【Python】【数据分析】深入探索 Python 数据可视化：Matplotlib 绘图库完整教程

引言
一、什么是 Matplotlib？
- 1.1 Matplotlib 的安装
- 1.2 Matplotlib 的基本功能
二、Matplotlib 的基础绘图
- 2.1 绘制折线图
- 2.2 绘制柱状图
- 2.3 绘制散点图
- 2.4 绘制饼图
三、高级功能与定制
- 3.1 设置图表样式
- 3.2 使用子图
- 3.3 保存图表
四、Matplotlib 流程图
- 4.1 Mermaid 流程图
- 4.2 中文显示与负号问题
总结
参考文献

引言

在数据分析与机器学习的过程中，数据可视化是一个至关重要的环节。它不仅能够帮助我们清晰地理解数据的分布和趋势，还能在结果呈现时增强表达力和说服力。在众多 Python 数据可视化工具中，Matplotlib 作为最流行且功能强大的绘图库之一，被广泛应用于静态、动态及交互式图表的绘制。

本篇文章将从 Matplotlib 的基础知识开始，逐步深入探讨如何用其绘制各种图表，包括折线图、柱状图、散点图、饼图等常见图形，并介绍如何定制图表、添加样式以及多子图的使用方法。最后，我们还将通过 Mermaid 流程图来展示 Matplotlib 的使用流程，帮助大家更好地理解整个操作流程。

一、什么是 Matplotlib？

Matplotlib 是一个 2D 绘图库，它提供了一种非常简单而强大的方式来创建静态图、动态图以及交互式图。其广泛应用于数据分析、机器学习、科研研究等领域，尤其是在数据科学的可视化环节，它几乎是每个数据科学家都必备的工具。

1.1 Matplotlib 的安装

安装 Matplotlib 非常简单，可以通过 Python 的包管理工具 pip 来完成。打开命令行，执行以下命令即可：

pip install matplotlib

如果你已经安装了 Matplotlib，可以使用以下命令来更新到最新版本：

pip install --upgrade matplotlib

安装完成后，我们可以通过以下方式在代码中导入 Matplotlib：

import matplotlib.pyplot as plt

plt 是 Matplotlib 库中 pyplot 模块的常用别名，几乎所有的绘图命令都可以通过 plt 来调用。

1.2 Matplotlib 的基本功能

Matplotlib 提供了多种绘图功能，最常用的就是 pyplot 模块，它封装了多种常见的绘图命令，能帮助我们快速绘制各种图表。

二、Matplotlib 的基础绘图

Matplotlib 提供了多种绘图方式，其中最常见的是使用 pyplot 模块来绘制图形。接下来，我们将通过一些常见的图表类型来介绍 Matplotlib 的基本使用方法。

2.1 绘制折线图

折线图是数据可视化中最常见的图表类型之一，特别适用于展示随时间变化的数据，通常用于展示数据随时间的变化趋势或其他变量的关系。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

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

# 绘制折线图
plt.plot(x, y, label='y = x^2', color='blue', marker='o')

# 添加标题和标签
plt.title('折线图示例')
plt.xlabel('X轴')
plt.ylabel('Y轴')

# 显示图例
plt.legend()

# 显示图形
plt.show()

代码详解：

数据定义：x 和 y 是表示坐标的列表，x 表示横坐标，y 表示纵坐标。
绘图命令：plt.plot(x, y) 用于绘制折线图。可以通过 color 设置线条颜色，通过 marker 设置数据点的样式。
添加图表元素：plt.title() 用于添加图表的标题，plt.xlabel() 和 plt.ylabel() 用于添加 x 轴和 y 轴标签，plt.legend() 用于显示图例。

输出效果：
生成一个显示数据点 (x, y) 的折线图，其中 y 值是 x 的平方。
在这里插入图片描述

2.2 绘制柱状图

柱状图用于展示各个类别数据的比较，适合对比不同类别的数据。它常用于分类数据的可视化，能够清晰地显示不同类别的大小。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

