linux中使用gnuplot使您的數據可視化
基礎
通過在 shell 命令提示符中輸入 gnuplot 啓動 gnuplot。您首先看到提示符號 >。該提示符是進入 gnuplot
的輸入點；Linux 用戶將習慣於這種方式。例如，您可以使用方向鍵來查找以前輸入的命令歷史記錄，然後編輯和重新執行這些命令；Home 和 End
鍵與平時使用沒有區別。可以對 gnuplot 進行重新編譯以便使用 GNU readline 庫在輸入提示符上來回移動，但類似於默認函數。
Gnuplot 提供了廣泛的在線幫助，如果您要做任何有用的事情，則肯定會用到這些在線幫助。語法是統一的：通過輸入 help
我們剛剛創建了可能是最簡單的圖。讓我們看看如何以不同方法定製該圖。假設我們只想看到一個正弦曲線週期。我們通過限制圖的默認 x
範圍來完成此操作。使用表示法 [min:max] 來指定範圍。要僅指定最小值，使用 [min:]；要僅指定最大值，使用
[:max]。數學上稱此爲所謂的“閉”區間表示法。
這裏我們使用 [-pi:pi] 得到一個正弦曲線週期：
清單 1. 從 -pi 到 +pi 的 sin(x)
set xrange [-pi:pi]
replot
reset
我們剛纔使用了 replot 命令，它執行先前的 plot
命令。當您繪製曲線圖且需要不斷對該圖進行修改以添加想要的特徵時，此命令會非常有用。另外，replot 使您可以添加更多的圖。嘗試輸入
replot cos(x)。依照語法，該命令等同於 plot sin(x), cos(x)。Replot
就是獲取先前的繪圖字符串，添加必要的逗號，然後附加輸入給它的其餘部分。
使用的最後一個命令 reset 對於繪製正弦曲線不是必要的。它移除先前所有 set 命令的效果並恢復默認值。因此，在本例中，它將使用默認 x 範圍。
現在讓我們嘗試一些更奇特的東西：plot sin(x)/x。您應該看到如下所示圖形：
從剛纔這三個簡單的例子，您可以看到 gnuplot 能夠理解 pi
並具有豐富的自帶數學函數詞彙表。它甚至知道非常有用的管理正態分佈的統計函數，以及深奧的特殊函數，如朗伯、貝塞爾、beta 和 gamma
函數（還有更多！），這些函數通常僅在 mathematica 等功能齊全的數學工具中纔會有。根據經驗，語法與 C 中的語法相似，C
中的語法又與平常數學中使用的語法相似。（一個重要的不同是指數的表示法：爲了方便，x 的 y 次冪寫爲 x**y）。
接着，將圖命名爲（“My First Graph”），並命名軸（x 軸是“angle, in degrees”，y 軸是“sin(angle)”）。
清單 2. 命名圖和軸
set title "My first graph"
set xlabel "Angle, /n in degrees"
set ylabel "sin(angle)"
plot sin(x)
注意 xlabel 中的 /n 會產生新的一行。一般來說，gnuplot 在雙引號內的字符串中進行類似於 C 的反斜槓處理。Windows
用戶注意：如果您想文件名使用雙引號括起來的字符串表示，則必須使用兩個反斜槓：如
"c://developerworks"（或者可以使用一個正斜槓："c:/developerworks"）。
現在，我
們注意到 x 軸實際沒有標記爲度數，看起來不是很好。要修改此問題，通過調整 x 軸上的 tic 標記，使指定的（主）標記僅以 90
度增加和輔標記以 45 度增加。主 tics 的“級別”爲 0，這是默認值；輔 tics 的級別爲 1。每個點分別由一個 3
元組指定："label"（放在引號中）、
和
。
清單 3. 改變軸上 tic 並設置網格
set xrange [-pi:pi] # we want only one cycle
set xtics ("0" 0, "90" pi/2, "-90" -pi/2, "" pi/4 1, "" -pi/4 1, "" 3*pi/4 1, "" -3*pi/4 1)
set grid
set xlabel "Angle,/n in degrees"
set ylabel "sin(angle)"
plot sin(x)
注意對 +45 度和 -45 度輔標記使用了空標籤 ("")。還要注意我們不必以任何順序列出點。像 gnuplot
中的其他所有項一樣，xtics 命令功能非常多，具有方便的選項，用於以固定增量創建 tic
標記（在對數標度中爲正常倍數），以及用於時間相關數據的特殊格式。查看 help set xtics 中的例子可以獲得更多信息。
作爲邊注，注意我們使用反斜槓將 xtics 命令擴展成多個輸入行。這樣可以使比較長或比較複雜的命令更易讀懂。
