几种常用的论文绘图工具比较:主要介绍Tikz

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本片文章旨在比较笔者几种常用的绘图软件Excel,R，Python，Matlab与Tikz绘图宏包的绘图效果，并探讨它们的优缺点，供各位读者以学习交流。

下面我们以绘制函数与在区间的函数区间为例，来比较这几种绘图的区别以及其优劣性。

1. Excel

Excel 的定位是一个办公软件，主要用于表格的填写，当然， 它也内置了函数绘图功能。在绘图时，我们需要将数据输入表格，然后选中行列用图表中的内置折线图来绘制。 以为步长，先生成组数据，然后绘制的余弦与正弦函数曲线，效果如下图：

优点:

  • 操作简单，容易上手，纯鼠标操作。
  • 对例如每月的营业额趋势，这类的绘图较为便利

缺点:

  • 只能绘制简单的曲线
  • 数据体积过大，Excel处理起来较为复杂，例如以为步长，需要生成上千组数据，繁琐
  • 生成图的横纵坐标，标题等标签不易调整

2. R

R是用于统计分析、绘图的语言和操作环境。R是属于GNU系统的一个自由、免费、源代码开放的软件，它是一个用于统计计算和统计制图的优秀工具。其定位是统计分析。使用它不需要具有编程方面的思想，只要搞清楚基本的统计学原理就OK。

R的绘图功能主要是依靠具有绘图功的第三方包如

绘图代码如下 

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#导入包
library(ggplot2)
# 开始绘图
# 创建数据点
x <- seq(0,3*pi, by=0.01)#数组步长为0.01
sine<-sin(x)
cosine<-cos(x)
df <- data.frame(x,sine,cosine)

# 用ggplot2来画图
g <- ggplot()
g<-g+geom_line(data = df,aes(x=x,y=sine,colour="sin(x)"),)+
    geom_line(data = df,aes(x,cosine,colour="cos(x)")) +
	scale_colour_manual("",values = c("sin(x)" = "red","cos(x)" = "blue"))
    xlab("x")+ylab("f(x)")

g <- g + geom_hline(yintercept = 0)+geom_vline(xintercept = 0) #坐标轴

#设置居中标题与图例参数
g <- g + labs(title="sin(x)&cos(x)")+ 
	theme(plot.title = element_text(hjust = 0.5),legend.position=c(0.4,0.80),
     legend.key.size=unit(0.7,'cm'),legend.key.width=unit(1.5,'cm'))

g

效果为：

优点：

  • 开源，免费
  • 图形精致
  • 可绘制的图形种类多，例如：散点图、箱线图、小提琴图、直方图以及密度曲线图等
  • 统计绘图效果好，处理上千上万数据不在话下
  • 不需具有编程思想或能力当然有更好

缺点

  • 主要是统计绘图
  • 绘制对应的图需要知晓对应的绘图函数，加载对应的绘图包（需要经常查帮助文件）

3. Python

Python是一种跨平台的计算机程序设计语言。是一种面向对象的动态类型语言。它有着丰富的，大多数完全免费的扩展库。

在绘图时，我们主要用到与这两个扩展库。后面一个的函数与有很多共同之处。

Python

绘图代码为 

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#导入对应的模块
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import math


x=np.arange( 0, 3*math.pi, 0.01 )
sine=np.sin(x)
cosine=np.cos(x)

#开始画图
plt.title('The plot of sin(x) and cos(x)')
plt.plot(x,sine,color='red',label='sin(x)',linestyle='-')
plt.plot(x,cosine,color='blue',label='cos(x)',linestyle=':')
plt.legend() # 显示图例

#设置盒子范围
plt.axis([0, 3*math.pi, -1, 1])
plt.grid(True)

#设置标签
plt.xlabel("x")
plt.ylabel("f(x)")
plt.show()

效果图为

优点：

  • 和包开源，免费
  • Python学习曲线平缓
  • 绘图质量高，能导出为多种图片格式
  • 软件小巧灵便

缺点

  • 需要一定的编程思想

4. Matlab

MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。它是以矩阵运算为基础的。在设计大量矩阵运算的项目，可以考虑使用它。一般在数学建模，本科学习中经常会用到它。是数学界三大软件之一。

代码： 

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x=0:0.01:3*pi;
% 以0.01为步长，创建数组

sine=sin(x);
cosine=cos(x);

plot(x,sine,'-r');
hold on
% 固定图窗
plot(x,cosine,':b');

axis([0 3*pi -1 1]);
grid on%加网格

% 设置标签
xlabel('x')
ylabel('f(x)')
title('The plot of sin{x} and cos{x}')
legend({'sin{x}','cos{x}'})
shg
显示效果

