matplotlib繪圖的核心原理講解

作者：朱小五

來自：凹凸資料（ID：alltodata）

matplotlib是基於Python語言的開源專案，旨在為Python提供一個數據繪圖包。

相信大家都用過它來資料視覺化，之前我還分享過25個常用Matplotlib圖的Python程式碼。

可是你瞭解過它繪圖的核心原理嗎？

那不如來看看黃同學的這篇文章吧！

核心原理講解

使用matplotlib繪圖的原理，主要就是理解figure（畫布）、axes（座標系）、axis（座標軸）三者之間的關係。

以“美院學生張三寫生畫畫”為例，來說明這三者之間的關係。

張三的畫板

首先，張三想要畫畫，是不是需要在畫板上面準備一張畫布。對比到matplotlib中，就相當於初始化了一張figure（畫布），我們畫的任何圖形，都是在這張figure（畫布）上操作的。

接著，張三需要給figure（畫布）分配不同的區域，指定哪一塊兒究竟該畫什麼。對比到matplotlib中，就是需要指定axes（座標系），每一個axes（座標系）相當於一張畫布上的一塊區域。一張畫布上，可以分配不同區域，也就是說，一張畫布，可以指定多個axes（座標系）。

最後，張三就是在分配好的不同區域上進行圖形繪製了，在一張畫布上，畫的最多的應該就是2D圖，也可以畫3D圖，如圖所示，張三在區域一畫了一個小狗，在區域二畫了一個小貓，在區域三畫了一個光頭強。對比到matplotlib中，我們在axes1中畫了一個條形圖，在axes2中畫了一個餅圖，在axes3中畫了一個折線圖。當是2D圖時，都會有一個X軸和一個Y軸；當是3D圖時，都會有一個X軸、一個Y軸和一個Z軸，這個軸就是我們所說的“座標軸axis”。

matplotlib繪圖

透過上述分析，總結如下：一個figure（畫布）上，可以有多個區域axes（座標系），我們在每個座標系上繪圖，也就是說每個axes（座標系）中，都有一個axis（座標軸）。

特別注意：在matplotlib中，figure畫布和axes座標軸並不能顯示的看見，我們能夠看到的就是一個axis座標軸的各種圖形。

matplotlib庫的安裝與匯入

1）安裝

pip install matplotlib

2）匯入相關庫

現在你不需要關注下面程式碼具體是什麼意思，有一個主觀印象即可。我將會在以後的文章中，給大家一一介紹你不懂的哪些引數。

import numpy as np

import pandas as pd

import matplotlib as mpl

import matplotlib。pyplot as plt

# 排除警告資訊

import warnings

warnings。filterwarnings（“ignore”）

# 列印版本資訊

display（np。__version__）

display（pd。__version__）

display（mpl。__version__）

# matplotlib畫圖常見引數設定

mpl。rcParams［“font。family”］ = “SimHei” # 設定字型

mpl。rcParams［“axes。unicode_minus”］=False # 用來正常顯示負號

plt。rcParams［‘font。sans-serif’］=［‘SimHei’］ # 用來正常顯示中文標籤

# 嵌入式顯示圖形

%matplotlib inline

結果如下：

建立figure（畫布）的兩種方式

1）繪製一個最簡單的折線圖

import matplotlib as mpl

import matplotlib。pyplot as plt

x = ［1，3，5，7］

y = ［4，9，6，8］

plt。plot（x，y）

plt。show（）

結果如下：

結果分析：

在前面的敘述中，我們已經說過，想要使用matplotlib繪圖，必須先要建立一個figure（畫布）物件，然後還要有axes（座標系）。但是觀察上述程式碼，我們並沒有建立figure物件，那麼怎麼又可以畫圖呢？

對於上述疑問，接下來我們就要講述建立figure（畫布）的兩種方式。

2）建立figure（畫布）的兩種方式

* 隱式建立

* 顯示建立

① 隱式建立figure物件

當第一次執行plt。xxx（）畫圖程式碼時，系統會去判斷是否已經有了figure物件，如果沒有，系統會自動建立一個figure物件，並且在這個figure之上，自動建立一個axes座標系（注意：預設建立一個figure物件，一個axes座標系）。

也就是說，如果我們不設定figure物件，那麼一個figure物件上，只能有一個axes座標系，即我們只能繪製一個圖形。

② 隱式建立figure物件存在的問題

優勢：如果只是繪製一個小圖形，那麼直接使用plt。xxx（）的方式，會自動幫我們建立一個figure物件和一個axes座標系，這個圖形最終就是繪製在這個axes座標系之上的。

劣勢：如果我們想要在一個figure物件上，繪製多個圖形，那麼我們就必須拿到每個個axes物件，然後呼叫每個位置上的axes物件，就可以在每個對應位置的座標系上，進行繪圖，如下圖所示。注意：如果figure物件是被預設建立的，那麼我們根本拿不到axes物件。因此，需要我們顯示建立figure物件。

③ 顯示建立figure物件：以後的文章會詳細講述佈局設定

# 手動建立一個figure物件

figure = plt。figure（）

# 獲取每個位置的axes物件

axes1 = figure。add_subplot（2，1，1）

axes2 = figure。add_subplot（2，1，1）

如圖所示：

舉例說明：

figure = plt。figure（）

axes1 = figure。add_subplot（2，1，1）

axes2 = figure。add_subplot（2，1，1）

axes1。plot（［1，3，5，7］，［4，9，6，8］）

axes2。plot（［1，2，4，5］，［8，4，6，2］）

figure。show（）

結果如下：

完整的繪圖步驟

① 導庫

import matplotlib as mpl

import matplotlib。pyplot as plt

② 建立figure畫布物件

如果繪製一個簡單的小圖形，我們可以不設定figure物件，使用預設建立的

figure物件，當然我們也可以顯示建立figure物件。

如果一張figure畫布上，需要繪製多個圖形。那麼就必須顯示的建立figure

物件，然後得到每個位置上的axes物件，進行對應位置上的圖形繪製。

③ 根據figure物件進行佈局設定

1*1

1*2

2*1

2*2

。。。

④ 獲取對應位置的axes座標系物件

figure = plt。figure（）

axes1 = figure。add_subplot（2，1，1）

axes2 = figure。add_subplot（2，1，1）

⑤ 呼叫axes物件，進行對應位置的圖形繪製

這一步，是我們傳入資料，進行繪圖的一步。對於圖形的一些細節設定，都可

以在這一步進行。

⑥ 顯示圖形

plt。show（）或figure。show（）

如果在pycharm中繪圖的話，必須要加這句程式碼，才能顯示。如果在notebook

中進行繪圖，可以不用加這句程式碼，而是自動顯示。

繪圖技巧（細節設定）

透過對matplotlib繪圖的原理，有所瞭解之後，我們需要學習的就是常見的matplotlib繪圖技巧。

* figure 畫布

* axes 座標系，一個畫布上可以有多個座標系

* axis 座標軸，一個座標系中可以有多個座標軸，一般都是二維平面座標系，或者三維立體座標系

* title 標題

* legend 圖例

* grid 背景網格

* tick 刻度

* axis label 座標軸名稱

* tick label 刻度名稱

* major tick label 主刻度標籤

* minor tick label 副刻度標籤

* line 線

* style 線條樣式

* marker 點標記

* font 字型相關

常見的繪圖技巧如上所示，這些繪圖技巧都能夠很好的幫助我們畫出更美觀、更直觀的圖形。