「繪圖，讓科學生動起來」：Python-matplotlib繪圖（示波器及動態函數模擬專題）
作者簡介：85後一名分析化學工作者及科學愛好者，深愛著北京的老北京人，愛好運動，科學，旅行，本文作者的個人微信公眾號《科學是什麼東東》，歡迎關注！
在這一專題中，我們將更貼近實際應用：函數的動態圖形化，我們可以將其應用在示波器中，在軟體上就可以模擬示波器的電壓隨時間變化的波形圖（效果如下）：
y=sinx的示波器模擬
我們需要著手設計程序，可實現的功能為：
允許用戶輸入x，y軸的正負半軸的長度值，x，y，z軸和主標題的標籤名稱（英文）。
同時我們需要構建需要圖形化的函數，為了使其變為動畫，我們將使用matplotlib中的animation功能（動畫）
最終效果：生成動態視圖，顯示x，y軸名稱及主標題。
在圖形顯示窗口，我們可以通過滑鼠操作改變視角，縮放圖形，也可保存視圖。
主程序代碼如下：
主要步驟解析為#後面的部分
#分別導入numpy函數模塊，matplotlib庫模塊，animation動畫模塊以及time模塊
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
import time
#以下為輸入部分，主要輸入部分為x，y正負半軸長度
主函數y=n1*sin(n2*(x-n3*i)^n4)中各個係數的值
print("Welcome to use animation graphic fitting generator, the formula model is y=n1*sin(n2*(x-n3*i)^n4).
")
print("n1,n2 are coefficient. n3 is X-axis transformation coefficient,the range is 0 ~ 1, the larger of the coefficient, the faster of animation will be.")
print("n4 is the power number.
")
a1=input("please enter x negative axis length value(absolute value):
")
a1=float(a1)
a2=input("please enter x postive axis length value:
")
a2=float(a2)
print("The x axis actual display range is from - "+str(a1)+" to "+str(a2)+":
")
a3=input("please enter y negative axis length value(absolute value):
")
a3=float(a3)
a4=input("please enter y postive axis length value:
")
a4=float(a4)
print("The y axis actual display range is from - "+str(a3)+" to "+str(a4)+":
")
a5=input("please enter n1 value:
")
a5=float(a5)
a6=input("please enter n2 value:
")
a6=float(a6)
a7=input("please enter n3 value:
")
a7=float(a7)
a8=input("please enter n4 value:
")
a8=float(a8)
print("The n1,n2,n3,n4 values are "+str(a5)+" , "+str(a6)+" , "+str(a7)+" , "+str(a8)+".
")
#構建圖形，x，y軸的坐標範圍以剛輸入的值為準
其中lw是圖形的線寬，color代表顏色
fig = plt.figure()
ax = plt.axes(xlim=(-a1, a2), ylim=(-a3, a4))
line, = ax.plot([], [], lw=4,color=red)
#這裡定義2個函數，分別獲取數據，以及定義x，y的顯示，在輸入y時，我們將需要擬合的函數加入，其中：
a5,a6分別為係數，a7為x軸的位移，是按照x-a7*i計算的，因此a7設定越大，函數在x軸的位移越快，一般建議設定1以下
a8為次方數
注意冒號後一定要首行縮進
def init():
line.set_data([], [])
return line,
def animate(i):
x = np.linspace(-a1, a2, 1000)
y= a5*(np.sin(a6* ((x - a7 * i)**a8)))
line.set_data(x, y)
return line,
#這裡大家應該比較熟悉了，允許輸入x，y軸標題及主標題，以及定義字型大小大小
x1=input("please enter x label name:
")
x2=input("please enter y label name:
")
x3=input("please enter title label name:
")
ax.set_xlabel(x1,fontsize=20)
ax.set_ylabel(x2,fontsize=20)
ax.set_title(x3,fontsize=25)
#最後一步，生成動畫視圖，定義幀數，間隔等
anim = animation.FuncAnimation(fig, animate, init_func=init, frames=200, interval=20, blit=True)
plt.show()
同理，對於函數主體，我們也可以加入重複繪圖的命令：
在導入各種庫的命令之後，加入（這裡不需要首行縮進）
while True:
結尾處加入（注意全部需要首行縮進，break在if語句後進行首行縮進）
keep_testing=input("continuepainting?")
if keep_testing==n:
break
中間的全部命令也要首行縮進
這樣就可以在圖形關閉後，系統會自動提示是否再次畫圖，按n後結束程序
動態函數，不光可以應用在示波器模擬中，也可以在數學或教學領域中得到很好的拓展和應用：我們來比較幾種函數的動態圖形：
y=sin(2x)
y=2sinx
y=3sin(2x)
y=sin(x^2)
講到這裡，本期的內容就告一段落了，腳本編輯是開放式設計，可以進行很多改造，讓程序段更完善。
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