Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南|极客教程

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

参考：Formatting Axis Tick Labels: From Numbers to Thousands and Millions

Matplotlib是Python中最流行的数据可视化库之一，它提供了强大的工具来创建各种类型的图表和绘图。在数据可视化中，正确格式化轴刻度标签对于清晰地传达信息至关重要。本文将深入探讨如何使用Matplotlib来格式化轴刻度标签，特别是如何将数字转换为更易读的千位和百万位格式。

1. 基础知识：轴刻度标签简介

在开始深入探讨格式化技巧之前，让我们先了解一下轴刻度标签的基本概念。

轴刻度标签是沿着图表的x轴和y轴显示的数值或文本，用于指示数据点的位置和大小。默认情况下，Matplotlib会自动生成这些标签，但有时我们需要自定义它们以提高可读性或突出特定信息。

以下是一个简单的示例，展示了默认的轴刻度标签：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(x, y)
plt.title('Default Tick Labels - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

在这个例子中，我们创建了一个简单的正弦波图表。x轴和y轴的刻度标签是自动生成的，显示为普通的数字。

2. 使用Formatter类格式化刻度标签

Matplotlib提供了多种Formatter类，可以用来自定义刻度标签的显示方式。最常用的是FuncFormatter，它允许我们定义一个自定义函数来格式化标签。

2.1 FuncFormatter基础用法

下面是一个使用FuncFormatter将y轴标签格式化为百分比的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import FuncFormatter

def percentage(x, pos):
    return f'{100 * x:.0f}%'

x = np.linspace(0, 1, 10)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)
ax.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(percentage))

plt.title('Y-axis as Percentage - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

在这个例子中，我们定义了一个percentage函数，它将输入值乘以100并添加百分号。然后，我们使用FuncFormatter将这个函数应用到y轴上。

2.2 格式化为千位和百万位

现在，让我们看看如何将数字格式化为千位和百万位。我们可以使用Python的字符串格式化功能来实现这一点：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import FuncFormatter

def format_func(value, tick_number):
    if value >= 1e6:
        return f'{value/1e6:.1f}M'
    elif value >= 1e3:
        return f'{value/1e3:.1f}K'
    else:
        return f'{value:.0f}'

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.exp(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)
ax.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(format_func))

plt.title('Y-axis in K and M format - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们定义了一个format_func函数，它根据数值的大小返回不同的格式：
– 对于大于或等于1百万的数字，我们将其除以1e6并添加”M”后缀。
– 对于大于或等于1千但小于1百万的数字，我们将其除以1e3并添加”K”后缀。
– 对于小于1千的数字，我们保持原样。

3. 使用ScalarFormatter进行科学记数法格式化

对于非常大或非常小的数字，使用科学记数法可能更合适。Matplotlib的ScalarFormatter类提供了这种功能：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import ScalarFormatter

x = np.linspace(1, 10, 100)
y = np.exp(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

formatter = ScalarFormatter(useMathText=True)
formatter.set_scientific(True)
formatter.set_powerlimits((-2, 2))
ax.yaxis.set_major_formatter(formatter)

plt.title('Scientific Notation - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们使用ScalarFormatter并设置useMathText=True来使用数学文本渲染指数。set_scientific(True)强制使用科学记数法，而set_powerlimits((-2, 2))设置了使用科学记数法的阈值。

4. 自定义刻度位置和标签

有时，我们可能想要完全控制刻度的位置和标签。这可以通过set_xticks和set_xticklabels（或对应的y轴函数）来实现：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 11)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

custom_ticks = [0, 2, 5, 8, 10]
custom_labels = ['Start', 'Low', 'Medium', 'High', 'Max']

ax.set_xticks(custom_ticks)
ax.set_xticklabels(custom_labels)

plt.title('Custom Tick Labels - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们手动设置了x轴的刻度位置和对应的标签。这种方法在你想要使用非数字标签或特定的刻度位置时特别有用。

5. 旋转和对齐刻度标签

当刻度标签较长或数量较多时，它们可能会重叠。在这种情况下，旋转标签或调整对齐方式可能会有所帮助：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.arange(10)
y = np.random.rand(10)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.bar(x, y)

labels = [f'Category {i} - how2matplotlib.com' for i in range(10)]
ax.set_xticks(x)
ax.set_xticklabels(labels, rotation=45, ha='right')

plt.title('Rotated Tick Labels')
plt.xlabel('Categories')
plt.ylabel('Values')
plt.tight_layout()
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们创建了一个条形图，并将x轴的标签旋转45度。ha='right'参数设置了水平对齐方式为右对齐，这通常可以使旋转后的标签看起来更整齐。

