R語言數據可視化ggplot繪制置信區間與分組繪圖技巧

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1. 單組情況

1）構造數據集

x <- 1:10
y <- x^2
ci_l <- x^2 - 0.5 * x
ci_r <- x^2 + 0.5 * x

dat_plot <- data.frame(x, y, ci_l, ci_r)

數據集長下面這樣：

    x   y ci_l  ci_r
1   1   1  0.5   1.5
2   2   4  3.0   5.0
3   3   9  7.5  10.5
4   4  16 14.0  18.0
5   5  25 22.5  27.5
6   6  36 33.0  39.0
7   7  49 45.5  52.5
8   8  64 60.0  68.0
9   9  81 76.5  85.5
10 10 100 95.0 105.0

2）繪制置信區間

添加置信區間的核心函數是：geom_ribbon()，並且要註意，先畫置信區間，再繪制線條，才能保證線在置信區間的上方。

ggplot(dat_plot, aes(x = x)) +                  # x軸在此處添加，目的為瞭置信區間與擬合線共享同一個x
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l, ymax = ci_r)) +  # 添加置信區間
  geom_line(aes(y = y))                         # 添加擬合線

（文末會對上面“醜醜”的置信區間進行美化。）

通常情況，所需的圖片都是需要分組的，下面我們會進行分組繪制置信區間。

2. 多組情況

我們將會演示兩種方式繪制分組情況繪制置信區間：

方法1

1）構造數據集

通常情況下，ggplot需要的向量化構造：

x <- 1:10
y1 <- x^2
ci_l1 <- x^2 - 0.5 * x
ci_r1 <- x^2 + 0.5 * x

y2 <- 20 * log(x)
ci_l2 <- 20 * log(x) - 0.5 * x
ci_r2 <- 20 * log(x) + 0.5 * x

dat_plot <- data.frame(rbind(cbind(x, y1, ci_l1, ci_r1), cbind(x, y2, ci_l2, ci_r2)))
names(dat_plot) <- c("x", "y", "ci_l", "ci_r")
dat_plot$group <- rep(c("G1", "G2"), each = 10)

數據樣式：

    x         y     ci_l      ci_r group
1   1   1.00000  0.50000   1.50000    G1
2   2   4.00000  3.00000   5.00000    G1
3   3   9.00000  7.50000  10.50000    G1
4   4  16.00000 14.00000  18.00000    G1
5   5  25.00000 22.50000  27.50000    G1
6   6  36.00000 33.00000  39.00000    G1
7   7  49.00000 45.50000  52.50000    G1
8   8  64.00000 60.00000  68.00000    G1
9   9  81.00000 76.50000  85.50000    G1
10 10 100.00000 95.00000 105.00000    G1
11  1   0.00000 -0.50000   0.50000    G2
12  2  13.86294 12.86294  14.86294    G2
13  3  21.97225 20.47225  23.47225    G2
14  4  27.72589 25.72589  29.72589    G2
15  5  32.18876 29.68876  34.68876    G2
16  6  35.83519 32.83519  38.83519    G2
17  7  38.91820 35.41820  42.41820    G2
18  8  41.58883 37.58883  45.58883    G2
19  9  43.94449 39.44449  48.44449    G2
20 10  46.05170 41.05170  51.05170    G2

2）繪制置信區間

註意，這裡分組的關鍵就是使用 group = 參數。

ggplot(dat_plot, aes(x = x, group = group)) +
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l, ymax = ci_r)) +
  geom_line(aes(y = y))

但是這裡的顏色比較吃藕，所以我們改變一下線條的顏色與置信區間的顏色。

非常簡單，我們將參數 group = 用 color = 與 fill = 替換即可。值得一提的是，這裡的color = 如果加在ggplot()中，添加的就會是擬合線與置信區間外邊線兩條曲線。若不想要置信區間的外邊線， color =寫在geom_line()中即可。

此外，還需要註意，繪制置信區間，若線條與區間是相同顏色，一定要修改置信區間的透明度，利用alpha = 進行修改，其范圍在0-1之間，並且值越小越透明。

代碼如下：

ggplot(dat_plot, aes(x = x, color = group, fill = group)) +
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l, ymax = ci_r), alpha = 0.3) +  # alpha 修改透明度
  geom_line(aes(y = y))

在大多數情況下，我們遇到的多組數據集長下面 方法2 這樣，我們需要怎麼進行繪制呢？下面繼續進行講解：

方法2

1）構造數據集

dat_plot <- data.frame(x, y1, ci_l1, ci_r1, y2, ci_l2, ci_r2) # 基於前文的數據

    x  y1 ci_l1 ci_r1       y2    ci_l2    ci_r2
1   1   1   0.5   1.5  0.00000 -0.50000  0.50000
2   2   4   3.0   5.0 13.86294 12.86294 14.86294
3   3   9   7.5  10.5 21.97225 20.47225 23.47225
4   4  16  14.0  18.0 27.72589 25.72589 29.72589
5   5  25  22.5  27.5 32.18876 29.68876 34.68876
6   6  36  33.0  39.0 35.83519 32.83519 38.83519
7   7  49  45.5  52.5 38.91820 35.41820 42.41820
8   8  64  60.0  68.0 41.58883 37.58883 45.58883
9   9  81  76.5  85.5 43.94449 39.44449 48.44449
10 10 100  95.0 105.0 46.05170 41.05170 51.05170

2）繪制置信區間

面對上述這種數據格式，我們處理起來也十分簡單，我們隻需要在對應的aes() 函數中，寫清楚對應的分組名稱即可。

color = 與 fill = 一定要寫在 aes() 裡面！！！
color = 與 fill = 一定要寫在 aes() 裡面！！！
color = 與 fill = 一定要寫在 aes() 裡面！！！

重要的事情說三遍，具體代碼如下所示：

ggplot(dat_plot, aes(x = x)) +
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l1, ymax = ci_r1, fill = "G1"), alpha = 0.3) +
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l2, ymax = ci_r2, fill = "G2"), alpha = 0.3) +
  geom_line(aes(y = y1, color = "G1")) +
  geom_line(aes(y = y2, color = "G2"))

但這樣的置信區間還比較醜，下面我們給出一個略微美化的版本，並在代碼中進行註釋，說明每個函數的用意。

3）美化

ggplot(dat_plot, aes(x = x)) +
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l1, ymax = ci_r1, fill = "G1", color = "G1"), 
              alpha = 0.3, linetype = 2) +        # linetype = 2 表示置信區間描邊線為虛線
  geom_ribbon(aes(ymin = ci_l2, ymax = ci_r2, fill = "G2", color = "G2"), 
              alpha = 0.3, linetype = 2) +
  geom_line(aes(y = y1, color = "G1")) +
  geom_line(aes(y = y2, color = "G2")) +
  theme_bw(base_family = "Times") +
  theme(panel.grid = element_blank(),
    legend.position = "top",                      # legend 置頂
    panel.border = element_blank(),
    text = element_text(family = "STHeiti"),      # Mac 系統中中文繪圖
    plot.title = element_text(hjust = 0.5)) +     # 標題居中
  labs(x = "y", y = "x", title = "分組置信區間",
       color = "", fill = "")                      # 將置信區間與擬合線的 legend 合並，並且不要 legend 的小標題

想學習更多 ggplot 美化繪圖的技巧，可以參考下述鏈接：

ggplot2：初次見面，請多多關照！

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