2  基础图形

本章按照图形作用分类介绍各种各样的统计图形，每个小节包含 5-8 个常用的图形，每个图形会结合数据说明其作用、绘制代码。希望借助真实的数据引发读者兴趣，提出问题，探案数据，讲故事，将其应用于其它场景，举一反三。除了数据获取、清理和预处理的工作外，从原始数据出发，还将穿插介绍图形绘制相关的数据操作，比如适当的分组计算、数据重塑等操作。当然，不可能逐行给出代码的说明和使用，因为这会显得非常累赘。探索数据和绘制图形的过程中，会有很多的中间代码，这些也不再展示了，仅给出最终展示图，但会做适当说明。

2.1 描述趋势

GNU R 是一个自由的统计计算和统计绘图环境，最初由新西兰奥克兰大学统计系的 Ross Ihaka 和 Robert Gentleman 共同开发。1997 年之后，成立了一个 R Core Team（R 语言核心团队），他们在版本控制系统 Apache Subversion上一起协作开发至今。25 年—四分之一个世纪过去了，下面分析他们留下的一份开发日志，了解一段不轻易为人所知的故事。

首先，下载 1997 年至今约 25 年的原始代码提交日志数据。下载数据的代码如下，它是一行 Shell 命令，可在 MacOS 或 Ubuntu 等 Linux 系统的终端里运行，借助 Apache Subversion 软件，将提交日志导出为 XML 格式 的数据文件，保存在目录 data-raw/ 下，文件名为 svn_trunk_log_2022.xml，本书网页版随附。

svn log --xml --verbose -r 6:83528 \
  https://svn.r-project.org/R/trunk > data-raw/svn_trunk_log_2022.xml

去掉没什么信息的前5次代码提交记录：初始化仓库，上传原始的 R 软件源码等。 从 Ross Ihaka 在 1997-09-18 提交第 1 次代码改动开始，下载所有的提交日志。截至 2022-12-31，代码最新版本号为 83528，意味着代码仓库已存在 8 万多次提交。

下载数据后，借助 xml2 包预处理这份 XML 格式数据，提取最重要的信息，谁在什么时间做了什么改动。经过一番操作后，将清洗干净的数据保存到目录 data/ 下，以 R 软件特有的文件格式保存为 svn-trunk-log-2022.rds，同样与书随附。这样下来，原 XML 格式保存的 35 M 文件减少为 1 M 多，极大地减少存储空间，方便后续的数据探索和可视化。下面是这份日志数据最初的两行：

svn_trunk_log <- readRDS(file = "data/svn-trunk-log-2022.rds")
head(svn_trunk_log, 2)
#>   revision author               stamp
#> 1        6  ihaka 1997-09-18 04:41:25
#> 2        7  ihaka 1997-09-18 04:42:42
#>                                  msg
#> 1 New predict.lm from Peter Dalgaard
#> 2             Updated release number

一共是四个字段，分别是代码提交时记录的版本号 revision，提交代码的人 author，提交代码的时间 stamp 和提交代码时伴随的说明 msg。接下来，带着问题一起探索开源自由的统计软件 R 过去 25 年波澜壮阔的历史！

2.1.1 折线图

提示

不再介绍每个函数、每个参数和每行代码的作用，而是重点阐述折线图的作用，以及如何解读数据，阐述解读的思路和方向，建立起数据分析的思维。将重点放在这些方面，有助于书籍存在的长远意义，又结合了最真实的背景和原始数据，相信对实际工作的帮助会更大。而对于使用到统计方法的函数，则详加介绍，展示背后的实现细节，而不是调用函数做调包侠。

折线图的意义是什么？在表达趋势变化，趋势的解读很重要。先来了解一下总体趋势，即过去 25 年里代码提交次数的变化情况。数据集 svn_trunk_log 没有年份字段，但时间字段 stamp 隐含了年份信息，因此，新生成一个字段 year 将年份信息从 stamp 提取出来。

svn_trunk_log <- within(svn_trunk_log, {
  # 提取日期、月份、年份、星期、第几周、第几天等时间成分
  year <- as.integer(format(stamp, "%Y"))
  date <- format(stamp, format = "%Y-%m-%d", tz = "UTC")
  month <- format(stamp, format = "%m", tz = "UTC")
  hour <- format(stamp, format = "%H", tz = "UTC")
  week <- format(stamp, format = "%U", tz = "UTC")
  wday <- format(stamp, format = "%a", tz = "UTC")
  nday <- format(stamp, format = "%j", tz = "UTC")
})
# 代码维护者 ID 和姓名对应
ctb_map <- c(
  "bates" = "Douglas Bates", "deepayan" = "Deepayan Sarkar",
  "duncan" = "Duncan Temple Lang", "falcon" = "Seth Falcon",
  "guido" = "Guido Masarotto", "hornik" = "Kurt Hornik",
  "iacus" = "Stefano M. Iacus", "ihaka" = "Ross Ihaka",
  "jmc" = "John Chambers", "kalibera" = "Tomas Kalibera",
  "lawrence" = "Michael Lawrence", "leisch" = "Friedrich Leisch",
  "ligges" = "Uwe Ligges", "luke" = "Luke Tierney",
  "lyndon" = "Others", "maechler" = "Martin Maechler",
  "mike" = "Others", "morgan" = "Martin Morgan",
  "murdoch" = "Duncan Murdoch", "murrell" = "Paul Murrell",
  "pd" = "Peter Dalgaard", "plummer" = "Martyn Plummer",
  "rgentlem" = "Robert Gentleman", "ripley" = "Brian Ripley",
  "smeyer" = "Sebastian Meyer", "system" = "Others",
  "tlumley" = "Thomas Lumley", "urbaneks" = "Simon Urbanek"
)
svn_trunk_log$author <- ctb_map[svn_trunk_log$author]

接着，调用分组聚合函数 aggregate() 统计各年的代码提交量。

trunk_year <- aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year, FUN = length)

然后，将数据集 trunk_year 以折线图展示，如 图 2.1 所示。

library(ggplot2)
ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_line() +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
图 2.1: 过去 25 年代码提交次数的变化情况

为什么呈现这样的变化趋势？我最初想到的是先逐步增加，然后下降一会儿，再趋于平稳。这比较符合软件从快速迭代开发期，过渡到成熟稳定期的生命周期。接着，从小时趋势图观察代码提交量的变化，发现有高峰有低谷，上午高峰，晚上低峰，但也并不是所有年份都一致，这是因为开发者来自世界各地，位于不同的时区。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + hour, length) |> 
  ggplot(aes(x = hour, y = revision, group = year)) +
  geom_line() +
  geom_line(data = function(x) subset(x, year < 2006),
            aes(color = as.character(year))) +
  theme_classic() +
  labs(x = "时段", y = "提交量", color = "年份")
图 2.2: 提交代码的时段分布

