R语言学习2：绘图

本系列是一个新的系列，在此系列中，我将和大家共同学习R语言。由于我对R语言的了解也甚少，所以本系列更多以一个学习者的视角来完成。

参考教材：《R语言实战》第二版（Robert I.Kabacoff），书中所提到的John Cook的优秀博文，关于代码规范的《来自Google的R语言编码风格指南》。

Part 1：图形参数
Part 2：添加要素
Part 3：图形组合

Part 1：图形参数

Unit 1：点型和线型

plot()是R中为对象作图的一个泛型函数，它的输出由所绘制对象的类型不同而不同。如果x和y是两个等长的数字向量，则以下代码将绘制点集$(x,y)$，并用线段将其连接。

plot(x, y, type="b")

这里type="b"代表同时绘制点和线。还有以下的几种type属性的选择：

"p"：只绘制点，不绘制线段。
"l"：只绘制线段，不绘制点。
"b"：绘制点和线，但实线不通过点。
"o"：绘制点和线，且实线会通过点，与"b"的视觉效果不同。
"h"：只绘制各点到$x$轴的竖线，不绘制点和线。
"s"：绘制阶梯型曲线。
"S"：绘制阶梯型区间，但是阶梯方向不同。
"n"：不绘制任何点、线。

在使用plot()作图之前，可以使用par()函数修改图形的参数，这个函数可以任意次调用。在使用par()修改图形参数之前，往往会加入以下两句：

opar <- par(no.readonly=TRUE)

...

par(opar)

当调用par(opar)后，将还原默认参数环境。

以下是用于指定符号和线条类型的参数：

pch：指定绘制点时使用的符号，范围是$\{0,1,\cdots,25\}$。
cex：指定符号的大小，表示绘图符号相对于默认大小的缩放倍数，默认值是1。
lty：指定线条类型，范围是$\{1,2,\cdots,6\}$。
lwd：指定线条宽度，表示之于默认值的相对粗细，默认值是1。

也可以直接在plot处加上这四个参数：

plot(x, y, type="b", pch=11, lty=2, cex=2, lwd=2)

Unit 2：颜色

以下是用于指定颜色的参数：

col：默认的绘图颜色，可以传入一个向量并循环使用。
col.axis：坐标轴刻度文字的颜色。
col.lab：坐标轴标签文字的颜色。
col.main：标题颜色。
col.sub：副标题颜色。
fg：图形前景色，如坐标轴线。
bg：图形背景色。

颜色的指定，可以用颜色下标、颜色名字、十六进制颜色值、RGB值、HSV值来指定，函数colors()可以返回所有可用颜色的名称（657种）。

可以用rainbow(n)创建一个$n$种连续的彩虹形颜色列表，可以用gray(vector)来获得一个灰度色列表，常用的vector=0:n/n，是一个$[0,1]$之间的均匀列表。

RColorBrewer是一个用于创建颜色的常用包，其中brewer.pal(n, name)可以从调色盘name中创建一个颜色值的向量，以下程序段是一个brewer.par()函数的使用示例。

library(RColorBrewer)

n <- 9

mycolor <- brewer.pal(n, "Set1")  # 使用的颜色集合是"Set1"

barplot(rep(1,n), col = mycolor)

可以使用display.brewer.all()显示所有调色板的颜色，或者display.brewer.pal(name)显示某个调色板的颜色。brewer.pal.info命令可以给出所有调色板的列表。

Unit 3：文本

字体族和字样通过以下参数进行控制。

cex：相对默认大小的缩放倍数，默认值是1（代表以下一类，不要直接调用）。
cex.axis：坐标轴刻度文字的缩放倍数。
cex.lab：坐标轴标签的缩放倍数。
cex.main：标题的缩放倍数。
cex.sub：副标题的缩放倍数。
font：整数，指定字体样式。$\{1,2,3,4,5\}$分别代表常规、粗体、斜体、粗斜体、符号字体（代表以下一类，不要直接调用）。
font.axis：坐标轴刻度文字的字体样式。
font.lab：坐标轴标签的字体样式。
font.main：标题的字体样式。
font.sub：副标题的字体样式。
ps：字体磅值，文本的最终大小为ps*cex。
family：绘制文本时使用的字体族，标准取值为serif（衬线）、sans（无衬线）、mono（等宽）。

