【数据分析】Matplotlib可视化最有价值的图表之——6、变化(Change)

标签: Python  数据分析  Matplotlib  数据可视化

  在数据分析和可视化中最有用的 50 个 Matplotlib 图表。 这些图表列表允许使用 python 的 matplotlib 和 seaborn 库选择要显示的可视化对象。

  这里开始第六部分内容:变化(Change)

准备工作

在代码运行前先引入下面的设置内容。 当然,单独的图表,可以重新设置显示要素。

# !pip install brewer2mpl
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import warnings; warnings.filterwarnings(action='once')

large = 22; med = 16; small = 12
params = {'axes.titlesize': large,
          'legend.fontsize': med,
          'figure.figsize': (16, 10),
          'axes.labelsize': med,
          'axes.titlesize': med,
          'xtick.labelsize': med,
          'ytick.labelsize': med,
          'figure.titlesize': large}
plt.rcParams.update(params)
plt.style.use('seaborn-whitegrid')
sns.set_style("white")
# %matplotlib inline

# Version
print(mpl.__version__)  # >> 3.0.2
print(sns.__version__)  # >> 0.9.0

本节内容

变化(Change)

35 时间序列图 (Time Series Plot)
36 带波峰波谷标记的时序图 (Time Series with Peaks and Troughs Annotated)
37 自相关和部分自相关图 (Autocorrelation (ACF) and Partial Autocorrelation (PACF) Plot)
38 交叉相关图 (Cross Correlation plot)
39 时间序列分解图 (Time Series Decomposition Plot)
40 多个时间序列 (Multiple Time Series)
41 使用辅助 Y 轴来绘制不同范围的图形 (Plotting with different scales using secondary Y axis)
42 带有误差带的时间序列 (Time Series with Error Bands)
43 堆积面积图 (Stacked Area Chart)
44 未堆积的面积图 (Area Chart UnStacked)
45 日历热力图 (Calendar Heat Map)
46 季节图 (Seasonal Plot)


35 时间序列图 (Time Series Plot)

时间序列图用于显示给定度量随时间变化的方式。 在这里,您可以看到 1949年 至 1969年间航空客运量的变化情况。

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/AirPassengers.csv')

# Draw Plot
plt.figure(figsize=(16,10), dpi= 80)
plt.plot('date', 'traffic', data=df, color='tab:red')

# Decoration
plt.ylim(50, 750)
xtick_location = df.index.tolist()[::12]
xtick_labels = [x[-4:] for x in df.date.tolist()[::12]]
plt.xticks(ticks=xtick_location, labels=xtick_labels, rotation=0, fontsize=12, horizontalalignment='center', alpha=.7)
plt.yticks(fontsize=12, alpha=.7)
plt.title("Air Passengers Traffic (1949 - 1969)", fontsize=22)
plt.grid(axis='both', alpha=.3)

# Remove borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(0.0)    
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(0.3)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(0.0)    
plt.gca().spines["left"].set_alpha(0.3)   
plt.show()

在这里插入图片描述


36 带波峰波谷标记的时序图 (Time Series with Peaks and Troughs Annotated)

下面的时间序列绘制了所有峰值和低谷,并注释了所选特殊事件的发生。

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/AirPassengers.csv')

# Get the Peaks and Troughs
data = df['traffic'].values
doublediff = np.diff(np.sign(np.diff(data)))
peak_locations = np.where(doublediff == -2)[0] + 1

doublediff2 = np.diff(np.sign(np.diff(-1*data)))
trough_locations = np.where(doublediff2 == -2)[0] + 1

# Draw Plot
plt.figure(figsize=(16,10), dpi= 80)
plt.plot('date', 'traffic', data=df, color='tab:blue', label='Air Traffic')
plt.scatter(df.date[peak_locations], df.traffic[peak_locations], marker=mpl.markers.CARETUPBASE, color='tab:green', s=100, label='Peaks')
plt.scatter(df.date[trough_locations], df.traffic[trough_locations], marker=mpl.markers.CARETDOWNBASE, color='tab:red', s=100, label='Troughs')

# Annotate
for t, p in zip(trough_locations[1::5], peak_locations[::3]):
    plt.text(df.date[p], df.traffic[p]+15, df.date[p], horizontalalignment='center', color='darkgreen')
    plt.text(df.date[t], df.traffic[t]-35, df.date[t], horizontalalignment='center', color='darkred')

