ggplot2を使った描画 その1 箱ひげ図と凡例や軸ラベルの書き方

ggplot2を使ったらいろいろときれいな絵を掛けるんだけど、今まではとりあえずネットの情報を見よう見まねでなんとなくコピペしてきただけだった。

ということでここで自分なりに整理してみる。
参考：
https://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/1009/02/news119.html
http://nfunao.web.fc2.com/files/R-ggplot2.pdf

テスト環境

とりあえず、テストデータとしてRに最初っから組み込まれているirisデータを使う。
あとRの開発・実行環境はRStudio。

View(iris)
str(iris)
summary(iris)

irisとは花のアイリスです。

• Sepal.Length：がく片の長さ
• Sepal.Width：がく片の幅
• Petal.Length：花弁の長さ
• Petal.Width：花弁の幅
• Speies：種類

ということで、アイリスの中でもいろいろな種類があるので、このデータではsetosa、veriscolor、virginicaという3種類のアイリスについて実際に50株ずつ植えて、開花した花のがくと花弁のサイズを測ったというデータになってます。

まずはキャンバスを用意する。

ggplot2で描画するためには、まずデータと紐付いたキャンバスを用意する必要がある。
ggplot()がキャンバスを用意する関数。
引数は、1つめは描画させたいデータが含まれているデータフレーム。
2つめはaes()を使って、x軸とする変数、y軸とする変数、その他の審美的属性を設定します。
（ちなみにaesはaestheticsの略で美観という意味です。）

library(ggplot2)

g <- ggplot(iris)
plot(g)

あくまでまだキャンバスを用意しただけなので何も描画されません。

箱ひげ図を描く

基本の描画

キャンバスに追記するというイメージで、geom_boxplot()を+後に書き込みます。
引数としてaesで描画のための諸属性を設定します。
x：irisに格納されている変数の中のどれをx軸にするか
y：irisに格納されている変数の中のどれをy軸にするか

g <- ggplot(iris)+geom_boxplot(aes(x=Species,y= Petal.Width))
plot(g)

箱に色を塗る

とりあえず単色を塗る

aesにfillを設定する。とりあえず"red"に設定。

g <- ggplot(iris)+geom_boxplot(aes(x=Species,y= Petal.Width, fill="red"))
plot(g)

ということで、全部赤色に描画されます。

塗り分ける

一色に塗るだけなんて面白くない。ということで、塗り分けします。
x軸に各グループ設定をしているので、x軸と同じものをfillに与えてあげるとx軸に合わせて色の塗り分けがされます。
x軸はにはc("setosa", "verisicolor", "virginica")という3つのレベルが設定されています。それぞれにデフォルトのカラーパレット順序に従って色が塗りつけられます。

g <- ggplot(iris)+geom_boxplot(aes(x=Species,y= Petal.Width, fill=Species))
plot(g)

箱の幅を変える

geom_boxplot()の引数としてwidthを与えます。デフォルトは0.75に設定されてるようです。

g <- ggplot(iris)+geom_boxplot(aes(x=Species, y=Petal.Width, fill=Species), width=0.3)
plot(g)

実際のデータを点としてプロットする

geom_jitter()を使います。
引数としてaes()を使って同じようにx、yを設定します。

g <- ggplot(iris)+geom_jitter(aes(x=Species, y=Petal.Width))
plot(g)

点のばらつきは完全なランダムなので描画ごとに点の位置は左右方向にいろいろ動きます。

いろいろといじる。

geom_jitter()の引数としてwidthに数値を設定するとプロットの幅を変えることができます。デフォルトは0.4に設定されているようで、省略するとデフォルトで描画されます。

また色を変えるには、aes()の引数にcolorを設定します。

g <- ggplot(iris)+geom_jitter(aes(x=Species, y=Petal.Width, color = Species), width=0.3)
plot(g)

箱ひげ図と散布図を重ね合わせる

これがggplot2の真骨頂だと思うんですが、簡単に組み合わせた図を作ることができます。
ということで、箱ひげ図と散布図を組み合わせます。
箱の幅はデフォルトのまま、散布図の幅は0.2に設定しています。

g <- ggplot(iris)+
  geom_boxplot(aes(x=Species, y=Petal.Width))+
  geom_jitter(aes(x=Species, y=Petal.Width, color = Species),width=0.2)
plot(g)

　jitterではなく度数分布にする

geom_dotplotを使って度数分布を表示させることもできます。

g <- ggplot(iris,aes(x=Species, y=Petal.Width))+
  geom_boxplot()+
  #geom_jitter(aes(x=Species, y=Petal.Width, color = Species,shape=Species,alpha=0.5),width=0.2)
  geom_dotplot(binaxis = "y", dotsize = 0.3, stackdir = "down",
             binwidth = 0.1, position = position_nudge(-0.025))
plot(g)

