5 種使用 Python 代碼輕鬆實現數據可視化

知識 01-17

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作者丨oschina

https://www.oschina.net/translate/5-quick-and-easy-data-visualizations-in-python

數據可視化是數據科學家工作中的重要組成部分。在項目的早期階段，你通常會進行探索性數據分析（Exploratory Data Analysis，EDA）以獲取對數據的一些理解。

創建可視化方法確實有助於使事情變得更加清晰易懂，特別是對於大型、高維數據集。在項目結束時，以清晰、簡潔和引人注目的方式展現最終結果是非常重要的，因為你的受眾往往是非技術型客戶，只有這樣他們才可以理解。

Matplotlib 是一個流行的 Python 庫，可以用來很簡單地創建數據可視化方案。但每次創建新項目時，設置數據、參數、圖形和排版都會變得非常繁瑣和麻煩。在這篇博文中，我們將著眼於 5 個數據可視化方法，並使用 Python Matplotlib 為他們編寫一些快速簡單的函數。與此同時，這裡有一個很棒的圖表，可用於在工作中選擇正確的可視化方法！

散點圖

散點圖非常適合展示兩個變數之間的關係，因為你可以直接看到數據的原始分布。如下面第一張圖所示的，你還可以通過對組進行簡單地顏色編碼來查看不同組數據的關係。想要可視化三個變數之間的關係？沒問題！僅需使用另一個參數（如點大小）就可以對第三個變數進行編碼，如下面的第二張圖所示。

現在開始討論代碼。我們首先用別名「plt」導入 Matplotlib 的 pyplot 。要創建一個新的點陣圖，我們可調用 plt.subplots() 。我們將 x 軸和 y 軸數據傳遞給該函數，然後將這些數據傳遞給 ax.scatter() 以繪製散點圖。我們還可以設置點的大小、點顏色和 alpha 透明度。你甚至可以設置 Y 軸為對數刻度。標題和坐標軸上的標籤可以專門為該圖設置。這是一個易於使用的函數，可用於從頭到尾創建散點圖！

import


 
 matplotlib.pyplot 
as
 pltimport numpy as
 npdef scatterplot(x_data, y_data, x_label=""
, y_label=""
, title=""
, color = "r"
, yscale_log=False
):
    
# Create the plot object

    _, ax = plt.subplots()    # Plot the data, set the size (s), color and transparency (alpha)

    # of the points
 
    ax.scatter(x_data, y_data, s = 
10
, color = color, alpha = 0.75
)    if
 yscale_log == True
:
        ax.set_yscale("log"
)    # Label the axes and provide a title

    ax.set_title(title)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_ylabel(y_label)

折線圖

當你可以看到一個變數隨著另一個變數明顯變化的時候，比如說它們有一個大的協方差，那最好使用折線圖。讓我們看一下下面這張圖。我們可以清晰地看到對於所有的主線隨著時間都有大量的變化。使用散點繪製這些將會極其混亂，難以真正明白和看到發生了什麼。折線圖對於這種情況則非常好，因為它們基本上提供給我們兩個變數（百分比和時間）的協方差的快速總結。另外，我們也可以通過彩色編碼進行分組。

這裡是折線圖的代碼。它和上面的散點圖很相似，只是在一些變數上有小的變化。

def

 lineplot
(x_data, y_data, x_label=
""
 
, y_label=
""
, title=""
)
:

    # Create the plot object

    _, ax = plt.subplots()    # Plot the best fit line, set the linewidth (lw), color and

    # transparency (alpha) of the line

    ax.plot(x_data, y_data, lw = 2
, color = "#539caf"
, alpha = 1
 
)    
# Label the axes and provide a title

    ax.set_title(title)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_ylabel(y_label)

直方圖

直方圖對於查看（或真正地探索）數據點的分布是很有用的。查看下面我們以頻率和 IQ 做的直方圖。我們可以清楚地看到朝中間聚集，並且能看到中位數是多少。我們也可以看到它呈正態分布。使用直方圖真得能清晰地呈現出各個組的頻率之間的相對差別。組的使用（離散化）真正地幫助我們看到了「更加宏觀的圖形」,然而當我們使用所有沒有離散組的數據點時，將對可視化可能造成許多干擾，使得看清真正發生了什麼變得困難。