# Decoration
plt.ylim(50,750)
xtick_location = df.index.tolist()[::6]
xtick_labels = df.date.tolist()[::6]
plt.xticks(ticks=xtick_location, labels=xtick_labels, rotation=90, fontsize=12, alpha=.7)
plt.title("Peak and Troughs of Air Passengers Traffic (1949 - 1969)", fontsize=22)
plt.yticks(fontsize=12, alpha=.7)

# Lighten borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(.0)
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(.3)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(.0)
plt.gca().spines["left"].set_alpha(.3)

plt.legend(loc='upper left')
plt.grid(axis='y', alpha=.3)
plt.show()

在这里插入图片描述


37 自相关和部分自相关图 (ACF and PACF Plot)

  自相关图(ACF 图)显示时间序列与其自身滞后的相关性。 每条垂直线(在自相关图上)表示系列与滞后 0 之间的滞后之间的相关性。图中的蓝色阴影区域是显着性水平。 那些位于蓝线之上的滞后是显着的滞后。
  那么如何解读呢?
  对于空乘旅客,我们看到多达 14 个滞后跨越蓝线,因此非常重要。 这意味着,14 年前的航空旅客交通量对今天的交通状况有影响。
  PACF 在另一方面显示了任何给定滞后(时间序列)与当前序列的自相关,但是删除了滞后的贡献。

from statsmodels.graphics.tsaplots import plot_acf, plot_pacf

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/AirPassengers.csv')

# Draw Plot
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2,figsize=(16,6), dpi= 80)
plot_acf(df.traffic.tolist(), ax=ax1, lags=50)
plot_pacf(df.traffic.tolist(), ax=ax2, lags=20)

# Decorate
# lighten the borders
ax1.spines["top"].set_alpha(.3); ax2.spines["top"].set_alpha(.3)
ax1.spines["bottom"].set_alpha(.3); ax2.spines["bottom"].set_alpha(.3)
ax1.spines["right"].set_alpha(.3); ax2.spines["right"].set_alpha(.3)
ax1.spines["left"].set_alpha(.3); ax2.spines["left"].set_alpha(.3)

# font size of tick labels
ax1.tick_params(axis='both', labelsize=12)
ax2.tick_params(axis='both', labelsize=12)
plt.show()

在这里插入图片描述


38 交叉相关图 (Cross Correlation plot)

交叉相关图显示了两个时间序列相互之间的滞后。

import statsmodels.tsa.stattools as stattools

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/mortality.csv')
x = df['mdeaths']
y = df['fdeaths']

# Compute Cross Correlations
ccs = stattools.ccf(x, y)[:100]
nlags = len(ccs)

# Compute the Significance level
# ref: https://stats.stackexchange.com/questions/3115/cross-correlation-significance-in-r/3128#3128
conf_level = 2 / np.sqrt(nlags)

# Draw Plot
plt.figure(figsize=(12,7), dpi= 80)

plt.hlines(0, xmin=0, xmax=100, color='gray')  # 0 axis
plt.hlines(conf_level, xmin=0, xmax=100, color='gray')
plt.hlines(-conf_level, xmin=0, xmax=100, color='gray')

plt.bar(x=np.arange(len(ccs)), height=ccs, width=.3)

# Decoration
plt.title('$Cross\; Correlation\; Plot:\; mdeaths\; vs\; fdeaths$', fontsize=22)
plt.xlim(0,len(ccs))
plt.show()

在这里插入图片描述


39 时间序列分解图 (Time Series Decomposition Plot)

时间序列分解图显示时间序列分解为趋势,季节和残差分量。

from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
from dateutil.parser import parse

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/AirPassengers.csv')
dates = pd.DatetimeIndex([parse(d).strftime('%Y-%m-01') for d in df['date']])
df.set_index(dates, inplace=True)

# Decompose
result = seasonal_decompose(df['traffic'], model='multiplicative')

# Plot
plt.rcParams.update({'figure.figsize': (10,10)})
result.plot().suptitle('Time Series Decomposition of Air Passengers')
plt.show()

在这里插入图片描述


40 多个时间序列 (Multiple Time Series)

可以绘制多个时间序列,在同一图表上测量相同的值,如下所示。

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/mortality.csv')

# Define the upper limit, lower limit, interval of Y axis and colors
y_LL = 100
y_UL = int(df.iloc[:, 1:].max().max()*1.1)
y_interval = 400
mycolors = ['tab:red', 'tab:blue', 'tab:green', 'tab:orange']    