参考：箱ひげ図と頻度分布

参考：aesの設定項目

項目	内容
color	点や線の色
fill	面の色
alpha	不透明度 (0が透明、1が不透明)
size	点や文字の大きさ、線の太さ
shape	点の形
linetype	線の種類
group	反復試行の折れ線グラフなど、色や形はそのままで切り分けたいときに。
x, y	x軸に設定する変数、y軸に設定する変数
xmin, xmax, ymin, ymax, xend, yend	ものによって

参考：https://heavywatal.github.io/rstats/ggplot2.html

shapeをSpeciesに設定してグループごとに形を変えてみた。
さらに、alphaを使って半透明にしもしてみた。

g <- ggplot(iris)+
  geom_boxplot(aes(x=Species, y=Petal.Width))+
  geom_jitter(aes(x=Species, y=Petal.Width, color = Species,shape=Species,alpha=0.5),width=0.2)
plot(g)

挿話：キャンバスへのデータの与え方

今まで、キャンバスを作った際にデータフレームを与え、その後、描画をする際にxとyを指摘してきましたが、キャンバスを作るときにxとyも指定することができます。そうすると、描画をするときに、いちいちx、yを指定しなくても良くなります。

g <- ggplot(d)+
  geom_bar(aes(x=Species,y=Mean,fill=Species),stat="identity")+
  geom_errorbar(aes(x=Species,y=Mean,ymin=Mean-SD, ymax=Mean+SD,width=0.3))
plot(g)

g <- ggplot(d,aes(x=Species,y=Mean))+
  geom_bar(aes(fill=Species),stat="identity")+
  geom_errorbar(aes(ymin=Mean-SD, ymax=Mean+SD,width=0.3))
plot(g)

軸の書式や凡例をいじる

軸や凡例の書き方はいろいろと設定方法があるみたいだけど、とりあえず自分のなかで一番整理がついたものを紹介します。

軸のタイトルを消したり書き換えたり

デフォルトでは軸タイトルはaesで設定した各軸の変数名がそのまま入ってしまいます。

そこでこれをxlabとylabを使って自分の好きなように変えます。
引数にNULLを設定するとタイトルが消えます。

g <- ggplot(d,aes(x=Species,y=Mean))+
  geom_bar(aes(fill=Species),stat="identity")+
  geom_errorbar(aes(ymin=Mean-SD, ymax=Mean+SD,width=0.3))+
  xlab(NULL)+ylab("花弁の幅")
plot(g)

凡例を消す

theme(legend.position = "none")を使います。

g <- ggplot(d,aes(x=Species,y=Mean))+
  geom_bar(aes(fill=Species),stat="identity")+
  geom_errorbar(aes(ymin=Mean-SD, ymax=Mean+SD,width=0.3))+
  xlab(NULL)+ylab("花弁の幅")+
  theme(legend.position = "none")
plot(g)

凡例タイトルを書き換える

labs()を使います。
引数には、aesで色を指定するときに使った引数に、書き換えたいタイトルを与えます。
これまでの例だと、fillを使って色を与えているので、fill=****というのを引数としてlabelに与えます。

g <- ggplot(d,aes(x=Species,y=Mean))+
  geom_bar(aes(fill=Species),stat="identity")+
  geom_errorbar(aes(ymin=Mean-SD, ymax=Mean+SD,width=0.3))+
  xlab("種類")+ylab("花弁の幅")+labs(fill="種類")

plot(g)

ちなみにlabsは引数として以下のものを取ります。この通りに、xlabやylabもlabsでまとめて設定することもできます。

項目	内容
title	タイトル
subtitle	サブタイトル
x	x軸ラベル
y	y軸ラベル
caption	キャプション
fill またはcolor	凡例ラベルのタイトル

軸タイトルや軸ラベル、凡例の文字サイズを換える

凡例を消した時と同じようにthemeを使う。引数には以下のようなものを入れる。
axis.text.x=element_text(size=15)
axis.text.y=element_text(size=15)
axis.title.x=element_text(size=15)
axis.title.y=element_text(size=15)
legend.text=element_text(size=9)

g <- ggplot(d,aes(x=Species,y=Mean))+
  geom_bar(aes(fill=Species),stat="identity")+
  geom_errorbar(aes(ymin=Mean-SD, ymax=Mean+SD,width=0.3))+
  xlab("種類")+ylab("花弁の幅")+
  theme(legend.position = 'none')+
  theme(
    axis.title.x=element_text(size=15),
    axis.title.y=element_text(size=15),
    axis.text.x=element_text(size=10),
    axis.text.y=element_text(size=10)
    legend.text=element_text(size=5),
    legend.title = element_text(size=8)  )

plot(g)