下面是在 Matplotlib 中的直方圖代碼。有兩個參數需要注意一下：首先，參數 n_bins 控制我們想要在直方圖中有多少個離散的組。更多的組將給我們提供更加完善的信息，但是也許也會引進干擾，使得我們遠離全局；另一方面，較少的組給我們一種更多的是「鳥瞰圖」和沒有更多細節的全局圖。其次，參數 cumulative 是一個布爾值，允許我們選擇直方圖是否為累加的，基本上就是選擇是 PDF（Probability Density Function，概率密度函數）還是 CDF（Cumulative Density Function，累積密度函數）。

def

 histogram
(data, n_bins, cumulative=False, x_label = 
""
, y_label = ""
, title = ""
)
:

    _, ax = plt.subplots()
    ax.hist(data, n_bins = n_bins, cumulative = cumulative, color = "#539caf"
)
    ax.set_ylabel(y_label)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_title(title)

想像一下我們想要比較數據中兩個變數的分布。有人可能會想你必須製作兩張直方圖，並且把它們並排放在一起進行比較。然而，實際上有一種更好的辦法：我們可以使用不同的透明度對直方圖進行疊加覆蓋。看下圖，均勻分布的透明度設置為 0.5 ，使得我們可以看到他背後的圖形。這樣我們就可以直接在同一張圖表裡看到兩個分布。

對於重疊的直方圖，需要設置一些東西。首先，我們設置可同時容納不同分布的橫軸範圍。根據這個範圍和期望的組數，我們可以真正地計算出每個組的寬度。最後，我們在同一張圖上繪製兩個直方圖，其中有一個稍微更透明一些。

# Overlay

2

 histograms to compare themdef overlaid_histogram(data1, data2, n_bins = 0
, data1_name=""
, data1_color="#539caf"
, data2_name=""
, data2_color="#7663b0"
, x_label=""
, y_label=""
, title=""
):
    # Set the bounds for
 the bins so that the two distributions are fairly compared
    max_nbins = 10

    data_range = [min
(min
(data1), min
(data2)), max
(max
(data1), max
(data2))]
    binwidth = (data_range[1
] - data_range[0
]) / max_nbins    if
 n_bins == 0

        bins = np.arange(data_range[0
], data_range[1
] + binwidth, binwidth)    else
: 
        bins = n_bins    # Create the plot
    _, ax = plt.subplots()
    ax.hist(data1, bins = bins, color = data1_color, alpha = 1
, label = data1_name)
    ax.hist(data2, bins = bins, color = data2_color, alpha = 0.75
, label = data2_name)
    ax.set_ylabel(y_label)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_title(title)
    ax.legend(loc = "best"
)

柱狀圖

當你試圖將類別很少（可能小於10）的分類數據可視化的時候，柱狀圖是最有效的。如果我們有太多的分類，那麼這些柱狀圖就會非常雜亂，很難理解。柱狀圖對分類數據很好，因為你可以很容易地看到基於柱的類別之間的區別（比如大小)；分類也很容易劃分和用顏色進行編碼。我們將會看到三種不同類型的柱狀圖：常規的，分組的，堆疊的。在我們進行的過程中，請查看圖形下面的代碼。

常規的柱狀圖如下面的圖1。在 barplot() 函數中，xdata 表示 x 軸上的標記，ydata 表示 y 軸上的桿高度。誤差條是一條以每條柱為中心的額外的線，可以畫出標準偏差。

分組的柱狀圖讓我們可以比較多個分類變數。看看下面的圖2。我們比較的第一個變數是不同組的分數是如何變化的（組是G1，G2，……等等)。我們也在比較性別本身和顏色代碼。看一下代碼，ydatalist 變數實際上是一個 y 元素為列表的列表，其中每個子列表代表一個不同的組。然後我們對每個組進行循環，對於每一個組，我們在 x 軸上畫出每一個標記；每個組都用彩色進行編碼。

堆疊柱狀圖可以很好地觀察不同變數的分類。在圖3的堆疊柱狀圖中，我們比較了每天的伺服器負載。通過顏色編碼後的堆棧圖，我們可以很容易地看到和理解哪些伺服器每天工作最多，以及與其他伺服器進行比較負載情況如何。此代碼的代碼與分組的條形圖相同。我們循環遍歷每一組，但這次我們把新柱放在舊柱上，而不是放在它們的旁邊。

def

 barplot
(x_data, y_data, error_data, x_label=
""
, y_label=""
, title=""
)
:

