#

Ukázky použití knihovny Matplotlib při tvorbě různých typů grafů.

#

Knihovna Matplotlib

Autor Pavel Tišnovský

Email kurzy.python@centrum.cz

#

Knihovna NumPy

numerické výpočty
typ N-dimenzionální pole a matice
neobsahuje přímou podporu pro tvorbu grafů

#

Knihovna Matplotlib

zaměřena explicitně na tvorbu grafů
právě vzájemnou kombinací obou knihoven NumPy+matplotlib lze relativně snadno dosáhnout velmi pěkných výsledků plně porovnatelných s výsledky vytvořenými komerčními balíky.

#

Možnosti knihovny Matplotlib

grafy funkcí typu y = f(x)
parametrické zadání 2D průběhu x, y = f(t)
grafy funkcí typu z = f(x,y)
parametrické zadání 3D průběhu x, y, z = f(t)

#

Zobrazení grafů

na obrazovce
do plochy Jupyter Notebooku
do rastrových obrázků
do vektorových kreseb
do PDF

#

Praktická část

#

Nejprve je nutné naimportovat všechny potřebné funkce a konstanty z balíčku matplotlib

#

Používají se následující varianty importu

import matplotlib

import matplotlib as plt

from matplotlib import *

from matplotlib import array, linspace

#

Pro potřeby prezentace naimportujeme všechny funkce a konstanty z knihovny matplotlib.pyplot

import matplotlib.pyplot as plt

#

Taktéž budeme potřebovat některé funkce z knihovny numpy

import numpy as np

#

Základní kontrola, jestli se import podařil

import sys
if "matplotlib" not in sys.modules:
    raise Exception("Modul matplotlib nebyl naimportován")
if "numpy" not in sys.modules:
    raise Exception("Modul numpy nebyl naimportován")

#

Ukázky základních typů grafů

#

První demonstrační příklad:

vykreslení průběhu funkce sin

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose

y = np.sin(x)

#

vykreslit průběh funkce

plt.plot(x, y)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x)")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Druhý demonstrační příklad:

vykreslení a uložení grafu do různých typů souborů

plt.savefig("sinus.png")
plt.savefig("sinus.pdf")
plt.savefig("sinus.eps")
plt.savefig("sinus.ps")
plt.savefig("sinus.svg")

#

Třetí demonstrační příklad:

vykreslení průběhů funkcí sin a cos do jediného grafu

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose: první funkce

y1 = np.sin(x)

#

hodnoty na y-ové ose: druhá funkce

y2 = np.cos(x)

#

vykreslit průběh obou funkcí

plt.plot(x, y1, x, y2)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x) a cos(x)")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Čtvrtý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů funkcí sin a cos a sinc do jediného grafu
změna stylu vykreslování průběhů funkcí

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0.01, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose: první funkce

y1 = np.sin(x)

#

hodnoty na y-ové ose: druhá funkce

y2 = np.cos(x)

#

hodnoty na y-ové ose: třetí funkce

y3 = np.sin(x)/x

#

vykreslit průběh všech tří funkcí se změnou stylu vykreslování

plt.plot(x, y1, "b-", label="sin")
plt.plot(x, y2, "r.", label="cos")
plt.plot(x, y3, "g--", label="sinc")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower left")

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x), cos(x) a sinc(x)")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Pátý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů funkcí sin a sinc do jediného grafu s vyplněním plochy pod průběhu

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose: první funkce

y1 = np.sin(x)

#

hodnoty na y-ové ose: druhá funkce

y2 = np.sin(3*x)/(x+1)

#

vykreslit průběh obou funkcí se změnou stylu vykreslování

plt.fill(x, y1, "red", x, y2, "yellow", alpha=0.3)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x) a sinc(3x)")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Šestý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů čtyř různých funkcí do jediného grafu s vyplněním plochy pod průběhu
kombinace různých stylů vykreslení