最后，观察代码提交量的月趋势图，12月和次年1月、7-8 月份提交量迎来小高峰，应该是教授们放寒暑假。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + month, length) |>
  transform(date = as.Date(paste(year, month, "01", sep = "-"))) |>
  ggplot(aes(x = date, y = revision)) +
  geom_point(aes(color = factor(year)), show.legend = F, size = 0.75) +
  geom_line(aes(color = factor(year)), show.legend = F) +
  scale_x_date(date_minor_breaks = "1 year") +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.minor.x = element_line()) +
  labs(x = "时间（月粒度）", y = "提交量")
图 2.3: 提交代码的月份分布

2.1.2 瀑布图

相比于折线图，瀑布图将变化趋势和增减量都展示了，如 图 2.4 所示，每年的提交量就好像瀑布上的水，图中每一段水柱表示当期相对于上一期的增减量。瀑布图是用矩形图层 geom_rect() 构造的，数据点作为矩形对角点，对撞型的颜色表示增减。

trunk_year <- trunk_year[order(trunk_year$year), ]

trunk_year_tmp <- data.frame(
  xmin = trunk_year$year[-length(trunk_year$year)],
  ymin = trunk_year$revision[-length(trunk_year$revision)],
  xmax = trunk_year$year[-1],
  ymax = trunk_year$revision[-1],
  fill = trunk_year$revision[-1] - trunk_year$revision[-length(trunk_year$revision)] > 0
)

ggplot() +
  geom_rect(
    data = trunk_year_tmp,
    aes(xmin = xmin, ymin = ymin, xmax = xmax, ymax = ymax, fill = fill
), 
    show.legend = FALSE
  ) +
  geom_point(
    data = trunk_year, aes(x = year, y = revision), size = 0.75
  ) +
  scale_fill_brewer(palette = "Set2") +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
图 2.4: 25 年代码逐年提交量的变化趋势

ggTimeSeries 包 (Kothari 2022) (https://github.com/thecomeonman/ggTimeSeries) 提供统计图层 stat_waterfall() 实现类似的瀑布图，如 图 2.5 所示。

library(ggTimeSeries)
ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  stat_waterfall() +
  scale_fill_brewer(palette = "Set2") +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
图 2.5: 矩形图层构造瀑布图

2.1.3 曲线图

将散点以线段逐个连接起来，形成折线图，刻画原始的变化，而曲线图的目标是刻画潜在趋势。有两种画法，其一从代数的角度出发，做插值平滑，在相邻两点之间以一条平滑的曲线连接起来；其二从统计的角度出发，做趋势拟合，通过线性或非线性回归，获得变化趋势，以图呈现，使得散点之中隐藏的趋势更加清晰。

ggplot2 (Wickham 2016) 包提供函数 geom_smooth() 拟合散点图中隐含的趋势，通过查看函数 geom_smooth() 的帮助文档，可以了解其内部调用的统计方法。默认情况下，采用局部多项式回归拟合方法，内部调用了函数 loess() 来拟合趋势，如 图 2.6 所示。

ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(data = subset(trunk_year, year != 1997)) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
#> `geom_smooth()` using method = 'loess' and formula = 'y ~ x'
图 2.6: 过去 25 年代码提交次数的变化情况

类似大家熟悉的线性回归拟合函数 lm()，函数 loess() 也是基于类似的使用语法。下面继续以此数据为例，了解该函数的使用，继而了解 ggplot2 绘制平滑曲线图背后的统计方法。1997 年是不完整的，不参与模型参数的估计。

trunk_year_loess <- loess(revision ~ year,
  data = subset(trunk_year, year != 1997),
  span = 0.75, degree = 2, method = "loess",
  family = "symmetric",
  control = loess.control(surface = "direct", iterations = 4)
)

下面通过设定函数 geom_smooth() 的参数，可以达到一样的效果，见下 图 2.7

ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(method = "loess", formula = "y~x",
    method.args = list(
      span = 0.75, degree = 2, family = "symmetric",
      control = loess.control(surface = "direct", iterations = 4)
    ), data = subset(trunk_year, year != 1997)) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
图 2.7: 过去 25 年代码提交次数的变化情况

method = "loess" 意味着调用了一种非参数的回归方法，即局部估计散点平滑 （locally estimated scatterplot smoothing），另一个与之类似的回归方法是局部加权散点平滑 （locally weighted scatterplot smoothing），简称 lowess 。1991 年 Jerome Friedman 提出多元适应性回归样条（Multivariate Adaptive Regression Splines），R 语言社区对应功能的扩展包是 earth 。

除了 method = "loess"，函数 geom_smooth() 支持的统计方法还有很多，比如非线性回归拟合 nls()

trunk_year_nls <- nls(revision ~ a * (year - 1996)^2 + b,
  data = subset(trunk_year, year != 1997),
  start = list(a = -0.1, b = 1000)
)

采用一元二次非线性回归拟合方法，效果如 图 2.8 所示。

ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(
    method = "nls", 
    formula = "y ~ a * (x - 1996)^2 + b",
    method.args = list(
      start = list(a = -0.1, b = 1000)
    ), se = FALSE, 
    data = subset(trunk_year, year != 1997),
  ) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
图 2.8: 过去 25 年代码提交次数的变化情况
注意

在函数 geom_smooth() 内调用非线性回归拟合方法时，暂不支持提供置信区间。

即便在不清楚统计原理的情况下，也不难看出 图 2.7 和 图 2.8 的差异，局部多项式回归捕捉到了更多的信息，特别是起步阶段的上升趋势，以及 2000-2005 年的高峰特点。

summary(trunk_year_loess)
#> Call:
#> loess(formula = revision ~ year, data = subset(trunk_year, year != 
#>     1997), span = 0.75, degree = 2, family = "symmetric", method = "loess", 
#>     control = loess.control(surface = "direct", iterations = 4))
#> 
#> Number of Observations: 25 
#> Equivalent Number of Parameters: 4.53 
#> Residual Scale Estimate: 308.4 
#> Trace of smoother matrix: 4.97  (exact)
#> 
#> Control settings:
#>   span     :  0.75 
#>   degree   :  2 
#>   family   :  symmetric      iterations = 4
#>   surface  :  direct
#>   normalize:  TRUE
#>  parametric:  FALSE
#> drop.square:  FALSE
summary(trunk_year_nls)
#> 
#> Formula: revision ~ a * (year - 1996)^2 + b
#> 
#> Parameters:
#>    Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
#> a   -2.9625     0.4555  -6.504 1.23e-06 ***
#> b 3070.0890   147.1920  20.858  < 2e-16 ***
#> ---
#> Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
#> 
#> Residual standard error: 471.8 on 23 degrees of freedom
#> 
#> Number of iterations to convergence: 1 
#> Achieved convergence tolerance: 2.808e-08