我們還用 set grid 來設置網格，該命令使您可以從數量上查看圖。到現在爲止，我們大量地使用了 set 命令。Gnuplot
有一種撤銷設置的統一方法：在 gnuplot 4.0 中，命令是 unset。例如，如果您不想要網格，使用 unset grid。4.0
以前的版本，命令是 set nogrid。
順便說一下，我們提供的所有例子都可以在交互模式或批處理模式下運行。要以交互
模式運行，在提示符中輸入每個命令。要以批處理模式運行，將命令輸入或添加到文本文件中，然後在 gnuplot 提示符中使用 load
'filename' 讀入文件，或者在 shell 提示符下將其作爲參數提供給 gnuplot：$ gnuplot
filename。使用第二種方法，gnuplot
會在執行輸入文件中的所有命令後退出，所以當直接繪圖到文件中（請參見下一節）時，採用批處理模式執行特別有效。如果在屏幕上繪圖時使用第二種方法，輸出
窗口一出現（當 gnuplot 退出時）就會消失，所以您需要使用顯式的“pause -1”命令（請參閱 help pause）來保持窗口。
批處理模式操作中使用的 Gnuplot 命令文件往往停留一會，從而幫助使用註釋來提高可讀性。# 後面的直到行結束的內容是註釋。所以在示例清單 3 中，gnuplot 不處理 we want only one cycle。
終端設備 ―― 題外話
在啓動時，您可能注意到終端類型設置爲 X11。Gnuplot 採用標準設計，可以在多個終端設備上繪圖。這包括直接打印到多種打印機中，包括
Epson、HP 和 Imagen 打印機。它甚至可以在僞設備中繪圖，如 postscript 和
png。這主要涉及生成輸出文件，而不是可查看文件或打印輸出。這是將您的圖表包含在其他報表中的一種技巧。雖然我還沒有發現在 Windows 中與在
Linux 中有什麼不同，本文檔建議您在設置輸出文件名之前先設置終端類型：
清單 4. 設置輸出和終端類型
set terminal png # gnuplot recommends setting terminal before output
set output "output.png" # The output filename; to be set after setting
# terminal
replot
現在，文件 output.png
中有了您剛纔繪製的圖，且可以包含在一個更大的報表中。許多普遍使用的排版和製圖程序都有專門的終端，這些程序包括 Adobe
Illustrator（set term aifm）、Corel Draw（set term corel）、AutoCad（set term
dxf）和多種 LaTex 相關的終端（eepic、latex、pstricks、texdraw、tpic 等等）。您還可以得到
PostScript、enhanced PostScript (eps) 或 Adobe PDF 格式的文件。您的 gnuplot
版本可能沒有編譯所有的終端驅動程序 ―― 例如，Windows 用戶不需要 Xll 終端，Linux 用戶不需要 Windows
終端。類似地，出於法律原因，gnuplot 4.0 移除了對 gif 終端的支持。
所有終端在能力上都不相同。其中的一
些（如 LaTeX）可能不支持文本的旋轉，所以如果您像我們前面那樣設置 ylabel，在不同的終端中可能顯示不一樣。換句話說，您可以在
LaTeX 的特定終端中使用 LaTex 命令。例如，set ylabel "$sin(//theta)$"（注意我們使用兩個反斜槓產生一個
LaTex 所需的反斜槓 ―― gnuplot 在將雙引號中所括的字符串傳送到終端驅動程序之前，先對其進行反斜槓處理）。現在，您可以使用
/input{output.tex} 將輸出文件包含在 LaTeX 文件中。要在 PostScript 終端中獲得相同的結果，使用相應的
PostScript 命令：{/Symbol q}。在 enhanced PostScript 和 LaTeX 中，您可以使用表示法
x^{superscript} 和 x_{subscript} 得到上標文字。還要注意縮寫的終端
繪製數據圖
雖然本教程只是出於說明目的，大部分內容都集中於繪製正弦曲線，您很可能很想對試驗數據、銷售數據或其他類似數據繪圖。在這一節，我們將使用 IBM 的股票價格作爲數據集合說明如何繪製不同的圖（本例的原始數據包含在參考資料部分中）：
表 1. IBM 股票價格
大多數數據集合都是數字列，但是這個數據集合有所不同，因爲 x 軸是時間數據。下列代碼告訴 gnuplot 如何讀取和格式化 x 軸上的時間數據（有關詳細信息，請參閱 help time/data 和 help set timefmt）：
清單 8. 設置時序數據