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0.001, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose: první funkce

y1 = np.sin(5*x)

#

hodnoty na y-ové ose: druhá funkce

y2 = np.sin(5*x)/(x+1/2)

#

hodnoty na y-ové ose: třetí čtvrtá funkce

y3 = 1/(x+1/2)
y4 = -y3

#

vykreslit průběh obou funkcí se změnou stylu vykreslování

plt.fill(x, y1, "yellow", alpha=0.3, label="sin x")
plt.fill(x, y2, "r.", alpha=1.0, label="sinc 5x")
plt.plot(x, y3, "g--", label="obalka sinc")
plt.plot(x, y4, "g--", label="obalka sinc")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="upper right")

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x) a sinc(3x)")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Sedmý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů funkcí sin a cos
nastavení mřížky
nastavení rozsahů na obou osách

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose: první funkce

y1 = np.sin(x)

#

hodnoty na y-ové ose: druhá funkce

y2 = np.cos(x)

#

vykreslit průběh obou funkcí se změnou stylu vykreslování

plt.plot(x, y1, "b-", label="sin")
plt.plot(x, y2, "r-", label="cos")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower left")

#

nastavení rozsahů na obou osách

plt.axis([-1, 8, -1.5, 1.5])

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x) a cos(x)")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Osmý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů funkcí sin a cos
nastavení mřížky
nastavení rozsahů na obou osách
přidání popisku přímo do grafu

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose: první funkce

y1 = np.sin(x)

#

hodnoty na y-ové ose: druhá funkce

y2 = np.cos(x)

#

vykreslit průběh obou funkcí se změnou stylu vykreslování

plt.plot(x, y1, "b-", label="sin")
plt.plot(x, y2, "r-", label="cos")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower left")

#

nastavení rozsahů na obou osách

plt.axis([-1, 8, -1.5, 1.5])

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x) a cos(x)")

#

vložit první popisek do grafu

plt.annotate("maximální hodnota sin(x)",
             xy=(np.pi/2, 1.0),
             xytext=(1, 1.3),
             arrowprops=dict(arrowstyle="->"))

#

vložit druhý popisek do grafu

plt.annotate("minimální hodnota cos(x)",
             xy=(np.pi, -1.0),
             xytext=(2, -1.3),
             arrowprops=dict(arrowstyle="->"))

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Devátý demonstrační příklad:

základní polární graf

#

úhel v polárním grafu

theta = np.linspace(0.01, 2*np.pi, 150)

#

vzdálenost od středu

radius = np.log(theta)

ax = plt.subplot(111, projection="polar")

#

vykreslit průběh funkce v polárním grafu

ax.plot(theta, radius)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Desátý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů několika funkcí
do polárního grafu

#

úhel v polárním grafu

theta = np.linspace(0.01, 2*np.pi, 150)

#

první funkce: vzdálenost od středu

radius1 = theta

#

druhá funkce: vzdálenost od středu

radius2 = 2*np.abs(theta-np.pi)

#

třetí funkce: vzdálenost od středu

radius3 = 2*np.log(theta)

ax = plt.subplot(111, projection="polar")

#

vykreslit průběh první funkce v polárním grafu

ax.plot(theta, radius1, "r.", label="f1")

#

vykreslit průběh druhé funkce v polárním grafu

ax.plot(theta, radius2, "g", label="f2")

#

vykreslit průběh třetí funkce v polárním grafu

ax.plot(theta, radius3, "b--", label="f3")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower left")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Jedenáctý demonstrační příklad:

vykreslení průběhů několika funkcí
do polárního grafu

#

úhel v polárním grafu

theta = np.linspace(0.01, 4*np.pi, 150)

#

první funkce: vzdálenost od středu

radius1 = theta

#

druhá funkce: vzdálenost od středu

radius2 = 3*np.abs(theta-2*np.pi)

ax = plt.subplot(111, projection="polar")

