5種方法教你用Python玩轉histogram直方圖

時間 2019-11-17

標籤方法 python histogram 直方圖欄目 Python 简体版

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做者：xiaoyupython

微信公衆號：Python數據科學算法

知乎：python數據分析師bash

直方圖是一個能夠快速展現數據機率分佈的工具，直觀易於理解，並深受數據愛好者的喜好。你們平時可能見到最多就是 matplotlib，seaborn 等高級封裝的庫包，相似如下這樣的繪圖。微信

本篇博主將要總結一下使用Python繪製直方圖的全部方法，大體可分爲三大類（詳細劃分是五類，參照文末總結）：數據結構

純Python實現直方圖，不使用任何第三方庫
使用Numpy來建立直方圖總結數據
使用matplotlib，pandas，seaborn繪製直方圖

下面，咱們來逐一介紹每種方法的前因後果。dom

純Python實現histogram

當準備用純Python來繪製直方圖的時候，最簡單的想法就是將每一個值出現的次數以報告形式展現。這種狀況下，使用 字典 來完成這個任務是很是合適的，咱們看看下面代碼是如何實現的。函數

>>> a = (0, 1, 1, 1, 2, 3, 7, 7, 23)

>>> def count_elements(seq) -> dict:
...     """Tally elements from `seq`."""
...     hist = {}
...     for i in seq:
...         hist[i] = hist.get(i, 0) + 1
...     return hist

>>> counted = count_elements(a)
>>> counted
{0: 1, 1: 3, 2: 1, 3: 1, 7: 2, 23: 1}
複製代碼

咱們看到，count_elements() 返回了一個字典，字典裏出現的鍵爲目標列表裏面的全部惟一數值，而值爲全部數值出現的頻率次數。hist[i] = hist.get(i, 0) + 1 實現了每一個數值次數的累積，每次加一。工具

實際上，這個功能能夠用一個Python的標準庫 collection.Counter 類來完成，它兼容Pyhont 字典並覆蓋了字典的 .update() 方法。學習

>>> from collections import Counter

>>> recounted = Counter(a)
>>> recounted
Counter({0: 1, 1: 3, 3: 1, 2: 1, 7: 2, 23: 1})
複製代碼

能夠看到這個方法和前面咱們本身實現的方法結果是同樣的，咱們也能夠經過 collection.Counter 來檢驗兩種方法獲得的結果是否相等。ui

>>> recounted.items() == counted.items()
True
複製代碼

咱們利用上面的函數從新再造一個輪子 ASCII_histogram，並最終經過Python的輸出格式format來實現直方圖的展現，代碼以下：

def ascii_histogram(seq) -> None:
    """A horizontal frequency-table/histogram plot."""
    counted = count_elements(seq)
    for k in sorted(counted):
        print('{0:5d} {1}'.format(k, '+' * counted[k]))
複製代碼

這個函數按照數值大小順序進行繪圖，數值出現次數用 (+) 符號表示。在字典上調用 sorted() 將會返回一個按鍵順序排列的列表，而後就能夠獲取相應的次數 counted[k] 。

>>> import random
>>> random.seed(1)

>>> vals = [1, 3, 4, 6, 8, 9, 10]
>>> # `vals` 裏面的數字將會出現5到15次
>>> freq = (random.randint(5, 15) for _ in vals)

>>> data = []
>>> for f, v in zip(freq, vals):
...     data.extend([v] * f)

>>> ascii_histogram(data)
    1 +++++++
    3 ++++++++++++++
    4 ++++++
    6 +++++++++
    8 ++++++
    9 ++++++++++++
   10 ++++++++++++
複製代碼

這個代碼中，vals內的數值是不重複的，而且每一個數值出現的頻數是由咱們本身定義的，在5和15之間隨機選擇。而後運用咱們上面封裝的函數，就獲得了純Python版本的直方圖展現。

總結：純python實現頻數表（非標準直方圖），可直接使用collection.Counter方法實現。

使用Numpy實現histogram

以上是使用純Python來完成的簡單直方圖，可是從數學意義上來看，直方圖是分箱到頻數的一種映射，它能夠用來估計變量的機率密度函數的。而上面純Python實現版本只是單純的頻數統計，不是真正意義上的直方圖。

所以，咱們從上面實現的簡單直方圖繼續往下進行升級。一個真正的直方圖首先應該是將變量分區域（箱）的，也就是分紅不一樣的區間範圍，而後對每一個區間內的觀測值數量進行計數。恰巧，Numpy的直方圖方法就能夠作到這點，不只僅如此，它也是後面將要提到的matplotlib和pandas使用的基礎。

舉個例子，來看一組從拉普拉斯分佈上提取出來的浮點型樣本數據。這個分佈比標準正態分佈擁有更寬的尾部，並有兩個描述參數（location和scale）：

>>> import numpy as np

>>> np.random.seed(444)
>>> np.set_printoptions(precision=3)

>>> d = np.random.laplace(loc=15, scale=3, size=500)
>>> d[:5]
array([18.406, 18.087, 16.004, 16.221,  7.358])
複製代碼

