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《R for Data Science (2e)》免费中文翻译 (第11章) --- Communication（1）

news 2025/10/24 8:43:33

写在前面

本系列推文为《R for Data Science (2)》的中文翻译版本。所有内容都通过开源免费的方式上传至Github，欢迎大家参与贡献，详细信息见：
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11.1 介绍

在 Chapter 10 中，您学会了如何使用绘图作为探索工具。当您制作探索性绘图时，您甚至在查看之前就知道该图将显示的变量。您是出于目的制作每个绘图，可以快速查看它，然后转到下一个绘图。在大多数分析过程中，您会生产数十或数百个绘图，其中大多数立即被扔掉。

现在您了解了您的数据，您需要将您的理解传达给他人。您的听众可能不会分享您的背景知识，也不会在数据上投入大量投资。为了帮助他人迅速建立一个良好的心理模型，您将需要投入大量精力，以使图尽可能自我解释。在本章中，您将学习 ggplot2 提供的用来做这些的工具。

本章重点介绍您创建良好图形所需的工具。我们假设您知道您想要什么，只需要知道如何做。因此，我们强烈建议将本章与一本良好的一般可视化书配对。我们特别喜欢 Albert Cairo 的 The Truthful Art。它不会教导创建可视化的机制，而是专注于创建有效图形所需的考虑。

11.1.1 先决条件

在本章中，我们将再次关注 ggplot2。我们还将使用一些 dplyr 进行数据操作，scales 去覆盖默认 breaks，labels，transformations 和 palettes，以及一些 ggplot2 拓展包，包括 Kamil Slowikowski 的 ggrepel (https://ggrepel.slowkow.com)，和 Thomas Lin Pedersen 的 patchwork (https://patchwork.data-imaginist.com)。不要忘记，如果您还没有安装它们，则需要使用 install.packages() 安装这些软件包。

library(tidyverse)
library(scales)
library(ggrepel)
library(patchwork)

11.2 标签

将探索性图形转换为说明性图形时，最简单的起点是具有良好的标签。您使用labs() 函数添加标签（labels）。

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point(aes(color = class)) +geom_smooth(se = FALSE) +labs(x = "Engine displacement (L)",y = "Highway fuel economy (mpg)",color = "Car type",title = "Fuel efficiency generally decreases with engine size",subtitle = "Two seaters (sports cars) are an exception because of their light weight",caption = "Data from fueleconomy.gov")

绘图标题（title）的目的是总结主要发现。避免仅描述绘图的标题，例如 “A scatterplot of engine displacement vs. fuel economy”。

如果您需要添加更多文本，则还有其他两个有用的标签：subtitle 在标题下方用较小的字体添加了其他细节，caption 在图的右下方添加了文本，通常用于描述数据来源。您还可以使用 labs() 替换 axis 和 legend titles。通常，用更详细的描述替换简短名称并包括单位是一个好主意。

可以使用数学方程而不是文本字符串。只需切换 "" 为 quote()，然后阅读 ?plotmath 中的可用选项：

df <- tibble(x = 1:10,y = cumsum(x^2)
)ggplot(df, aes(x, y)) +geom_point() +labs(x = quote(x[i]),y = quote(sum(x[i] ^ 2, i == 1, n)))

11.2.1 练习

用自定义的 title，subtitle，caption，x，y 和 color 标签在 fuel economy data 上创建一个绘图。
使用 fuel economy data 重新创建以下绘图。请注意，点的颜色和形状因驱动列车类型而异。
探索您在上个月创建的图形，并添加内容丰富的标题，以使其他人更容易理解。

11.3 注释

除了标记图的主要组成部分外，它通常对标记单个观察结果或观察群也很有用。您可以使用的第一个工具是 geom_text()。geom_text() 类似于 geom_point()，但它具有额外的美学：label。这使得它可以在图中添加文本标签。

标签有两种可能的来源。首先，您可能有一个提供标签的 tibble 数据。在以下图中，我们拔出了每种驱动器类型中发动机尺寸最高的汽车，并将其信息保存为一个名为 label_info 的新数据框。

label_info <- mpg |>group_by(drv) |>arrange(desc(displ)) |>slice_head(n = 1) |>mutate(drive_type = case_when(drv == "f" ~ "front-wheel drive",drv == "r" ~ "rear-wheel drive",drv == "4" ~ "4-wheel drive")) |>select(displ, hwy, drv, drive_type)label_info
#> # A tibble: 3 × 4
#> # Groups:   drv [3]
#>   displ   hwy drv   drive_type       
#>   <dbl> <int> <chr> <chr>            
#> 1   6.5    17 4     4-wheel drive    
#> 2   5.3    25 f     front-wheel drive
#> 3   7      24 r     rear-wheel drive

然后，我们使用此新数据框直接标记这三个组，以直接使用标签来替换图例。使 fontface 和 size 参数，我们可以自定义文本标签的外观。它们比绘图上的其余文本大。 (theme(legend.position = "none") 关闭所有图例 --- 我们将很快谈论它.)