# Draw Plot and Annotate
fig, ax = plt.subplots(1,1,figsize=(16, 9), dpi= 80)    

columns = df.columns[1:]  
for i, column in enumerate(columns):
    # 原文此处有误,Python数据之道 备注
    # 访问 liyangbit.com , 查看本文完整内容
    plt.plot(df.date.values, df[column].values, lw=1.5, color=mycolors[i])    
    plt.text(df.shape[0]+1, df[column].values[-1], column, fontsize=14, color=mycolors[i])

# Draw Tick lines  
for y in range(y_LL, y_UL, y_interval):    
    plt.hlines(y, xmin=0, xmax=71, colors='black', alpha=0.3, linestyles="--", lw=0.5)

# Decorations    
plt.tick_params(axis="both", which="both", bottom=False, top=False,    
                labelbottom=True, left=False, right=False, labelleft=True)        

# Lighten borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(.3)
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(.3)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(.3)
plt.gca().spines["left"].set_alpha(.3)

plt.title('Number of Deaths from Lung Diseases in the UK (1974-1979)', fontsize=22)
plt.yticks(range(y_LL, y_UL, y_interval), [str(y) for y in range(y_LL, y_UL, y_interval)], fontsize=12)    
plt.xticks(range(0, df.shape[0], 12), df.date.values[::12], horizontalalignment='left', fontsize=12)    
plt.ylim(y_LL, y_UL)    
plt.xlim(-2, 80)    
plt.show()

在这里插入图片描述


41 使用辅助 Y 轴来绘制不同范围的图形

如果要显示在同一时间点测量两个不同数量的两个时间序列,则可以在右侧的辅助Y轴上再绘制第二个系列。

# Import Data
df = pd.read_csv("https://github.com/selva86/datasets/raw/master/economics.csv")

x = df['date']
y1 = df['psavert']
y2 = df['unemploy']

# Plot Line1 (Left Y Axis)
fig, ax1 = plt.subplots(1,1,figsize=(16,9), dpi= 80)
ax1.plot(x, y1, color='tab:red')

# Plot Line2 (Right Y Axis)
ax2 = ax1.twinx()  # instantiate a second axes that shares the same x-axis
ax2.plot(x, y2, color='tab:blue')

# Decorations
# ax1 (left Y axis)
ax1.set_xlabel('Year', fontsize=20)
ax1.tick_params(axis='x', rotation=0, labelsize=12)
ax1.set_ylabel('Personal Savings Rate', color='tab:red', fontsize=20)
ax1.tick_params(axis='y', rotation=0, labelcolor='tab:red' )
ax1.grid(alpha=.4)

# ax2 (right Y axis)
ax2.set_ylabel("# Unemployed (1000's)", color='tab:blue', fontsize=20)
ax2.tick_params(axis='y', labelcolor='tab:blue')
ax2.set_xticks(np.arange(0, len(x), 60))
ax2.set_xticklabels(x[::60], rotation=90, fontdict={'fontsize':10})
ax2.set_title("Personal Savings Rate vs Unemployed: Plotting in Secondary Y Axis", fontsize=22)
fig.tight_layout()
plt.show()

在这里插入图片描述


42 带有误差带的时间序列 (Time Series with Error Bands)

  如果你有一个时间序列数据集,每个时间点(日期/时间戳)有多个观测值,则可以构建带有误差带的时间序列。 你可以在下面看到一些基于每天不同时间订单的示例。 另一个关于 45 天持续到达的订单数量的例子。
  在该方法中,订单数量的平均值由白线表示。 并且计算 95% 置信区间并围绕均值绘制。

from scipy.stats import sem

# Import Data
df = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/selva86/datasets/master/user_orders_hourofday.csv")
df_mean = df.groupby('order_hour_of_day').quantity.mean()
df_se = df.groupby('order_hour_of_day').quantity.apply(sem).mul(1.96)

# Plot
plt.figure(figsize=(16,10), dpi= 80)
plt.ylabel("# Orders", fontsize=16)  
x = df_mean.index
plt.plot(x, df_mean, color="white", lw=2)
plt.fill_between(x, df_mean - df_se, df_mean + df_se, color="#3F5D7D")  

# Decorations
# Lighten borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(1)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["left"].set_alpha(1)
plt.xticks(x[::2], [str(d) for d in x[::2]] , fontsize=12)
plt.title("User Orders by Hour of Day (95% confidence)", fontsize=22)
plt.xlabel("Hour of Day")

s, e = plt.gca().get_xlim()
plt.xlim(s, e)

