8.17 使用 Seaborn 的可视化

原文：Visualization with Seaborn

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

本节是《Python 数据科学手册》（Python Data Science Handbook）的摘录。

Matplotlib 据证明是一种非常有用和流行的可视化工具，但即使狂热的用户也会承认它经常会有很多不足之处。有几个对 Matplotlib 的有效的抱怨常常出现：

• 在 2.0 版之前，Matplotlib 的默认值并不是最佳选择。 它基于大约 1999 年的 MATLAB，经常是这样。
• Matplotlib 的 API 相对较低。 可以进行复杂的统计可视化，但通常需要大量的样板代码。
• Matplotlib 比 Pandas 早了十多年，因此不适合与 Pandas 的DataFrame`一起使用。 为了可视化来自 PandasDataFrame的数据，你必须提取每个Series``并经常将它们连接成正确的格式。 如果有一个绘图库可以智能地在绘图中使用DataFrame标签会更好。

这些问题的答案是Seaborn。 Seaborn 在 Matplotlib 之上提供 API，为绘图样式和颜色默认值提供合理的选择，为常见的统计绘图类型定义简单的高级函数，并与 Pandas DataFrame提供的功能集成。

公平地说，Matplotlib 团队正在解决这个问题：它最近添加了“自定义 Matplotlib：配置和样式表”中讨论的plt.style工具，并且正在开始 更无缝地处理 Pandas 数据。该库的 2.0 版本将包含新的默认样式表，它将改善现状。但出于所讨论的所有原因，Seaborn 仍然是一个非常有用的插件。

Seaborn VS Matplotlib

下面是 Matplotlib 中简单随机游走图的示例，使用其经典的绘图格式和颜色。我们从典型的导入开始：

import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use('classic')
%matplotlib inline
import numpy as np
import pandas as pd

现在我们创建一些随机游走数据：

# 创建一些数据
rng = np.random.RandomState(0)
x = np.linspace(0, 10, 500)
y = np.cumsum(rng.randn(500, 6), 0)

并执行简单的绘图：

# 使用 Matplotlib 默认值绘制数据
plt.plot(x, y)
plt.legend('ABCDEF', ncol=2, loc='upper left');

png

虽然结果包含了我们希望传达的所有信息，但它的确以一种并非好看的方式，甚至在 21 世纪数据可视化的背景下看起来有点过时。

现在让我们来看看它如何与 Seaborn 一起使用。我们将要看到，Seaborn 有许多自己的高级绘图例程，但它也可以覆盖 Matplotlib 的默认参数，反过来甚至可以使简单的 Matplotlib 脚本产生非常出色的输出。我们可以通过调用 Seaborn 的set()方法来设置样式。按照惯例，Seaborn 被导入为sns：

import seaborn as sns
sns.set()

现在让我们重新运行与以前相同的两行：

# 和上面一样的绘图代码
plt.plot(x, y)
plt.legend('ABCDEF', ncol=2, loc='upper left');

png

啊，好多了！

探索 Seaborn 绘图

Seaborn 的主要思想是它提供高级命令，来创建用于统计数据探索，甚至是一些统计模型拟合的各种绘图类型。

我们来看看Seaborn中可用的一些数据集和绘图类型。 请注意，以下所有都可以使用原始 Matplotlib 命令完成（事实上，这是 Seaborn 所做的事情），但 Seaborn API 更方便。

直方图，KDE，和密度

通常在统计数据可视化中，你只需要绘制直方图和变量的联合分布。我们已经看到这在 Matplotlib 中相对简单：

data = np.random.multivariate_normal([0, 0], [[5, 2], [2, 2]], size=2000)
data = pd.DataFrame(data, columns=['x', 'y'])

for col in 'xy':
    plt.hist(data[col], normed=True, alpha=0.5)

png

我们可以使用核密度估计来获得对分布的平滑估计，而不是直方图，Seaborn 使用sns.kdeplot来执行：

for col in 'xy':
    sns.kdeplot(data[col], shade=True)

png

直方图和 KDE 可以使用distplot组合：

sns.distplot(data['x'])
sns.distplot(data['y']);

png

如果我们将完整的二维数据集传递给kdeplot，我们将获得数据的二维可视化：

sns.kdeplot(data);

png

我们可以使用sns.jointplot查看联合分布和边缘分布。对于此图，我们将样式设置为白色背景：

with sns.axes_style('white'):
    sns.jointplot("x", "y", data, kind='kde');

png

还有其他参数可以传递给jointplot - 例如，我们可以使用基于六边形的直方图：

with sns.axes_style('white'):
    sns.jointplot("x", "y", data, kind='hex')

png

配对绘图

将联合绘图推广到高维数据集时，最终会得到配对绘图。 当你想要绘制所有值对于彼此的配对时，这对于探索多维数据之间的相关性非常有用。

我们将使用着名的鸢尾花数据集进行演示，该数据集列出了三种鸢尾花物种的花瓣和萼片的测量值：

iris = sns.load_dataset("iris")
iris.head()

