Seaborn with Matplotlib (4)

2020-10-10

2020-11-27

PairGrid, align, legend, matplotlib, pairplot, python, seaborn, visualization

4. seaborn `figure-level` 다듬기

seaborn + matplotlib 마지막 시간입니다.
figure-level 그림을 그리고 다듬어 봅니다.
자체적으로 지원하는 명령어를 사용해보고,
개흉 심장마사지 방법을 알아보겠습니다.

seaborn API
seaborn tutorial
seaborn with matplotlib (3)

4.1. `figure-level`으로 편리하게 그리기: `pairplot()`

wikipedia: Exploratory data analysis
wikipedia: Anscombe’s quartet
autodesk: datasaurus
seaborn.pairplot

EDA에서 피할 수 없는 과정이 상관도입니다.
- 두 변수 사이의 관계를 그려 관계를 파악합니다.
- 대개 산점도scatter plot나 밀도 함수density plot를 쓰고,
- 추세선regression을 덧붙이는 경우도 있습니다.

데이터 분포는 통계값으로만 확인하면 안됩니다.
- 평균과 표준편차는 같은데 분포는 다른 경우가 많습니다.
- 반드시 분포를 그려 봐야 합니다.
- Anscombe’s quartet이 아주 좋은 예시입니다.

N개의 인자 사이에는 $ \frac{N(N-1)}{2} $가지 관계가 있습니다.
seaborn의 pairplot()은 여러 인자 사이의 수많은 상관도를 쉽게 그려줍니다.

붓꽃iris 데이터셋으로 상관도를 그려봅니다.
- 꽃받침sepal과 꽃잎petal,
- 길이length와 폭width 네 가지 인자로부터
- 여섯 가지의 상관도,
- 네 가지의 히스토그램이 나옵니다.

코드 한 줄로 그려봅시다.

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import seaborn as sns

iris = sns.load_dataset("iris")

종species별 분포를 그려봅니다.
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g = sns.pairplot(iris, hue="species")

hue=라는 인자 하나만 추가했을 뿐입니다.
- 그림이 갑자기 예뻐졌습니다.
- 히스토그램도 밀도함수로 바뀌어서 훨씬 보기 좋습니다.

여기에 다른 그림을 겹쳐보겠습니다.
- 대각선 위 : 2차원 밀도함수 + 추세선
- 대각선 아래 : 2차원 밀도함수 + 산포도

seaborn figure-level 기능만으로 가능합니다.

.map_lower()와 .map_upper를 사용합니다.

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g = sns.pairplot(iris, hue="species", kind="kde", plot_kws={"alpha":0.3})
g.map_lower(sns.scatterplot)
g.map_upper(sns.regplot, scatter=False, truncate=False, ci=False)

map_lower()와 map_upper()는 대각선의 위와 아래에 그림을 덧씌우는map 함수입니다.
- 앞서 완성한 pairplot에 새로운 그림을 덧붙입니다.
- 인자로는 함수 이름과 이 함수의 옵션들을 연달아 넣어 줍니다.
- 함수에 맞는 인자를 넣어줘야 합니다.

4.2. `figure-level` 그림 뼈대부터 세우기: `PairGrid()`

seaborn.PairGrid

pairplot을 단계별로 그리는 방법입니다.
- 코드 양은 pairplot()한 줄보다 늘어납니다.
- 그러나 자유도가 늘어납니다.
.pairplot() 으로는 위 아래를 완전히 다르게 할 수 없습니다.
대각선의 아래엔 산점도와 추세선을 그리고

대각선 위에는 밀도함수만 그려보겠습니다.