# Draw Horizontal Tick lines  
for y in range(8, 20, 2):    
    plt.hlines(y, xmin=s, xmax=e, colors='black', alpha=0.5, linestyles="--", lw=0.5)

plt.show()

在这里插入图片描述

# "Data Source: https://www.kaggle.com/olistbr/brazilian-ecommerce#olist_orders_dataset.csv"
from dateutil.parser import parse
from scipy.stats import sem

# Import Data
df_raw = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/selva86/datasets/master/orders_45d.csv',
                     parse_dates=['purchase_time', 'purchase_date'])

# Prepare Data: Daily Mean and SE Bands
df_mean = df_raw.groupby('purchase_date').quantity.mean()
df_se = df_raw.groupby('purchase_date').quantity.apply(sem).mul(1.96)

# Plot
plt.figure(figsize=(16,10), dpi= 80)
plt.ylabel("# Daily Orders", fontsize=16)  
x = [d.date().strftime('%Y-%m-%d') for d in df_mean.index]
plt.plot(x, df_mean, color="white", lw=2)
plt.fill_between(x, df_mean - df_se, df_mean + df_se, color="#3F5D7D")  

# Decorations
# Lighten borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(1)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["left"].set_alpha(1)
plt.xticks(x[::6], [str(d) for d in x[::6]] , fontsize=12)
plt.title("Daily Order Quantity of Brazilian Retail with Error Bands (95% confidence)", fontsize=20)

# Axis limits
s, e = plt.gca().get_xlim()
plt.xlim(s, e-2)
plt.ylim(4, 10)

# Draw Horizontal Tick lines  
for y in range(5, 10, 1):    
    plt.hlines(y, xmin=s, xmax=e, colors='black', alpha=0.5, linestyles="--", lw=0.5)

plt.show()

在这里插入图片描述


43 堆积面积图 (Stacked Area Chart)

堆积面积图可以直观地显示多个时间序列的贡献程度,因此很容易相互比较。

# Import Data
df = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/selva86/datasets/master/nightvisitors.csv')

# Decide Colors
mycolors = ['tab:red', 'tab:blue', 'tab:green', 'tab:orange', 'tab:brown', 'tab:grey', 'tab:pink', 'tab:olive']      

# Draw Plot and Annotate
fig, ax = plt.subplots(1,1,figsize=(16, 9), dpi= 80)
columns = df.columns[1:]
labs = columns.values.tolist()

# Prepare data
x  = df['yearmon'].values.tolist()
y0 = df[columns[0]].values.tolist()
y1 = df[columns[1]].values.tolist()
y2 = df[columns[2]].values.tolist()
y3 = df[columns[3]].values.tolist()
y4 = df[columns[4]].values.tolist()
y5 = df[columns[5]].values.tolist()
y6 = df[columns[6]].values.tolist()
y7 = df[columns[7]].values.tolist()
y = np.vstack([y0, y2, y4, y6, y7, y5, y1, y3])

# Plot for each column
labs = columns.values.tolist()
ax = plt.gca()
ax.stackplot(x, y, labels=labs, colors=mycolors, alpha=0.8)

# Decorations
ax.set_title('Night Visitors in Australian Regions', fontsize=18)
ax.set(ylim=[0, 100000])
ax.legend(fontsize=10, ncol=4)
plt.xticks(x[::5], fontsize=10, horizontalalignment='center')
plt.yticks(np.arange(10000, 100000, 20000), fontsize=10)
plt.xlim(x[0], x[-1])

# Lighten borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(.3)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["left"].set_alpha(.3)

plt.show()

在这里插入图片描述


44 未堆积的面积图 (Area Chart UnStacked)

  未堆积面积图用于可视化两个或更多个系列相对于彼此的进度(起伏)。 在下面的图表中,你可以清楚地看到随着失业中位数持续时间的增加,个人储蓄率会下降。 未堆积面积图表很好地展示了这种现象。

# Import Data
df = pd.read_csv("https://github.com/selva86/datasets/raw/master/economics.csv")

# Prepare Data
x = df['date'].values.tolist()
y1 = df['psavert'].values.tolist()
y2 = df['uempmed'].values.tolist()
mycolors = ['tab:red', 'tab:blue', 'tab:green', 'tab:orange', 'tab:brown', 'tab:grey', 'tab:pink', 'tab:olive']      
columns = ['psavert', 'uempmed']