    _, ax = plt.subplots()
    # Draw bars, position them in the center of the tick mark on the x-axis

    ax.bar(x_data, y_data, color = "#539caf"
, align = "center"
)
    # Draw error bars to show standard deviation, set ls to "none"

    # to remove line between points

    ax.errorbar(x_data, y_data, yerr = error_data, color = "#297083"
, ls = "none"
, lw = 2
, capthick = 2
)
    ax.set_ylabel(y_label)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_title(title)
def
 stackedbarplot
(x_data, y_data_list, colors, y_data_names=
""
, x_label=""
, y_label=""
, title=""
)
:

    _, ax = plt.subplots()
    # Draw bars, one category at a time

    for
 i in
 range(0
, len(y_data_list)):
        if
 i == 0
:
            ax.bar(x_data, y_data_list[i], color = colors[i], align = "center"
, label = y_data_names[i])
        else
:
            # For each category after the first, the bottom of the

            # bar will be the top of the last category

            ax.bar(x_data, y_data_list[i], color = colors[i], bottom = y_data_list[i - 1
], align = "center"
, label = y_data_names[i])
    ax.set_ylabel(y_label)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_title(title)
    ax.legend(loc = "upper right"
)
def
 groupedbarplot
(x_data, y_data_list, colors, y_data_names=
""
, x_label=""
, y_label=""
, title=""
)
:

    _, ax = plt.subplots()
    # Total width for all bars at one x location

    total_width = 0.8

    # Width of each individual bar

    ind_width = total_width / len(y_data_list)
    # This centers each cluster of bars about the x tick mark

    alteration = np.arange(-(total_width/2
), total_width/2
, ind_width)
    
# Draw bars, one category at a time

    for
 i in
 range(0
, len(y_data_list)):
        # Move the bar to the right on the x-axis so it doesn"t

        # overlap with previously drawn ones

        ax.bar(x_data + alteration[i], y_data_list[i], color = colors[i], label = y_data_names[i], width = ind_width)
    ax.set_ylabel(y_label)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_title(title)
    ax.legend(loc = "upper right"
)

箱形圖

我們之前看了直方圖，它很好地可視化了變數的分布。但是如果我們需要更多的信息呢？也許我們想要更清晰的看到標準偏差？也許中值與均值有很大不同，我們有很多離群值？如果有這樣的偏移和許多值都集中在一邊呢？

這就是箱形圖所適合乾的事情了。箱形圖給我們提供了上面所有的信息。實線框的底部和頂部總是第一個和第三個四分位（比如 25% 和 75% 的數據），箱體中的橫線總是第二個四分位（中位數）。像鬍鬚一樣的線(虛線和結尾的條線）從這個箱體伸出，顯示數據的範圍。

由於每個組/變數的框圖都是分別繪製的，所以很容易設置。xdata 是一個組/變數的列表。Matplotlib 庫的 boxplot() 函數為 ydata 中的每一列或每一個向量繪製一個箱體。因此，xdata 中的每個值對應於 ydata 中的一個列/向量。我們所要設置的就是箱體的美觀。

def

 boxplot
(x_data, y_data, base_color=
"#539caf"
, median_color="#297083"
, x_label=""
, y_label=""
, title=""
)
:

    _, ax = plt.subplots()
    
# Draw boxplots, specifying desired style

    ax.boxplot(y_data
               # patch_artist must be True to control box fill

               , patch_artist = True

               # Properties of median line

               , medianprops = {"color"
: median_color}
               # Properties of box

               , boxprops = {"color"
: base_color, "facecolor"
: base_color}
               # Properties of whiskers

               , whiskerprops = {"color"
: base_color}
               # Properties of whisker caps

               , capprops = {"color"
: base_color})
    
# By default, the tick label starts at 1 and increments by 1 for

    # each box drawn. This sets the labels to the ones we want

    ax.set_xticklabels(x_data)
    ax.set_ylabel(y_label)
    ax.set_xlabel(x_label)
    ax.set_title(title)

結語

使用 Matplotlib 有 5 個快速簡單的數據可視化方法。將相關事務抽象成函數總是會使你的代碼更易於閱讀和使用！我希望你喜歡這篇文章，並且學到了一些新的有用的技巧。如果你確實如此，請隨時給它點贊。 Cheers！