Python繪制箭頭向量圖的示例代碼

更新時間：2023年08月07日 09:43:59 作者：微小冷

箭頭向量圖十分常見，比如天氣預報在顯示風場的時候，就會貼心地用箭頭指明風的方向，下面就跟隨小編一起學習一下如何利用Python繪制箭頭向量圖吧

簡介

箭頭向量圖十分常見，比如天氣預報在顯示風場的時候，就會貼心地用箭頭指明風的方向。在matplotlib中，用 quiver 函數(shù)來繪制箭頭向量圖，示例如下

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
X = np.arange(-2, 2, 0.2)
Y = np.arange(-1, 1, 0.2)
U, V = np.meshgrid(X, Y)
fig = plt.figure(figsize=(6,3))
plt.quiver(X, Y, U, V)
plt.tight_layout()
plt.show()

這個圖需要4組變量，分別是X,Y,U,V，其中X,Y可以理解為坐標起點，U,V則是向量在X和Y方向的強度。

這個繪圖函數(shù)雖然簡潔，但其實有個問題，即X和Y都是一維數(shù)組，而在繪制quiver的時候，卻自轉換成了二維數(shù)組，否則圖像上不可能有這么多的點，更不能和U,V一一對應，可見在quiver圖中，U,V參數(shù)顯然更重要一些。實際上也是如此，如果省略X,Y參數(shù)，那么得到的圖像將建立自然計數(shù)坐標系，

fig = plt.figure(figsize=(6,3))
plt.quiver(U, V)
plt.tight_layout()
plt.show()

箭頭設置

箭頭向量圖的特點幾乎都在箭頭這了，如果沒有箭頭，那quiver和散點圖也就沒什么區(qū)別了。quiver函數(shù)可以定制箭頭的線寬、頭寬、頭長等信息，具體參數(shù)如下圖所示

在具體設置時，length通過U,V參數(shù)指定，width為絕對的寬度，一般比較小，剩下三個參數(shù)均是width的倍數(shù)，是相對值。

另外，如果想給quiver圖上色，需要設置C后者color參數(shù)。

具體示例如下

C = np.sqrt(U**2+V**2)
style = dict(width=0.005, headwidth=8, headlength=6, headaxislength=4)
fig = plt.figure(figsize=(6,3))
plt.quiver(X, Y, U, V, C, **style)
plt.tight_layout()
plt.show()

繪圖結果如下

三維場圖

quiver函數(shù)只需添加一個三維坐標就可以無縫體驗三維場圖。下面假設空間中有三顆恒星，那么用場圖來表示這三顆恒星附近的引力指向。

萬有引力公式F=G_mm/r²?，簡單起見，讓三顆恒星的質量都是1， G也取1，則其個方向分量可表示為

x, y, z = np.indices([5,5,5])/5
stars = np.random.rand(3, 3).reshape(-1,3)
u = v = w = 0   # 表示引力
for xi, yi, zi in stars:
    dx, dy, dz = xi-x, yi-y, zi-z
    dr = np.sqrt(dx**2+dy**2+dz**2)
    u += dx/dr**3
    v += dy/dr**3
    w += dz/dr**3
F = u**2 + v**2 + w**2
ax = plt.subplot(projection='3d')
ax.scatter(*stars.T, c='r')
style = dict(width=0.005, headwidth=8, headlength=6, headaxislength=4)
ax.quiver(x, y, z, u, v, w, length=0.1, normalize=True)
plt.tight_layout()
plt.show()

結果如下