#

vykreslit průběh první funkce v polárním grafu

ax.plot(theta, radius2, "b", label="f1")

#

vykreslit průběh druhé funkce v polárním grafu

ax.fill(theta, radius1, "yellow", alpha=0.3, label="f1")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower left")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Dvanáctý demonstrační příklad:

vykreslení průběhu funkce sinc
při vykreslování se jednotlivé body spojí úsečkami

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0.2, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose

y = np.sin(5*x)/x
y2 = 1/x
y3 = -y2

#

vykreslit průběh funkce

plt.plot(x, y2, color='red',  label='obalka sinc')
plt.plot(x, y3, color='red',  label='obalka sinc')
plt.plot(x, y,  color='blue', label='sinc(x)')

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sinc(x)")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower right")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Třináctý demonstrační příklad:

vykreslení průběhu funkce sinc
při vykreslování se použijí “schodky”

#

hodnoty na x-ové ose

x = np.linspace(0.2, 2*np.pi, 100)

#

hodnoty na y-ové ose

y = np.sin(5*x)/x
y2 = 1/x
y3 = -y2

#

vykreslit průběh funkce

plt.plot(x, y2, color='red',  label='obalka sinc', drawstyle='default')
plt.plot(x, y3, color='red',  label='obalka sinc', drawstyle='default')
plt.plot(x, y,  color='blue', label='sinc(x)',     drawstyle='steps')

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

popis os

plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sinc(x)")

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower right")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Čtrnáctý demonstrační příklad:

jednoduchý sloupcový graf

#

historické ceny ropy

cena_ropy = [
    46.68, 44.68, 46.90, 47.15, 44.59, 44.00, 44.63, 45.92, 44.15, 45.94,
    46.05, 46.75, 46.25, 45.41, 49.20, 45.22, 42.56, 38.60, 39.31, 38.24,
    40.45, 41.32, 40.80, 42.62, 41.87, 42.50, 42.23, 43.30, 43.08, 44.96,
    43.87, 44.66, 45.15, 47.12, 48.52, 48.79, 47.98, 47.39, 48.14, 48.45]

#

počet prvků

N = len(cena_ropy)

#

indexy prvků

indexes = np.arange(N)

#

šířka sloupců

width = 1.00

#

sloupcový graf

plt.bar(indexes, cena_ropy, width, color='yellow', edgecolor='black',
        label='Cena ropy')

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower right")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Patnáctý demonstrační příklad:

sloupcový graf se dvěma skupinami sloupců

#

první pole hodnot

vals1 = [10, 15, 20, 12, 14, 8]

#

druhé pole hodnot

vals2 = [19, 18,  6, 11,  6, 14]

#

počet prvků

N = len(vals1)

#

indexy prvků

indexes = np.arange(N)

#

šířka sloupců

width = 0.30

#

sloupcový graf se dvěma skupinami sloupců

plt.bar(indexes, vals1, width, color='gray', edgecolor='black', label='CPU#1')

#

posunuté sloupce

plt.bar(indexes+width, vals2, width, color='red', edgecolor='black',
        label='CPU#2')

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower right")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Šestnáctý demonstrační příklad:

jednoduchý histogram

#

náhodné hodnoty

y = np.random.normal(0, 0.1, 10000)

plt.hist(y, bins=30, range=None, density=True)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Sedmnáctý demonstrační příklad:

koláčový graf

#

musíme naimportovat ještě jeden balíček

from matplotlib import font_manager as fm  # noqa: E402

#

make a square figure and axes

fig = plt.figure(1, figsize=(6, 6), dpi=50)
ax = fig.add_axes([0.16, 0.16, 0.68, 0.68])

plt.title("Scripting languages")
ax.title.set_fontsize(30)

#

popisky jednotlivých výřezů

labels = ['Perl', 'Python', 'Ruby']

#

šířky jednotlivých výřezů

fracs = [90, 150, 70]