因爲這是一個連續型的分佈，對於每一個單獨的浮點值（即全部的無數個小數位置）並不能作很好的標籤（由於點實在太多了）。可是，你能夠將數據作分箱處理，而後統計每一個箱內觀察值的數量，這就是真正的直方圖所要作的工做。

下面咱們看看是如何用Numpy來實現直方圖頻數統計的。

>>> hist, bin_edges = np.histogram(d)

>>> hist
array([ 1,  0,  3,  4,  4, 10, 13,  9,  2,  4])

>>> bin_edges
array([ 3.217,  5.199,  7.181,  9.163, 11.145, 13.127, 15.109, 17.091,
       19.073, 21.055, 23.037])
複製代碼

這個結果可能不是很直觀。來講一下，np.histogram() 默認地使用10個相同大小的區間（箱），而後返回一個元組（頻數，分箱的邊界），如上所示。要注意的是：這個邊界的數量是要比分箱數多一個的，能夠簡單經過下面代碼證明。

>>> hist.size, bin_edges.size
(10, 11)
複製代碼

那問題來了，Numpy究竟是如何進行分箱的呢？只是經過簡單的 np.histogram() 就能夠完成了，但具體是如何實現的咱們仍然全然不知。下面讓咱們來將 np.histogram() 的內部進行解剖，看看究竟是如何實現的（以最前面提到的a列表爲例）。

>>> # 取a的最小值和最大值
>>> first_edge, last_edge = a.min(), a.max()

>>> n_equal_bins = 10  # NumPy得默認設置，10個分箱
>>> bin_edges = np.linspace(start=first_edge, stop=last_edge,
...                         num=n_equal_bins + 1, endpoint=True)
...
>>> bin_edges
array([ 0. ,  2.3,  4.6,  6.9,  9.2, 11.5, 13.8, 16.1, 18.4, 20.7, 23. ])
複製代碼

解釋一下：首先獲取a列表的最小值和最大值，而後設置默認的分箱數量，最後使用Numpy的 linspace 方法進行數據段分割。分箱區間的結果也正好與實際吻合，0到23均等分爲10份，23/10，那麼每份寬度爲2.3。

除了np.histogram以外，還存在其它兩種能夠達到一樣功能的方法：np.bincount() 和 np.searchsorted()，下面看看代碼以及比較結果。

>>> bcounts = np.bincount(a)
>>> hist, _ = np.histogram(a, range=(0, a.max()), bins=a.max() + 1)

>>> np.array_equal(hist, bcounts)
True

>>> # Reproducing `collections.Counter`
>>> dict(zip(np.unique(a), bcounts[bcounts.nonzero()]))
{0: 1, 1: 3, 2: 1, 3: 1, 7: 2, 23: 1}
複製代碼

總結：經過Numpy實現直方圖，可直接使用np.histogram()或者np.bincount()。

使用Matplotlib和Pandas可視化Histogram

從上面的學習，咱們看到了如何使用Python的基礎工具搭建一個直方圖，下面咱們來看看如何使用更爲強大的Python庫包來完成直方圖。Matplotlib基於Numpy的histogram進行了多樣化的封裝並提供了更加完善的可視化功能。

import matplotlib.pyplot as plt

# matplotlib.axes.Axes.hist() 方法的接口
n, bins, patches = plt.hist(x=d, bins='auto', color='#0504aa',
                            alpha=0.7, rwidth=0.85)
plt.grid(axis='y', alpha=0.75)
plt.xlabel('Value')
plt.ylabel('Frequency')
plt.title('My Very Own Histogram')
plt.text(23, 45, r'$\mu=15, b=3$')
maxfreq = n.max()
# 設置y軸的上限
plt.ylim(ymax=np.ceil(maxfreq / 10) * 10 if maxfreq % 10 else maxfreq + 10)
複製代碼

以前咱們的作法是，在x軸上定義了分箱邊界，y軸是相對應的頻數，不難發現咱們都是手動定義了分箱的數目。可是在以上的高級方法中，咱們能夠經過設置 bins='auto' 自動在寫好的兩個算法中擇優選擇並最終算出最適合的分箱數。這裏，算法的目的就是選擇出一個合適的區間（箱）寬度，並生成一個最能表明數據的直方圖來。

若是使用Python的科學計算工具實現，那麼可使用Pandas的 Series.histogram() ，並經過 matplotlib.pyplot.hist() 來繪製輸入Series的直方圖，以下代碼所示。

import pandas as pd

size, scale = 1000, 10
commutes = pd.Series(np.random.gamma(scale, size=size) ** 1.5)

commutes.plot.hist(grid=True, bins=20, rwidth=0.9,
                   color='#607c8e')
plt.title('Commute Times for 1,000 Commuters')
plt.xlabel('Counts')
plt.ylabel('Commute Time')
plt.grid(axis='y', alpha=0.75)
複製代碼

pandas.DataFrame.histogram() 的用法與Series是同樣的，但生成的是對DataFrame數據中的每一列的直方圖。

總結：經過pandas實現直方圖，可以使用Seris.plot.hist()，DataFrame.plot.hist()，matplotlib實現直方圖能夠用matplotlib.pyplot.hist()。

