Краткое руководство

Первым шагом после установки Plots.jl с помощью Pkg.add("Plots") является инициализация пакета. В зависимости от компьютера это займет несколько секунд:

Для начала построим графики некоторых тригонометрических функций. Для координат x можно создать диапазон от 0 до 10, состоящий, скажем, из 100 элементов. Для координат y можно создать вектор, вычислив sin(x) поэлементно. Для этого в Julia мы вставляем точку сразу после вызова функции. Наконец, мы используем plot() для построения линии.

График отображается в области построения, отдельном окне или браузере, в зависимости от среды и бэкенда (см. ниже).

Если это ваш первый график в сеансе и он появляется не сразу, это нормально. Такая задержка называется проблемой «время до отображения первого графика» (или TTFP). Последующие графики будут появляться быстро. Из-за того, что Julia работает, что называется, «за кадром», решить эту проблему довольно сложно, но за последние несколько лет был достигнут значительный прогресс в сокращении времени компиляции.

В Plots.jl каждый столбец представляет собой ряд — набор связанных точек, образующих линии, поверхности или другие примитивы построения графиков. Мы можем построить несколько линий, начертив матрицу значений, где каждый столбец интерпретируется как отдельная линия. Ниже [y1 y2] формирует матрицу 100x2 (100 элементов, 2 столбца).

Кроме того, можно добавлять дополнительные линии, изменяя объект plot. Для этого используется команда plot!, где ! обозначает, что команда изменяет текущий график. Мы также используем макрос @.. Это вспомогательный макрос, который вставляет точки для каждого вызова функции справа от макроса, гарантируя, что все выражение будет вычисляться поэлементно. Если бы мы вводили точки вручную, для синуса, экспоненты и вычитания их потребовалось бы три, и полученный код был бы менее читабельным.

Обратите внимание, что мы могли бы сделать то же самое, что и выше, используя явную переменную графика, которую мы назовем p:

В тех случаях, когда переменная plot опущена, Plots.jl автоматически использует глобальную переменную Plots.CURRENT_PLOT.

В предыдущем разделе мы строили графики. И с ними мы закончили, верно? Нет. Графики необходимо стилистически оформить. В Plots.jl модификаторы графиков называются атрибутами, которые приведены на странице атрибутов. При работе с данными и атрибутами в Plots.jl соблюдаются два простых правила:

Так, например, plot(x, y, z) — это трехмерные данные для трехмерных графиков без атрибутов, а plot(x, y, attribute=value) — это двухмерные данные с одним атрибутом, которому присвоено некоторое значение.

В качестве примера можно привести изменение ширины линии с помощью linewidth (или его псевдонима lw), изменение надписей условных обозначений с помощью label и добавление названия с помощью title. Обратите внимание, что ["sin(x)" "cos(x)"] имеет столько же столбцов, сколько и данные. Кроме того, поскольку ширина строки приписывается к [y1 y2], обе строки будут затронуты присвоенным значением. Применим все это к предыдущему графику:

Каждый атрибут может быть также применен путем изменения графика с помощью функции-модификатора. Некоторые атрибуты имеют собственные специальные функции-модификаторы, другие доступны через plot!(attribute=value). Например, атрибут xlabel добавляет надпись для оси x. Мы можем указать его в команде plot с помощью xlabel=..., а можем воспользоваться функцией-модификатором, приведенным ниже, чтобы добавить его после того, как график уже будет сгенерирован. Что лучше для читаемости кода — решать вам.

Каждая функция-модификатор представляет собой имя атрибута, за которым следует !. При этом неявным образом будет использоваться глобальная переменная Plots.CURRENT_PLOT. Ее можно применить другим объектам графика с помощью attribute!(p, value), где p — имя объекта графика, который необходимо изменить.

Мы будем использовать ключевые слова и функции-модификаторы как взаимозаменяемые для выполнения некоторых общих изменений примера, приведенного ниже. Можно заметить, что для атрибутов ls и legend значения содержат двоеточие :. Двоеточие обозначает символ в Julia. Двоеточия широко используются для значений атрибутов в Plots.jl, наряду со строками и числами.

Обратите внимание, что y3 строится в виде пунктирной линии. В этом отличие от графика рассеяния данных.

На данный момент вы уже знаете о линейных графиках, но не хотите ли вы построить график данных другим способом? В Plots.jl эти другие способы построения ряда называются типом ряда. Линия является одним из типов рядов. Однако еще одним широко используемым видом рядов является график рассеяния.

Начнем с функции синуса, но на этот раз определим вектор y_noisy, который вносит некоторую случайность. Можно изменить тип ряда с помощью атрибута seriestype.

Для каждого встроенного типа ряда существует сокращенная функция прямого вызова этого типа ряда, соответствующая его имени. Она работает с атрибутами так же, как команда plot, и имеет изменяемую форму, которая заканчивается на !. Например, можно записать последнюю линию следующим образом:

Доступные типы рядов зависят от бэкенда и приведены на странице Поддерживаемые атрибуты. Как будет описано далее, другие библиотеки могут добавлять новые типы рядов, используя шаблоны.