非线性回归模型带有 2 个参数，一共 26 个观察值，因此，自由度为 26 - 2 = 24。 RSE 残差平方和的标准差为

# 非线性回归的残差平方和的标准差
sqrt(sum(residuals(trunk_year_nls)^2)/24)
#> [1] 461.8963

以平滑曲线连接相邻的散点，可以构造一个插值方法给函数 geom_smooth()，如下示例基于样条插值函数 spline()。样条源于德国宝马工程师，车辆外壳弧线，那些拥有非常漂亮的弧线，越光滑，与空气的摩擦阻力越小，车辆的气动外形更加符合流体力学的要求，加工打磨更加困难，往往价值不菲。美感是相通的，即使不懂车标，通过气动外形，也能识别出车辆的档次。

ggplot2 包支持的平滑方法有很多，如借助函数 splinefun() 构造样条插值获得平滑曲线，调用 mgcv 包的函数 gam() ，调用 ggalt 包的函数 geom_xspline() 。

xxspline <- function(formula, data, ...) {
  dat <- model.frame(formula, data)
  res <- splinefun(dat[[2]], dat[[1]])
  class(res) <- "xxspline"
  res
}

predict.xxspline <- function(object, newdata, ...) {
  object(newdata[[1]])
}

ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(
    formula = "y~x",
    method = xxspline, se = FALSE,
    data = subset(trunk_year, year != 1997)
  ) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")

ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(
    formula = y ~ s(x, k = 12),
    method = "gam", se = FALSE,
    data = subset(trunk_year, year != 1997)
  ) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")

ggplot(data = trunk_year, aes(x = year, y = revision)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(
    method = "lm", 
    formula = "y ~ poly((x - 1996), 3)",
    se = FALSE, 
    data = subset(trunk_year, year != 1997),
  ) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray90")) +
  labs(x = "年份", y = "提交量")
(a) 自定义样条插值 spline
(b) 广义可加模型样条拟合
(c) 自由度为 3 的正交多项式拟合
图 2.9: 过去 25 年代码提交次数的变化情况

数学公式表达的统计模型与 R 语言表达的计算公式的对应关系见下 表格 2.1 ，更多详情见帮助文档 ?formula。

表格 2.1: 数学公式与 R 语言表示的计算公式
数学公式 R 语言计算公式
\(y = \beta_0\) y ~ 1
\(y = \beta_0 + \beta_1 x_1\) y ~ 1 + x1 或 y ~ x1 或 y ~ x1 + x1^2
\(y = \beta_1 x_1\) y ~ 0 + x1 或 y ~ -1 + x1
\(y = \beta_0 + \beta_1 x_1 + \beta_2 x_2\) y ~ x1 + x2
\(y = \beta_0 + \beta_1 x_1 + \beta_2 x_2 + \beta_3 x_1 x_2\) y ~ x1 * x2
\(y = \beta_0 + \beta_1 x_1 x_2\) y ~ x1:x2
\(y = \beta_0 + \beta_1 x_1 + \beta_2 x_2 + \beta_3 x_1 x_2\) y ~ x1 + x2 + x1:x2
\(y = \beta_0 + \sum_{i=1}^{999}\beta_i x_i\) y ~ .
\(y = \beta_0 + \beta_1 x + \beta_2 x^5\) y ~ x + I(x^5)
\(y = \beta_0 + \beta_1 x + \beta_2 x^2\) y ~ x + I(x^2)
\(y = \beta_0 + \beta_1 x + \beta_2 x^2\) y ~ poly(x, degree = 2, raw = TRUE)

2.1.4 流线图

流线图（Stream Graph）是堆积面积图（Stacked Area Graph）的一种变体，适合描述时间序列数据的趋势。ggplot2 扩展包 ggstream 可以制作流线图，如下图所示。

library(ggstream)
trunk_year_author <- aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + author, FUN = length)
ggplot(trunk_year_author, aes(x = year, y = revision, fill = author)) +
  geom_stream() +
  theme_classic() +
  theme(legend.position = "bottom") +
  labs(x = "年份", y = "提交量", fill = "贡献者")
图 2.10: 各开发者的提交量趋势

2.1.5 曲面图

ggplot2 包暂不支持绘制三维曲面图，而 lattice 包支持，但也是非常有限的支持。lattice 包和 ggplot2 包都是基于图形语法的，层层叠加就必然会出现覆盖，只有在绘制函数型数据的图像时是合适的，因为覆盖少，即使覆盖也不妨碍趋势的表达。根据不同的使用场景有两个更好的选择，基于 OpenGL 的真三维图形可以用 rayrender 和 rayshader 包绘制，而基于 JavaScripts 的交互式三维图形可以用 rgl 或 plotly 包绘制。

下 图 2.11 是用 lattice 包的 wireframe() 函数绘制的，这是一个三维曲面透视图，三维图形有时候并不能很好地表达数据，或者数据并不适合用三维图形表示。数据本身并没有那么明显的趋势规律，同样也会体现不出三维图形的表达能力。大部分情况下，我们应当避免使用静态的三维图形，但函数型数据是适合用三维图形来表达的。

代码 
trunk_year_week <- aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + week, FUN = length)
library(lattice)
wireframe(
  data = trunk_year_week, revision ~ year * as.integer(week),
  shade = TRUE, drape = FALSE,
  xlab = "年份",
  ylab = "第几周",
  zlab = list("提交量", rot = 90),
  scales = list(
    arrows = FALSE, col = "black"
  ),
  # 减少三维图形的边空
  lattice.options = list(
    layout.widths = list(
      left.padding = list(x = -.6, units = "inches"),
      right.padding = list(x = -1.0, units = "inches")
    ),
    layout.heights = list(
      bottom.padding = list(x = -.8, units = "inches"),
      top.padding = list(x = -1.0, units = "inches")
    )
  ),
  par.settings = list(axis.line = list(col = "transparent")),
  screen = list(z = -60, x = -70, y = 0)
)
图 2.11: 25 年代码提交量变化趋势图

