Matplotlib 数学渲染引擎教程

简介

本实验将指导你创建一个图形，展示 Matplotlib 数学渲染引擎的选定功能。该图形将通过下标、上标、分数、二项式、堆叠数字、根式、字体、重音符号、希腊字母、希伯来字母、分隔符、函数和符号等示例，演示如何编写数学表达式。

虚拟机提示

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导入库

在这一步中，我们将导入本实验所需的库。

import matplotlib.pyplot as plt

设置演示示例

在这一步中，我们将设置要在图形中展示的数学表达式的演示示例。

mathtext_demos = {
    "Header demo":
        r"$W^{3\beta}_{\delta_1 \rho_1 \sigma_2} = "
        r"U^{3\beta}_{\delta_1 \rho_1} + \frac{1}{8 \pi 2} "
        r"\int^{\alpha_2}_{\alpha_2} d \alpha^\prime_2 \left[\frac{ "
        r"U^{2\beta}_{\delta_1 \rho_1} - \alpha^\prime_2U^{1\beta}_"
        r"{\rho_1 \sigma_2} }{U^{0\beta}_{\rho_1 \sigma_2}}\right]$",

    "Subscripts and superscripts":
        r"$\alpha_i > \beta_i,\ "
        r"\alpha_{i+1}^j = {\rm sin}(2\pi f_j t_i) e^{-5 t_i/\tau},\ "
        r"\ldots$",

    "Fractions, binomials and stacked numbers":
        r"$\frac{3}{4},\ \binom{3}{4},\ \genfrac{}{}{0}{}{3}{4},\ "
        r"\left(\frac{5 - \frac{1}{x}}{4}\right),\ \ldots$",

    "Radicals":
        r"$\sqrt{2},\ \sqrt[3]{x},\ \ldots$",

    "Fonts":
        r"$\mathrm{Roman}\, \ \mathit{Italic}\, \ \mathtt{Typewriter} \ "
        r"\mathrm{or}\ \mathcal{CALLIGRAPHY}$",

    "Accents":
        r"$\acute a,\ \bar a,\ \breve a,\ \dot a,\ \ddot a, \ \grave a, \ "
        r"\hat a,\ \tilde a,\ \vec a,\ \widehat{xyz},\ \widetilde{xyz},\ "
        r"\ldots$",

    "Greek, Hebrew":
        r"$\alpha,\ \beta,\ \chi,\ \delta,\ \lambda,\ \mu,\ "
        r"\Delta,\ \Gamma,\ \Omega,\ \Phi,\ \Pi,\ \Upsilon,\ \nabla,\ "
        r"\aleph,\ \beth,\ \daleth,\ \gimel,\ \ldots$",

    "Delimiters, functions and Symbols":
        r"$\coprod,\ \int,\ \oint,\ \prod,\ \sum,\ "
        r"\log,\ \sin,\ \approx,\ \oplus,\ \star,\ \varpropto,\ "
        r"\infty,\ \partial,\ \Re,\ \leftrightsquigarrow, \ \ldots$",
}

创建图形和坐标轴

在这一步中，我们将为数学表达式示例创建图形和坐标轴。

## Creating figure and axis.
fig = plt.figure(figsize=(7, 7))
ax = fig.add_axes([0.01, 0.01, 0.98, 0.90],
                  facecolor="white", frameon=True)
ax.set_xlim(0, 1)
ax.set_ylim(0, 1)
ax.set_title("Matplotlib's math rendering engine",
             color=mpl_grey_rgb, fontsize=14, weight='bold')
ax.set_xticks([])
ax.set_yticks([])

定义行间距

在这一步中，我们将定义坐标轴坐标中行与行之间的间距。

n_lines = len(mathtext_demos)
line_axesfrac = 1 / n_lines

绘制标题演示公式

在这一步中，我们将绘制标题演示公式。

full_demo = mathtext_demos['Header demo']
ax.annotate(full_demo,
            xy=(0.5, 1. - 0.59 * line_axesfrac),
            color='tab:orange', ha='center', fontsize=20)

绘制特性演示公式

在这一步中，我们将绘制特性演示公式。

for i_line, (title, demo) in enumerate(mathtext_demos.items()):
    if i_line == 0:
        continue

    baseline = 1 - i_line * line_axesfrac
    baseline_next = baseline - line_axesfrac
    fill_color = ['white', 'tab:blue'][i_line % 2]
    ax.axhspan(baseline, baseline_next, color=fill_color, alpha=0.2)
    ax.annotate(f'{title}:',
                xy=(0.06, baseline - 0.3 * line_axesfrac),
                color=mpl_grey_rgb, weight='bold')
    ax.annotate(demo,
                xy=(0.04, baseline - 0.75 * line_axesfrac),
                color=mpl_grey_rgb, fontsize=16)

显示图形

在这一步中，我们将显示图形。

plt.show()

总结

本实验展示了如何创建一个图形，该图形展示了 Matplotlib 数学渲染引擎的选定特性。该图形通过下标、上标、分数、二项式、堆叠数字、根式、字体、重音符号、希腊字母、希伯来字母、分隔符、函数和符号等示例，演示了如何编写数学表达式。