# 数据
labels = ['A', 'B', 'C', 'D']
values = [10, 20, 15, 30]

# 绘制柱状图
plt.bar(labels, values, color='skyblue')

# 添加标题和标签
plt.title('柱状图示例')
plt.xlabel('类别')
plt.ylabel('值')

# 显示图形
plt.show()

代码详解：

数据定义：labels 表示类别名称，values 是每个类别的值。
绘图命令：plt.bar() 用于绘制柱状图，color 设置柱子的颜色。
添加图表元素：与折线图类似，通过 plt.title()、plt.xlabel() 和 plt.ylabel() 来添加标题和轴标签。

输出效果：
生成一个简单的柱状图，显示四个类别的值，柱子的高度代表它们的大小。
在这里插入图片描述

2.3 绘制散点图

散点图用于展示两个变量之间的关系，尤其适合于观察数据的分布和趋势。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

# 数据
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [10, 20, 25, 30, 40]

# 绘制散点图
plt.scatter(x, y, color='red')

# 添加标题和标签
plt.title('散点图示例')
plt.xlabel('X轴')
plt.ylabel('Y轴')

# 显示图形
plt.show()

代码详解：

数据定义：x 和 y 分别表示横轴和纵轴的数据。
绘图命令：plt.scatter() 用于绘制散点图，color 设置点的颜色。

输出效果：
展示了一组 (x, y) 数据点，便于我们观察数据的分布趋势。
在这里插入图片描述

2.4 绘制饼图

饼图通常用于展示各个部分占总体的比例，适合用于可视化百分比数据，常用于市场份额、投票结果等方面的展示。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

# 数据
labels = ['Python', 'Java', 'C++', 'JavaScript']
sizes = [40, 30, 20, 10]

# 绘制饼图
plt.pie(sizes, labels=labels, autopct='%1.1f%%', startangle=90)

# 添加标题
plt.title('语言使用比例')

# 显示图形
plt.show()

代码详解：

数据定义：labels 是类别标签，sizes 是各个类别的比例。
绘图命令：plt.pie() 用于绘制饼图，autopct 控制显示百分比，startangle 控制起始角度。

输出效果：
展示了不同编程语言使用比例的饼图。
在这里插入图片描述

三、高级功能与定制

3.1 设置图表样式

Matplotlib 提供了多种内置样式，可以通过 plt.style.use() 来改变图表的外观。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams
import random

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

# 打印可用的样式
print("Available styles:", plt.style.available)

# 随机选择一个样式
random_style = random.choice(plt.style.available)

# 使用随机选择的样式
plt.style.use(random_style)

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

plt.plot(x, y)
plt.title('折线图示例')
plt.show()

代码详解：

设置样式：通过 plt.style.use() 可以切换到多种内置样式，如 seaborn-darkgrid、ggplot 等，这样可以快速获得美观的图表外观。例如，使用 seaborn-darkgrid 可以为图表添加背景网格和柔和的配色，使图形更加清晰易读。
查看可用样式：使用 plt.style.available 可以列出当前环境下所有可用的样式名称。这样你可以选择最适合的样式，以满足不同的展示需求。
随机选择样式：可以通过 random.choice(plt.style.available) 随机从所有可用样式中选择一个，这对于在不同情境下快速测试不同风格的图表非常有用。
应用样式：选择并应用样式后，所有后续绘图操作都会继承该样式的设置，比如颜色、线条、网格等，极大提高了绘图效率。

输出效果：
这将使图表采用随机内置的风格，提高可视化效果。
在这里插入图片描述

3.2 使用子图

当需要在一个窗口中展示多个图表时，plt.subplots() 是非常有用的函数。它可以创建多个子图并将其组织成一个网格。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