每周的代码提交量受影响因素多，不确定性多，波动表现尖锐高频，上图反而对整体趋势的表达不够简洁清晰。按年、月统计提交量平均掉了每日的波动，反而可以体现更大的周期性和趋势性。下面绘制三维柱形图，三维图形天然给人有更加直观的感觉，毕竟立体。latticeExtra 包提供三维柱形图图层 panel.3dbars()，如 图 2.12 所示。

代码 
# 按年、月分组统计代码提交量
trunk_year_month <- aggregate(
  data = svn_trunk_log,
  revision ~ year + month, FUN = length
)
# 数据转化为矩阵类型
trunk_year_month_m <- matrix(
  data = trunk_year_month[trunk_year_month$year > 1998, "revision"],
  ncol = 12, nrow = 24, byrow = FALSE,
  dimnames = list(
    1999:2022, # 行
    1:12 # 列
  )
)
# 绘制三维柱形图
cloud(trunk_year_month_m,
  panel.3d.cloud = latticeExtra::panel.3dbars,
  col.facet = "red", # 柱子的颜色
  col = "gray90",
  xbase = 0.5, ybase = 0.5, # 柱子的大小
  scales = list(
    arrows = FALSE, col = "black",
    # tck 刻度线的长度
    tck = c(0.7, 1.5, 1),
    # distance 控制标签到轴的距离
    distance = c(1.2, 0.6, 0.8)
  ),
  # rot 旋转轴标签
  xlab = list("年份", rot = -45), ylab = list("月份", rot = 45),
  zlab = list("提交量", rot = 90),
  # 减少三维图形的边空
  lattice.options = list(
    layout.widths = list(
      left.padding = list(x = -.6, units = "inches"),
      right.padding = list(x = -1.0, units = "inches")
    ),
    layout.heights = list(
      bottom.padding = list(x = -.8, units = "inches"),
      top.padding = list(x = -1.0, units = "inches")
    )
  ),
  # 去掉边框
  par.settings = list(
    axis.line = list(col = "transparent"),
    layout.widths = list(ylab.axis.padding = 0)
  ),
  screen = list(z = -45, x = -30, y = 0)
)
图 2.12: 25 年代码提交量变化趋势图

2.1.6 热力图

图 2.13 提交量变化趋势

ggplot(data = trunk_year_week, aes(x = as.integer(week) , y = year, fill = revision)) +
  geom_tile(linewidth = 0.4) +
  scale_fill_viridis_c(option = "C") +
  scale_x_continuous(expand = c(0, 0)) +
  scale_y_continuous(expand = c(0, 0)) +
  theme_classic() +
  labs(x = "第几周", y = "年份", fill = "提交量")
图 2.13: 25 年代码提交量变化热力图

图层 scale_x_continuous() 中设置 expand = c(0, 0) 可以去掉数据与 x 轴之间的空隙。 或者添加坐标参考系图层 coord_cartesian()，设置参数 expand = FALSE 同时去掉横纵轴与数据之间的空隙。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + month, length) |>
  ggplot(aes(x = month, y = year, fill = revision)) +
  geom_tile(linewidth = 0.4) +
  scale_fill_viridis_c(option = "C") +
  coord_cartesian(expand = FALSE) +
  theme_classic() +
  labs(x = "月份", y = "年份", fill = "提交量")
图 2.14: 25 年代码提交量变化热力图

2.1.7 日历图

更加直观地展示出节假日、休息工作日、寒暑假，比如描述学生学习规律、需求的季节性变化、周期性变化。

# 星期、月份缩写
week.abb <- c("Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fri", "Sat")
month.abb <- c(
  "Jan", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "Jun",
  "Jul", "Aug", "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"
)
# 按年、星期、第几周聚合统计提交量数据
svn_trunk_year <- aggregate(
  revision ~ year + wday + week, FUN = length,
  data = svn_trunk_log, subset = year %in% 2018:2022
)
# 第几周转为整型数据
# 周几转为因子型数据
svn_trunk_year <- within(svn_trunk_year, {
   week = as.integer(week)
   wday = factor(wday, labels = week.abb)
})
ggplot(data = svn_trunk_year, aes(
  x = week, y = wday, fill = cut(revision, breaks = 5 * 0:5)
)) +
  geom_tile(color = "white", linewidth = 0.5) +
  scale_fill_brewer(palette = "Greens") +
  scale_x_continuous(
    expand = c(0, 0), breaks = seq(1, 52, length = 12), labels = month.abb
  ) +
  facet_wrap(~year, ncol = 1) +
  theme_minimal() +
  labs(x = "月份", y = "星期", fill = "提交量")
图 2.15: 最近 5 年休息和工作日打码活跃度

经过了解 svn_trunk_year 2018 - 2022 年每天提交量的范围是 0 次到 21 次，0 次表示当天没有提交代码，SVN 上也不会有日志记录。因此，将提交量划分为 5 档

2.1.8 棋盘图

棋盘图一般可以放所有时间节点的聚合信息，格点处为落的子

该数据集的存储结构很简单，是一个两列的数据框，它的一些属性如下：

str(rversion)
#> 'data.frame':    140 obs. of  2 variables:
#>  $ version: chr  "0.49" "0.50-a1" "0.50-a4" "0.60.0" ...
#>  $ date   : chr  "1997-04-23" "1997-07-22" "1997-09-10" "1997-12-04" ...

做一点数据处理，将 date 字段转为日期类型，并从日期中提取年、月信息。

rversion$date <- as.Date(rversion$date, format = "%Y-%m-%d", tz = "UTC")
rversion$year <- format(rversion$date, "%Y")
rversion$month <- format(rversion$date, "%m")

统计过去 25 年里每月的发版次数，如图 图 2.16

aggregate(data = rversion, version ~ year + month, length) |>
  ggplot(aes(x = month, y = year)) +
  geom_label(aes(label = version, fill = version),
    show.legend = F, color = "white") +
  scale_fill_viridis_c(option = "D", begin = 0.2, end = 0.8) +
  theme_classic() +
  theme(panel.grid.major.y = element_line(colour = "gray95")) +
  labs(x = "月份", y = "年份")
图 2.16: 25 年 R 软件发版情况

2.1.9 时间线图

时间线图非常适合回顾过去，展望未来，讲故事

时间线图展示信息的层次和密度一般由时间跨度决定。时间跨度大时，展示重点节点信息，时间跨度小时，重点和次重点信息都可以放。从更加宏观的视角，厘清发展脉络，比如近两年的 R 软件发版情况。