# Draw Plot
fig, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(16,9), dpi= 80)
ax.fill_between(x, y1=y1, y2=0, label=columns[1], alpha=0.5, color=mycolors[1], linewidth=2)
ax.fill_between(x, y1=y2, y2=0, label=columns[0], alpha=0.5, color=mycolors[0], linewidth=2)

# Decorations
ax.set_title('Personal Savings Rate vs Median Duration of Unemployment', fontsize=18)
ax.set(ylim=[0, 30])
ax.legend(loc='best', fontsize=12)
plt.xticks(x[::50], fontsize=10, horizontalalignment='center')
plt.yticks(np.arange(2.5, 30.0, 2.5), fontsize=10)
plt.xlim(-10, x[-1])

# Draw Tick lines  
for y in np.arange(2.5, 30.0, 2.5):    
    plt.hlines(y, xmin=0, xmax=len(x), colors='black', alpha=0.3, linestyles="--", lw=0.5)

# Lighten borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(.3)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(0)
plt.gca().spines["left"].set_alpha(.3)
plt.show()

在这里插入图片描述


45 日历热力图 (Calendar Heat Map)

  与时间序列相比,日历地图是可视化基于时间的数据的备选和不太优选的选项。 虽然可以在视觉上吸引人,但数值并不十分明显。 然而,它可以很好地描绘极端值和假日效果。(注:需要安装 calmap 库)

import matplotlib as mpl

# pip install calmap  
import calmap

# Import Data
df = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/selva86/datasets/master/yahoo.csv", parse_dates=['date'])
df.set_index('date', inplace=True)

# Plot
plt.figure(figsize=(16,10), dpi= 80)
calmap.calendarplot(df['2014']['VIX.Close'], fig_kws={'figsize': (16,10)}, yearlabel_kws={'color':'black', 'fontsize':14}, subplot_kws={'title':'Yahoo Stock Prices'})
plt.show()

在这里插入图片描述


46 季节图 (Seasonal Plot)

季节图可用于比较上一季中同一天(年/月/周等)的时间序列。

from dateutil.parser import parse

# Import Data
df = pd.read_csv('https://github.com/selva86/datasets/raw/master/AirPassengers.csv')

# Prepare data
df['year'] = [parse(d).year for d in df.date]
df['month'] = [parse(d).strftime('%b') for d in df.date]
years = df['year'].unique()

# Draw Plot
mycolors = ['tab:red', 'tab:blue', 'tab:green', 'tab:orange', 'tab:brown', 'tab:grey', 'tab:pink', 'tab:olive', 'deeppink', 'steelblue', 'firebrick', 'mediumseagreen']      
plt.figure(figsize=(16,10), dpi= 80)

for i, y in enumerate(years):
    plt.plot('month', 'traffic', data=df.loc[df.year==y, :], color=mycolors[i], label=y)
    plt.text(df.loc[df.year==y, :].shape[0]-.9, df.loc[df.year==y, 'traffic'][-1:].values[0], y, fontsize=12, color=mycolors[i])

# Decoration
plt.ylim(50,750)
plt.xlim(-0.3, 11)
plt.ylabel('$Air Traffic$')
plt.yticks(fontsize=12, alpha=.7)
plt.title("Monthly Seasonal Plot: Air Passengers Traffic (1949 - 1969)", fontsize=22)
plt.grid(axis='y', alpha=.3)

# Remove borders
plt.gca().spines["top"].set_alpha(0.0)    
plt.gca().spines["bottom"].set_alpha(0.5)
plt.gca().spines["right"].set_alpha(0.0)    
plt.gca().spines["left"].set_alpha(0.5)   
# plt.legend(loc='upper right', ncol=2, fontsize=12)
plt.show()

在这里插入图片描述


总结

第六部分【变化】(Change) 就到这里结束啦~

传送门

Matplotlib可视化图表——第一部分【关联】(Correlation)
Matplotlib可视化图表——第二部分【偏差】(Deviation)
Matplotlib可视化图表——第三部分【排序】(Ranking)
Matplotlib可视化图表——第四部分【分布】(Distribution)
Matplotlib可视化图表——第五部分【组成】(Composition)
Matplotlib可视化图表——第六部分【变化】(Change)
Matplotlib可视化图表——第七部分【分组】(Groups)

完整版参考

原文地址: Top 50 matplotlib Visualizations – The Master Plots (with full python code)
中文转载:深度好文 | Matplotlib可视化最有价值的 50 个图表(附完整 Python 源代码)

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