使用 Matplotlib 在 Python 中填充曲线和 X 轴之间的区域

Matplotlib 是 Python 中最常用的数据可视化工具之一。它可以轻松绘制各种图表，包括线图、散点图、饼图等。其中一项很好的功能是填充曲线和 X 轴之间的区域。这种可视化技术通常用于表示两条曲线之间的差异，有时也用于表示数据的置信区间。

Matplotlib 入门

在深入了解如何填充曲线和 X 轴之间的区域之前，我们首先要了解 Matplotlib 的基础知识。让我们从一个简单的例子开始。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 创建数据
x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

# 绘制曲线
plt.plot(x, y)

# 显示图形
plt.show()

在上面的代码中，我们使用 numpy 创建了一个包含 100 个数据点的数组，并使用 sin 函数计算了每个数据点的值。我们然后使用 plot 函数将这些数据点绘制成一条曲线。最后，我们使用 show 函数来显示图形。

此图显示了函数 $y = sin(x)$ 的图像。我们可以通过调整上面代码中的 x 和 y 数组来绘制具有不同形状的曲线。

在 Python 中填充曲线和 X 轴之间的区域

填充曲线和 X 轴之间的区域需要使用 Matplotlib 提供的 fill_between 函数。这个函数可以让我们在两条曲线之间的区域中填充颜色。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 创建数据
x = np.linspace(0, 10, 100)
y1 = np.sin(x)
y2 = np.cos(x)

# 绘制曲线
plt.plot(x, y1)
plt.plot(x, y2)

# 填充区域
plt.fill_between(x, y1, y2, color='gray', alpha=0.2)

# 显示图形
plt.show()

在上面的代码中，我们定义了两个函数 $y_1 = sin(x)$ 和 $y_2 = cos(x)$ 。我们使用 plot 函数将这两条曲线绘制出来。接着，我们使用 fill_between 函数在这两条曲线之间的区域中填充颜色。color 参数指定填充颜色（这里为灰色），而 alpha 参数确定这个区域的不透明度。

在这个图表中，我们看到了 $sin(x)$ 和 $cos(x)$ 的图像。这两条曲线之间的灰色区域表明了这两个函数在一定范围内的差异。

我们还可以使用 where 参数指定哪些点应该填充颜色。例如，我们可以使用以下代码将 y_1 > y_2 的区域填充为蓝色。

# 填充区域
plt.fill_between(x, y1, y2, where=(y1 > y2), color='blue', alpha=0.2)

自定义填充区域的样式

在前面的例子中，我们使用了默认的填充样式。但是，Matplotlib 允许我们自定义填充区域的样式。让我们看一个例子。

# 填充区域
plt.fill_between(x, y1, y2, where=(y1 > y2), interpolate=True, color='green', alpha=0.5, hatch='/', edgecolor='red', linewidth=2)

在这段代码中，我们添加了一些新的参数来自定义填充区域的样式。interpolate 参数告诉 Matplotlib 在填充区域中使用插值以确保填充区域的形状是平滑的。hatch 参数可以用于添加正交线条或其他图案纹理。edgecolor 和 linewidth 参数可以用于设置边框的颜色和宽度。

这个图表显示了 y_1 > y_2 的区域使用斜线进行填充，并使用红色边框突出显示。注意，我们还可以使用不同的填充图案和边框样式来自定义填充区域的外观。