本节用到一个数据集 rversion，记录了历次 R 软件发版时间及版本号，见 表格 2.2

表格 2.2: R 软件发版数据集（部分）
版本号 发版日期 发版年份 发版月份
0.49 1997-04-23 1997 04
0.50-a1 1997-07-22 1997 07
0.50-a4 1997-09-10 1997 09
0.60.0 1997-12-04 1997 12
0.60.1 1997-12-07 1997 12
0.61.0 1997-12-22 1997 12 
rversion_tl <- within(rversion, {
  # 版本号为 x.0.0 为重大版本 big
  # 版本号为 x.1.0 x.12.0 x.20.0 为主要版本 major
  # 版本号为 x.0.1 为次要版本 minor
  status <- ifelse(grepl(pattern = "*\\.0\\.0", x = version), "big", version)
  status <- ifelse(grepl(pattern = "*\\.[1-9]{1,2}\\.0$", x = status), "major", status)
  status <- ifelse(!status %in% c("big", "major"), "minor", status)
})
positions <- c(0.5, -0.5, 1.0, -1.0, 1.5, -1.5)
directions <- c(1, -1)
# 位置
rversion_pos <- data.frame(
  # 只要不是同一天发布的版本，方向相对
  date = unique(rversion_tl$date),
  position = rep_len(positions, length.out = length(unique(rversion_tl$date))),
  direction = rep_len(directions, length.out = length(unique(rversion_tl$date)))
)
# 原始数据上添加方向和位置信息
rversion_df <- merge(x = rversion_tl, y = rversion_pos, by = "date", all = TRUE)
# 最重要的状态放在最后绘制到图上
rversion_df <- rversion_df[with(rversion_df, order(date, status)), ]

选取一小段时间内的发版情况，比如最近的三年 — 2020 - 2022 年

# 选取 2020 - 2022 年的数据
sub_rversion_df<- rversion_df[rversion_df$year %in% 2020:2022, ]
# 月份注释
month_dat <- data.frame(
  date = seq(from = as.Date('2020-01-01'), to = as.Date('2022-12-31'), by = "3 month")
)
month_dat <- within(month_dat, {
  month = format(date, "%b")
})
# 年份注释
year_dat <- data.frame(
  date = seq(from = as.Date('2020-01-01'), to = as.Date('2022-12-31'), by = "1 year")
)
year_dat <- within(year_dat, {
  year = format(date, "%Y")
})

图 2.17 展示 2020-2022 年 R 软件发版情况

ggplot(data = sub_rversion_df) +
  geom_segment(aes(x = date, y = 0, xend = date, yend = position)) +
  geom_hline(yintercept = 0, color = "black", linewidth = 1) +
  geom_label(
    aes(x = date, y = position, label = version, color = status),
    show.legend = FALSE
  ) +
  geom_point(aes(x = date, y = 0, color = status),
    size = 3, show.legend = FALSE
  ) +
  geom_text(
    data = month_dat, aes(x = date, y = 0, label = month), vjust = 1.5
  ) +
  geom_text(
    data = year_dat, aes(x = date, y = 0, label = year), vjust = -0.5
  ) +
  theme_void()
图 2.17: 2020-2022 年 R 软件发版情况

图中红色标注的是里程碑式的重大版本，绿色标注的是主要版本，蓝色标注的次要版本，小修小补，小版本更新。

当时间跨度非常大时，比如过去 25 年，那就只能放重大版本和主要版本信息了，时间上月份信息就不能用名称简写，而用数字更加合适。而且还得竖着放，同时添加那个版本最有影响力的改动。相比于，棋盘图，这是时间线图的优势。

sub_rversion_df2 <- rversion_df[rversion_df$status %in% c("big", "major"), ]
ggplot(data = sub_rversion_df2) +
  geom_segment(aes(x = 0, y = date, xend = position, yend = date, color = status),
    show.legend = F
  ) +
  geom_vline(xintercept = 0, color = "black", linewidth = 1) +
  geom_label(
    aes(x = position, y = date, label = version, color = status),
    show.legend = FALSE
  ) +
  geom_point(aes(x = 0, y = date, color = status), size = 3, show.legend = FALSE) +
  geom_text(
    aes(x = 0, y = as.Date(format(date, "%Y-01-01")), label = year),
    hjust = -0.1
  ) +
  theme_void()
图 2.18: 25 年里 R 软件重大及主要版本发布情况

在 R 语言诞生的前 5 年里，每年发布 3 个主要版本，这 5 年是 R 软件活跃开发的时期。而 2003-2012 年的这 10 年，基本上每年发布 2 个主要版本。2013-2022 年的这 10 年，基本上每年发布 1 个主要版本。

timevis 包基于 JavaScript 库 Vis 的 vis-timeline 模块，可以 创建交互式的时间线图，支持与 Shiny 应用集成。

2.2 描述对比

数据来自中国国家统计局发布的2021年统计年鉴，

表格 2.3: 中国各年龄段的性别比数据（部分）
年龄 人口数/男 人口数/女 性别比（女=100） 区域
0-4 16078524 14523013 110.71 城市
5-9 17172999 15087731 113.82 城市
10-14 14619691 12727731 114.86 城市
15-19 17249362 15404683 111.97 城市
20-24 19776472 18481665 107.01 城市
25-29 22937131 21478748 106.79 城市

对比的是什么？城市、镇和乡村的性别分布，是否失衡？在哪个年龄段表现很失衡？

2.2.1 柱形图

分年龄段比较城市、镇和乡村的性别比数据

ggplot(data = china_age_sex, aes(x = `年龄`, y = `性别比（女=100）`, fill = `区域`)) +
  geom_hline(yintercept = 100, color = "gray", lty = 2, linewidth = 1) +
  geom_col(position = "dodge2", width = 0.75) +
  theme_bw()
图 2.19: 分年龄段比较城市、镇和乡村的性别比数据

考虑到数据本身的含义，一般来说，性别比不可能从 0 开始，除非现实中出现了《西游记》里的女儿国。因此，将纵轴的范围，稍加限制，从 性别比为 70 开始，目的是突出城市、镇和乡村的差异。

ggplot(data = china_age_sex, aes(x = `年龄`, y = `性别比（女=100）`, fill = `区域`)) +
  geom_hline(yintercept = 100, color = "gray", lty = 2, linewidth = 1) +
  geom_col(position = "dodge2", width = 0.75) +
  coord_cartesian(ylim = c(70, 130)) +
  theme_bw()
图 2.20: 分年龄段比较城市、镇和乡村的性别比数据

