2.3 添加子圖

有時，將多個相關圖形并排放置在同一圖中但不在相同的軸域（axes）上，這是很有用的。子圖允許我們在同一個圖中生成由獨立圖形組成的圖網格。在本節中，我們將看到如何使用子圖在單個圖中并排創建兩個圖形。

2.3.1 準備工作

你需要準備繪制每個子圖的數據。作為示例，我們將在第一個子圖上繪制對函數f(x)=x²-1進行牛頓法（Newton's method）求解的前五次迭代結果，初始值為x0=2；而在第二個子圖上，我們將繪制迭代的誤差。首先，我們定義一個生成器函數以獲取迭代值：

這個例程會生成兩個列表。第一個列表包含對函數應用牛頓法求解的數值，第二個列表包含近似值的誤差：

2.3.2 實現方法

以下步驟將演示如何創建包含多個子圖的圖形：

1.我們使用subplots例程創建一個新圖形，并引用每個子圖中的所有Axes對象，這些子圖按一行兩列的網格排列。我們還將tight_layout關鍵字參數設置為True，以自動調整生成圖形的布局。這個參數設置并不是嚴格必要的，但在這種情況下它會產生比默認值更好的結果：

2.創建Figure和Axes對象之后，我們可以通過在每個Axes對象上調用相關的繪圖方法來填充圖形。對于第一個圖（顯示在左側），我們在ax1對象上使用plot方法，該方法的簽名與標準的plt.plot例程相同。然后，我們在ax1對象上調用set_title、set_xlabel和set_ylabel方法來分別設置標題以及x軸和y軸標簽。我們還通過提供usetex關鍵字參數，對軸標簽使用TeX格式化，如果你的系統上沒有安裝Te X，可以忽略這一點：

3.現在，我們可以使用ax2對象在第二個繪圖形（顯示在右側）上繪制誤差值。我們使用名為semilogy的另一種畫圖方法，它在y軸上使用對數刻度。這個方法的簽名與標準的plot方法相同。同樣，我們設置了軸標簽和標題。如果你沒有安裝TeX，同樣可以省略對usetex的使用：

這一系列命令的結果如圖2.3所示。

圖2.3中，左圖繪制了以牛頓法求解對函數的前五次迭代結果，右圖則以對數刻度繪制了結果的近似誤差。

2.3.3 原理解析

在Matplotlib中，Figure對象只是一個包含特定大小繪圖元素（如Axes）的容器。Figure對象通常只包含一個Axes對象，該對象占據整個圖形區域，但它也可以在同一區域內包含任意數量的Axes對象。subplots例程執行了以下幾個操作。首先，它創建一個新圖形，然后在圖形區域內創建了具有指定形狀的網格。其次，在網格的每個位置添加新的Axes對象。再次，將新的Figure對象和一個或多個Axes對象返回給用戶。如果只需要一個子圖（一行一列，沒有其他參數），那么將返回一個普通的Axes對象；如果需要一行或一列（分別有多列或多行）繪圖區域，那么將返回一個Axes對象的列表；如果需要多行多列繪圖區域，則返回一個列表的列表，其中的行是由Axes對象組成的列表。最后，我們可以在每個Axes對象上使用繪圖方法，將圖形填充到所需的圖中。

在這個示例中，我們在左側圖形中使用了標準的plot方法，就像我們在之前的示例中看到的那樣。然而，在右側的圖形中，我們使用了將坐標軸更改為對數刻度的繪圖方式。這意味著軸上的每個單位代表的都是10的冪的變化，而不是一個單位的變化，因此0表示10⁰=1，1表示10，2表示100，以此類推。軸標簽會自動更改以反映這種刻度變化。當數值有數量級的變化時，這種類型的縮放很有用，例如展示隨著迭代次數的增加而得到的近似誤差的情況。我們還可以使用semilogx方法在x軸上使用對數刻度，或使用loglog方法在兩個軸上同時使用對數刻度。

2.3.4 更多內容

在Matplotlib中，有多種創建子圖的方法。如果你已經創建了Figure對象，那么可以使用Figure對象的add_subplot方法添加子圖。另外，你還可以使用matplotlib.pyplot中的subplot例程將子圖添加到當前圖形中。如果尚不存在Figure對象，調用此方法時將先創建一個Figure對象。subplot例程是Figure對象上add_subplot方法的簡便包裝。

在前面的示例中，我們創建了兩個在y軸上具有不同刻度的圖，這演示了子圖的許多可能用途之一。子圖的另一個常見的用途是繪制矩陣中的數據，其中矩陣的列具有共同的x標簽，行具有共同的y標簽，這在多元統計中非常常見，用于研究各組數據之間的相關性。用于創建子圖的plt.subplots例程接受sharex和sharey這兩個關鍵字參數，允許坐標軸在所有子圖或一行、一列中共享。此設置會影響坐標軸的比例和刻度。

2.3.5 另請參閱

Matplotlib通過為subplots例程提供gridspec_kw關鍵字參數來支持更高級的布局。更多信息請參閱matplotlib.gridspec的文檔。