Python. Графики

В качестве инструмента построения графиков рассмотрим библиотеку matplotlib и её модуль pyplot. Он предназначен для работы с двумерными фигурами и умеет строить большое число разнообразных типов графиков, обеспечивая при этом Matlab-подобный интерфейс. Простейший график можно создать с помощью следующих команд.

  import numpy as np
  import matplotlib.pyplot as plt 
  # векторы абсцисс и ординат
  X = np.linspace(0, 2*np.pi, 50)
  Y = np.sin(X)
  # создание графика и его отображение
  plt.plot(X,Y) 
  plt.show()

Как видно, отрисовка происходит через обращение к модулю pyplot (plt). График строит функция plot(), а отображает - show().

Для спецификации параметров линии можно использовать как "стандартные" коды, так и именованые аргументы функции plot(). Например, следующий фрагмент кода изменяет цвет и структуру линии, а также ограничивает диапазон отображения.

  plt.plot(X,Y,'r--')

  plt.xlim((1, 3))       # предел по X - от 1 до 3

  plt.ylim((0, 1.5))    # предел по Y - от 0 до 1.5

  plt.show()

Чтобы объединить несколько кривых на одном графике, просто перечислите их в функции plot(), при этом для каждой из них можно задать собственные парамеры кривых с помощью соответствующих "кодов". Следующий пример не только отрисовывает два графика в одном окне, но также делает подписи осей и отображает заголовок.

  plt.plot(X,Y, X,np.cos(X))       # объединение 2-х графиков

  plt.legend(('sin','cos'))           # подписи

  plt.title('Trigonometry')        # заголовок

  plt.xlabel('Time, s')               # наименование оси абсцисс

  plt.ylabel('Amplitude, c.u.')  # наименование оси ординат

  plt.show()

Если необходимо отобразить графики по-отдельности, нужно для каждого изображения создавать отдельное окно с помощью функции figure().

  plt.plot(X,Y)                     # первый график

  plt.figure()                       # новое окно

  plt.plot(X,np.cos(X))        # второй график

  plt.show()

Другой вариант - отображение графиков в одном окне, но разных областях. Для этого служит функция subplot(), которая делит окно на заданное число частей и управляет доступом к ним. Если число частей меньше десяти, то можно использовать нотацию в виде трёхзначного числа:

  строки-столбцы-номер_графика

Следующий пример строит два графика, расположенных горизонтально (цифра 1 соответствует одной строке, цифра 2 - двум столбцам, последняя цифра определяет область для отображения).

  plt.subplot(121)

  plt.plot(X,Y)

  plt.subplot(122)

  plt.plot(X,np.cos(X))

  plt.show()

Для того, чтобы иметь возможность строить трёхмерные графики, нам понадобится модуль mpl_toolkits.mplot3d. Интересно, что после загрузки в явном виде мы на него ссылаться не будем, но без этого модуля программа не заработает. Итак, чтобы построить прямую в пространстве, выполним следующий код

  import numpy as np
  import matplotlib.pyplot as plt
  import mpl_toolkits.mplot3d 

  # координаты точек
  N = np.linspace(0,10,50)
  X = 5*np.cos(N)
  Y = 3*np.sin(N)
  Z = 0.8*N

  # построение и отображение графика
  plt.gca(projection='3d')   # указываем тип
  plt.plot(X,Y,Z)                   # строим
  plt.show()

С поверхностью всё немного сложнее. 

  # координаты

  X = np.mgrid[0:8:0.1, -5:5:0.1]

  Z = np.cos(X[0])*np.sin(X[1])

  # создание окна для 3D объекта

  sub = plt.figure().add_subplot(111,projection='3d')

  # построение графика

  sub.plot_surface(X[0],X[1],Z)

  # подпись осей

  sub.set_xlabel('X')

  sub.set_ylabel('Y')

  sub.set_zlabel('Z')

  plt.show()

Сначала мы задаём сетку с помощью функции mgrid(), затем формируем поверхность Z для каждой пары элементов из исходной сетки X. В данном примере это просто произведение косинуса абсциссы на синус ординаты (напомню, что произведение массивов в NumPy выполняется поэлементно). Для построение графика нужно сгенерировать объект subplot, т.к. он содержит метод plot_surface() для создания поверхностей. Дальнейшая работа программы происходит через данный объект и заключается в построении графика и (опционально) указании наименования координатных осей. Отображение происходит, как и раньше, через функцию show().