2.2.2 条形图

将柱形图横过来即可得到条形图，横过来的好处主要体现在分类很多的时候，留足空间给年龄分组的分类标签，从左到右，从上往下也十分符合大众的阅读习惯

ggplot(data = china_age_sex, aes(x = `性别比（女=100）`, y = `年龄`, fill = `区域`)) +
  geom_vline(xintercept = 100, color = "gray", lty = 2, linewidth = 1) +
  geom_col(position = "dodge2", width = 0.75) +
  coord_cartesian(xlim = c(70, 130)) +
  theme_bw()
图 2.21: 分年龄段比较城市、镇和乡村的性别比数据

2.2.3 点线图

克利夫兰点图 dotchart() 在条形图的基础上，省略了条形图的宽度，可以容纳更多的数据点。

ggplot(data = china_age_sex, aes(x = `性别比（女=100）`, y = `年龄`, color = `区域`)) +
  geom_vline(xintercept = 100, color = "lightgray", lty = 2, linewidth = 1) +
  geom_point() +
  theme_bw()
图 2.22: 分年龄段比较城市、镇和乡村的性别比数据

2.2.4 词云图

ggwordcloud 包提供词云图层 geom_text_wordcloud() 根据代码提交的说明制作词云图。

library(ggwordcloud)
aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |> 
  ggplot(aes(label = author, size = revision)) +
  geom_text_wordcloud(seed = 2022, grid_size = 10, max_grid_size = 24) +
  scale_size_area(max_size = 20)
图 2.23: 词云图

词云图也可以是条形图或柱形图的一种替代，词云图不用担心数目多少，而条形图不适合太多的分类情形。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |>
  subset(subset = revision >= 100) |> 
  ggplot(aes(x = revision, y = reorder(author, revision))) +
  geom_col() +
  theme_classic() +
  coord_cartesian(expand = FALSE) +
  labs(x = "提交量", y = "维护者")
图 2.24: 开发者提交量排行榜

2.3 描述占比

2.3.1 简单饼图

提交量小于 2000 次的贡献者合并为一类 Others，按贡献者分组统计提交量及其占比，如 图 2.25 所示。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |>
  transform(author2 = ifelse(revision < 2000, "Others", author)) |>
  aggregate(revision ~ author2, FUN = sum) |>
  transform(label = paste0(round(revision / sum(revision), digits = 4) * 100, "%")) |>
  ggplot(aes(x = 1, fill = reorder(author2, revision), y = revision)) +
  geom_col(position = "fill", show.legend = FALSE, color = "white") +
  scale_y_continuous(labels = scales::label_percent()) +
  coord_polar(theta = "y") +
  geom_text(aes(x = 1.2, label = author2),
    position = position_fill(vjust = 0.5), color = "black"
  ) +
  geom_text(aes(x = 1.65, label = label),
    position = position_fill(vjust = 0.5), color = "black"
  ) +
  theme_void() +
  labs(x = NULL, y = NULL)
图 2.25: 维护者提交量占比

当把提交量小于 1000 次的贡献者合并为 Others，则分类较多，占比小的也有一席之地，饼图上显得十分拥挤。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |> 
  transform(author2 = ifelse(revision < 1000, "Others", author)) |> 
  aggregate(revision ~ author2, FUN = sum) |> 
  transform(label = paste0(round(revision / sum(revision), digits = 4) * 100, "%")) |> 
  ggplot(aes(x = 1, fill = reorder(author2, revision)  , y = revision)) +
  geom_col(position = "fill", show.legend = FALSE, color = "white") +
  scale_y_continuous(labels = scales::label_percent()) +
  coord_polar(theta = "y") +
  geom_text(aes(x = 1.2, label = author2),
    position = position_fill(vjust = 0.5), color = "black"
  ) +
  geom_text(aes(x = 1.6, label = label),
    position = position_fill(vjust = 0.5), color = "black"
  ) +
  theme_void() +
  labs(x = NULL, y = NULL)
图 2.26: 维护者提交量占比

一种缓解拥挤的办法是通过 ggrepel 包在扇形区域旁边添加注释

library(ggrepel)
dat1 <- aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |>
  transform(author2 = ifelse(revision < 1000, "Others", author)) |>
  aggregate(revision ~ author2, FUN = sum)

dat2 <- within(dat1, {
  value <- 100 * revision / sum(revision)
  csum <- rev(cumsum(rev(value)))
  pos <- value / 1.5 + c(csum[-1], NA)
  pos <- ifelse(is.na(pos), value / 2, pos)
  label <- paste(author2, paste0(round(value, 2), "%"), sep = "\n")
})

ggplot(data = dat2, aes(x = 1, fill = author2, y = value)) +
  geom_col(show.legend = FALSE, color = "white") +
  coord_polar(theta = "y") +
  geom_label_repel(aes(y = pos, label = label), 
    size = 4.5, nudge_x = 0.75, show.legend = FALSE
  ) +
  theme_void() +
  labs(x = NULL, y = NULL)
图 2.27: 维护者提交量占比

但是数量很多的情况下，也是无能为力的，当然，是否需要显示那么多，是否可以合并占比小的部分，也是值得考虑的问题。

表格 2.4: SVN 日志中的贡献者（部分）
SVN 花名 真实名字 主要贡献
rgentlem Robert Gentleman R 语言创始人
ihaka Ross Ihaka R 语言创始人
ripley Brian Ripley R Core Team 中的核心
murrell Paul Murrell grid 包及栅格绘图系统
maechler Martin Maechler cluster / Matrix 包维护者
hornik Kurt Hornik R FAQ 和 CRAN 维护者
jmc John Chambers S 语言的创始人之一
bates Douglas Bates nlme / lme4 包核心开发者
pd Peter Dalgaard 《统计导论与 R 语言》作者
ligges Uwe Ligges 让 BUGS 与 R 同在
plummer Martyn Plummer 让 JAGS 与 R 携手
luke Luke Tierney compiler 包核心开发者
iacus Stefano M. Iacus 让 CRAN 拥抱 Fedora 系统
kalibera Tomas Kalibera 编码问题终结者
deepayan Deepayan Sarkar lattice 包维护者
murdoch Duncan Murdoch R 软件的 Windows 版本维护者
duncan Duncan Temple Lang XML / RCurl 包开发者
urbaneks Simon Urbanek rJava / Rserve 包维护者