繪製核密度估計（KDE）

KDE（Kernel density estimation）是核密度估計的意思，它用來估計隨機變量的機率密度函數，能夠將數據變得更平緩。

使用Pandas庫的話，你可使用 plot.kde() 建立一個核密度的繪圖，plot.kde() 對於 Series和DataFrame數據結構都適用。可是首先，咱們先生成兩個不一樣的數據樣本做爲比較（兩個正太分佈的樣本）：

>>> # 兩個正太分佈的樣本
>>> means = 10, 20
>>> stdevs = 4, 2
>>> dist = pd.DataFrame(
...     np.random.normal(loc=means, scale=stdevs, size=(1000, 2)),
...     columns=['a', 'b'])
>>> dist.agg(['min', 'max', 'mean', 'std']).round(decimals=2)
          a      b
min   -1.57  12.46
max   25.32  26.44
mean  10.12  19.94
std    3.94   1.94
複製代碼

以上看到，咱們生成了兩組正態分佈樣本，而且經過一些描述性統計參數對兩組數據進行了簡單的對比。如今，咱們能夠在同一個Matplotlib軸上繪製每一個直方圖以及對應的kde，使用pandas的plot.kde()的好處就是：它會自動的將全部列的直方圖和kde都顯示出來，用起來很是方便，具體代碼以下：

fig, ax = plt.subplots()
dist.plot.kde(ax=ax, legend=False, title='Histogram: A vs. B')
dist.plot.hist(density=True, ax=ax)
ax.set_ylabel('Probability')
ax.grid(axis='y')
ax.set_facecolor('#d8dcd6')
複製代碼

總結：經過pandas實現kde圖，可以使用Seris.plot.kde()，DataFrame.plot.kde()。

使用Seaborn的完美替代

一個更高級可視化工具就是Seaborn，它是在matplotlib的基礎上進一步封裝的強大工具。對於直方圖而言，Seaborn有 distplot() 方法，能夠將單變量分佈的直方圖和kde同時繪製出來，並且使用及其方便，下面是實現代碼（以上面生成的d爲例）：

import seaborn as sns

sns.set_style('darkgrid')
sns.distplot(d)
複製代碼

distplot方法默認的會繪製kde，而且該方法提供了 fit 參數，能夠根據數據的實際狀況自行選擇一個特殊的分佈來對應。

sns.distplot(d, fit=stats.laplace, kde=False)
複製代碼

注意這兩個圖微小的區別。第一種狀況你是在估計一個未知的機率密度函數(PDF)，而第二種狀況是你是知道分佈的，並想知道哪些參數能夠更好的描述數據。

總結：經過seaborn實現直方圖，可以使用seaborn.distplot()，seaborn也有單獨的kde繪圖seaborn.kde()。

在Pandas中的其它工具

除了繪圖工具外，pandas也提供了一個方便的.value_counts() 方法，用來計算一個非空值的直方圖，並將之轉變成一個pandas的series結構，示例以下：

>>> import pandas as pd

>>> data = np.random.choice(np.arange(10), size=10000,
...                         p=np.linspace(1, 11, 10) / 60)
>>> s = pd.Series(data)

>>> s.value_counts()
9    1831
8    1624
7    1423
6    1323
5    1089
4     888
3     770
2     535
1     347
0     170
dtype: int64

>>> s.value_counts(normalize=True).head()
9    0.1831
8    0.1624
7    0.1423
6    0.1323
5    0.1089
dtype: float64
複製代碼

此外，pandas.cut() 也一樣是一個方便的方法，用來將數據進行強制的分箱。好比說，咱們有一些人的年齡數據，並想把這些數據按年齡段進行分類，示例以下：

>>> ages = pd.Series(
...     [1, 1, 3, 5, 8, 10, 12, 15, 18, 18, 19, 20, 25, 30, 40, 51, 52])
>>> bins = (0, 10, 13, 18, 21, np.inf)  # 邊界
>>> labels = ('child', 'preteen', 'teen', 'military_age', 'adult')
>>> groups = pd.cut(ages, bins=bins, labels=labels)

>>> groups.value_counts()
child           6
adult           5
teen            3
military_age    2
preteen         1
dtype: int64

>>> pd.concat((ages, groups), axis=1).rename(columns={0: 'age', 1: 'group'})
    age         group
0     1         child
1     1         child
2     3         child
3     5         child
4     8         child
5    10         child
6    12       preteen
7    15          teen
8    18          teen
9    18          teen
10   19  military_age
11   20  military_age
12   25         adult
13   30         adult
14   40         adult
15   51         adult
16   52         adult
複製代碼

除了使用方便外，更加好的是這些操做最後都會使用 Cython 代碼來完成，在運行速度的效果上也是很是快的。

總結：其它實現直方圖的方法，可以使用.value_counts()和pandas.cut()。