R語言學習2：繪圖

本系列是一個新的系列，在此係列中，我將和你們共同窗習R語言。因爲我對R語言的瞭解也甚少，因此本系列更多以一個學習者的視角來完成。

參考教材：《R語言實戰》第二版（Robert I.Kabacoff），書中所提到的John Cook的優秀博文，關於代碼規範的《來自Google的R語言編碼風格指南》。

目錄

• Part 1：圖形參數
  • Unit 1：點型和線型
  • Unit 2：顏色
  • Unit 3：文本
  • Unit 4：圖形尺寸與邊界尺寸
• Part 2：添加要素
  • Unit 1：添加標題和座標軸標籤
  • Unit 2：添加個性化座標軸
  • Unit 3：添加圖例和參考線
  • Unit 4：添加輔助文本
• Part 3：圖形組合

Part 1：圖形參數

Unit 1：點型和線型

plot()是R中爲對象做圖的一個泛型函數，它的輸出由所繪製對象的類型不一樣而不一樣。若是x和y是兩個等長的數字向量，則如下代碼將繪製點集\((x,y)\)，並用線段將其鏈接。

plot(x, y, type="b")

這裏type="b"表明同時繪製點和線。還有如下的幾種type屬性的選擇：

• "p"：只繪製點，不繪製線段。
• "l"：只繪製線段，不繪製點。
• "b"：繪製點和線，但實線不經過點。
• "o"：繪製點和線，且實線會經過點，與"b"的視覺效果不一樣。
• "h"：只繪製各點到\(x\)軸的豎線，不繪製點和線。
• "s"：繪製階梯型曲線。
• "S"：繪製階梯型區間，可是階梯方向不一樣。
• "n"：不繪製任何點、線。

在使用plot()做圖以前，可使用par()函數修改圖形的參數，這個函數能夠任意次調用。在使用par()修改圖形參數以前，每每會加入如下兩句：

opar <- par(no.readonly=TRUE)
...
par(opar)

當調用par(opar)後，將還原默認參數環境。

如下是用於指定符號和線條類型的參數：

• pch：指定繪製點時使用的符號，範圍是\(\{0,1,\cdots,25\}\)。
• cex：指定符號的大小，表示繪圖符號相對於默認大小的縮放倍數，默認值是1。
• lty：指定線條類型，範圍是\(\{1,2,\cdots,6\}\)。
• lwd：指定線條寬度，表示之於默認值的相對粗細，默認值是1。

也能夠直接在plot處加上這四個參數：

plot(x, y, type="b", pch=11, lty=2, cex=2, lwd=2)

Unit 2：顏色

如下是用於指定顏色的參數：

• col：默認的繪圖顏色，能夠傳入一個向量並循環使用。
• col.axis：座標軸刻度文字的顏色。
• col.lab：座標軸標籤文字的顏色。
• col.main：標題顏色。
• col.sub：副標題顏色。
• fg：圖形前景色，如座標軸線。
• bg：圖形背景色。

顏色的指定，能夠用顏色下標、顏色名字、十六進制顏色值、RGB值、HSV值來指定，函數colors()能夠返回全部可用顏色的名稱（657種）。

能夠用rainbow(n)建立一個\(n\)種連續的彩虹形顏色列表，能夠用gray(vector)來得到一個灰度色列表，經常使用的vector=0:n/n，是一個\([0,1]\)之間的均勻列表。

RColorBrewer是一個用於建立顏色的經常使用包，其中brewer.pal(n, name)能夠從調色盤name中建立一個顏色值的向量，如下程序段是一個brewer.par()函數的使用示例。

library(RColorBrewer)
n <- 9
mycolor <- brewer.pal(n, "Set1")  # 使用的顏色集合是"Set1"
barplot(rep(1,n), col = mycolor)

可使用display.brewer.all()顯示全部調色板的顏色，或者display.brewer.pal(name)顯示某個調色板的顏色。brewer.pal.info命令能夠給出全部調色板的列表。

Unit 3：文本

字體族和字樣經過如下參數進行控制。

• cex：相對默認大小的縮放倍數，默認值是1（表明如下一類，不要直接調用）。
• cex.axis：座標軸刻度文字的縮放倍數。
• cex.lab：座標軸標籤的縮放倍數。
• cex.main：標題的縮放倍數。
• cex.sub：副標題的縮放倍數。
• font：整數，指定字體樣式。\(\{1,2,3,4,5\}\)分別表明常規、粗體、斜體、粗斜體、符號字體（表明如下一類，不要直接調用）。
• font.axis：座標軸刻度文字的字體樣式。
• font.lab：座標軸標籤的字體樣式。
• font.main：標題的字體樣式。
• font.sub：副標題的字體樣式。
• ps：字體磅值，文本的最終大小爲ps*cex。
• family：繪製文本時使用的字體族，標準取值爲serif（襯線）、sans（無襯線）、mono（等寬）。