字体族的设置稍显复杂，在Windows系统中，mono映射为TT Courier New，sarif映射为TT Times New Roman，sans映射为TT Arial，这里TT指True Type。如果想要使用其他字体，需要创建新的映射，使用windowsFonts()和windowsFont()来创建。

x <- c(20, 30, 40, 45, 60)

y <- c(16, 20, 27, 40, 60)

windowsFonts(

    A=windowsFont("Arial Black"),

    B=windowsFont("Bookman Old Style"),

    C=windowsFont("Comic Sans MS")

)

par(pch=17, lty=6, cex=2, lwd=3)  # 注意cex参数也会对文本产生影响

par(col='red')

par(font.main=4, family="C", ps=6)

plot(x, y, type="b", main="A Simple Try")

Unit 4：图形尺寸与边界尺寸

控制图形尺寸和边界大小的参数为：

pin：以英寸表示的图形尺寸，是一个二元列表（宽和高）。
mai：以数值向量表示的边界大小，单位为英寸（下、左、上、右）。
mar：以数值向量表示的边界大小，单位为英分（下、左、上、右）。

Part 2：添加要素

Unit 1：添加标题和坐标轴标签

添加标题和坐标轴标签：使用title()函数，其调用格式为

title(main="main title",

      sub="subtitle",

      xlab="x-axis label",

      ylab="y-axis label")

可以在title()函数中添加其他图形参数，如col.main、col.lab、cex.lab等。

Unit 2：添加个性化坐标轴

如果要添加个性化的坐标轴，通常要在plot()函数中设置一些图形参数：

ann：取FALSE时，将不会画出标题，包括主标题和副标题。
bty：设置边框样式，默认为"o"表示全部画出，还有"l"（左下）、"7"（右上）、"c"（上下左）、"u"（左下右）、"]"（上下右）、"n"（无）。
xaxs和yaxs：设置$x, y$轴的范围，默认为"r"表示比范围略大，"i"表示和给定作图范围完全相同。
xaxt和yaxt：可以取"n"，此时坐标轴、刻度线和刻度值将不会画出。
axes：如果取FALSE，则所有坐标轴和框线都不会被画出。

添加自定义的坐标轴：使用axis()函数，其调用格式为

axis(side, at=, labels=, pos=, lty=, col=, las=, tck=, ...)

各个参数的释义为

side：$\{1,2,3,4\}$，表示在图形的哪一边绘制坐标轴（下、左、上、右）。
at：数值型向量，表示需要绘制刻度线的位置。
labels：字符型向量，刻度线旁的文字标签，如果缺省则直接使用at中的值。
pos：坐标轴线绘制位置的坐标。
lty：线条类型。
col：线条和刻度线颜色。
las：标签平行于坐标轴=0，垂直于坐标轴=2。
tck：刻度线的长度，以相对于绘图区域大小的分数表示，默认为-0.01，负值表示在图形外侧。

x <- c(20, 30, 40, 45, 60)

y <- c(16, 20, 27, 40, 60)

windowsFonts(

  A=windowsFont("Arial Black"),

  B=windowsFont("Bookman Old Style"),

  C=windowsFont("Comic Sans MS")

)

par(pch=17, lty=6, cex=1, lwd=3)

par(col='red')

par(font.main=2, family="C", ps=12)

plot(x, y, type="b", main="A Simple Try", yaxt="n")

z <- c(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28, 30, 35, 42, 50, 60)

axis(4, at=z, labels=z, col.axis='blue', pos=50, las=2, lty=2, tck=-0.02, )

Unit 3：添加图例和参考线

要添加参考线，应当使用abline()函数，其使用格式为

abline(h=yvalues, v=xvalues)

这里h代表添加水平参考线的高度位置，v代表添加垂直参考线的水平位置。可以在其中添加其他图形参数。

要添加图例，应当使用legend()函数，其使用格式为

legend(location, title, legend, ...)

location：指定图例的位置，可以给定图例左上角的$x,y$坐标，也可以使用locator(1)用鼠标点击，还可以使用bottom, bottomleft, left, topleft, top, topright, right, bottomright, center等关键字。
title：图例标题的字符串。
legend：图例标签组成的字符型向量。