set xdata time # The x axis data is time
set timefmt "%d-%b-%y" # The dates in the file look like 10-Jun-04
set format x "%b %d" # On the x-axis, we want tics like Jun 10
一旦設置完成，可以使用下列命令對開盤價繪圖。我們選擇在不同的開盤價之間使用直線插值法，並使用 linespoints 樣式，而不只是 points：
plot ["31-May-04":"11-Jun-04"] 'ibm.dat' using 1:2 with linespoints
象往常一樣，["31-May-04":"11-Jun-04"] 顯式設置了 xrange，但不是完全必要的。注意範圍的 min 和 max 需要指定爲符合 timefmt 的字符串。
取決於使用的繪圖樣式，gnuplot 在繪製一個點時最多可以使用六個不同的編號。當讀入記錄時，列從 1 開始編號。using 1:2 告訴 plot 命令使用第一列作爲 x 軸，第二列作爲 y 軸。所以要繪製收盤價圖，我們將使用 using 1:5。
每次 gnuplot 看到新的數據分隔符時，列編號就會增加。默認情況下，數據分隔符爲空格。所以如果時間格式中間有空格（例如 10 Jun
04，而不是 10-Jun-04），我們將需要使用 using 1:4 代替 1:2。對於 x
軸，我們僅需要指定數據開始的第一列。Gnuplot 能夠智能地使用 timefmt 字符串讀取其他列。
using
使您可以添加兩個以上的冒號，用於指定特定繪圖樣式可能需要的任何其他列。您還可以使用 $n 表示第 n
列，從而對二進制表達式進行繪圖。在一個完全虛構的示例中，我們假設不同的價格表示不同的試驗運行，我們要繪製平均價、最高價和最低價。
yerrorbars 樣式使您可以繪製 y-high/y-low 值（我們在 using 修飾符中指定爲 x:y:ylow:yhigh）以及計算
y 軸四個價格的平均值爲 ($2+$3+$4+$5)/4：
plot ["31-May-04":"11-Jun-04"] 'ibm.dat' using 1:($2+$3+$4+$5)/4:4:3 /
title 'daily prices, IBM' with yerrorbars
errorlines 樣式是相似的，但它還在繪製的 y 軸點之間繪製線段。對於繪製財務條形圖，Gnuplot
還有單獨的樣式，分別是最高價、最低價和 tics 在左邊，右邊爲開盤價和收盤價。我們使用 set bars 顯示開盤價和收盤價的較大
tics）：
set bars 5
plot ["31-May-04":"11-Jun-04"] 'ibm.dat' using 1:2:3:4:5 with financebars
您還可以查看 help plotting styles 獲得其他相關樣式，如 candlesticks、boxerrorbars 和錯誤繪圖樣式。
處理真實數據集合
當然，對於真實的數據集合，事情可能會變得更復雜。最常見的就是數據集合不使用空格字符分隔數據點。gnuplot 4.0 提供了新的功能，您可以使用 set datafile separator
指定自己的分隔符。同樣地，您還可以使用 set datafile commentschar 指定除了 #
之外的註釋字符。如果需要更多的控制，您可以爲 using 修飾符明確指定格式字符串。Gnuplot 使用 C 標準庫的 scanf
函數以及給定格式字符串（有關詳細信息，請參閱 help
using）讀入數據。我講述此方法僅是爲了內容更全面；能夠以此方法讀入的數據集合也可以使用 set data file separator
進行處理，或者通過顯式指定 using 修飾符中要使用的列編號來進行處理。例如，如果需要忽略第一列中的字符串，則使用 2:3
進行繪圖。爲了獲得更完全的靈活性，在具有 popen 函數的 Unix 類系統中，在將文件傳送給 plot
命令之前，可以使用文本處理實用程序對文件進行預處理。例如：plot "< awk --f preprocess.awk
data.file"。不幸的是，該命令不能在所有系統中使用。最後的一個方法是在 gnuplot 中使用輸入文件之前對其進行預處理。
有時，真實的數據可能沒有包含所有的點 ―― 對於要繪圖的列，可能有 x 值，但缺少相應的 y 值。Gnuplot 允許您指定字符串，用於表示缺少的數據點。例如：
set datafile missing 'NaN' # The IEEE floating point not-a-number
注意，在 4.0 版本之前，命令是 set missing 。