可视化样本之间的多维关系就像调用sns.pairplot一样简单：

sns.pairplot(iris, hue='species', size=2.5);

png

分面直方图

有时，查看数据的最佳方式是通过子集的直方图。 Seaborn 的FacetGrid使其非常简单。我们将根据各种指标数据查看一些数据，它们显示餐厅员工在小费中收到的金额：

tips = sns.load_dataset('tips')
tips.head()

| | total_bill | tip | sex | smoker | day | time | size |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 0 | 16.99 | 1.01 | Female | No | Sun | Dinner | 2 |
| 1 | 10.34 | 1.66 | Male | No | Sun | Dinner | 3 |
| 2 | 21.01 | 3.50 | Male | No | Sun | Dinner | 3 |
| 3 | 23.68 | 3.31 | Male | No | Sun | Dinner | 2 |
| 4 | 24.59 | 3.61 | Female | No | Sun | Dinner | 4 |

tips['tip_pct'] = 100 * tips['tip'] / tips['total_bill']

grid = sns.FacetGrid(tips, row="sex", col="time", margin_titles=True)
grid.map(plt.hist, "tip_pct", bins=np.linspace(0, 40, 15));

png

因子图

因子图也可用于此类可视化。 这允许你查看由任何其他参数定义的桶中的参数分布：

with sns.axes_style(style='ticks'):
    g = sns.factorplot("day", "total_bill", "sex", data=tips, kind="box")
    g.set_axis_labels("Day", "Total Bill");

png

联合分布

与我们之前看到的配对图类似，我们可以使用sns.jointplot来显示不同数据集之间的联合分布以及相关的边缘分布：

with sns.axes_style('white'):
    sns.jointplot("total_bill", "tip", data=tips, kind='hex')

png

联合图甚至可以做一些自动的核密度估计和回归：

sns.jointplot("total_bill", "tip", data=tips, kind='reg');

png

条形图

时间序列可以使用sns.factorplot绘制。 在下面的示例中，我们将使用我们在“聚合和分组”中首次看到的行星数据：

planets = sns.load_dataset('planets')
planets.head()

with sns.axes_style('white'):
    g = sns.factorplot("year", data=planets, aspect=2,
                       kind="count", color='steelblue')
    g.set_xticklabels(step=5)

png

通过查看每个行星的发现方法，我们可以了解更多信息：

with sns.axes_style('white'):
    g = sns.factorplot("year", data=planets, aspect=4.0, kind='count',
                       hue='method', order=range(2001, 2015))
    g.set_ylabels('Number of Planets Discovered')

png

对于使用 Seaborn 进行绘图的更多信息，请参阅 Seaborn 文档，教程和 Seaborn 画廊。

示例：探索马拉松结束时间

在这里，我们将使用 Seaborn 来帮我们可视化和理解马拉松的结果。我从 Web 上的数据源抓取数据，汇总并删除任何身份信息，并将其放在 GitHub 上，可以在那里下载（如果你有兴趣使用 Python 抓取网页，我建议阅读 Ryan Mitchell 的《Web Scraping with Python》。我们首先从 Web 下载数据并将其加载到 Pandas 中：

# !curl -O https://raw.githubusercontent.com/jakevdp/marathon-data/master/marathon-data.csv

data = pd.read_csv('marathon-data.csv')
data.head()

默认情况下，Pandas 将时间列加载为 Python 字符串（类型object）；我们可以通过查看DataFrame的dtypes属性来看到它：

data.dtypes

'''
age        int64
gender    object
split     object
final     object
dtype: object
'''

让我们通过为时间提供转换器来解决这个问题：

def convert_time(s):
    h, m, s = map(int, s.split(':'))
    return pd.datetools.timedelta(hours=h, minutes=m, seconds=s)

data = pd.read_csv('marathon-data.csv',
                   converters={'split':convert_time, 'final':convert_time})
data.head()

data.dtypes

'''
age                 int64
gender             object
split     timedelta64[ns]
final     timedelta64[ns]
dtype: object
'''

