supp-1: matplotlib

Author

최규빈

Published

June 30, 2024

1. 강의영상

2. Imports

import matplotlib.pyplot as plt 
import matplotlib as mpl

3. Matplotlib: 기본내용

A. line – 라인플랏

- 예시1: 기본플랏

plt.plot([1,2,3,2])

- 예시2: 모양변경

plt.plot([1,2,3,2],'--')

- 예시3: 색상변경 (1)

plt.plot([1,2,3,2],'r')

- 예시4: 색상변경 (2)

plt.plot([1,2,3,2],'b')

- 예시5: 모양+색상변경

plt.plot([1,2,3,2],'--r')

- 예시6: 모양+색상변경의 순서변경 가능

plt.plot([1,2,3,2],'r--')

B. matplotlib에서의 문자열

- r--등의 옵션은 Markers + Line Styles + Colors 의 조합으로 표현가능

ref: https://matplotlib.org/stable/api/_as_gen/matplotlib.pyplot.plot.html

  • --r: 점선(dashed)스타일 + 빨간색
  • r--: 빨간색 + 점선(dashed)스타일
  • :k: 점선(dotted)스타일 + 검은색
  • k:: 검은색 + 점선(dotted)스타일

- 우선 Marker를 무시하면 Line Styles + Color로 표현가능한 조합은 \(4\times 8=32\) 개

character description
‘-’ solid line style
‘–’ dashed line style
‘-.’ dash-dot line style
‘:’ dotted line style
character color
‘b’ blue
‘g’ green
‘r’ red
‘c’ cyan
‘m’ magenta
‘y’ yellow
‘k’ black
‘w’ white
character description
‘.’ point marker
‘,’ pixel marker
‘o’ circle marker
‘v’ triangle_down marker
‘^’ triangle_up marker
‘<’ triangle_left marker
‘>’ triangle_right marker
‘1’ tri_down marker
‘2’ tri_up marker
‘3’ tri_left marker
‘4’ tri_right marker
‘8’ octagon marker
‘s’ square marker
‘p’ pentagon marker
‘P’ plus (filled) marker
’*’ star marker
‘h’ hexagon1 marker
‘H’ hexagon2 marker
‘+’ plus marker
‘x’ x marker
‘X’ x (filled) marker
‘D’ diamond marker
‘d’ thin_diamond marker
‘|’ vline marker
’_’ hline marker

- 예시1

plt.plot([1,2,4,3],'b-.')

- 예시2

plt.plot([1,2,4,3],'k:')

- 예시3: line style + color 조합으로 사용하든 color + line style 조합으로 사용하든 상관없음

plt.plot([1,2,4,3],'-.b')

plt.plot([1,2,4,3],':k')

- 예시4: line style을 중복으로 사용하거나 color를 중복으로 쓸 수 는 없다.

plt.plot([1,2,4,3],'br')
ValueError: 'br' is not a valid format string (two color symbols)

- 예시5: 색이 사실 8개만 있는건 아니다.

ref: https://matplotlib.org/2.0.2/examples/color/named_colors.html

plt.plot([1,2,4,3],color='lime')

- 예시6: 색을 바꾸려면 hex코드를 넣는 방법이 젤 깔끔함

ref: https://htmlcolorcodes.com/

plt.plot([1,2,4,3],color='#7E277E')

- 예시7: 당연히 라인스타일도 4개만 있진 않음

ref: https://matplotlib.org/stable/gallery/lines_bars_and_markers/linestyles.html

plt.plot([1,2,4,3],linestyle=(0, (10, 1)))

C. marker – 산점도

- 예시1: o 마커사용

plt.plot([1,2,4,3],'o')

- 예시2: x 마커사용

plt.plot([1,2,4,3],'x')

- 예시3: o 마커사용 + 색상 red

plt.plot([1,2,4,3],'or')

- 예시3: d 마커사용 + 색상 blue

plt.plot([1,2,4,3],'db')

- 예시4: x 마커사용 + 색상 blue

plt.plot([1,2,4,3],'bx')

- 예시5: 마커와 라인스타일을 동시에 사용하면 dot-connected plot이 된다.

plt.plot([1,2,4,3],'--o')

- 예시6: dot-connected plot + 색상변경 (1)

plt.plot([1,2,4,3],'--or')

- 예시7: dot-connected plot + 색상변경 (2)

plt.plot([1,2,4,3],'--o',color='lime')