字體族的設置稍顯複雜，在Windows系統中，mono映射爲TT Courier New，sarif映射爲TT Times New Roman，sans映射爲TT Arial，這裏TT指True Type。若是想要使用其餘字體，須要建立新的映射，使用windowsFonts()和windowsFont()來建立。

x <- c(20, 30, 40, 45, 60)
y <- c(16, 20, 27, 40, 60)

windowsFonts(
    A=windowsFont("Arial Black"),
    B=windowsFont("Bookman Old Style"),
    C=windowsFont("Comic Sans MS")
)

par(pch=17, lty=6, cex=2, lwd=3)  # 注意cex參數也會對文本產生影響
par(col='red')
par(font.main=4, family="C", ps=6)

plot(x, y, type="b", main="A Simple Try")

Unit 4：圖形尺寸與邊界尺寸

控制圖形尺寸和邊界大小的參數爲：

• pin：以英寸表示的圖形尺寸，是一個二元列表（寬和高）。
• mai：以數值向量表示的邊界大小，單位爲英寸（下、左、上、右）。
• mar：以數值向量表示的邊界大小，單位爲英分（下、左、上、右）。

Part 2：添加要素

Unit 1：添加標題和座標軸標籤

添加標題和座標軸標籤：使用title()函數，其調用格式爲

title(main="main title",
      sub="subtitle",
      xlab="x-axis label",
      ylab="y-axis label")

能夠在title()函數中添加其餘圖形參數，如col.main、col.lab、cex.lab等。

Unit 2：添加個性化座標軸

若是要添加個性化的座標軸，一般要在plot()函數中設置一些圖形參數：

• ann：取FALSE時，將不會畫出標題，包括主標題和副標題。
• bty：設置邊框樣式，默認爲"o"表示所有畫出，還有"l"（左下）、"7"（右上）、"c"（上下左）、"u"（左下右）、"]"（上下右）、"n"（無）。
• xaxs和yaxs：設置\(x, y\)軸的範圍，默認爲"r"表示比範圍略大，"i"表示和給定做圖範圍徹底相同。
• xaxt和yaxt：能夠取"n"，此時座標軸、刻度線和刻度值將不會畫出。
• axes：若是取FALSE，則全部座標軸和框線都不會被畫出。

添加自定義的座標軸：使用axis()函數，其調用格式爲

axis(side, at=, labels=, pos=, lty=, col=, las=, tck=, ...)

各個參數的釋義爲

• side：\(\{1,2,3,4\}\)，表示在圖形的哪一邊繪製座標軸（下、左、上、右）。
• at：數值型向量，表示須要繪製刻度線的位置。
• labels：字符型向量，刻度線旁的文字標籤，若是缺省則直接使用at中的值。
• pos：座標軸線繪製位置的座標。
• lty：線條類型。
• col：線條和刻度線顏色。
• las：標籤平行於座標軸=0，垂直於座標軸=2。
• tck：刻度線的長度，以相對於繪圖區域大小的分數表示，默認爲-0.01，負值表示在圖形外側。

x <- c(20, 30, 40, 45, 60)
y <- c(16, 20, 27, 40, 60)

windowsFonts(
  A=windowsFont("Arial Black"),
  B=windowsFont("Bookman Old Style"),
  C=windowsFont("Comic Sans MS")
)

par(pch=17, lty=6, cex=1, lwd=3)
par(col='red')
par(font.main=2, family="C", ps=12)

plot(x, y, type="b", main="A Simple Try", yaxt="n")

z <- c(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28, 30, 35, 42, 50, 60)
axis(4, at=z, labels=z, col.axis='blue', pos=50, las=2, lty=2, tck=-0.02, )

Unit 3：添加圖例和參考線

要添加參考線，應當使用abline()函數，其使用格式爲

abline(h=yvalues, v=xvalues)

這裏h表明添加水平參考線的高度位置，v表明添加垂直參考線的水平位置。能夠在其中添加其餘圖形參數。

要添加圖例，應當使用legend()函數，其使用格式爲

legend(location, title, legend, ...)