优点：

  • 绘图命令简单
  • 绘图种类多样
  • 可以绘制三维图
  • 支持向量并行运算
  • 数据标签支持部分的Tex语法
  • 支持部分的鼠标操作

缺点

  • 商业软件，需要付费
  • 画的图虽然高端一点，但是带有”锯齿“的风格
  • 软件大，打开慢

5. Tikz

TikZ 是 LaTeX 下的一个（著名的）绘图宏包。使用它必须安装Latex环境。绝大多数能够精确描述的矢量图，理论上都可以用 TikZ 画出来。最近笔者刚刚学习这个，刚一入手，就立马那种简单清晰的绘图效果所惊异，满足了我的强迫症和完美主义。当然，我还是不推荐初学者去用这个画图的 虽然我也是初学者

我知道，一定有很多很优秀以及有强迫症之类的同学说白了就是无聊，和我有的一拼，可以学学。

补充一点，这方面的资料在网上比较琐碎，需要耐心找。英语足够好的话，可以网上搜索官方文档TikZ&PGF，英文文档，总计1302页！！！！看完，你也就超脱了。

下面给出绘制函数代码（下图为Texlive2019环境，编译方式XeLaTeX）

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\documentclass{standalone}

\usepackage{ctex}
\usepackage{tikz}%导入Tikz宏包
\tikzset{elegant/.style={smooth,thick,samples=50,cyan}}
\usetikzlibrary{calc}
%设置曲线圆滑

\begin{document}
	\begin{tikzpicture}
		\draw[very thin,lightgray] (0,3.6) grid (10,-3.6);
		\draw[->] (0,-3.6)--(0,3.6) node[left,below left] {$f(x)$};
		\draw[->] (0,0) node[below=2pt,below left] (O) {$O$} -- (10.5,0) node [below right] (){$x$};
		\fill (0,0) circle(2pt);
		 \draw[elegant,red,domain=0:3*pi] plot(\x,{2*sin(\x r)});
		 \draw[elegant,blue,domain=0:3*pi] plot(\x,{2*cos(\x r)});
		
		%绘制节点
		\node[below] () at (pi/2,0){$\frac{\pi}{2}$};
		\node[below] () at (pi,0){$\pi$};
		\node[below] () at (3*pi/2,0){$\frac{3\pi}{2}$};
		\node[below] () at (2*pi,0){$2\pi$};
		\node[below] () at (5*pi/2,0){$\frac{5\pi}{2}$};
		\node[below] () at (3*pi,0){$3\pi$};
	 	\foreach \x in {0,1,4,5}
	 	{
	 		\draw[dashed,gray] (pi/2*\x,0)-- +(0,2);
	 	}
 	\foreach \x in {2,3,6}
 	{
 		\draw[dashed,gray] (pi/2*\x,0)-- +(0,-2);
 	}
 
 %绘制图例与标题
  \node(ce) at (3,3){};
  \draw[red] ($(ce)+(0,-0.1)$) -- +(0.7,0) node[right=3pt]() {$\sin{x}$};
	\draw[blue] ($(ce)+(0,-0.6)$) -- ($(ce)+(0.7,-0.6)$) node[right=3pt]() {$\cos{x}$};
	\node[right] at ($(ce)+(0,1)$) {$The~plot~of~\sin{x}~and ~\cos{x}$};
	\end{tikzpicture} 
\end{document}

生成的图片效果为

优点

  • 绘制效果好，排版起来特别精致
  • 若用tex排版论文，直接可将绘图代码输入，保证了标签字体，大小等与正文一直
  • 适合正规学术绘图，教学讲义
  • 满足对排版有极致需求的作者
  • 基础语法固定

缺点

  • 学习曲线极其极其陡峭
  • 需要安装latex环境
  • 网上参考资料少
  • 官方英文文档1000多页
  • 绘制一个简单的图像也需要很长的时间，极其考验耐心

6. 作者有话要说

  • 其实，我写本文的重点放在了Tikz绘图上面，对它的叙述稍微多一点。其实笔者经常用到的绘图软件就是Matlab，直到最近，才迷上了Tikz。

  • 然而，自己花长时间学Tikz是不大现实的，毕竟自己不可能一直很优秀（其实是不可能一直这么闲）。

  • Matlab预计是以后的时间里经常被我用到的，毕竟代码量真的很少啊，高效率

  • 绘图，要考虑实际，要权衡各个软件，比较哪种效果更有优越性（图形质量,绘图时间）。各种软件各有偏颇，最终的选择权还是在自己。

  • 所以，各个绘图软件学一点，总没坏处。

Reference

  1. 将pdf文件转换为png等图像格式的方法
  2. LaTeX中绘制分形图形
  3. Tikz函数绘图