Python数据可视化：箱线图多种库画法

缺乏、安全感 2023-05-29 05:26 0阅读 0赞

### 概念 ###

箱线图通过数据的四分位数来展示数据的分布情况。例如：数据的中心位置，数据间的离散程度，是否有异常值等。

把数据从小到大进行排列并等分成四份，第一分位数（Q1），第二分位数（Q2）和第三分位数（Q3）分别为数据的第25%，50%和75%的数字。

I-------------IoI-------------IoI-------------IoI-------------I
                   Q1              Q2              Q3
          (lower quartile)      (median)     (upper quartile)

`四分位间距（Interquartile range（IQR））=上分位数（upper quartile） - 下分位数（lower quartile）`

箱线图分为两部分，分别是箱（box）和须（whisker）。箱（box）用来表示从第一分位到第三分位的数据，须（whisker）用来表示数据的范围。

箱线图从上到下各横线分别表示：数据上限（通常是Q3+1.5*IQR），第三分位数（Q3），第二分位数（中位数），第一分位数（Q1），数据下限（通常是Q1-1.5*IQR）。有时还有一些圆点，位于数据上下限之外，表示异常值（outliers）。  
（注：如果数据上下限特别大，那么whisker将显示数据的最大值和最小值。）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 案例 ###

#### 1. 使用pandas自带的函数 ####

使用pandas里的dataframe数据结构存放待显示的数据。如果希望显示的各个数据列表中，数据长度不一致，可以先用Series函数转换为Series数据，再存储到dataframe中，对应index的value值若不存在则为NaN。  
下面我们随机生成4组数据，看看他们的箱线图。  
【代码】

import numpy as np
    import pandas as pd
    from matplotlib import pyplot as plt
    
    
    def list_generator(mean, dis, number):  # 封装一下这个函数，用来后面生成数据
        return np.random.normal(mean, dis * dis, number)  # normal分布，输入的参数是均值、标准差以及生成的数量
    
    
    # 我们生成四组数据用来做实验，数据量分别为70-100
    y1 = list_generator(0.8531, 0.0956, 70)
    y2 = list_generator(0.8631, 0.0656, 80)
    y3 = list_generator(0.8731, 0.1056, 90)
    y4 = list_generator(0.8831, 0.0756, 100)
    
    # 如果数据大小不一，记得需要下面语句，把数组变为series
    y1 = pd.Series(np.array(y1))
    y2 = pd.Series(np.array(y2))
    y3 = pd.Series(np.array(y3))
    y4 = pd.Series(np.array(y4))
    
    data = pd.DataFrame({ "1": y1, "2": y2, "3": y3, "4": y4, })
    
    data.boxplot()  # 这里，pandas自己有处理的过程，很方便哦。
    plt.ylabel("ylabel")
    plt.xlabel("xlabel")  # 我们设置横纵坐标的标题。
    plt.show()

【效果】  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

上面的箱线图很简单，给出数据后，几行代码就能生成，不过这是简单的箱线图。下面再看看稍微复杂点的。

#### 2. 使用matplotlib库画箱线图 ####

我们上面介绍了使用pandas画箱线图，几句命令就可以了。但是稍微复杂点的可以使用matplotlib库。matplotlib代码稍微复杂点，但是很灵活。细心点同学会发现pandas里面的画图也是基于此库的，下面给你看看pandas里面的源码：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
通过源码可以看到pandas内部也是通过调用matplotlib来画图的。那下面我们自己实现用matplotlib画箱线图。  
我们简单模拟一下，男女生从20岁，30岁的花费对比图，使用箱线图来可视化一下。  
【代码】

import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    fig, ax = plt.subplots() # 子图
    def list_generator(mean, dis, number):  # 封装一下这个函数，用来后面生成数据
        return np.random.normal(mean, dis * dis, number)  # normal分布，输入的参数是均值、标准差以及生成的数量
    
    # 我们生成四组数据用来做实验，数据量分别为70-100
    # 分别代表男生、女生在20岁和30岁的花费分布
    girl20 = list_generator(1000, 29.2, 70)
    boy20 = list_generator(800, 11.5, 80)
    girl30 = list_generator(3000, 25.1056, 90)
    boy30 = list_generator(1000, 19.0756, 100)
    
    data=[girl20,boy20,girl30,boy30,]
    ax.boxplot(data)
    ax.set_xticklabels(["girl20", "boy20", "girl30", "boy30",])  # 设置x轴刻度标签
    plt.show()

【效果】  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
从上面随机模拟，看出来男生花费赶不上女生吧，尤其是30岁以后，女生摔男生一大截啊。（模拟数据，请勿当真）  
仔细看上面的图，感觉还是不太好，既然男女生对比，那是不是要分组，男女生放一块，然后再根据年龄段比较，这样比较才直观。

那我们就稍微改动上面一点点代码，实现男女生箱线图挨得近一点。  
【代码】

import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    fig, ax = plt.subplots() # 子图
    def list_generator(mean, dis, number):  # 封装一下这个函数，用来后面生成数据
        return np.random.normal(mean, dis * dis, number)  # normal分布，输入的参数是均值、标准差以及生成的数量
    
    # 我们生成四组数据用来做实验，数据量分别为70-100
    # 分别代表男生、女生在20岁和30岁的花费分布
    girl20 = list_generator(1000, 29.2, 70)
    boy20 = list_generator(800, 11.5, 80)
    girl30 = list_generator(3000, 25.1056, 90)
    boy30 = list_generator(1000, 19.0756, 100)
    
    data=[girl20,boy20,girl30,boy30,]
    # 用positions参数设置各箱线图的位置
    ax.boxplot(data,positions=[0, 0.6, 3, 3.7,])# 就是后面加了位置
    ax.set_xticklabels(["girl20", "boy20", "girl30", "boy30",])  # 设置x轴刻度标签
    plt.show()