这看起来好多了。 出于我们的 Seaborn 绘图工具的目的，让我们接下来添加以秒为单位的列：

data['split_sec'] = data['split'].astype(int) / 1E9
data['final_sec'] = data['final'].astype(int) / 1E9
data.head()

为了了解数据的样子，我们可以在数据上绘制一个jointplot：

with sns.axes_style('white'):
    g = sns.jointplot("split_sec", "final_sec", data, kind='hex')
    g.ax_joint.plot(np.linspace(4000, 16000),
                    np.linspace(8000, 32000), ':k')

png

虚线表示如果他们以完全稳定的速度跑马拉松，那么某人的时间会在哪里。 分布高于此的事实表明（正如你所料）大多数人在马拉松比赛过程中减速。如果你有竞争力，那么你就会知道那些在比赛后半段跑得更快的人 - 被称为将比赛负分割（negative-split）。

让我们在数据中创建另一个列，即分割分数，它测量每个运动员将比赛负分割或正分割（positive-split）的程度：

data['split_frac'] = 1 - 2 * data['split_sec'] / data['final_sec']
data.head()

如果此分割差异小于零，则这个人将比赛以这个比例负分割。让我们绘制这个分割分数的分布图：

sns.distplot(data['split_frac'], kde=False);
plt.axvline(0, color="k", linestyle="--");

png

sum(data.split_frac < 0)

# 251

在近 40,000 名参与者中，只有 250 人将马拉松负分割。

让我们看看这个分割分数和其他变量之间是否存在任何相关性。我们将使用pairgrid来绘制所有这些相关性：

g = sns.PairGrid(data, vars=['age', 'split_sec', 'final_sec', 'split_frac'],
                 hue='gender', palette='RdBu_r')
g.map(plt.scatter, alpha=0.8)
g.add_legend();

png

看起来分割分数与年龄没有特别的关联，但确实与最终时间相关：更快的运动员往往将马拉松时间等分。（我们在这里看到，当涉及到绘图样式时，Seaborn 不是 Matplotlib 弊病的灵丹妙药：特别是，x轴标签重叠。因为输出是一个简单的 Matplotlib 图，但是，“自定义刻度”中的方法可以用来调整这些东西。）

这里男女之间的区别很有意思。 让我们看看这两组的分割分数的直方图：

sns.kdeplot(data.split_frac[data.gender=='M'], label='men', shade=True)
sns.kdeplot(data.split_frac[data.gender=='W'], label='women', shade=True)
plt.xlabel('split_frac');

png

这里有趣的是，有更多的男人比女人更接近等分！这几乎看起来像男女之间的某种双峰分布。 让我们看看，我们是否可以通过将分布看做年龄的函数，来判断发生了什么。

比较分布的好方法是使用提琴图：

sns.violinplot("gender", "split_frac", data=data,
               palette=["lightblue", "lightpink"]);

png

这是比较男女之间分布的另一种方式。

让我们看得深入一些，然后将这些提琴图作为年龄的函数进行比较。我们首先在数组中创建一个新列，指定每个人的年龄，以十年为单位：

data['age_dec'] = data.age.map(lambda age: 10 * (age // 10))
data.head()

men = (data.gender == 'M')
women = (data.gender == 'W')

with sns.axes_style(style=None):
    sns.violinplot("age_dec", "split_frac", hue="gender", data=data,
                   split=True, inner="quartile",
                   palette=["lightblue", "lightpink"]);

png

考虑到这一点，我们可以看到男性和女性的分布在哪里不同：与同龄（或任何年龄的）女性相比，20 到 50 岁男性的分割分布，与较低的分割相比，表现出明显的过度密集。

同样令人惊讶的是，这位 80 岁的女性在分割时间方面表现优于每个人。 这可能是因为我们估计来自小数字的分布，因为在该范围内只有少数运动员：

(data.age > 80).sum()

# 7

回到带有负分割的男性：谁是这些运动员？ 这个分割分数是否与快速结束相关？ 我们可以很容易地绘制这个图。 我们将使用regplot，它将自动拟合数据的线性回归：

g = sns.lmplot('final_sec', 'split_frac', col='gender', data=data,
               markers=".", scatter_kws=dict(color='c'))
g.map(plt.axhline, y=0.1, color="k", ls=":");

png

显然，带有快速分割的人是精英运动员，他们在约 15,000 秒或约 4 小时内结束。 慢于此的人不太可能具有快速的第二次分割。