Графики рассеяния будут иметь некоторые общие атрибуты, связанные с маркерами. Вот пример того же графика, но с некоторыми атрибутами, придающими графику более презентабельный вид. Многие псевдонимы используются для краткости, и приведенный ниже список не является исчерпывающим.

Plots.jl — это метапакет для построения графиков: он представляет собой интерфейс для множества различных библиотек для построения графиков. На самом деле Plots.jl интерпретирует ваши команды, а затем строит графики с помощью другой библиотеки построения графиков, называемой бэкендом. Что хорошо, так это то, что вы можете применять множество различных библиотек для построения графиков, используя синтаксис Plots.jl, и в скором времени мы увидим, что Plots.jl добавляет новые возможности в каждую из этих библиотек.

Когда мы начали строить график выше, для него использовался бэкенд GR по умолчанию. Однако, допустим, нам нужен другой бэкенд для построения графиков, который будет выводить графики в красивый графический интерфейс или в панель построения в VS Code. Для этого потребуется бэкенд, совместимый с перечисленными возможностями. Распространенными бэкендами для выполнения этих задач являются PythonPlot и Plotly. Например, чтобы установить PythonPlot, достаточно ввести в REPL команду Pkg.add("PythonPlot"). Чтобы установить Plotly, введите Pkg.add("PlotlyJS").

Можно специально выбрать бэкенд, в который выполняется построение графика, используя в качестве функции имя бэкенда в нижнем регистре. Построим график примера, приведенного выше, с помощью Plotly, а затем — GR:

Каждый бэкенд построения графиков имеет свои особенности. Некоторые из них обладают интерактивностью, некоторые работают быстрее и могут обрабатывать огромное количество точек данных, а некоторые могут создавать трехмерные графики. Одни бэкенды, например GR, могут осуществлять сохранение в векторную графику и PDF-файлы, а другие, например Plotly, — только в PNG.

Дополнительные сведения о бэкендах см. на этой странице. Примеры графиков, полученных с помощью различных бэкендов, приведены в разделе «Примеры».

В начале руководства мы рекомендовали выполнять примеры кода в интерактивном сеансе по следующей причине: попробуйте добавить эти же команды построения в скрипт. Теперь вызовите скрипт…​ А график не появляется? Это связано с тем, что Julia при интерактивном использовании через REPL вызывает display для каждой переменной, возвращаемой командой без точки с запятой ;. В каждом из приведенных случаев интерактивное использование заключалось в автоматическом вызове display для возвращаемых объектов графика.

В скрипте Julia не выполняет автоматические отображения, поэтому ; не требуется. Однако если нужно отобразить графики в скрипте, это означает, что достаточно добавить вызов display. Например:

Или же можно вызвать gui() в конце, чтобы сделать то же самое. Наконец, если у нас есть объект графика p, можно ввести display(p) для отображения графика.

Объединить несколько графиков в виде подграфиков можно с помощью макетов. Для этого существует множество методов, и мы рассмотрим два простых метода создания простых макетов. Более сложные макеты представлены на странице Макеты.

Первый метод заключается в определении макета, который будет разделять ряды. Команда layout принимает 2-местный кортеж layout=(N, M), который строит сетку графиков NxM, и автоматически разбивает ряды так, чтобы ряд находился в каждом графике. Например, если на графике с тремя рядами ввести layout=(3, 1), мы получим три строки графиков, в каждом из которых будет по одному ряду.

Определим некоторые функции и построим их на отдельных графиках. Поскольку на каждом графике имеется только один ряд, мы также удалим условные обозначения на каждом из графиков с помощью legend=false.

Мы также можем использовать макеты на графиках объектов графика. Например, можно сгенерировать четыре отдельных графика и создать один график, объединяющий их в сетку 2х2.

Обратите внимание, что атрибуты в отдельных графиках применяются к этим отдельным графикам, в то время как атрибут legend=false в заключительном вызове plot применяется ко всем подграфикам.

Теперь вы знаете всю основную терминологию Plots.jl и можете свободно просматривать документацию, чтобы в дальнейшем стать мастером построения графиков. Однако кое-что осталось: шаблоны. Шаблоны построения графиков являются расширениями платформы Plots.jl. Они добавляют следующие компоненты.

Создание собственных шаблонов является дополнительной темой, описанной на странице шаблонов. Здесь мы представим способы использования шаблона.

Шаблоны входят во многие библиотеки шаблонов. Две фундаментальные библиотеки шаблонов — это PlotRecipes.jl и StatsPlots.jl. Рассмотрим StatsPlots.jl. StatsPlots.jl добавляет множество шаблонов, но мы остановимся только на некоторых.

Кроме шаблонов, StatsPlots.jl предоставляет специализированный макрос @df для построения графиков непосредственно из таблиц данных.

Учитывая легкую расширяемость Plots.jl, можно попробовать и многие другие инструменты. Вот краткий список очень полезных надстроек, с которыми стоит ознакомиться: