()

代码解读：

• plt.scatter(x, y)：scatter() 函数用于绘制散点图，每个 (x, y) 对应一个点。

5. 绘制柱状图 (Bar Chart)

柱状图非常适合展示分类数据。例如，我们可以绘制一组学生考试成绩的柱状图。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
categories = ['A', 'B', 'C', 'D']
scores = [85, 90, 78, 92]

# 创建柱状图
plt.bar(categories, scores)

# 添加标题和标签
plt.title("Student Scores")
plt.xlabel("Student")
plt.ylabel("Score")

# 显示图表
plt.show()

代码解读：

• plt.bar(categories, scores)：bar() 函数用于创建柱状图，categories 是柱的分类，scores 是柱的高度。

6. 绘制直方图 (Histogram)

直方图可以帮助你可视化数据的分布。例如，以下示例展示了生成的随机数据的分布。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 生成1000个正态分布的随机数据
data = np.random.randn(1000)

# 创建直方图
plt.hist(data, bins=30)

# 添加标题和标签
plt.title("Histogram of Random Data")
plt.xlabel("Value")
plt.ylabel("Frequency")

# 显示图表
plt.show()

代码解读：

• np.random.randn(1000)：生成1000个正态分布的随机数。
• plt.hist(data, bins=30)：hist() 函数用于绘制直方图，bins 参数定义了区间的数量。

7. 自定义样式

matplotlib 提供了大量自定义选项。你可以修改颜色、线型、点样式等。

示例：自定义线型和颜色

import matplotlib.pyplot as plt

x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [1, 4, 9, 16, 25]

# 自定义折线图的线型和颜色
plt.plot(x, y, color='green', linestyle='--', marker='o')

plt.title("Customized Line Plot")
plt.xlabel("X Axis")
plt.ylabel("Y Axis")
plt.show()

代码解读：

• color='green'：线条的颜色设为绿色。
• linestyle='--'：线条类型设为虚线。
• marker='o'：数据点的标记设为圆点。

8. 添加多个数据集

你还可以在同一个图表中绘制多个数据集。

import matplotlib.pyplot as plt

# 两组数据
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y1 = [1, 4, 9, 16, 25]
y2 = [1, 2, 3, 4, 5]

# 绘制第一组数据
plt.plot(x, y1, label="y = x^2")

# 绘制第二组数据
plt.plot(x, y2, label="y = x")

# 添加图例
plt.legend()

plt.title("Multiple Line Plot")
plt.xlabel("X Axis")
plt.ylabel("Y Axis")

# 显示图表
plt.show()

代码解读：

• label="y = x^2" 和 label="y = x"：为每条线设置标签。
• plt.legend()：在图表中显示图例。

9. 子图 (Subplots)

如果你想在一个窗口中展示多个图表，可以使用 subplots() 方法。

import matplotlib.pyplot as plt

# 创建1行2列的子图
fig, axs = plt.subplots(1, 2)

# 第一个子图
axs[0].plot([1, 2, 3], [1, 4, 9])
axs[0].set_title("Subplot 1")

# 第二个子图
axs[1].plot([1, 2, 3], [1, 2, 3])
axs[1].set_title("Subplot 2")

# 显示图表
plt.tight_layout()
plt.show()

代码解读：

• plt.subplots(1, 2)：创建一个包含1行2列的图表。
• axs[0] 和 axs[1]：分别表示两个子图。
• plt.tight_layout()：自动调整子图之间的间距。

10. 保存图表

最后，如果你想将图表保存为图片，可以使用 savefig() 函数。

plt.plot([1, 2, 3], [1, 4, 9])
plt.title("Example Plot")

# 保存为PNG格式
plt.savefig("plot.png")

# 显示图表
plt.show()

总结

这只是 matplotlib 的一个入门介绍。通过这些简单的例子，你可以：

• 创建各种类型的图表（折线图、散点图、柱状图、直方图等）。
• 使用 plt.plot()、plt.scatter()、plt.bar() 等函数绘制图表。
• 自定义颜色、线型、点样式等。
• 在一个图表中展示多个数据集或子图。

随着你对 matplotlib 的熟悉，你可以探索更多高级功能，比如动画、三维图表等。如果有任何问题或想要进一步了解特定功能，随时提问！