아래는 동작하지 않음을 주의하라.

plt.plot([1,2,4,3],color='lime','--o')
SyntaxError: positional argument follows keyword argument (4214878426.py, line 1)

D. 겹쳐그리기

- 예시1

plt.plot([1,2,4,3])
plt.plot([3,4,1,2],'--o')

- 예시2

plt.plot([1,2,4,3],color='C1')
plt.plot([3,4,1,2],'--o',color='C0')

- 예시3

x=np.linspace(0,1,100)
eps = np.random.randn(100)*0.2
y= 2*x + eps 
plt.plot(x,y,'.')
plt.plot(x,2*x,'--')

4. Matplotlib: fig, ax 의 개념 이해

A. fig 의 이해

# 예비학습1 – 그림을 저장했다가 꺼내보고 싶다.

- 그림을 그리고 저장하자.

plt.plot([1,2,4,3])
fig = plt.gcf()

- 다른그림을 그려보자.

plt.plot([1,2,4,3],'--o')

- 저장한 그림은 언제든지 꺼내볼 수 있음

fig

#

# 예비학습2 – fig 는 뭐야?

#fig??
type(fig)
matplotlib.figure.Figure
  • Figure라는 클래스에서 찍힌 인스턴스

- 여러가지 값, 기능이 저장되어 있겠음.

fig.axes
[<Axes: >]
ax = fig.axes[0]
yaxis= ax.yaxis
xaxis= ax.xaxis
lines = ax.get_lines()
line = lines[0]

- 계층구조: Figure \(\supset\) [Axes,…] \(\supset\) YAxis, XAxis, [Line2D,…]

type(fig)
matplotlib.figure.Figure

1. .axes 로 Axes 를 끄집어냄

ax = fig.axes[0]
type(ax)
matplotlib.axes._axes.Axes

2. .xaxis, .yaxis 로 Axis 를 끄집어냄

yaxis = ax.yaxis
xaxis = ax.xaxis
type(yaxis), type(xaxis)
(matplotlib.axis.YAxis, matplotlib.axis.XAxis)

3. .get_lines()로 Line2D를 끄집어냄

lines = ax.get_lines()
line=lines[0]
type(line)
matplotlib.lines.Line2D

- 오브젝트내용 확인 (그닥 필요 없음)

line.properties()['data']
(array([0., 1., 2., 3.]), array([1, 2, 4, 3]))

- matplotlib의 설명

ref: https://matplotlib.org/stable/gallery/showcase/anatomy.html#sphx-glr-gallery-showcase-anatomy-py

B. plt.plot 쓰지 않고 그림그리기

- 개념:

  • Figure(fig): 도화지
  • Axes(ax): 도화지에 존재하는 그림틀
  • Axis, Lines: 그림틀 위에 올려지는 물체(object)

- 목표: 아래와 똑같은 그림을 plt.plot()을 쓰지 않고 만든다.

plt.plot([1,2,3,2],'--o')

- 아래와 같이 하면 된다.

fig = plt.Figure()
ax = fig.add_axes([0.125, 0.11, 0.775, 0.77])
ax.set_xlim([-0.15, 3.15])
ax.set_ylim([0.9, 3.1])
line = mpl.lines.Line2D(
    xdata=[0,1,2,3],
    ydata=[1,2,3,2],
    linestyle='--',
    marker='o'
)
ax.add_line(line)
fig

Figure

fig = plt.Figure()
  • 클래스를 모른다면: plt.Figure()는 도화지를 만드는 함수라 생각할 수 있음
  • 클래스문법에 익숙하다면: 이 과정은 사실 클래스 -> 인스턴스의 과정임 (plt라는 모듈안에 Figure라는 클래스가 있는데, 그 클래스에서 인스턴스를 만드는 과정임)
fig
<Figure size 640x480 with 0 Axes>
  • 아직은 아무것도 없음

Axes

ax = fig.add_axes([0.125, 0.11, 0.775, 0.77])
  • fig.add_axes는 fig에 소속된 함수이며, 도화지에서 그림틀을 ‘추가하는’ 함수이다.
fig

  • 이제 fig라는 이름의 도화지에는 추가된 그림틀이 보인다.

