Строим научные графики с помощью GNUplot

Задача: требуется строить научные графики, двухмерные и трёхмерные, с подписями на осях с греческими буквами - много и часто.
Решение: для этих целей давно и успешно применяется программа gnuplot, которую мы быстро поставим и освоим в Linux.


Введение
Стереотипы, вредные привычки и топорные, неэффективные решения чрезвычайно живучи. Одним из таких топорных решений является применение офисных средств при работе с научными документами. То, что это легко осваивается, вовсе не значит, что это будет удобно и просто. Сколько времени и сил у научных сотрудников уходит в песок - совершенно напрасно и бесцельно. Для того, чтобы эффективно работать в научной среде, необходимо дать себе за труд освоить соответствующие инструменты. Одним из них является LaTeX, другим - gnuplot. О нём и пойдёт речь дальше.


Немного о gnuplot
Сначала его поставим - как всегда:

#apt-get install gnuplot

Если его теперь запустить, вызвав в консольке

$gnuplot

то он нас поприветствует примерно таким образом:

G N U P L O T
Version 4.0 patchlevel 0
last modified Thu Apr 15 14:44:22 CEST 2004
System: Linux 2.6.15.7

Copyright (C) 1986 - 1993, 1998, 2004
Thomas Williams, Colin Kelley and many others

This is gnuplot version 4.0. Please refer to the documentation
for command syntax changes. The old syntax will be accepted
throughout the 4.0 series, but all save files use the new syntax.

Type `help` to access the on-line reference manual.
The gnuplot FAQ is available from
http://www.gnuplot.info/faq/

Send comments and requests for help to

Send bugs, suggestions and mods to


Terminal type set to 'x11'
gnuplot>

То есть запустилась интерактивная часть программы. Здесь нам предлагают набирать команды и сразу видеть их результат - что не очень удобно, особенно если вы в первый раз работаете с gnuplot.

Но у gnuplot есть и другой режим работы - потоковый. На мой взгляд, для освоения и работы он более эффективен. Для того, чтобы быстро начать с ним работу и сразу посмотреть, на что он способен, мы построим небольшой, но показательный график. Всё, что нам потребуется - это ваш любимый текстовый редактор с подсветкой синтаксиса и немного терпения.

Приступим
В потоковом режиме работы gnuplot воспринимает сразу все команды, которые вы ему пошлёте, и сразу строит график по данным из файла. В ряде случае это удобнее, а если требуется строить множество графиков, то потоковый режим работы GNUplot вас просто спасёт.

Итак, ниже я привожу разбор построения типичного графика, параметры которого записанного в виде скрипта, что выделено тёмно-красным цветом, а комментарии серым цветом. Пишите в файл строчки так, как они написаны здесь, без переносов и абзацев - это важно!

Создаём новый файл, называем, например, simple.graph и начинаем в него записывать команды gnuplot. Признаком того, что файл относится к скрипту GNuplot, является первая строка в файле:

#! /usr/bin/gnuplot -persist

Далее выведем график в виде файла формата постскрипт (который можно скормить LaTeX)

set terminal postscript eps enhanced

задаётся имя выводимого файла с графиком, имя в кавычках

set output "~/RMSresearch.ps"

Ставим поддержку кириллицы, а то не увидим в подписях

set encoding koi8r

Устанавливаем метки по осям, размер и тип шрифта: сейчас по оси Х

set xlabel "Параметр регуляризациии {/Symbol a}, 10^{-n}" font "Helvetica,18"

Устанавливаем метки по осям, размер и тип шрифта: теперь по оси Y

set ylabel "Величина СКО, отн.ед" font "Helvetica,18"

Устанавливаем предел значений по оси Y

set yrange [0:1]

Задаём стиль линии (line1): сплошная прямая(lt - от linetype) с круглыми точками (pt - от pointstyle) типа 7

set style line 1 lt 1 pt 7

Теперь, задав все параметры, строим график, беря данные из файла RMSresult (для примера), где мы берём только второй столбец. Легенду для данных второго столбца называем СКО (среднеквадратичное отклонение) и заставляем строить график, используя тип линии, который мы задали.

plot "~/RMSresult" using 2 title "СКО" with linespoints linestyle 1

Осталось привести содержимое файла RMSresult - это просто поток чисел, разделённых пробелами (снятые параметры физического эксперимента):

1.0000000e-04 6.1881100e-01
1.0000000e-03 5.5289577e-01
1.0000000e-02 3.5527980e-01
1.0000000e-01 2.4352333e-01
1.0000000e+00 2.5852181e-01
1.0000000e+01 2.5291911e-01
1.0000000e+02 2.5109706e-01
1.0000000e+03 2.5524945e-01
1.0000000e+04 2.6013621e-01
1.0000000e+05 2.4596297e-01


Теперь, когда у нас есть всё необходимое для строительства графика, в командной строке пишем:

$ cat simple.graph | gnuplot

Всё, должен появиться график RMSresearch.ps, который можно просмотреть любым графическим редактором. Выглядеть он должен примерно так:



Ну вот, мы и построили первый график в gnuplot. Причём, график довольно навороченный - с греческими буквами в подписи, правильно подписанными осями и прочим. Теперь людей, работающих в UNIX-системах не первый день, должно замкнуть: раз он воспринимает команды потоково - значит, можно gnuplot завернуть в скрипт и заставить штамповать графики массово? Да, естественно! И я даже скоро приведу пример Perlового скрипта, который это делает. Таким образом мной было построено 96 графиков за 3 секунды. Это ещё один пример CLI Magick...

Ссылки:
Конечно, я не смог в одном посте охватить безбрежные возможности gnuplot, да и не ставил себе таких целей. Тем не менее, в блоге есть и другие статьи по gnuplot:
Создание графиков в gnuplot метки, оси и подписи
Создание графиков в gnuplot: о легендах
Создание графиков в gnuplot: деления на осях
Создание графиков в gnuplot: двухмерные графики
Создание графиков в gnuplot: оформление двухмерных графиков
Создание графиков в gnuplot: пример построения графика


Англоязычные ресурсы:
Самым информативным ресурсом по gnuplot является домашняя страница одного японца, которая называется gnuplot tips (not so Frequently Asked Questions) с английским вариантом. Информации там море, достаточно хорошо структурирована и главное - море примеров. Далее есть Gnuplot FAQ, в котором информация больше идеологического плана. Интересная страница "Visualize your data with gnuplot" на сайте IBM, где приводятся несколько показательных примеров использования gnuplot.

Русские ресурсы:
Кое-что есть и в нашем отечестве. Статья "Примеры построения графиков" подойдёт для начального ознакомления, а статья "GnuPlot нарисует график" подойдёт для более глубокого ознакомления.