2.3.2 环形饼图

中间空了一块

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |> 
  transform(author2 = ifelse(revision < 2000, "Others", author)) |> 
  aggregate(revision ~ author2, FUN = sum) |> 
  transform(label = paste0(round(revision / sum(revision), digits = 4) * 100, "%")) |> 
  ggplot(aes(x = 1, fill = author2, y = revision)) +
  geom_col(position = "fill", show.legend = FALSE, color = "white") +
  scale_y_continuous(labels = scales::label_percent()) +
  coord_polar(theta = "y") +
  geom_text(aes(x = 1.2, label = author2),
    position = position_fill(vjust = 0.5), color = "black"
  ) +
  geom_text(aes(x = 1.7, label = label),
    position = position_fill(vjust = 0.5), color = "black"
  ) +
  theme_void() +
  labs(x = NULL, y = NULL) +
  xlim(c(0.2, 1.7))
图 2.28: 维护者提交量占比

2.3.3 扇形饼图

扇形饼图又叫风玫瑰图或南丁格尔图

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |> 
  transform(author2 = ifelse(revision < 2000, "Others", author)) |> 
  aggregate(revision ~ author2, FUN = sum) |> 
  ggplot(aes(x = reorder(author2, revision), y = revision)) +
  geom_col(aes(fill = author2), show.legend = FALSE) +
  coord_polar() +
  theme_minimal() +
  theme(axis.text.y = element_blank()) +
  labs(x = NULL, y = NULL)
图 2.29: 维护者提交量分布

2.3.4 帕累托图

除了饼图，还常用堆积柱形图描述各个部分的数量，柱形图的优势在于简洁，准确，兼顾对比和趋势。下 图 2.30 描述各年开发者们的贡献量及其变化趋势，饼图无法表达数量的变化趋势。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + author, FUN = length) |> 
  ggplot(aes(x = year, y = revision, fill = author)) +
  geom_col() +
  theme_classic() +
  coord_cartesian(expand = FALSE) +
  theme(legend.position = "bottom") +
  labs(x = "年份", y = "提交量", fill = "开发者")
图 2.30: 代码提交量的比例趋势

百分比堆积柱形图在数量堆积柱形图的基础上，将纵坐标的数量转化为百分比，下 图 2.31 展示各年开发者代码提交比例的变化趋势。

aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + author, FUN = length) |> 
  ggplot(aes(x = year, y = revision, fill = author)) +
  geom_col(position = "fill") +
  scale_y_continuous(labels = scales::label_percent()) +
  theme_classic() +
  coord_cartesian(expand = FALSE) +
  theme(legend.position = "bottom") +
  labs(x = "年份", y = "提交量", fill = "开发者")
图 2.31: 代码提交量的比例趋势

帕累托图描述各个部分的占比，特别是突出关键要素的占比。收入常服从帕累托分布，这是一个幂率分布，比如 80% 的财富集中在 20% 的人的手中。下 图 2.32 展示过去 25 年各位开发者的代码累计提交量，提交量小于 1000 的已经合并为一类。不难看出，Ripley 的提交量远高于其他开发者。

dat <- aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ author, FUN = length) |>
  transform(author = ifelse(revision < 1000, "Others", author)) |>
  aggregate(revision ~ author, FUN = sum)
dat <- dat[order(-dat$revision), ]

ggplot(data = dat, aes(x = reorder(author, revision, decreasing = T), y = revision)) +
  geom_col(width = 0.75) +
  geom_line(aes(y = cumsum(revision), group = 1)) +
  geom_point(aes(y = cumsum(revision))) +
  theme_classic() + 
  theme(axis.text.x = element_text(angle = 45, vjust = 1, hjust = 1)) +
  labs(x = "维护者", y = "累计提交量")
图 2.32: 代码提交量的比例分布

2.3.5 马赛克图

马赛克图常用于展示多个分类数据，如 图 2.33 所示，展示加州伯克利分校院系录取情况。

library(ggmosaic)
ggplot(data = as.data.frame(UCBAdmissions)) +
  geom_mosaic(aes(x = product(Dept, Gender), weight = Freq, fill = Admit)) +
  theme_minimal()
图 2.33: 加州伯克利分校院系录取情况
提示

Base R 提供函数 plot() 和 mosaicplot() 对 table 表格类型的数据可视化，提供一套公式绘图语法，可以绘制类似的马赛克图。

mosaicplot(~ Gender + Dept + Admit,
  data = UCBAdmissions, color = TRUE,
  main = "", xlab = "性别", ylab = "院系"
)

对于多维列联表数据，Base R 提供函数 loglin() 拟合对数线性模型，以获取更加定量的结果。更进一步，MASS 包在函数 loglin() 的基础上，打包了另一个函数 loglm() ，它提供与函数 lm() 和 glm() 相一致的公式语法，使用起来更加方便。当然，函数 glm() 本身也是可以拟合对数线性模型的，毕竟它也是一种特殊的广义线性模型。

2.3.6 矩阵树图

矩阵树图展示有层次的占比，比如 G20 国家的 GDP 按半球、地域分组。treemapify 包专门绘制矩阵树图，下 图 2.34 展示南北半球，各地域内各个国家 GDP 的占比。

表格 2.5: G20 国家经济水平：GDP 总量、人类发展指数等
区域 国家 GDP 人类发展指数 经济水平 所属半球
Africa South Africa 384315 0.629 Developing Southern
North America United States 15684750 0.937 Advanced Northern
North America Canada 1819081 0.911 Advanced Northern
North America Mexico 1177116 0.775 Developing Northern
South America Brazil 2395968 0.730 Developing Southern
South America Argentina 474954 0.811 Developing Southern

每个瓦片的大小代表国家的 GDP 在所属半球里的比重。

ggplot(G20, aes(area = gdp_mil_usd, fill = region, label = country, subgroup = region)) +
  geom_treemap() +
  geom_treemap_text(grow = T, reflow = T, colour = "black") +
  facet_wrap(~hemisphere) +
  scale_fill_brewer(palette = "Set1") +
  theme(legend.position = "bottom") +
  labs(title = "G20 主要经济体", fill = "区域")
图 2.34: G20 主要经济体的 GDP 占比

2.3.7 量表图

展示调查研究中的用户态度。量表在市场调查，问卷调查，App 用户体验反馈等方面应用十分广泛，已经成为调查研究中的金标准。量表由心理学家 Rensis Likert 于 1932 年提出 (Likert 1932)，Likert Scale 就是以他的名字命名的。

量表在互联网产品中应用非常广泛，比如美团App里消息页面中的反馈框，用以收集用户使用产品的体验情况，如 表格 2.6 所示，从极其困难到极其方便，将用户反馈分成7个等级，目的是收集用户的反馈，以期改善产品的体验。

