Python數據可視化利器：Matplotlib庫的用法

數據可視化已經成為了現代數據科學家和工程師的重要工作之一。Matplotlib是一個優秀的數據可視化庫，它支持眾多的繪圖類型，包括線圖，散點圖，柱狀圖，等高線圖，和複雜的3D圖形。Matplotlib庫的設計目標是兼容MATLAB語法，這使得它成為科學計算中最受歡迎的繪圖庫之一。

一、基礎繪圖

Matplotlib最基礎的繪圖是線圖。下面的代碼演示如何使用Matplotlib繪製線圖。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成數據
x = np.linspace(0, 10, 1000)
y = np.sin(x)

# 繪圖
plt.plot(x, y, label='sin(x)')

# 顯示標籤
plt.legend()

# 顯示圖形
plt.show()

下面是代碼的說明:

首先，我們從numpy庫導入linspace函數和sin函數，用來生成X軸和Y軸的數據。然後，我們從matplotlib.pyplot庫導入pyplot模塊，用來繪製圖形。接下來，使用plot函數繪製線圖。plot函數的第一個參數是X軸數據，第二個參數是Y軸數據。label='sin(x)'表示為圖像標註注釋。如果有多個曲線需要繪畫，則使用subplot函數，其中第一個參數為nrows，第二個參數為ncols，第三個參數為plot_number，表示在其中的哪一個窗口中進行繪圖。

此外，使用legend函數可以顯示圖例。最後，使用show函數顯示圖形。運行這個程序，就會看到一幅含有一個正弦函數的線圖。

二、2D圖形和子圖

除了線圖，Matplotlib還支持各種2D圖形。在Matplotlib中，使用subplot函數可以繪製多個子圖。

x = np.linspace(-10, 10, 1000)
y1 = np.sin(x)
y2 = np.cos(x)
y3 = np.tan(x)

# 在一張圖中繪製三個子圖
plt.subplot(3, 1, 1)
plt.plot(x, y1)
plt.title('sin(x)')

plt.subplot(3, 1, 2)
plt.plot(x, y2)
plt.title('cos(x)')

plt.subplot(3, 1, 3)
plt.plot(x, y3)
plt.title('tan(x)')

plt.show()

上面的代碼中，我們生成三個不同的曲線，並使用subplot函數生成了一個顯示三個子圖的繪圖窗口。subplot函數的第一個參數是行數，第二個參數是列數，第三個參數是子圖的位置。運行此代碼，可以得到如下圖像：


三、散點圖與直方圖

另一個流行的二維圖形類型是散點圖。散點圖可以用於表示兩個變量之間的相關性。Matplotlib的scatter函數可以用於繪製散點圖。

# 構造數據
x = np.random.randn(1000)
y = np.random.randn(1000)

plt.scatter(x, y, c='r', alpha=0.5)
plt.show()

上面的代碼使用了Matplotlib的scatter函數繪製散點圖。其中x和y都是由隨機值填充的向量。color參數設置點的顏色，alpha參數設置透明度。運行此代碼，可以得到如下的散點圖：


另外，直方圖是最適合描述一組連續性數據的圖形。Matplotlib的hist函數可以用於繪製直方圖。

# 構造數據
x = np.random.randn(1000)

# 繪圖
plt.hist(x, bins=50, color='g')

plt.show()

在上面的代碼中，我們使用hist函數繪製直方圖。其中，bins參數指定直方圖的梯形數量，顏色是可以變化的。該代碼將生成如下的直方圖。


四、3D圖形

除了2D圖形，Matplotlib庫還支持各種3D圖形。我們可以使用Axes3D對象來繪製立體圖形。下面的代碼演示如何使用Matplotlib繪製3D散點圖。

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

# 生成3D數據
x = np.random.randn(100)
y = np.random.randn(100)
z = np.random.randn(100)

# 繪圖
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
ax.scatter(x, y, z, c='b', marker='o')

plt.show()

在上面的代碼中，我們使用Axes3D對象創建3D圖形，scatter函數用於繪製散點。marker參數指定點的形狀，顏色也可以變化。該代碼將生成如下的3D散點圖。