参考：themeの設定項目

themeは細かくいろいろ設定できます。設定できるものは以下の通りです。

名前	説明	要素の型
text	すべてのテキスト要素	element_text()
axis.title	両軸ラベルの体裁	element_text()
axis.title.x	x軸ラベルの体裁	element_text()
axis.title.y	y軸ラベルの体裁	element_text()
axis.text	両軸目盛ラベルの体裁	element_text()
axis.text.x	x軸目盛ラベルの体裁	element_text()
axis.text.y	y軸目盛ラベルの体裁	element_text()
legend.text	凡例項目の体裁	element_text()
legend.title	凡例タイトルの体裁	element_text()
plot.title	タイトルの体裁	element_text()
strip.text	両方向ファセットラベルテキストの体裁	element_text()
strip.text.x	水平方向ファセットラベルテキストの体裁	element_text()
strip.text.y	垂直方向ファセットラベルテキストの体裁	element_text()
legend.position	凡例の位置	left, right, bottom, top, c(x,y) :x,yは0~1
legend.background	凡例の背景	element_rect(fill="xxx", color="yyy") fillは塗りつぶし、colorは枠線
plot.background	プロット全体の背景	element_rect(fill="xxx", color="yyy")
panel.background	プロット領域の背景	element_rect()
panel.border	プロット領域の枠線	element_rect(linetype="xxx")
rect	全ての長方形要素	element_rect()
panel.grid.major	主目盛線	element_line()
panel.grid.major.x	主目盛線の垂直方向	element_line()
panel.grid.major.y	主目盛線の水平方向	element_line()
panel.grid.minor	補助目盛線	element_line()
panel.grid.minor.x	補助目盛線の垂直方向	element_line()
panel.grid.minor.y	補助目盛線の水平方向	element_line()
axis.line	軸に沿った線	element_line()
line	すべての線要素	element_line()

引用（順序は改変しました）：https://knknkn.hatenablog.com/entry/2019/02/23/181311

参考：element_text()の設定項目

設定項目	element_text()の引数
角度	angle
水平位置	hjust(0:左揃え～1:右揃え)
垂直位置	vjust(0:下揃え～1:上揃え)
サイズ	size
色	colour
スタイル	face(bold or italic)
フォントファミリー	family

参考：http://mukkujohn.hatenablog.com/entry/2016/10/11/220722

参考：element_xxxのその他の項目

element_rect(fill, color, size, linetype, inherit.blank) — 長方形

項目	内容
fill	塗りつぶしの色
color	枠の色

element_line(color, size, linetype, lineend, arrow, inherit.blank)— 線

element_blank() — 空
消したい要素にはこれを指定する

参考：https://heavywatal.github.io/rstats/ggplot2.html

目盛ラベルを変える

目盛ラベルを変えるには、scale_x_****やscale_y_***を使います。
以下は、x軸の目盛りをsetosa, versicolor, virgnicaから、a, b, cに変え、y軸を普通の目盛から対数目盛に変えた例です。

g <- ggplot(iris)+
  geom_bar(aes(x=Species,fill=Species),stat="count") +
  scale_x_discrete(labels=c("a","b","c"))+
  scale_y_log10(limits=c(1,1000))
plot(g)

***の部分には、いずれも以下のものが入ります。

***	内容
discrete	離散目盛
continuous	連続目盛
log10	対数目盛
reverse	目盛の逆転
sqrt	平方根目盛

また、代表的な引数としては以下のものが入ります。

引数	内容
labels	離散目盛のラベルを変える（以下のbreaksを併用すると、連続変数でも可能）
breaks	連続変数の目盛のうち指定したものだけを表示させる
limits	連続変数の表示範囲を指定したものにする.xlim,ylimと同じ効果。
name	変数の軸ラベルを変える。xlab,ylabと同じ効果。

結局、軸タイトルを変える方法って、色々あるってことですね。
xlabでもよいし、labs(x=)dでもよいし、scale_x_***(name=)でも変えれる。

凡例の各項目のラベルを書き換える。

グループ分けにfillを使っている場合は、sacle_fill_dicrete()を、Colorを使っている場合はscale_color_discrete()を使います。

g <- ggplot(iris)+
  geom_bar(aes(x=Species,fill=Species),stat="count")+
  scale_fill_discrete(label=c("花1","花2","花3"))
plot(g)