Axes 조정

ax.set_xlim([-0.15, 3.15])
ax.set_ylim([0.9, 3.1])
(0.9, 3.1)
fig

Lines

line = mpl.lines.Line2D(
    xdata=[0,1,2,3], 
    ydata=[1,2,3,2], 
    linestyle='--', 
    marker='o'
)
ax.add_line(line)
fig

fig

다른방법들

- 조금 다른 방법: Line2d 오브젝트를 쓰지 않는 방법

fig = plt.Figure()
ax = fig.add_axes([0.125, 0.11, 0.775, 0.77])
ax.plot([1,2,3,2],'--o')
fig

- 조금 다른 방법 (2): add_axes()를 쓰지 않는 방법

fig = plt.Figure()
ax = fig.subplots(1)
ax.plot([1,2,3,2],'--o')
fig

- 좀 더 다른 방법 (3)

fig, ax = plt.subplots(1)
ax.plot([1,2,3,2],'--o')

C. 정리 (\(\star\star\star\))

- 결국 아래는 모두 같은 코드이다.

## 코드1 
plt.plot([1,2,3,2],'--o')

## 코드2
fig,ax = plt.subplots()
ax.plot([1,2,3,2],'--o')

## 코드3
fig = plt.Figure()
ax = fig.subplots()
ax.plot([1,2,3,2],'--o')
fig

## 코드4
fig = plt.Figure()
ax = fig.add_axes([0.125, 0.11, 0.775, 0.77])
ax.plot([1,2,3,2],'--o')
fig

## 코드5
fig = plt.Figure()
ax = fig.add_axes([0.125, 0.11, 0.775, 0.77])
ax.set_xlim([-0.15, 3.15])
ax.set_ylim([0.9, 3.1])
line = mpl.lines.Line2D(
    xdata=[0,1,2,3], 
    ydata=[1,2,3,2], 
    linestyle='--', 
    marker='o'
)
ax.add_line(line)
fig

D. 미니맵

- 틀잡기

fig = plt.Figure()
ax = fig.add_axes([0,0,2,2])
ax_mini = fig.add_axes([1.4,0.2,0.5,0.5])
fig

ax.plot([1,5,3,4],'--o')
ax_mini.plot([1,2,3,1],'--or')
fig

5. Matplotlib: subplots

A. plt.subplots

- 예시1: plt.subplots 로 (2,1) subplots 생성

# fig, axs = plt.subplots(2) 
fig, (ax1,ax2) = plt.subplots(2,figsize=(4,4))
ax1.plot([1,2,3,2],'--r')
ax2.plot([1,2,4,3],'--o')
fig.tight_layout()
# plt.tight_layout()

- 예시2: plt.subplots 로 (2,2) subplots 생성

fig, ((ax1,ax2),(ax3,ax4)) = plt.subplots(2,2, figsize=(4,4))
ax1.plot([1,2,4,3],'o', color='C0')
ax2.plot([1,2,4,3],'o', color='C1')
ax3.plot([1,2,4,3],'o', color='C2')
ax4.plot([1,2,4,3],'o', color='C3')
fig.tight_layout()

B. plt.subplot \(\times\) n

- 예시3: plt.subplot 4번써서 (2,2) subplots 만들기

plt.figure(figsize=(4,4))
plt.subplot(2,2,1)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C0')
plt.subplot(2,2,2)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C1')
plt.subplot(2,2,3)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C2')
plt.subplot(2,2,4)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C3')
plt.tight_layout()

- 예시4: plt.subplot 의 희한한 활용

plt.figure(figsize=(4,4))
plt.subplot(2,2,1)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C0')
plt.subplot(2,2,2)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C1')
plt.subplot(2,1,2)
plt.plot([1,2,4,3],'o', color='C2')
plt.tight_layout()

6. Matplotlib: 미세하지만 유용한 팁

A. 그림만 보고 싶을때

plt.plot([1,2,3,4],[2,3,4,5]);

B. marker size, line width

plt.plot([1,2,3,4],[2,3,4,2],'o',ms=10)

plt.plot([1,2,3,4],[2,3,4,5],'--',lw=10)

C. label + legend

plt.plot([1,2,3,4],[1,2,3,2],'--o',label='A')
plt.plot([1,2,3,4],[3,2.1,1,3],'--o',label='B')
plt.legend()

D. 색깔조정 (C0,C1,…)

plt.plot([1,2,3,4],[1,2,3,2],'--o',label='A',color='C1')
plt.plot([1,2,3,4],[3,2.1,1,3],'--o',label='B',color='C0')
plt.legend()

