Matplotlib使用3D绘图方法详解

Matplotlib 是一个功能强大的数据可视化库，其中 3D 绘图是其中的一项重要功能。在该功能下，用户可以使用 Matplotlib 创建各种三维图像，如散点图、曲面图、等高线图等。为了使用 Matplotlib 进行 3D 绘图，需要安装 mpl_toolkits.mplot3d 子包。

下面我们将介绍如何使用 Matplotlib 创建 3D 绘图，并提供一些代码示例：

1. 导入相关包

首先，我们需要导入相关的包，包括 numpy、matplotlib.pyplot 和 mpl_toolkits.mplot3d。代码如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

2. 创建数据

接下来，我们需要创建用于 3D 绘图的数据。我们可以使用 numpy 中的 linspace 函数生成等差数列，也可以使用随机数生成函数生成随机数据。例如，生成由 $(x,y)$ 平面上沿 $z$ 轴方向的高斯分布的数据，代码如下：

# 生成高斯分布的数据
mean = [0, 0]
cov = [[1, 0], [0, 1]]
x = np.random.multivariate_normal(mean, cov, 100)
y = np.random.multivariate_normal(mean, cov, 100)
z = np.random.multivariate_normal(mean, cov, 100)

3. 创建 3D 图形

使用前面导入的包和数据，我们可以创建 3D 图形并对其进行设置。例如，我们可以设置坐标轴、标签、标题、颜色等。代码示例如下：

# 创建 3D 图形并设置坐标轴、标签、标题等
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection="3d")
ax.scatter(x, y, z, c="r", marker="o")
ax.set_xlabel("X Label")
ax.set_ylabel("Y Label")
ax.set_zlabel("Z Label")
ax.set_title("3D Scatter Plot")
plt.show()

在上面的代码中，我们创建了一个红色的散点图，其中的点位置由数据 x、y、z 确定；设置了坐标轴标签和标题，并使用 plt.show() 显示 3D 图形。运行代码，可以得到下面的图像：

另外，Matplotlib 还支持一些其他类型的 3D 图形，如曲面图、等高线图等。下面是一个绘制 3D 曲面图的示例代码：

# 定义一个函数
def f(x, y):
    return np.sin(np.sqrt(x ** 2 + y ** 2))

# 准备数据
x = np.linspace(-5, 5, 100)
y = np.linspace(-5, 5, 100)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = f(X, Y)

# 设置 3D 图形基本属性，绘制 3D 曲面图
fig = plt.figure()
ax = Axes3D(fig)
ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap="rainbow")
plt.show()

在上面的代码中，我们先定义了一个函数 f(x,y) 用于生成曲面。接着，我们使用 linspace 函数生成等差数列，用于生成绘图所需的数据，然后使用 plot_surface 函数创建并显示 3D 曲面图。运行代码，可以得到下面的图像：