不幸的是，處理缺少數據的數據點的方法取決於 using 說明。如果想了解用法 plot 'file'、plot 'file' using
1:2 和 plot 'file' using ($1):($2) 之間區別的詳細信息，請參閱 help
using。但是爲了安全起見，通常指定列使用顯式的 using
格式，如果您想完全清除不合適的數據點，不要使用表達式求值（第三個選項會因爲括號而對表達式求值）――
而是，預處理數據文件並用計算的表達式的結果添加確切的列。
往常，您可能以一些無效的數據點而結束。如果 gnuplot
被告知忽略無效數據點，您仍可以對這樣的數據集合繪圖。Gnuplot 忽略未定義的點，這樣當您遇到不合適的點時，技巧就是使用未定義的 y
值，如1/0。類似於 C 的三元算符可以很容易地表達此信息（如果您不熟悉此函數，請參閱 help
ternary；在定義分段函數時它也非常有用）。下面是 help using 中介紹的一個例子，它使您以第二列作爲 y 值來繪圖，除非第三列大於
10：
plot 'file' using 1:($3>10 ? $2 : 1/0)
高級例子
雖然本文向您展示了會經常使用的大多數命令，但可能有些地方您還需要進一步地研究。在這一節，我們簡要討論其中一些概念，然後提供了其中一個
gnuplot 演示文件（electron.dem）中的腳本，該腳本繪製電子學中常見的幅頻響應圖，用以說明它們的用法。
用戶定義的函數和變量
您可以任意定義自己的複雜函數，如下面的 A(jw)。這些函數可以用參數 (p1, p2) 表示，您可以稍後在 plot 命令中使用它們之前再定義參數變量。
複數
Gnuplot 可以識別複數。{a,b} 表示複數 a+bi。您可以使用函數 abs() 和 arg() 獲得絕對值和輻角。
虛變量
當在 plot 命令中使用 sin(x) 時，gnuplot 將 x 用作虛變量，並對它賦不同的值以獲得示例。當編寫複雜的用戶定義的函數時，您可以使用函數定義中使用的傳統變量名稱，也可以顯式設置要使用的虛變量的名稱（例如，set dummy jw）。
x2 和 y2 軸
除了常見的沿着曲線圖底部和左邊的 x 軸和 y
軸之外，還可以使用曲線圖的頂部（x2）和右端（y2）作爲單獨的軸。這些軸都相互獨立，可以單獨設置範圍、tics、標籤和比例（例如對數刻度）。而
且，通過使用 axes 子句，plot 命令可以使用不同的軸集合，如 x2y2。默認情況下，plot 命令以 x 軸和 y
軸繪圖。當您需要同時繪製範圍爲不同量級或具有不同單位的線時，此高級功能非常有幫助。在下面的示例中，y 軸繪製振幅，最大值爲 1，y2
軸繪製相位，最大值爲 100。如果對軸的相同集合繪圖，振幅曲線幾乎看不出來。
對數刻度
您可以使用 set
logscale 命令以對數刻度繪製任何軸。此命令在軸上繪製以 10 爲底的值的對數。您可以顯式設置使用的底數（例如，set logscale
2，或如果僅爲 x 主軸和 y 主軸設置底數，則可以使用 set logscale xy 2）。
下例摘自與 gnuplot 一起提供的演示文件 electron.dem。此腳本使用了上面討論的所有高級概念：
清單 9. 幅頻響應
A(jw) = ({0,1}*jw/({0,1}*jw+p1)) * (1/(1+{0,1}*jw/p2))
p1 = 10
p2 = 10000
set dummy jw
set grid x y2
set key default
set logscale xy
set log x2
unset log y2
set title "Amplitude and Phase Frequency Response"
set xlabel "jw (radians)"
set xrange [1.1 : 90000.0]
set x2range [1.1 : 90000.0]
set ylabel "magnitude of A(jw)"
set y2label "Phase of A(jw) (degrees)"
set ytics nomirror
set y2tics
set tics out
set autoscale y
set autoscale y2
plot abs(A(jw)), 180/pi*arg(A(jw)) axes x2y2
結束語
在本文中，我們討論了使用新發布的 gnuplot 4.0 繪製 2D 圖形的複雜性。雖然我們接觸了大多數的關於使用 gunplot
的重要方面，但限於篇幅有限，我們仍有少數主題沒有討論。值得注意的一些省略範圍包括從非常簡單的參數函數繪圖（請參見 help
parametric）、極座標（help polar），到曲線擬合（它使用戶定義曲線與