E. title 설정

- (방법1)

plt.plot([1,2,3,4],[1,2,3,2],'--o',label='A',color='C1')
plt.plot([1,2,3,4],[3,2.1,1,3],'--o',label='B',color='C0')
plt.legend()
plt.title('title')
Text(0.5, 1.0, 'title')

- (방법2)

fig, ax = plt.subplots()
ax.plot([1,2,3,4],[1,2,3,2],'--o',label='A',color='C1')
ax.plot([1,2,3,4],[3,2.1,1,3],'--o',label='B',color='C0')
ax.legend()
ax.set_title('title')
Text(0.5, 1.0, 'title')

F. suptitle 설정

fig, ax = plt.subplots(2,2)
ax[0,0].plot([1,2,3,2],'--o',label='A',color='C0')
ax[0,0].set_title('(a)')
ax[0,1].plot([3,2.1,1,3],'--o',label='B',color='C1')
ax[0,1].set_title('(b)')
ax[1,0].plot([-3,-2.1,-1,-3],'--o',label='B',color='C2')
ax[1,0].set_title('(c)')
ax[1,1].plot([3,-2.1,1,-3],'--o',label='B',color='C3')
ax[1,1].set_title('(d)')
#plt.suptitle('suptitle')
fig.suptitle('suptitle')
Text(0.5, 0.98, 'suptitle')

G. tight_layout()

fig

fig.tight_layout()
fig

H. fig, ax, plt 소속

- 일단 그림 하나 그리고 이야기좀 해보자.

fig, ax = plt.subplots()
ax.plot([1,2,3,1])

- fig에는 있고 ax에는 없는 것

add_axes, tight_layout, suptitle, …

- ax에는 있고 fig에는 없는 것

boxplot, hist, plot, set_title, …

- plt는 대부분 다 있음. (의미상 명확한건 대충 알아서 fig, ax에 접근해서 처리해준다) - plt.tight_layout, plt.suptitle, plt.boxplot, plt.hist, plot.plot - plt.set_title 은 없지만 plt.title 은 있음 - plt.add_axes 는 없음..

I. x축, y축 label 설정

ax.xaxis.set_label_text('xlabel',size=16,family='serif',weight=1000,style='italic')
#_fontsettings={'size':16,'family':'serif','weight'=1000,'style':'italic'}
#ax.xaxis.set_label_text('xlabel',_fontsettings)
fig

폰트ref - size: - fontweight: 0~1000 - family: ‘serif’, ‘sans-serif’, ‘monospace’ - style: ‘normal’, ‘italic’

ax.set_ylabel('ylabel',size=16)
fig

J. Latex

- 예시1

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x1= np.linspace(-2,2,1000)
y1= (x1-1)**2 
fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x1,y1,'--')
ax.set_title('$y_1=(x_1-1)^2$')
Text(0.5, 1.0, '$y_1=(x_1-1)^2$')

- 예시2

x1 = np.linspace(-2,2,1000)
y1 = 0.5*(x1-1)**2 
fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x1,y1,'--')
ax.set_title(r'$y_1=\frac{1}{2}(x_1-1)^2$',size=20);

- 예시3

x1 = np.linspace(-2,2,1000)
y1 = 0.5*(x1-1)**2 
fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x1,y1,'--')
ax.set_title(r'$y_1=\frac{1}{2}(x_1-1)^2$',size=20)
ax.set_xlabel(r'$x_1$',size=15)
ax.set_ylabel(r'$y_1$',size=15);

- 예시4

x1 = np.linspace(-2,2,1000)
y1 = 0.5*(x1-1)**2 
y2 = 0.5*(x1+1)**2
fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x1,y1,'--',label=r'$\frac{1}{2}(x-1)^2$')
ax.plot(x1,y2,'--',label=r'$\frac{1}{2}(x+1)^2$')
ax.legend()

K. plt.subplot()을 활용한 액시즈 변경

- 예시1: 기본액시즈 – 이건 우리가 아는건데?

ax = plt.subplot(111,projection=None)
ax.plot([1,2,3,4],[1,2,4,3])

- 예시2: 3d 액시즈

ax = plt.subplot(111,projection='3d')
ax.plot([1,2,3,4],[1,2,-3,4],[1,2,-3,-4],'--o')
fig=plt.gcf()
fig.set_figheight(12)

- 예시3: polar 액시즈

ax=plt.subplot(111,projection='polar')
r = np.linspace(0,5,100)
theta = np.linspace(0,2*np.pi,100)
ax.plot(theta,r)