• location：指定圖例的位置，能夠給定圖例左上角的\(x,y\)座標，也可使用locator(1)用鼠標點擊，還可使用bottom, bottomleft, left, topleft, top, topright, right, bottomright, center等關鍵字。
• title：圖例標題的字符串。
• legend：圖例標籤組成的字符型向量。

如下給出書上的案例：

rm(list=ls())
dose <- c(20, 30, 40, 45, 60)
drugA <- c(16, 20, 27, 40, 60)
drugB <- c(15, 18, 25, 31, 40)

opar <- par(no.readonly = T)

par(lwd=2, cex=1.5, font.lab=2)

plot(dose, drugA, type="b",
     pch=15, lty=1, col="red", ylim=c(0,60),
     main="Drug A vs. Drug B",
     xlab="Drug Dosage", ylab="Drug Response")

lines(dose, drugB, type="b",
      pch=17, lty=2, col="blue")

abline(h=30, lwd=1.5, lty=2, col="gray")

library(Hmisc)
minor.tick(nx=3, ny=3, tick.ratio=0.5)  # 添加次要刻度線

legend("topleft", inset=0.05, title="Drug Type", c("A", "B"),
       lty=c(1, 2), pch=c(15, 17), col=c("red", "blue"))

par(opar)

Unit 4：添加輔助文本

文本添加能夠經過函數函數text()，向圖形內部（一般是各個點）添加文本，使用格式爲

text(location, "text to place", pos, ...)

• location：文本的位置參數，能夠是一對\((x, y)\)座標，也能夠經過location=locator(1)用鼠標來肯定擺放位置。
• pos：文本相對於位置參數的方位，\(\{1,2,3,4\}\)表明下、左、上、右。還能夠追加指定參數offset做爲偏移量。

還能夠經過mtext()向圖形的四個邊界之一添加文本，使用格式爲

mtext("text to place", side, line=n, ...)

• side：指定擺放文本的邊，\(\{1,2,3,4\}\)表明下、左、上、右。
• line：內移或外移文本，值越大，文本外移的程度越大。
• adj：文本能夠向左下對齊=0，或向右上對齊=1。

Part 3：圖形組合

規則排布：可使用par()函數中的圖形參數mfrow=c(nrows, ncols)來建立按行填充的、行數爲nrows、列數爲ncols的圖形矩陣。如下案例書上的實例代碼，數據集爲R語言內置的mtcars。

rm(list=ls())

opar <- par(no.readonly = T)

par(mfrow=c(2, 2))  # 將繪圖區域分紅四塊
attach(mtcars)
plot(wt, mpg, main="Scatterplot of wt vs. mpg")  # 第一個圖
plot(wt, disp, main="Scatterplot of wt vs. disp")  # 第二個圖
hist(wt, main="Histogram of wt")  # 第三個圖
boxplot(wt, main="Boxplot of wt")  # 第四個圖
detach(mtcars)
par(opar)

複雜排布：可使用layout(matrix)函數來組合圖形，這裏matrix給定了圖形的所在位置，如

\[\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 2 & 3 \end{pmatrix} \]

就表明第一幅圖位於第一行的一、2列，第二幅圖位於第二行第一列，第三幅圖位於第二行第二列。

rm(list=ls())
opar <- par(no.readonly = T)
attach(mtcars)

mat <- matrix(c(1, 1, 2, 3), nrow=2, ncol=2, byrow=T)
layout(mat)  # 按照mat矩陣給出劃分
hist(wt, main = "Graph_1")
hist(mpg, main = "Graph_2")
hist(disp, main = "Graph_3")

detach(mtcars)
par(opar)

爲了精細控制每幅圖形的相對大小，能夠在layout()函數中使用widths和heights兩個參數，它們分別是各列寬度值構成的向量與各行寬度值構成的向量。如今，在上述代碼中加入這兩個參數。

rm(list=ls())
opar <- par(no.readonly = T)
attach(mtcars)

mat <- matrix(c(1, 1, 2, 3), nrow=2, ncol=2, byrow=T)
layout(mat, widths = c(3, 1), heights = c(1, 1.5))  # 按照mat矩陣給出劃分
hist(wt, main = "Graph_1")
hist(mpg, main = "Graph_2")
hist(disp, main = "Graph_3")

detach(mtcars)
par(opar)

精細控制：可使用par()函數的參數fig來精細控制，它接受四個\([0,1]\)之間的數，分別表明圖形在窗口內所佔有矩形的四個端點。通常還要加入new=TRUE，使得新加入的圖形與原圖形位於一樣的畫布中。

注意，若是遇到Error in plot.new(): figure margins too large，則應當修改參數，這是由於因爲設備的緣由，子圖所需的大小與設置的參數衝突了。