表格 2.6: 您觉得在本页面，找想看的消息方便吗？
1 2 3 4 5 6 7
极其困难 非常困难 比较困难 一般 比较方便 非常方便 极其方便

量表中的问题、观点的描述极其简单明了，对回答、表明态度的任何人都不会造成歧义，以确保不受文化差异、学历差异等的影响，受调查的人只需在待选的几个选项中圈选即可。候选项一般为 5-7 个，下面是一组典型的选项：

  1. Strongly disagree （强烈反对），
  2. Disagree（反对），
  3. Neither agree nor disagree（中立），
  4. Agree（同意），
  5. Strongly agree（强烈同意）。

Jason M. Bryer 开发了一个 R 包 likert，特别适合调查研究数据可视化，将研究对象的态度以直观有效的方式展示出来，内置多个数据集，其中 表格 2.7 是一个数学焦虑量表调查的结果，调查数据来自统计课上的 20 个学生。

调查对象是 78 个来自不同学科的本科生，样本含有 36 个男性和 42 个女性，64% 的样本的年龄在 18 至 24 岁，36% 的样本年龄 25 岁及以上。更多数据背景信息 (Bai 等 2009)。

表格 2.7: 你对数学感到焦虑吗？
观点 强烈反对 反对 中立 同意 强烈同意
I find math interesting. 10 15 10 35 30
I get uptight during math tests. 10 20 20 25 25
I think that I will use math in the future. 0 0 20 25 55
Mind goes blank and I am unable to think clearly when doing my math test. 30 30 15 10 15
Math relates to my life. 5 20 10 40 25
I worry about my ability to solve math problems. 20 20 20 30 10
I get a sinking feeling when I try to do math problems. 35 10 15 35 5
I find math challenging. 5 10 15 45 25
Mathematics makes me feel nervous. 20 25 15 25 15
I would like to take more math classes. 20 25 30 20 5
Mathematics makes me feel uneasy. 25 15 20 25 15
Math is one of my favorite subjects. 35 15 25 20 5
I enjoy learning with mathematics. 15 25 30 20 10
Mathematics makes me feel confused. 15 20 15 35 15

相比于 ggplot2 绘制的普通条形图， 图 2.35 有一些独特之处：对立型的渐变色表示两个不同方向的态度，左右两侧以中立态度为中间位置，非常形象，并且按照其中一个方向的态度数据排序，显得比较整齐有序，便于理解。

# 数据来自 likert 包
MathAnxiety <- readRDS(file = "data/MathAnxiety.rds")
# 宽转长格式
MathAnxiety_df <- reshape(data = MathAnxiety, 
  varying = c("Strongly Disagree", "Disagree", "Neutral", "Agree", "Strongly Agree"),
  times = c("Strongly Disagree", "Disagree", "Neutral", "Agree", "Strongly Agree"),
  timevar = "Attitude", v.names = "Numbers",  idvar = "Item", 
  new.row.names = 1:(5 * 14), direction = "long"
 )

MathAnxiety_df$Attitude <- factor(MathAnxiety_df$Attitude, levels = c(
  "Strongly Agree", "Agree", "Neutral", "Disagree", "Strongly Disagree"
), labels =  c(
  "强烈同意", "同意", "中立", "反对", "强烈反对"
), ordered = TRUE)

ggplot(data = MathAnxiety_df, aes(x = Numbers, y = Item)) +
  geom_col(aes(fill = Attitude), position = "fill") +
  scale_x_continuous(labels = scales::label_percent()) +
  scale_y_discrete(labels = scales::label_wrap(25)) +
  scale_fill_brewer(palette = "BrBG", direction = -1) +
  theme_classic() +
  guides(fill = guide_legend(reverse = TRUE)) +
  coord_cartesian(expand = FALSE) +
  labs(x = "占比", y = "问题", fill = "态度")
图 2.35: 你喜欢数学吗

likert 包的函数 likert() 适合对聚合的调查数据绘图。

library(likert)
lmath <- likert(summary = MathAnxiety)
plot(lmath)

而 ggstats 包的函数 gglikert() 适合对明细的调查数据绘图。下面模拟一次调查收集到的数据，共计 150 人回答 6 个问题，每个问题都有 5 个候选项构成。

library(ggstats)
likert_levels <- c("强烈反对", "反对", "中立", "同意", "强烈同意")
set.seed(2023)
library(data.table)
df <- data.table(
  q1 = sample(likert_levels, 150, replace = TRUE),
  q2 = sample(likert_levels, 150, replace = TRUE, prob = 5:1),
  q3 = sample(likert_levels, 150, replace = TRUE, prob = 1:5),
  q4 = sample(likert_levels, 150, replace = TRUE, prob = 1:5),
  q5 = sample(c(likert_levels, NA), 150, replace = TRUE),
  q6 = sample(likert_levels, 150, replace = TRUE, prob = c(1, 0, 1, 1, 0))
)
fkt <- paste0("q", 1:6)
df[, (fkt) := lapply(.SD, factor, levels = likert_levels), .SDcols = fkt]

一个调查问卷共有 6 个题目，150 个人对 6 个问题的回答构成一个数据框 df 。

gglikert(df)
图 2.36: Likert 图

2.4 习题

  1. 根据 Github 代码提交量数据制作日历图。

    github_ctb <- jsonlite::read_json(path = "data/contributions.json")
github_df <- data.frame(
  date = unlist(lapply(github_ctb$contributions, "[[", "date")),
  count = unlist(lapply(github_ctb$contributions, "[[", "count")),
  color = unlist(lapply(github_ctb$contributions, "[[", "color")),
  intensity = unlist(lapply(github_ctb$contributions, "[[", "intensity"))
)
week.abb <- c("Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fri", "Sat")
github_df <- within(github_df, {
  date <- as.Date(date)
  year <- format(date, format = "%Y", tz = "UTC")
  month <- format(date, format = "%m", tz = "UTC")
  week <- format(date, format = "%U", tz = "UTC")
  wday <- format(date, format = "%a", tz = "UTC")
  nday <- format(date, format = "%j", tz = "UTC")
  week <- as.integer(week)
  wday <- factor(wday, labels = week.abb)
})
ggplot(
  data = subset(github_df, subset = year %in% 2020:2022),
  aes(x = week, y = wday, fill = count)
) +
  geom_tile(color = "white", linewidth = 0.5) +
  scale_fill_distiller(palette = "Greens", direction = 1) +
  scale_x_continuous(
    expand = c(0, 0), breaks = seq(1, 52, length = 12), labels = month.abb
  ) +
  facet_wrap(~year, ncol = 1) +
  theme_minimal() +
  labs(x = "月份", y = "星期", fill = "提交量")
    图 2.37: Github 打卡日历图