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy, color = drv)) +geom_point(alpha = 0.3) +geom_smooth(se = FALSE) +geom_text(data = label_info, aes(x = displ, y = hwy, label = drive_type),fontface = "bold", size = 5, hjust = "right", vjust = "bottom") +theme(legend.position = "none")
#> `geom_smooth()` using method = 'loess' and formula = 'y ~ x'

请注意，使用 hjust（水平对齐）和 vjust（垂直对齐）来控制标签的对齐。

但是，我们上面制作的带注释的图很难阅读，因为标签彼此重叠，并且与点重叠。我们可以使用 ggrepel 软件包中的 geom_label_repel() 函数来解决这两个问题。这个有用的软件包将自动调整标签，以免重叠：

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy, color = drv)) +geom_point(alpha = 0.3) +geom_smooth(se = FALSE) +geom_label_repel(data = label_info, aes(x = displ, y = hwy, label = drive_type),fontface = "bold", size = 5, nudge_y = 2) +theme(legend.position = "none")
#> `geom_smooth()` using method = 'loess' and formula = 'y ~ x'

您也可以使用相同的想法使用 ggrepel 软件包中的 geom_text_repel() 突出显示图上的某些点。请注意此处使用的另一种方便的技术：我们添加了第二层大的空心点，以进一步突出标记的点。

potential_outliers <- mpg |>filter(hwy > 40 | (hwy > 20 & displ > 5))ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point() +geom_text_repel(data = potential_outliers, aes(label = model)) +geom_point(data = potential_outliers, color = "red") +geom_point(data = potential_outliers,color = "red", size = 3, shape = "circle open")

请记住，除了 geom_text() 和 geom_label() 之外，您还可以在 ggplot2 中使用许多其他 geoms，以帮助您注释您的绘图。一些想法：

使用 geom_hline() 和 geom_vline() 添加参考线。我们通常会使它们变厚（linewidth = 2）和变白色（color = white），然后将它们绘制在主要数据层下方。这使得它们易于看到，而无需从数据中吸引注意力。
使用 geom_rect() 绘制围绕感兴趣点的矩形。矩形的边界由美学 xmin, xmax, ymin, ymax 定义。另外，请查看 ggforce package 软件包，特别是 geom_mark_hull()，它允许您用 hulls 注释点子集。
将 geom_segment() 与 arrow 参数一起使用，将注意力吸引到用箭头的点上。使用美学 x 和 y 来定义起始位置，然后 xend 和 yend 定义结束位置。

向图添加注释的另一个方便函数是 annotate()。根据经验，geoms 通常对于突出数据子集很有用，而 annotate() 对于将一个或几个注释元素添加到图中很有用。

要演示使用 annotate()，让我们创建一些文本以添加到我们的图中。文本有点长，因此我们将使用 stringr::str_wrap() 自动添加换行，给定您每行所需的字符数：

trend_text <- "Larger engine sizes tend to have lower fuel economy." |>str_wrap(width = 30)
trend_text
#> [1] "Larger engine sizes tend to\nhave lower fuel economy."

然后，我们添加两个注释层：一个带有 label geom，另一个带有 segment geom。两者中的 x 和 y 美学都定义了注释应在哪里开始，并且 segment 注释中的 xend 和 yend 美学定义了该 segment 的最终位置。还请注意，segment 使用箭头风格。

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point() +annotate(geom = "label", x = 3.5, y = 38,label = trend_text,hjust = "left", color = "red") +annotate(geom = "segment",x = 3, y = 35, xend = 5, yend = 25, color = "red",arrow = arrow(type = "closed"))

注释是传达您的可视化主要要点和有趣功能的强大工具。唯一的限制是您的想象力（以及您对定位注释的耐心在美学上令人愉悦）！

11.3.1 练习

使用 geom_text() 及 infinite positions 将文本放在图的四个角落。
使用 annotate() 在上一个图的中间添加 point geom，而无需创建 tibble。自定义点的形状，大小或颜色。
geom_text() 的标签如何与 faceting 相互作用？如何将标签添加到一个 facet？您如何在每个 facet 放置不同的标签？ (提示：考虑要传递给 geom_text() 的数据集。)
geom_label() 控制背景框外观的参数是什么？
arrow() 的四个参数是什么？他们如何工作？创建一系列展示最重要选项的图。

11.4 Scales

您可以使绘图更好地进行交流的第三种方法是调整 scales。 Scales 控制美学映射如何在视觉上表现出来。

11.4.1 默认 scales

通常， ggplot2 自动为您添加 scales。例如，当您输入时：

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point(aes(color = class))

ggplot2 自动在场景后面添加默认 scales：

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point(aes(color = class)) +scale_x_continuous() +scale_y_continuous() +scale_color_discrete()

请注意 scales 的命名方案：scale_ 然后是美学的名称，然后是 _，然后是 scale 的名称。默认 scales 是根据与以下相符的变量类型命名的：continuous，discrete，datetime，date。scale_x_continuous() 将来自 displ 的数值显示在 x 轴的连续数字线上，scale_color_discrete() 为每种汽车类选择颜色，等。有很多非默认的 scales，您将在下面学习。