#

vytvoření koláčového grafu

ax.pie(fracs, labels=labels, autopct='%1.1f%%', shadow=True)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Osmnáctý demonstrační příklad:

změna stylu koláčových grafů

#

make a square figure and axes

fig = plt.figure(1, figsize=(6, 6), dpi=50)
ax = fig.add_axes([0.16, 0.16, 0.68, 0.68])

plt.title("Scripting languages")
ax.title.set_fontsize(30)

#

popisky jednotlivých výřezů

labels = ['Perl', 'Python', 'Ruby']

#

šířky jednotlivých výřezů

fracs = [90, 150, 70]

#

vytáhnutí výřezů

explode = (0.0, 0.0, 0.15)

#

barvy

colors = ('yellow', '#60ff60', 'red')

#

vytvoření koláčového grafu

patches, texts, autotexts = ax.pie(fracs, explode=explode, colors=colors,
                                   labels=labels, autopct='%1.1f%%',
                                   shadow=True)

#

změna stylu písma

proptease = fm.FontProperties()
proptease.set_size('xx-large')
plt.setp(autotexts, fontproperties=proptease)
plt.setp(texts, fontproperties=proptease)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Devatenáctý demonstrační příklad:

sloupcový graf se dvěma skupinami sloupců a se zobrazením odchylek

#

první pole hodnot a pole odchylek

vals1 = [10, 15, 20, 12, 14, 8]
delta1 = [1, 2, 3, 4, 5, 0]

#

druhé pole hodnot a pole odchylek

vals2 = [19, 18,  6, 11,  6, 14]
delta2 = [4, 2, 3, 2, 2, 4]

#

počet prvků

N = len(vals1)

#

indexy prvků

indexes = np.arange(N)

#

šířka sloupců

width = 0.30

#

sloupcový graf se dvěma skupinami sloupců

plt.bar(indexes, vals1, width, color='gray', edgecolor='black', label='CPU#1',
        yerr=delta1)

#

posunuté sloupce

plt.bar(indexes+width, vals2, width, color='red', edgecolor='black',
        label='CPU#2', yerr=delta2)

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower right")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Dvacátý demonstrační příklad:

sloupcový graf se dvěma skupinami sloupců a se zobrazením odchylek

#

první pole hodnot a pole odchylek

vals1 = [10, 15, 20, 12, 14, 8]
delta1 = [1, 2, 3, 4, 5, 0]

#

druhé pole hodnot a pole odchylek

vals2 = [19, 18,  6, 11,  6, 14]
delta2 = [4, 2, 3, 2, 2, 4]

#

počet prvků

N = len(vals1)

#

indexy prvků

indexes = np.arange(N)

#

šířka sloupců

width = 0.30

#

sloupcový graf se dvěma skupinami sloupců

plt.bar(indexes, vals1, width, color='gray', edgecolor='black', label='CPU#1',
        yerr=delta1, error_kw=dict(elinewidth=2, ecolor='red'))

#

posunuté sloupce

plt.bar(indexes+width, vals2, width, color='red', edgecolor='black',
        label='CPU#2',
        yerr=delta2, error_kw=dict(elinewidth=2, ecolor='black'))

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

přidání legendy

plt.legend(loc="lower right")

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Dvacátý první demonstrační příklad:

zobrazení kontur funkce typu z=f(x,y)

#

import dvou dalších potřebných knihoven

import matplotlib.cm as cm  # noqa: E402
import matplotlib.mlab as mlab  # noqa: E402


delta = 0.1

#

průběh nezávislé proměnné x

x = np.arange(-10.0, 10.0, delta)

#

průběh nezávislé proměnné y

y = np.arange(-10.0, 10.0, delta)

#

vytvoření dvou polí se souřadnicemi [x,y]

X, Y = np.meshgrid(x, y)

#

vzdálenost od bodu [0,0]

R1 = np.sqrt(X*X+Y*Y)

#

vzdálenost od bodu [3,3]

