Matplotlib 可视化之注释与文本高级应用

2022-05-24 14:30:21 浏览数 (1)
装饰物指定所有你可以添加到一个画布的额外元素，这样可以看美化它或使它表达更清晰。装饰物包括一些标准元素，如图例、注释、颜色条、文本等，但你也可以专门为你的画布设计自己的元素。今天云朵君和大家一起学习标准元素(注释和文本)以及特定元素(使用垂直标记在x轴上报告的根)的混合。

定义贝塞尔函数：

J_n(x) = frac{1}{2pi} int_{-pi}^pi e^{i(x sin tau -n tau)} ,dtau

可以使用scipy.special.jn()函数，其中需要计算整数阶贝塞尔函数 Jn 的零点，可以使用函数 scipy.special.jn_zeros(n, nt)

绘图前准备

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import numpy as np
from scipy.special import jn, jn_zeros
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Songti SC'] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 用来正常显示负号
plt.rc("xtick", labelsize="small")
plt.rc("ytick", labelsize="small")

设置画布

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fig = plt.figure(figsize=(8, 4), dpi=100)
ax = plt.subplot(xlim=[0, 20], ylim=[-0.5, 1])

绘图

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i = 0
X = np.linspace(0, 20, 1000, endpoint=True)
Ji = jn(i, X)
# 配置图表样式参数
linewidth = 1.5 if i == 0 else 1
linestyle = "-" if i == 0 else "-"
color = "C1" if i == 0 else "%.2f" % (i / n)
label = r"$J_%d$" % i
# 绘图
ax.plot(
  X,
  Ji,
  color=color,
  clip_on=False,
  zorder=10 - i, # 图形叠放次序
  linewidth=linewidth,
  linestyle=linestyle,
  label=label,
)

配置图例

使用图例函数
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ax.legend()
使用文字注释
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k = np.argmax(Ji) # 获取曲线最大值的索引
# 在曲线最大位置上面标注
ax.text(
    X[k],
    Ji[k]   0.05,
    label,
    color=color,
    usetex=True,  # 使用Latex语法
    ha="center",
    va="bottom",
    size="small",
  )

标注出函数等于零时的根

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# 计算整数阶贝塞尔函数 Jn 的零点
Zx = [x for x in jn_zeros(i, 6) if x < 20]
# y 值恒等于0
Zy = np.zeros(len(Zx))
# 绘制散点图
ax.scatter(Zx, Zy, s=15, 
           zorder=20, 
           edgecolor=color, 
           facecolor="white", 
           linewidth=1)

# 箭头标注
ax.annotate(
    "Root",   # 标注文字
    (Zx[0], Zy[0]), 
    size="small",
    xytext=(-30, -30),
    textcoords="offset points",
    arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=-0.3"),
  )
# y 等于0 的一条线
ax.axhline(0, color="0.5", linewidth=0.5)

标注函数公式及名称

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ax.set_title(
    "Bessel functions",
    x=1,
    weight="light", ha="right",      
    family="Hiragino Sans",
    transform=ax.transAxes, 
)

ax.text(
    1, 0.98,
    r"$J_n(x) = frac{1}{2pi} int_{-pi}^pi e^{i(x sin tau -n tau)} ,dtau$",
    va="top", ha="right",       
    transform=ax.transAxes,      
    size=12,  usetex=True,)

配置坐标轴

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Zy = -0.6 * np.ones(len(Zx))
# 在x轴上用散点图的方式绘制出每个贝塞尔函数零点的刻度标识
ax.scatter(
        Zx, Zy,
        s=30, zorder=20,
        clip_on=False,
        marker="|",
        facecolor="black",
        linewidth=0.5,
      )
# 设置轴刻度标签
ax.set_yticks([-0.5, 0, 0.5, 1])
ax.set_xticks([0, 10, 20])
# 隐藏上面和右边的轴线
ax.spines["right"].set_visible(False)
ax.spines["top"].set_visible(False)
# 调整左边和底部的轴线位置
ax.spines["left"].set_position(("data", -1))
ax.spines["bottom"].set_position(("data", -0.6))

绘制多阶贝塞尔函数

细节处理

因为有多条线的交叉，我们设置白色间隙，在绘制每条函数折线时，同时绘制一条位于其下方、宽度略宽于对应折线的白色折线。因此在视觉效果上更加清晰分辨二者。

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ax.plot(X, Ji, color="white", clip_on=False,
        zorder=10 - i, linewidth=2.5)

绘制过程视频欣赏

附录：报错与解决

报错:

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No such file or directory: 'latex'.

解决:

windows系统下的安装步骤:

第一步：安装MiKTeX； 第二步：安装dviping(a DVI-to-PNG convert):MiKTeX中的miktex包含安装程序dviping.exe，在路径"bin/x64/dvipng.exe"下； 第三部：安装Ghostscript[1]；安装完成后需要进行一些必要的软件安装和PATH环境变量的配置。

mac系统下的安装步骤：

第一步：安装python模块latex：pip3 install latex 第二步：安装latex环境MacTex[2]：brew install mactex 或者直接在官网下载安装包[3]

  1. 查看是否安装成功 latex --version或者which latex
  2. latex的使用参考文档[4]

第三步：MacTex安装成功后打开Tex Live Utility app然后将里面可更跟新的全部更新。参考文档[5]

⚠️记得，如果上述办法都试过，还不行，重新电脑！

参考资料

[1]

Ghostscript: http://nicethemes.cn/news/txtlist_i101534v.html

[2]

latex环境MacTex: https://www.cnblogs.com/antiquality/p/15561627.html

[3]

官网下载安装包: https://tug.org/mactex/mactex-download.html

[4]

https://liuchengxu.blog.csdn.net/article/details/50608124

[5]

https://stackoverflow.com/questions/31214214/matplotlib-error-latex-was-not-able-to-process-the-following-string-lp

[6]

Scientific Visualisation-Python & Matplotlib

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