6. 使用StrMethodFormatter进行字符串格式化

StrMethodFormatter是另一个有用的格式化器，它使用Python的字符串格式化语法：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import StrMethodFormatter

x = np.linspace(0, 10, 11)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.yaxis.set_major_formatter(StrMethodFormatter('{x:,.0f}'))

plt.title('Comma Separated Thousands - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们使用StrMethodFormatter来格式化y轴的标签。'{x:,.0f}'格式字符串指定了我们想要的格式：逗号分隔的千位，没有小数点。

7. 使用多重轴和不同的格式化器

有时，我们可能需要在同一个图表中显示不同尺度的数据。在这种情况下，使用双轴并为每个轴应用不同的格式化器可能会很有用：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import FuncFormatter

def format_millions(x, pos):
    return f'${x/1e6:.1f}M'

def format_percent(x, pos):
    return f'{x:.1f}%'

x = np.linspace(0, 10, 100)
y1 = np.exp(x) * 1e6  # Revenue in millions
y2 = x * 10  # Growth rate in percentage

fig, ax1 = plt.subplots(figsize=(10, 6))

color = 'tab:blue'
ax1.set_xlabel('Years')
ax1.set_ylabel('Revenue', color=color)
ax1.plot(x, y1, color=color)
ax1.tick_params(axis='y', labelcolor=color)
ax1.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(format_millions))

ax2 = ax1.twinx()  # instantiate a second axes that shares the same x-axis

color = 'tab:orange'
ax2.set_ylabel('Growth Rate', color=color)
ax2.plot(x, y2, color=color)
ax2.tick_params(axis='y', labelcolor=color)
ax2.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(format_percent))

plt.title('Revenue and Growth Rate - how2matplotlib.com')
fig.tight_layout()
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们创建了两个y轴：左侧显示收入（以百万为单位），右侧显示增长率（以百分比表示）。我们为每个轴使用不同的FuncFormatter来适当地格式化标签。

8. 对数刻度的格式化

当处理跨越多个数量级的数据时，对数刻度可能会很有用。以下是如何格式化对数刻度的轴标签：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import FuncFormatter

def format_func(value, tick_number):
    return f'{value:.0e}'

x = np.logspace(0, 5, 100)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.set_xscale('log')
ax.set_yscale('log')

ax.xaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(format_func))
ax.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(format_func))

plt.title('Log Scale Formatting - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis (log scale)')
plt.ylabel('Y-axis (log scale)')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们使用对数刻度来显示跨越多个数量级的数据。我们定义了一个format_func来将标签格式化为科学记数法。

9. 时间序列数据的格式化

对于时间序列数据，Matplotlib提供了专门的日期格式化器：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd
from matplotlib.dates import DateFormatter

dates = pd.date_range(start='2023-01-01', end='2023-12-31', freq='D')
values = np.cumsum(np.random.randn(len(dates)))

fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 6))
ax.plot(dates, values)

ax.xaxis.set_major_formatter(DateFormatter('%Y-%m-%d'))
plt.gcf().autofmt_xdate()  # Rotation

plt.title('Time Series Data - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('Date')
plt.ylabel('Value')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们使用DateFormatter来格式化x轴的日期标签。'%Y-%m-%d'指定了我们想要的日期格式。autofmt_xdate()函数自动旋转和对齐日期标签以避免重叠。

10. 使用Locator和Formatter结合

有时，我们可能想要同时控制刻度的位置和格式。这可以通过结合使用Locator和Formatter来实现：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import MultipleLocator, FuncFormatter

def format_func(x, pos):
    return f'${x/1e6:.1f}M'

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.exp(x) * 1e6

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.xaxis.set_major_locator(MultipleLocator(2))
ax.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(format_func))

plt.title('Combined Locator and Formatter - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis (Millions of Dollars)')
plt.show()

Output:

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在这个例子中，我们使用MultipleLocator来设置x轴的主刻度间隔为2，同时使用FuncFormatter来格式化y轴的标签为百万美元格式。

11. 使用颜色编码的刻度标签

有时，使用颜色来编码刻度标签可以增加额外的信息维度。以下是一个使用颜色编码刻度标签的示例：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 11)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

colors = plt.cm.viridis(np.linspace(0, 1, len(x)))

for i, (xi, yi) in enumerate(zip(x, y)):
    ax.text(xi, yi, f'{yi:.1f}', color=colors[i], ha='center', va='bottom')

ax.set_xticks(x)
ax.set_xticklabels([f'{xi:.1f}' for xi in x], color=colors)

plt.title('Color-coded Tick Labels - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

