【數據分析】Matplotlib可視化最有價值的圖表之——6、變化(Change)

  在數據分析和可視化中最有用的 50 個 Matplotlib 圖表。 這些圖表列表允許使用 python 的 matplotlib 和 seaborn 庫選擇要顯示的可視化對象。

  這裏開始第六部分內容：變化（Change）

準備工作

在代碼運行前先引入下面的設置內容。 當然，單獨的圖表，可以重新設置顯示要素。

# !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

本節內容

變化（Change）

35 時間序列圖 （Time Series Plot）
36 帶波峯波谷標記的時序圖 （Time Series with Peaks and Troughs Annotated）
37 自相關和部分自相關圖 （Autocorrelation (ACF) and Partial Autocorrelation (PACF) Plot）
38 交叉相關圖 （Cross Correlation plot）
39 時間序列分解圖 （Time Series Decomposition Plot）
40 多個時間序列 （Multiple Time Series）
41 使用輔助 Y 軸來繪製不同範圍的圖形 （Plotting with different scales using secondary Y axis）
42 帶有誤差帶的時間序列 （Time Series with Error Bands）
43 堆積面積圖 （Stacked Area Chart）
44 未堆積的面積圖 （Area Chart UnStacked）
45 日曆熱力圖 （Calendar Heat Map）
46 季節圖 （Seasonal Plot）

35 時間序列圖 （Time Series Plot）

時間序列圖用於顯示給定度量隨時間變化的方式。 在這裏，您可以看到 1949年 至 1969年間航空客運量的變化情況。

# 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()

36 帶波峯波谷標記的時序圖 （Time Series with Peaks and Troughs Annotated）

下面的時間序列繪製了所有峯值和低谷，並註釋了所選特殊事件的發生。

# 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()

37 自相關和部分自相關圖 （ACF and PACF Plot）

  自相關圖（ACF 圖）顯示時間序列與其自身滯後的相關性。 每條垂直線（在自相關圖上）表示系列與滯後 0 之間的滯後之間的相關性。圖中的藍色陰影區域是顯着性水平。 那些位於藍線之上的滯後是顯着的滯後。
  那麼如何解讀呢？
  對於空乘旅客，我們看到多達 14 個滯後跨越藍線，因此非常重要。 這意味着，14 年前的航空旅客交通量對今天的交通狀況有影響。
  PACF 在另一方面顯示了任何給定滯後（時間序列）與當前序列的自相關，但是刪除了滯後的貢獻。

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()

38 交叉相關圖 （Cross Correlation plot）

交叉相關圖顯示了兩個時間序列相互之間的滯後。

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()

39 時間序列分解圖 （Time Series Decomposition Plot）

時間序列分解圖顯示時間序列分解爲趨勢，季節和殘差分量。

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()

40 多個時間序列 （Multiple Time Series）

可以繪製多個時間序列，在同一圖表上測量相同的值，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):
    # 原文此處有誤
    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()

41 使用輔助 Y 軸來繪製不同範圍的圖形

如果要顯示在同一時間點測量兩個不同數量的兩個時間序列，則可以在右側的輔助Y軸上再繪製第二個系列。

# 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()

42 帶有誤差帶的時間序列 （Time Series with Error Bands）

  如果你有一個時間序列數據集，每個時間點（日期/時間戳）有多個觀測值，則可以構建帶有誤差帶的時間序列。 你可以在下面看到一些基於每天不同時間訂單的示例。 另一個關於 45 天持續到達的訂單數量的例子。
  在該方法中，訂單數量的平均值由白線表示。 並且計算 95％ 置信區間並圍繞均值繪製。

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()

# "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()

43 堆積面積圖 （Stacked Area Chart）

堆積面積圖可以直觀地顯示多個時間序列的貢獻程度，因此很容易相互比較。

# 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()

44 未堆積的面積圖 （Area Chart UnStacked）

  未堆積面積圖用於可視化兩個或更多個系列相對於彼此的進度（起伏）。 在下面的圖表中，你可以清楚地看到隨着失業中位數持續時間的增加，個人儲蓄率會下降。 未堆積面積圖表很好地展示了這種現象。

# 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()

45 日曆熱力圖 （Calendar Heat Map）

  與時間序列相比，日曆地圖是可視化基於時間的數據的備選和不太優選的選項。 雖然可以在視覺上吸引人，但數值並不十分明顯。 然而，它可以很好地描繪極端值和假日效果。（注：需要安裝 calmap 庫）

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()

46 季節圖 （Seasonal Plot）

季節圖可用於比較上一季中同一天（年/月/周等）的時間序列。

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()

總結

第六部分【變化】(Change) 就到這裏結束啦~

傳送門

Matplotlib可視化圖表——第一部分【關聯】(Correlation)
Matplotlib可視化圖表——第二部分【偏差】(Deviation)
Matplotlib可視化圖表——第三部分【排序】(Ranking)
Matplotlib可視化圖表——第四部分【分佈】(Distribution)
Matplotlib可視化圖表——第五部分【組成】(Composition)
Matplotlib可視化圖表——第六部分【變化】(Change)
Matplotlib可視化圖表——第七部分【分組】(Groups)

完整版參考

原文地址： Top 50 matplotlib Visualizations – The Master Plots (with full python code)
中文轉載：深度好文 | Matplotlib可視化最有價值的 50 個圖表（附完整 Python 源代碼）