A gramática dos gráficos: como deixar de criar gráficos no Excel e usar o plotnine no Python

Introdução

A etapa de visualização de dados refere-se a uma parte fundamental da análise de dados, pois permite não somente compreender os dados que estamos analisando, mas como também é uma ferramenta útil para explanar os resultados encontrados. Mas qual a forma mais fácil de construir um gráfico, como podemos melhorar a produtividade nesta tarefa? É onde podemos aplicar a gramática dos gráficos e construir com a biblioteca plotnine no Python.

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Gramática dos Gráficos

A ideia da “gramática dos gráficos” foi popularizada por Leland Wilkinson em seu livro “The Grammar of Graphics”, publicado em 1999. Neste livro, Wilkinson apresenta uma abordagem teórica para a criação de gráficos estatísticos, propondo uma estrutura unificada para representar uma ampla variedade de gráficos estatísticos e de visualização de dados.

O termo se refere aos elementos e princípios fundamentais que constituem um gráfico. Assim como a gramática de uma língua ajuda a organizar e comunicar informações de maneira clara e coerente, a gramática dos gráficos faz o mesmo para representações visuais de dados.

Para construir um gráfico, conforme Wilkinson, deve-se basear nos seguintes componentes:

  • Dados: Todo gráfico começa com dados. A escolha dos dados certos é fundamental para a criação de uma visualização significativa.
  • Atributos visuais (aesthetics): A gramática dos gráficos identifica esses atributos e como eles podem ser mapeados para os dados.
  • Geometrias: As geometrias são as formas visuais usadas para representar os dados, como pontos, linhas, barras e áreas.
  • Sinais estatísticos: Sinais estatísticos, como médias, medianas e desvios padrão, podem ser adicionados aos gráficos para fornecer informações adicionais sobre os dados.
  • Facetas: As facetas são usadas para dividir os dados em subconjuntos e representá-los em painéis separados. Isso pode ser útil para explorar padrões em dados multidimensionais.
  • Coordenadas: As coordenadas definem como os dados são mapeados nos elementos visuais. Deve ser cartersiano ou polar?
  • Temas: Descreve toda a parte não relacionada aos dados do gráficos.

ggplot2 vs. plotnine

A gramática dos gráficos ganhou grande destaque em aplicações de análise de dados, e é impossível não mencionar que foi popularizada por Hadley Wickham com a criação do pacote ggplot2 na linguagem de programação R.

O ggplot2 revolucionou a visualização de dados na linguagem, seguindo a abordagem da gramática dos gráficos, onde os gráficos são construídos a partir de camadas (layers), geometrias (geoms) e mapeamentos estéticos (aesthetics).

Na comunidade do Python, houve a criação de bibliotecas bastante conhecidas, como matplotlib e seaborn. Entretanto, elas não foram tão difundidas no contexto da aplicação da gramática dos gráficos. Esse papel foi desempenhado pelo plotnine, uma biblioteca inspirada (ou mesmo uma cópia perfeita para o Python) do ggplot2.

O plotnine permite a construção de gráficos adicionando camadas, geometrias e mapeamentos estéticos. Isso facilita a criação de visualizações complexas e personalizadas.

Passo 01: Instalar bibliotecas

Vamos agora realizar o procedimento de construir gráficos usando o plotnine no Python. Para tanto, é necessário instalar e importar os módulos da biblioteca.

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# !pip install plotnine
import plotnine as p9

Passo 02: dados de exemplo

Vamos importar os dados mtcars que contém várias características de carros, como cilindros, cavalos de potência, consumo de combustível e muito mais.

# Importa os dados do módulo data
from plotnine.data import mtcars

# Exibe o dataframe
mtcars.head()
name mpg cyl disp hp drat wt qsec vs am gear carb
0 Mazda RX4 21.0 6 160.0 110 3.90 2.620 16.46 0 1 4 4
1 Mazda RX4 Wag 21.0 6 160.0 110 3.90 2.875 17.02 0 1 4 4
2 Datsun 710 22.8 4 108.0 93 3.85 2.320 18.61 1 1 4 1
3 Hornet 4 Drive 21.4 6 258.0 110 3.08 3.215 19.44 1 0 3 1
4 Hornet Sportabout 18.7 8 360.0 175 3.15 3.440 17.02 0 0 3 2

Passo 03: criando o gráfico com o plotnine

Com os dados em mãos, devemos definir cada etapa do processo de criação do gráfico conforme a gramática dos gráficos usando o plotnine. Primeiro, devemos abrir o parêntese () e definir toda a construção do gráfico em seu interior. Definimos os dados, inserindo com a função principal p9.ggplot() o dataframe mtcars e mapeamos os eixos x e y com a função p9.aes(). Lembramos que aqui as camadas são “somadas”, ou seja, juntadas pelo símbolo +.

(p9.ggplot(mtcars) + 
  p9.aes(x = "wt", y = "mpg")
  )

Veja que o resultado está mapeando os dados; entretanto, ainda faltam alguns elementos. Para adicionar a geometria, aplicamos a função característica daquela que desejamos. Vamos aplicar um gráfico de dispersão com geom_point().

(p9.ggplot(mtcars) + 
  p9.aes(x = "wt", y = "mpg") +
  p9.geom_point()
  )

Podemos continuar definindo elementos estatísticos adicionais. No caso, construímos uma reta de regressão com a camada stat_smooth(method="lm"). Também realizamos o facetamento dos dados com facet_wrap através da coluna “gear”. Para auxiliar na diferenciação das variáveis, adicionamos as cores de cada variável com a função aes. Para finalizar, aplicamos um tema pré-definido, theme_minimal, e inserimos um título com a função labs.

(p9.ggplot(mtcars) + 
  p9.aes(x = "wt", y = "mpg", color = "factor(gear)") +
  p9.geom_point() +
  p9.stat_smooth(method = "lm") +
  p9.facet_wrap("gear") +
  p9.theme_minimal() +
  p9.labs(title = "Gráfico do dataset mtcars", 
          subtitle = "Criado com o plotnine no Python")
  )

Referências

Wilkinson, L. (2005), The Grammar of Graphics, Second edition, Springer .

Kibirige, Hassan. (2024) Plotnine: A Grammar of Graphics for Python. Acesso em: https://plotnine.org/

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