在这个例子中，我们使用viridis颜色映射来为x轴的每个刻度标签分配不同的颜色。我们还在每个数据点上方添加了相应的y值，使用相同的颜色编码。

12. 使用LaTeX渲染数学表达式

Matplotlib支持使用LaTeX来渲染数学表达式，这在需要显示复杂公式时非常有用：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.rcParams['text.usetex'] = True
plt.rcParams['font.family'] = 'serif'

x = np.linspace(-2*np.pi, 2*np.pi, 100)
y = np.sin(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.set_xticks([-2*np.pi, -np.pi, 0, np.pi, 2*np.pi])
ax.set_xticklabels(['-2\pi', '-\pi', '0', '\pi', '2\pi'])

plt.title(r'f(x) = \sin(x) - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.show()

在这个例子中，我们使用LaTeX语法来渲染π符号和函数表达式。注意，我们需要设置text.usetex为True来启用LaTeX渲染。

13. 自定义刻度标记

除了自定义刻度标签，我们还可以自定义刻度标记的外观：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 11)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.tick_params(axis='x', which='major', length=10, width=2, color='red', pad=10)
ax.tick_params(axis='y', which='major', length=10, width=2, color='blue', pad=10)

plt.title('Custom Tick Marks - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

在这个例子中，我们使用tick_params函数来自定义刻度标记的长度、宽度和颜色。我们还使用pad参数来调整标签与轴的距离。

14. 使用符号替代数字

在某些情况下，使用符号而不是数字可能更有意义。以下是一个使用希腊字母作为刻度标签的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 2*np.pi, 5)
y = np.sin(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

greek_letters = [r'0', r'\frac{\pi}{2}', r'\pi', r'\frac{3\pi}{2}', r'2\pi']
ax.set_xticks(x)
ax.set_xticklabels(greek_letters)

plt.title('Greek Letter Tick Labels - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('Angle')
plt.ylabel('Sine value')
plt.show()

Output:

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

在这个例子中，我们使用LaTeX语法来渲染希腊字母π和分数。这种方法在显示数学或物理概念时特别有用。

15. 动态调整刻度标签

在某些情况下，我们可能需要根据数据的范围动态调整刻度标签的格式。以下是一个根据数据范围自动选择合适单位的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import FuncFormatter

def dynamic_formatter(x, pos):
    if abs(x) >= 1e9:
        return f'{x/1e9:.1f}B'
    elif abs(x) >= 1e6:
        return f'{x/1e6:.1f}M'
    elif abs(x) >= 1e3:
        return f'{x/1e3:.1f}K'
    else:
        return f'{x:.1f}'

x = np.logspace(0, 10, 11)
y = x ** 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.set_xscale('log')
ax.set_yscale('log')

ax.xaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(dynamic_formatter))
ax.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(dynamic_formatter))

plt.title('Dynamic Tick Label Formatting - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

在这个例子中，我们定义了一个dynamic_formatter函数，它根据数值的大小自动选择合适的单位（B表示十亿，M表示百万，K表示千）。这种方法可以使图表在显示不同范围的数据时都保持清晰可读。

16. 使用箭头标记重要点

有时，我们可能想要在图表上标记特定的点。使用箭头和文本注释可以有效地突出这些点：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

max_x = x[np.argmax(y)]
max_y = np.max(y)

ax.annotate('Maximum', xy=(max_x, max_y), xytext=(max_x+1, max_y+0.1),
            arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05))

plt.title('Annotated Plot - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib轴刻度标签格式化：从数字到千位和百万位的完整指南

在这个例子中，我们使用annotate函数来添加一个指向正弦波最高点的箭头和文本注释。这种方法可以有效地引导读者注意到图表中的重要特征。

17. 使用次要刻度

次要刻度可以帮助读者更精确地读取图表。以下是一个添加次要刻度的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.ticker import MultipleLocator, AutoMinorLocator

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
ax.plot(x, y)

ax.xaxis.set_major_locator(MultipleLocator(1))
ax.xaxis.set_minor_locator(AutoMinorLocator())
ax.yaxis.set_major_locator(MultipleLocator(0.5))
ax.yaxis.set_minor_locator(AutoMinorLocator())

ax.grid(which='major', linestyle='-', linewidth='0.5', color='red')
ax.grid(which='minor', linestyle=':', linewidth='0.5', color='black')

plt.title('Plot with Minor Ticks - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()