【效果】  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
这样看一下，是不是男女生根据年龄段分组了呢，稍微比上面好看些，也直观一些。这样既能看出年龄段的对比，又能看出男女生的对比。  
同样，如果想要箱线图旋转90°，那么也是在在`boxplot`命令里加上参数`vert=False`即可。如果想要更多设置，可以基于`boxplot`函数参数进行修改，其函数定义如下：

boxplot(self, x, notch=None, sym=None, vert=None, whis=None,
                    positions=None, widths=None, patch_artist=None,
                    bootstrap=None, usermedians=None, conf_intervals=None,
                    meanline=None, showmeans=None, showcaps=None,
                    showbox=None, showfliers=None, boxprops=None,
                    labels=None, flierprops=None, medianprops=None,
                    meanprops=None, capprops=None, whiskerprops=None,
                    manage_xticks=True, autorange=False, zorder=None)

#### 3. 使用seaborn库和matplotlib来画箱线图 ####

Seaborn是基于matplotlib的Python可视化库。 它提供了一个高级界面来绘制有吸引力的统计图形。Seaborn其实是在matplotlib的基础上进行了更高级的API封装，从而使得作图更加容易，不需要经过大量的调整就能使你的图变得精致。但应强调的是，应该把Seaborn视为matplotlib的补充，而不是替代物。  
函数定义：

boxplot(x=None, y=None, hue=None, data=None, order=None, hue_order=None,
                orient=None, color=None, palette=None, saturation=.75,
                width=.8, dodge=True, fliersize=5, linewidth=None,
                whis=1.5, notch=False, ax=None, **kwargs)

【参数讲解】

*  x，y：dataframe中的列名（str）或者矢量数据
 *  data：dataframe或者数组
 *  palette：调色板，控制图像的色调
 *  hue（str）：dataframe的列名，按照列名中的值分类形成分类的条形图
 *  order, hue\_order (lists of strings)：用于控制条形图的顺序
 *  orient：“v”|“h” 用于控制图像使水平还是竖直显示（这通常是从输入变量的dtype推断出来的，此参数一般当不传入x、y，只传入data的时候使用）
 *  fliersize：float，用于指示离群值观察的标记大小
 *  whis：确定离群值的上下界（IQR超过低和高四分位数的比例），此范围之外的点将被识别为异常值。IQR指的是上下四分位的差值。
 *  width：float，控制箱型图的宽度

我们还是基于上面男女花费案例来说，不过这里我们把数据进行了整理，做成了数据框dataframe。  
【包含的库】

import pandas as pd
    import numpy as np
    import seaborn as sns
    import matplotlib.pyplot as plt
    # plt.rc("font", family="SimHei", size="15") 避免中文乱码，可不用

【代码第一部分】数据生成

def list_generator(mean, dis, number):  # 封装一下这个函数，用来后面生成数据
        return np.random.normal(mean, dis * dis, number)  # normal分布，输入的参数是均值、标准差以及生成的数量
    
    # 我们生成四组数据用来做实验，数据量分别为70-100
    # 分别代表男生、女生在20岁和30岁的花费分布
    # 构造数据库DataFrame
    num = 100  # 每组100个样本
    girl20 = list_generator(1000, 29.2, num)
    boy20 = list_generator(800, 11.5, num)
    girl30 = list_generator(3000, 25.1056, num)
    boy30 = list_generator(1000, 19.0756, num)
    girl_sex = ['female' for _ in range(num)]
    boy_sex = ['male' for _ in range(num)]
    age20 = [20 for _ in range(num)]
    age30 = [30 for _ in range(num)]
    
    girl_d1 = pd.DataFrame({ 'cost': girl20, 'sex': girl_sex, 'age': age20})
    boy_d1 = pd.DataFrame({ 'cost': boy20, 'sex': boy_sex, 'age': age20})
    girl_d2 = pd.DataFrame({ 'cost': girl30, 'sex': girl_sex, 'age': age30})
    boy_d2 = pd.DataFrame({ 'cost': boy30, 'sex': boy_sex, 'age': age30})
    data = pd.concat([girl_d1, boy_d1, girl_d2, boy_d2])
    
    print(data.head())

数据长啥样？下面是给出的数据框前面的部分，一共400个样本，分性别和年龄。  
![在这里插入图片描述][20191104214835984.png]  
【代码第二部分】使用seaborn库画图  
简单看看所有数据的分布情况：

sns.boxplot(x=data["cost"],data=data)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

根据性别分组：

sns.boxplot(x="age", y="cost", data=data, hue="sex", width=0.5, linewidth=1.0, palette="Set3")

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
根据年龄分组：

sns.boxplot(x="sex", y="cost", data=data, hue="age", width=0.5, linewidth=1.0, palette="Set3")

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1MjAzNDI1_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
上面这些是seaborn库的简单使用，可以通过年龄看男女花费比较，也可以根据性别看不同年龄段的花费比较，还是比较直观的。当然除此之外还有很多其他的炫技，大家可以自己尝试。

### 总结 ###

从上面来看，虽然我们是采用不同方法来画箱线图，但是最基本的都是调用matplotlib库，这里面pandas是最简单的箱线图可视化，但是不灵活。而matplotlib虽然灵活，但是需要慢慢调，而且复杂。相比之下seaborn更加酷炫，而且图还更好看。上面例子都是本人亲测，一个个对比，原创文章，大家如果有其他问题可以留言讨论。

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