Matplotlib 如何用 Python 画出阶梯函数

Matplotlib 如何用 Python 画出阶梯函数

在数据可视化中,有些数据的变化不是连续的,而是呈现出阶梯状的跳跃变化,这时候就需要用到阶梯函数。本文将介绍在 Matplotlib 中如何用 Python 画出阶梯函数。

阅读更多:Matplotlib 教程

Matplotlib 简介

Matplotlib 是一个 Python 编程语言和数据科学社区的标准绘图库,它是一个 2D 绘图库,可以用于制作出版质量的图形。与其他绘图库不同的是,Matplotlib 是一种工具箱式的库,可以使用简单的代码制作各种类型的高质量图形。

什么是阶梯函数?

阶梯函数通常用来描述一些离散的事件或过程,它是一个依次变化的随机变量序列,画成的形状就像阶梯的形状。在数学中,阶梯函数也是一种常见的数学函数类型。在统计学、数据分析、经济学等领域中,阶梯函数也得到了广泛应用。

举个例子,我们可以通过阶梯函数来画出一个月份与贷款利率的对应关系。当月份为 1-3、4-6、7-9、10-12 时,对应的贷款利率分别为 0.1、0.12、0.14、0.15,可以将它们用阶梯函数的形式表示出来。

画阶梯函数的基本方法

通过 Matplotlib 的 plot 函数画阶梯函数

首先,在 Matplotlib 中使用 plot 函数通过“-”参数指定一个步长实现画阶梯函数:

import matplotlib.pyplot as plt

# 生成数据集
x = [1, 2, 3, 4]
y = [0.1, 0.1, 0.1, 0.12]

# 设置 x 轴、y 轴标签
plt.xlabel('Month')
plt.ylabel('Rate')

# 设置x轴的刻度和刻度标签
plt.xticks([1, 2, 3, 4], ['1-3', '4-6', '7-9', '10-12'])
plt.plot(x, y, '-')
plt.show()
Python

通过上面的代码,我们可以画出一个简单的阶梯函数图像。

使用 Matplotlib 的 step 函数画阶梯函数

除了 plt.plot() 以外,Matplotlib 还提供了 step() 函数来画出阶梯函数,其基本语法是:

plt.step(x, y, '参数')
Python

参数说明:
– x 和 y 表示 x 轴和 y 轴数据。
– ‘参数’ 是对线条样式的控制。

参数与标记符号       对应的字符
-------------------- 
'-'                     实线
'--'                     虚线
': '                     点状线
'-.'                    点画线
'marker'            
'+marker'         十字形
'omarker'       圆圈形
'smarker'         正方形
'^marker'         上三角
'vmarker'        下三角
'<'                     左三角
'>'                     右三角
'x'                      加号
'.'                      
','                      像素
None                  什么都不画
Python

下面是一个使用 step 函数的例子,画出一个月份与利息的图像:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 生成数据集
x = np.array([1, 3, 5, 7, 9, 12])
y = np.array([1000, 2500, 4000, 5500, 7000, 8500])

# 定义每个阶梯段的左端点和右端点
left = np.array([1, 4, 6, 8, 11])
right = np.array([3, 5, 7, 10, 12])

# 由于 step 函数默认是向下跳跃的,所以这里要把 y 数据向上平移一半跨度
y += (y[1] - y[0]) / 2

# 绘制阶梯函数图形
plt.step(left, y[:-1], where='post')
plt.step(right, y[1:], where='pre')

# 设置 x 轴、y 轴标签
plt.xlabel('Month')
plt.ylabel('Interest')

# 设置x轴的刻度和刻度标签
plt.xticks([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12])

# 设置边界范围
plt.xlim(0, 13)
plt.ylim(y.min() - 100, y.max() + 100)

plt.show()
Python

总结

本文介绍了在 Matplotlib 中如何用 Python 画出阶梯函数,包括使用 plot 函数和 step 函数。阶梯函数通常用来描述一些离散的事件或过程,可以在统计学、数据分析、经济学等领域中得到广泛应用。在使用阶梯函数时,需要注意阶梯段左端点、右端点和跃度的定义,以及如何使用 where 参数控制阶梯函数的绘制方式。

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