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

# 第一个子图：折线图
axs[0].plot([1, 2, 3], [1, 4, 9])
axs[0].set_title('折线图')

# 第二个子图：柱状图
axs[1].bar(['A', 'B', 'C'], [10, 20, 15])
axs[1].set_title('柱状图')

# 设置主图标题
fig.suptitle('子图示例', fontsize=16)

# 自动调整子图布局，使得标题和内容不重叠
fig.tight_layout(rect=[0, 0, 1, 0.96])  # 通过调整 rect 参数给主标题留出空间

# 显示图形
plt.show()

代码详解：

创建子图：plt.subplots(1, 2) 创建了一个 1 行 2 列的子图，每个子图可以单独绘制。fig 是主图对象（figure），axs 是一个包含两个子图（axes）的数组。
访问子图：通过 axs[0] 和 axs[1] 分别访问两个子图。
设置标题：axs[0].set_title('折线图')，axs[1].set_title('柱状图') 为每个子图设置标题，分别为“折线图”和“柱状图”。
设置主图标题：fig.suptitle('子图示例', fontsize=16) 设置整个图表的主标题“子图示例”，并指定字体大小为 16。
调整子图布局：fig.tight_layout(rect=[0, 0, 1, 0.96]) 使用 tight_layout() 自动调整子图的位置和大小，以防止子图标题与内容重叠。rect=[0, 0, 1, 0.96] 指定了一个边距区域，确保主标题不会与子图的内容重叠。

输出效果：
生成一个表示不同编程语言使用比例的饼图，每个部分的比例以百分比形式标注，直观显示各语言的使用份额。
在这里插入图片描述

3.3 保存图表

绘制完成后，可以通过 plt.savefig() 将图表保存为文件，以便后续使用或分享。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

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

# 绘制折线图
plt.plot(x, y, label='y = x^2')

# 添加标题和标签
plt.title('折线图示例')
plt.xlabel('X轴')
plt.ylabel('Y轴')

# 保存图表为PNG文件
plt.savefig('line_chart.png', bbox_inches='tight')

# 显示图形
plt.show()

代码详解：

保存图表：plt.savefig('line_chart.png') 用于将当前图表保存为图像文件。可以选择保存为 .png、.jpg、.svg 等格式。savefig 函数支持各种额外的参数，如设置 DPI（分辨率）、透明背景等。使用 bbox_inches='tight' 去除边缘空白。
显示图形：plt.show() 继续展示图形，确保图表在屏幕上显示。

输出效果：
保存后的图表文件可以在项目中直接引用或在报告中使用。
在这里插入图片描述

四、Matplotlib 流程图

为了帮助大家更好地理解如何在代码中一步一步地绘制 Matplotlib 图表，本文使用流程图来可视化整个绘制过程，流程图能够直观地展示复杂的步骤和流程。

4.1 Mermaid 流程图

在上面的流程图中，我们展示了绘制一个 Matplotlib 图表的完整过程。这个流程图展示了使用 Matplotlib 绘制图表的基本步骤，包括选择图表类型、添加标签、显示和保存图表。通过这个流程图，用户可以更加清晰地理解如何使用 Matplotlib 来完成数据可视化。

图表的绘制流程分为以下几个步骤：

开始：启动绘制过程。
准备数据：准备绘制所需的数据，可能是从文件、数据库、或手动输入的数据。
选择图表类型：根据需求选择适当的图表类型，如折线图、柱状图、散点图等。
使用 Matplotlib 绘图：根据选择的图表类型，调用相应的 Matplotlib 函数（如 plt.plot()、plt.bar()、plt.scatter()，绘制数据的图形。
自定义图表属性：对图表进行样式、标签、标题、坐标轴等的定制。
显示图表：在屏幕上显示图表，通常用 plt.show()。
保存图表：通过 plt.savefig() 保存图表为文件。
结束：绘图流程完成。

4.2 中文显示与负号问题

在进行数据可视化时，常常会遇到中文显示不正常或者负号显示为乱码的问题。为了确保 Matplotlib 绘制的图表能够正确显示中文并解决负号显示问题，我们可以通过 rcParams 配置 Matplotlib 的字体设置。

代码示例：

from matplotlib import rcParams

# 设置中文字体
rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 你可以根据系统中安装的字体修改为合适的中文字体
rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号显示问题

解释：

设置中文字体：rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei'] 这一行代码指定了 Matplotlib 使用 Microsoft YaHei 字体来显示中文字符。你可以根据自己的操作系统，替换为其他的中文字体，如 SimHei 或 STKaiti 等。这样可以确保在图表中显示中文时不会出现乱码。
解决负号显示问题：rcParams['axes.unicode_minus'] = False 这一行代码解决了负号显示为乱码的问题。Matplotlib 默认情况下，负号可能会显示为其他字符，特别是在使用中文字体时，通过这行代码可以确保负号正确显示。

将上述设置添加到代码中后，你就可以在 Matplotlib 中顺利使用中文并避免负号显示错误。