已经仔细选择了默认 scales，以便在各种输入中做得很好。但是，您可能需要覆盖默认值，原因有两个：

您可能需要调整默认 scale 的某些参数。这使您可以执行诸如更改轴上的 breaks 或图例上的关键标签之类的事情。
您可能需要完全替换 scale，并使用完全不同的算法。通常，您可以做得比默认值更好，因为您对数据有更多了解。

11.4.2 轴刻度和图例键

轴（axes）和图例（legends）统称为 guides。轴用于 x 和 y 美学；图例用于其他所有内容。

有两个主要参数会影响轴上 tick 的外观和图例中的 key：breaks 和 labels。breaks 控制 ticks 的位置或与 keys 关联的值。labels 控制与每个 tick/key 关联的文本标签。breaks 的最常见用途是覆盖默认选择：

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy, color = drv)) +geom_point() +scale_y_continuous(breaks = seq(15, 40, by = 5))

您可以以相同的方式使用 labels（一个特征向量与 breaks 相同的长度），但是您也可以将其设置为 NULL 以完全抑制标签。这对于地图可能很有用，也可以发布您无法共享绝对数字的图。您还可以使用 breaks 和 labels 来控制图例的外观。对于分类变量的离散 scales，labels 可以是现有 levels 名称和所需标签的命名列表。

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy, color = drv)) +geom_point() +scale_x_continuous(labels = NULL) +scale_y_continuous(labels = NULL) +scale_color_discrete(labels = c("4" = "4-wheel", "f" = "front", "r" = "rear"))

labels 参数以及来自 scales 软件包的标签函数也可用于格式化数字为货币，百分比等。左侧的绘图显示了带有 label_dollar() 的默认标签，该标签添加了一个美元符号以及一个千分位逗号。右侧的绘图进一步添加了自定义，通过将美元值除以 1,000 并添加后缀 “K”（用于“千”）并添加自定义 breaks。请注意，breaks 是数据的原始 scale。

# Left
ggplot(diamonds, aes(x = price, y = cut)) +geom_boxplot(alpha = 0.05) +scale_x_continuous(labels = label_dollar())# Right
ggplot(diamonds, aes(x = price, y = cut)) +geom_boxplot(alpha = 0.05) +scale_x_continuous(labels = label_dollar(scale = 1/1000, suffix = "K"), breaks = seq(1000, 19000, by = 6000))

另一个方便的标签函数是 label_percent()：

ggplot(diamonds, aes(x = cut, fill = clarity)) +geom_bar(position = "fill") +scale_y_continuous(name = "Percentage", labels = label_percent())

breaks 的另一个用途是，当您有相对较少的数据点并希望准确地突出观察结果时。例如，以这一绘图为例，显示了每位美国总统何时开始并结束任期。

presidential |>mutate(id = 33 + row_number()) |>ggplot(aes(x = start, y = id)) +geom_point() +geom_segment(aes(xend = end, yend = id)) +scale_x_date(name = NULL, breaks = presidential$start, date_labels = "'%y")

请注意，对于 breaks 参数，我们将 start 变量替换为 presidential$start 向量，是因为我们无法为此参数进行美学映射。另请注意，date 和 datetime scales 的 breaks 和 labels 的规范有些不同：

date_labels 采用与 parse_datetime() 形式相同的格式规范。
date_breaks（此处未显示），使用 "2 days" 或 "1 month" 之类的字符串。

11.4.3 图例布局

您通常会使用 breaks 和 labels 来调整轴。尽管它们也都为图例工作，但您更有可能使用其他一些技术。

为了控制图例的整体位置，您需要使用 theme() 设置。我们将在本章末尾回到 themes，但简而言之，它们控制着绘图的非数据部分。 theme 设置 legend.position 控制绘制图例的位置：

base <- ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point(aes(color = class))base + theme(legend.position = "right") # the default
base + theme(legend.position = "left")
base + theme(legend.position = "top") +guides(color = guide_legend(nrow = 3))
base + theme(legend.position = "bottom") +guides(color = guide_legend(nrow = 3))

如果您的绘图短而宽，则将图例放在顶部或底部，如果它高而窄，则将图例放在左或右侧。您也可以使用 legend.position = "none" 来抑制图例的显示。

要控制单个图例的显示，请与 guides() 一起使用 guide_legend() 或 guide_colorbar()。下面的示例显示了两个重要的设置：使用 nrow 控制图例的行数，使用 override.aes 覆盖一种美学以使点更大。如果您使用低 alpha 在图上显示许多点，这将特别有用。

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) +geom_point(aes(color = class)) +geom_smooth(se = FALSE) +theme(legend.position = "bottom") +guides(color = guide_legend(nrow = 2, override.aes = list(size = 4)))
#> `geom_smooth()` using method = 'loess' and formula = 'y ~ x'