以下给出书上的案例：

rm(list=ls())

dose <- c(20, 30, 40, 45, 60)

drugA <- c(16, 20, 27, 40, 60)

drugB <- c(15, 18, 25, 31, 40)

opar <- par(no.readonly = T)

par(lwd=2, cex=1.5, font.lab=2)

plot(dose, drugA, type="b",

     pch=15, lty=1, col="red", ylim=c(0,60),

     main="Drug A vs. Drug B",

     xlab="Drug Dosage", ylab="Drug Response")

lines(dose, drugB, type="b",

      pch=17, lty=2, col="blue")

abline(h=30, lwd=1.5, lty=2, col="gray")

library(Hmisc)

minor.tick(nx=3, ny=3, tick.ratio=0.5)  # 添加次要刻度线

legend("topleft", inset=0.05, title="Drug Type", c("A", "B"),

       lty=c(1, 2), pch=c(15, 17), col=c("red", "blue"))

par(opar)

Unit 4：添加辅助文本

文本添加可以通过函数函数text()，向图形内部（通常是各个点）添加文本，使用格式为

text(location, "text to place", pos, ...)

location：文本的位置参数，可以是一对$(x, y)$坐标，也可以通过location=locator(1)用鼠标来确定摆放位置。
pos：文本相对于位置参数的方位，$\{1,2,3,4\}$代表下、左、上、右。还可以追加指定参数offset作为偏移量。

还可以通过mtext()向图形的四个边界之一添加文本，使用格式为

mtext("text to place", side, line=n, ...)

side：指定摆放文本的边，$\{1,2,3,4\}$代表下、左、上、右。
line：内移或外移文本，值越大，文本外移的程度越大。
adj：文本可以向左下对齐=0，或向右上对齐=1。

Part 3：图形组合

规则排布：可以使用par()函数中的图形参数mfrow=c(nrows, ncols)来创建按行填充的、行数为nrows、列数为ncols的图形矩阵。以下案例书上的实例代码，数据集为R语言内置的mtcars。

rm(list=ls())

opar <- par(no.readonly = T)

par(mfrow=c(2, 2))  # 将绘图区域分成四块

attach(mtcars)

plot(wt, mpg, main="Scatterplot of wt vs. mpg")  # 第一个图

plot(wt, disp, main="Scatterplot of wt vs. disp")  # 第二个图

hist(wt, main="Histogram of wt")  # 第三个图

boxplot(wt, main="Boxplot of wt")  # 第四个图

detach(mtcars)

par(opar)

复杂排布：可以使用layout(matrix)函数来组合图形，这里matrix给定了图形的所在位置，如

\[\begin{pmatrix}
1 & 1 \\
2 & 3
\end{pmatrix}
\]

就代表第一幅图位于第一行的1、2列，第二幅图位于第二行第一列，第三幅图位于第二行第二列。

rm(list=ls())

opar <- par(no.readonly = T)

attach(mtcars)

mat <- matrix(c(1, 1, 2, 3), nrow=2, ncol=2, byrow=T)

layout(mat)  # 按照mat矩阵给出划分

hist(wt, main = "Graph_1")

hist(mpg, main = "Graph_2")

hist(disp, main = "Graph_3")

detach(mtcars)

par(opar)

为了精细控制每幅图形的相对大小，可以在layout()函数中使用widths和heights两个参数，它们分别是各列宽度值构成的向量与各行宽度值构成的向量。现在，在上述代码中加入这两个参数。

rm(list=ls())

opar <- par(no.readonly = T)

attach(mtcars)

mat <- matrix(c(1, 1, 2, 3), nrow=2, ncol=2, byrow=T)

layout(mat, widths = c(3, 1), heights = c(1, 1.5))  # 按照mat矩阵给出划分

hist(wt, main = "Graph_1")

hist(mpg, main = "Graph_2")

hist(disp, main = "Graph_3")

detach(mtcars)

par(opar)

精细控制：可以使用par()函数的参数fig来精细控制，它接受四个$[0,1]$之间的数，分别代表图形在窗口内所占有矩形的四个端点。一般还要加入new=TRUE，使得新加入的图形与原图形位于同样的画布中。

注意，如果遇到Error in plot.new(): figure margins too large，则应当修改参数，这是因为由于设备的原因，子图所需的大小与设置的参数冲突了。