# 틀 만들기
g = sns.PairGrid(iris, hue="species", diag_sharey=False)

# diagonal
g.map_diag(sns.kdeplot, fill=True)

# lower
g.map_lower(plt.scatter, s=30, edgecolor="w")
g.map_lower(sns.regplot, scatter=False, truncate=False, ci=False)

# upper
g.map_upper(sns.kdeplot, alpha=0.3)

# legend
g.add_legend()

.pairplot()과 같은 형식의 그림이 나왔습니다.
내 의도를 더 잘 반영할 수 있게 되었습니다.
8번째 줄에는 plt.scatter가 들어가 있습니다.
.pairplot()도 마찬가지지만 .map()에는 seaborn대신 matplotlib 함수를 사용할 수 있습니다.

중복되는 오른쪽 윗부분을 생략할 수 있습니다.

corner=True를 넣어줍니다.

g = sns.PairGrid(iris, hue="species", diag_sharey=False, corner=True)

# diagonal
g.map_diag(sns.kdeplot, fill=True)

# lower
g.map_lower(plt.scatter, s=30, edgecolor="w")
g.map_lower(sns.regplot, scatter=False, truncate=False, ci=False)
g.map_lower(sns.kdeplot, alpha=0.3)

# legend
g.add_legend()

이제 작은 수정을 해봅니다.
1. 대각선에 사각 테두리 치기
2. 범례를 그림 안으로 가져오기

가슴을 열고 심장마사지를 할 시간입니다.

4.3. `figure-level` 그림 객체 접근

seaborn.FacetGrid
matplotlib.figure.Figure
matplotlib.axes.Axes

matplolib 그림은 figure와 axes로 나뉩니다.
- seaborn 그림도 결국 matplotlib 그림입니다.
- seaborn의 figure와 axes에 접근하면 됩니다.

4.3.1. axes: `.axes`

이전 글에서 axes를 이용해 jointplot을 재현했습니다.
axes 객체는 .axes를 이용해 접근 가능합니다.
1
g.axes

확인 결과 AxesSubplot의 array입니다.

4.3.1.1. 특정 axes 윤곽선 그리기

Seaborn with Matplotlib (2)
Spines & Grids

정체를 알았으니 axes[i][j]로 접근할 수 있습니다.

g.axes[i][j]의 spine을 보이게 합니다.

g = sns.PairGrid(iris, hue="species", diag_sharey=False, corner=True)

# diagonal
g.map_diag(sns.kdeplot, fill=True)
for i in range(4):
    g.axes[i][i].spines["left"].set_visible(True)
    g.axes[i][i].spines["top"].set_visible(True)
    g.axes[i][i].spines["right"].set_visible(True)
    
# lower
g.map_lower(plt.scatter, s=30, edgecolor="w")
g.map_lower(sns.regplot, scatter=False, truncate=False, ci=False)
g.map_lower(sns.kdeplot, alpha=0.3)

# legend
g.add_legend()

4.3.1.2. 범례 조정

seaborn axisgrid.py 소스코드
matplotlib.axes.Axes.get_legend_handles_labels
matplotlib.axes.Axes.legend

legend 정보를 가져와서 legend로 삽입합니다.
- 대개 legend에 필요한 handles와 labels는 .get_legend_handles_labels()로 가져옵니다.
- 하지만 seaborn figure-level 그림엔 이 명령이 통하지 않습니다.
- private처럼 보이는 ._legend_data를 사용합니다.
- 공식 문서에 없습니다. 소스 코드를 뒤적여야 합니다.

._legend_data 정체를 확인합니다.
범례가 dict 형식으로 들어 있습니다.
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g._legend_data

아래 코드를 추가하여 범례를 이동합니다.

handles = g._legend_data.values()
labels = g._legend_data.keys()

# axes[1][0] 기준으로 오른쪽 멀리 범례 삽입
g.axes[1][0].legend(handles=handles, labels=labels,
                    bbox_to_anchor=(3.45, 1),
                    fontsize="large", frameon=False
                   )

이런 방식으로 특정 axes만 제어할 수 있습니다.
- 원하는 그림, 글자을 넣을 수 있고
- 특정 데이터의 색상을 변경할 수 있습니다.

4.3.2. figure: `.fig`

개별 공간은 axes로 제어하지만
여러 axes가 연관된 공간은 figure로 제어합니다.
figure 객체는 .fig를 이용해 접근 가능합니다.
1
type(g.fig)

type()으로 감싸주지 않으면 그림이 통으로 출력됩니다.

4.3.2.1. ylabel alignment

matplolib.figure.Figure #align_ylabels
matplotlib Align y-labels

위 그림에서 ylabel 줄이 잘 맞지 않습니다.
- 맨 왼쪽 아래 axes[3][0]의 label이 비죽 나왔네요.
- 다른 ylabel을 움직여서 열을 맞춰 봅시다.

위 그림 코드의 맨 마지막 줄에 한 줄만 추가합니다.
1
g.fig.align_ylabels(g.axes[:,0])

4.3.2.2. 범례 조정

matplolib.figure.Figure #legend

범례는 figure 기준으로도 삽입 가능합니다.
아래 코드는 위의 axes[1][0].legend()와 동일합니다.

전체적인 그림의 위치를 잡을 수 있어 더 좋습니다.

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g.fig.legend(handles=handles, labels=labels,
             bbox_to_anchor=(0.75, 0.75),
             fontsize="large")

4.3.2.3. suptitle

matplolib.figure.Figure #suptitle

그림 전체에 제목을 붙일 수 있습니다.

g.fig.suptitle("iris dataset", y=1.01,
               weight="bold", fontsize="x-large"
              )
g.fig.tight_layout()

4.3.2.4. facecolor, edgecolor

matplolib.figure.Figure #set_facecolor

그림 바탕색을 칠합니다.
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g.fig.set_facecolor("whitesmoke")

4.3.3. 최종

x, ylabel까지 정리하면 이렇습니다.

g = sns.PairGrid(iris, hue="species", diag_sharey=False, corner=True)

# diagonal
g.map_diag(sns.kdeplot, fill=True)
for i in range(4):
    g.axes[i][i].spines["left"].set_visible(True)
    g.axes[i][i].spines["top"].set_visible(True)
    g.axes[i][i].spines["right"].set_visible(True)
    
# lower
g.map_lower(plt.scatter, s=30, edgecolor="w")
g.map_lower(sns.regplot, scatter=False, truncate=False, ci=False)
g.map_lower(sns.kdeplot, alpha=0.3)

# legend
handles = g._legend_data.values()
labels = g._legend_data.keys()
g.fig.legend(handles=handles, labels=labels,
             bbox_to_anchor=(0.75, 0.75),
             fontsize="large")

# x, y labels
labels = ["Sepal Length", "Sepal Width", "Petal Length", "Petal Width"]
font_labels = {"fontsize":"large", "color":"gray", "fontweight":"bold"}
for i in range(4):
    g.axes[3, i].set_xlabel(labels[i], fontdict=font_labels)
    g.axes[i, 0].set_ylabel(labels[i], fontdict=font_labels)

# ylabel alignment
g.fig.align_ylabels(g.axes[:,0])

# suptitle
g.fig.suptitle("iris dataset", y=1.01,
               weight="bold", fontsize="x-large"
              )
g.fig.tight_layout()

# facecolor
g.fig.set_facecolor("whitesmoke")

5. 결론

네 편의 글에 걸쳐 matplotlib + seaborn 연계기를 정리했습니다.
- 개별적인 코드와 기술보다는 본질에 집중합시다.
- figure와 axes를 통하면 웬만한건 다 된다는 겁니다.
0.11에서 seaborn의 공식문서가 대폭 정리됐습니다.
- 하지만 아직 부족한 점이 많습니다.
- 특히 많은 경우 matplotlib에 숙달되었다고 전제합니다.
- 일단 matplotlib부터 제대로 익혀봅시다.

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PythonData Science

4. seaborn figure-level 다듬기

4.1. figure-level으로 편리하게 그리기: pairplot()

4.2. figure-level 그림 뼈대부터 세우기: PairGrid()

4.3. figure-level 그림 객체 접근

4.3.1. axes: .axes