R2 = np.sqrt((X-3)*(X-3)+(Y-3)*(Y-3))

#

výpočet funkce, kterou použijeme při vykreslování grafu

Z = np.sin(R1)-np.cos(R2)

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

vytvoření grafu s konturami funkce z=f(x,y)

plt.contour(X, Y, Z)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Dvacátý druhý demonstrační příklad:

zobrazení kontur funkce typu z=f(x,y)
zobrazení hodnot u jednotlivých “vrstevnic”

#

hustota mřížky

delta = 0.1

#

průběh nezávislé proměnné x

x = np.arange(-10.0, 10.0, delta)

#

průběh nezávislé proměnné y

y = np.arange(-10.0, 10.0, delta)

#

vytvoření dvou polí se souřadnicemi [x,y]

X, Y = np.meshgrid(x, y)

#

vzdálenost od bodu [0,0]

R1 = np.sqrt(X*X+Y*Y)

#

vzdálenost od bodu [3,3]

R2 = np.sqrt((X-3)*(X-3)+(Y-3)*(Y-3))

#

výpočet funkce, kterou použijeme při vykreslování grafu

Z = np.sin(R1)-np.cos(R2)

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

vytvoření grafu s konturami funkce z=f(x,y)

CS = plt.contour(X, Y, Z)

#

popisky “vrstevnic”

plt.clabel(CS, inline=1, fontsize=10)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

Dvacátý třetí demonstrační příklad:

zobrazení kontur funkce typu z=f(x,y)
zobrazení hodnot u jednotlivých “vrstevnic”
přidání legendy

#

hustota mřížky

delta = 0.1

#

průběh nezávislé proměnné x

x = np.arange(-10.0, 10.0, delta)

#

průběh nezávislé proměnné y

y = np.arange(-10.0, 10.0, delta)

#

vytvoření dvou polí se souřadnicemi [x,y]

X, Y = np.meshgrid(x, y)

#

vzdálenost od bodu [0,0]

R1 = np.sqrt(X*X+Y*Y)

#

vzdálenost od bodu [3,3]

R2 = np.sqrt((X-3)*(X-3)+(Y-3)*(Y-3))

#

výpočet funkce, kterou použijeme při vykreslování grafu

Z = np.sin(R1)-np.cos(R2)

#

povolení zobrazení mřížky

plt.grid(True)

#

vytvoření grafu s konturami funkce z=f(x,y)

CS = plt.contour(X, Y, Z)

#

přidání legendy (colorbar)

CB = plt.colorbar(CS, shrink=0.7, extend='both')

#

popisky “vrstevnic”

plt.clabel(CS, inline=1, fontsize=10)

#

zobrazení grafu

plt.show()

#

matplotlib_in_action.py

Knihovna Matplotlib

Autor Pavel Tišnovský

Email kurzy.python@centrum.cz

Knihovna NumPy

Knihovna Matplotlib

Možnosti knihovny Matplotlib

Zobrazení grafů

Praktická část

Ukázky základních typů grafů

První demonstrační příklad:

Druhý demonstrační příklad:

Třetí demonstrační příklad:

Čtvrtý demonstrační příklad:

Pátý demonstrační příklad:

Šestý demonstrační příklad:

Sedmý demonstrační příklad:

Osmý demonstrační příklad:

Devátý demonstrační příklad:

Desátý demonstrační příklad:

Jedenáctý demonstrační příklad:

Dvanáctý demonstrační příklad:

Třináctý demonstrační příklad:

Čtrnáctý demonstrační příklad:

Patnáctý demonstrační příklad:

Šestnáctý demonstrační příklad:

Sedmnáctý demonstrační příklad:

Osmnáctý demonstrační příklad:

Devatenáctý demonstrační příklad:

Dvacátý demonstrační příklad:

Dvacátý první demonstrační příklad:

Dvacátý druhý demonstrační příklad:

Dvacátý třetí demonstrační příklad: