Python是一个功能强大的编程语言，不仅可以处理数据分析和机器学习任务，还能够创建美观的图形和图像。在这篇博客中，我们将学习如何使用Python的matplotlib库和PyQt5框架来绘制二维心形曲线和三维马鞍面。

绘制二维心形曲线

首先，我们从一个简单而浪漫的图形开始：二维心形曲线。这个曲线不仅外观迷人，而且其数学表示也相对简单。

准备工作

确保你已经安装了matplotlib和PyQt5。如果没有，可以通过以下命令安装：

pip install matplotlib PyQt5

直接安装anaconda也可以，自带matplotlib和PyQt5，传送门：一步步教你：在QT窗口中展示Matplotlib绘图

编写代码

接下来，让我们编写代码来创建一个QT应用程序，该应用程序会显示二维心形曲线：

import sys
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QMainWindow, QVBoxLayout, QWidget
from matplotlib.backends.backend_qt5agg import FigureCanvasQTAgg as FigureCanvas
from matplotlib.backends.backend_qt5agg import NavigationToolbar2QT as NavigationToolbar

class HeartShapePlot(QMainWindow):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setWindowTitle("Heart Shape Plot in QT")

        # 创建一个widget和布局
        self.central_widget = QWidget()
        self.layout = QVBoxLayout(self.central_widget)

        # 创建matplotlib图形和导航栏
        self.canvas = FigureCanvas(plt.figure())
        self.toolbar = NavigationToolbar(self.canvas, self)

        # 添加canvas和toolbar到布局
        self.layout.addWidget(self.toolbar)
        self.layout.addWidget(self.canvas)
        self.setCentralWidget(self.central_widget)

        # 绘制心形曲线
        self.plot_heart_shape()

    def plot_heart_shape(self):
        ax = self.canvas.figure.add_subplot(111)
        t = np.linspace(0, 2 * np.pi, 1000)
        x = 16 * np.sin(t)**3
        y = 13 * np.cos(t) - 5 * np.cos(2*t) - 2 * np.cos(3*t) - np.cos(4*t)
        ax.plot(x, y, color='red')
        ax.set_aspect('equal', 'box')
        self.canvas.draw()

app = QApplication(sys.argv)
main_window = HeartShapePlot()
main_window.show()
sys.exit(app.exec_())

这个程序会创建一个窗口，里面显示了由数学公式生成的心形曲线。用户可以通过集成的工具栏来放大、缩小或平移视图。

绘制三维马鞍面

现在，让我们增加一点难度，绘制一个三维图形：马鞍面。这是一个经典的数学曲面，其形状类似于马鞍。

编写代码

下面是创建一个展示三维马鞍面的QT应用程序的代码：

import sys
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QMainWindow, QVBoxLayout, QWidget
from matplotlib.backends.backend_qt5agg import FigureCanvasQTAgg as FigureCanvas
from matplotlib.backends.backend_qt5agg import NavigationToolbar2QT as NavigationToolbar
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

class SaddleSurfacePlot(QMainWindow):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setWindowTitle("3D Saddle Surface Plot in QT")

        # 创建一个widget和布局
        self.central_widget = QWidget()
        self.layout = QVBoxLayout(self.central_widget)

        # 创建matplotlib图形和导航栏
        self.canvas = FigureCanvas(plt.figure())
        self.toolbar = NavigationToolbar(self.canvas, self)

        # 添加canvas和toolbar到布局
        self.layout.addWidget(self.toolbar)
        self.layout.addWidget(self.canvas)
        self.setCentralWidget(self.central_widget)

        # 绘制三维马鞍面
        self.plot_saddle_surface()

    def plot_saddle_surface(self):
        ax = self.canvas.figure.add_subplot(111, projection='3d')
        
        # 定义x, y, z的数据点
        x = np.linspace(-5, 5, 100)
        y = np.linspace(-5, 5, 100)
        x, y = np.meshgrid(x, y)
        z = x**2 - y**2

        # 绘制曲面
        ax.plot_surface(x, y, z, cmap='viridis')

        self.canvas.draw()

app = QApplication(sys.argv)
main_window = SaddleSurfacePlot()
main_window.show()
sys.exit(app.exec_())

这段代码创建了一个展示三维马鞍面的窗口。用户可以通过工具栏来旋转、缩放和平移这个三维图形，以便从不同角度观察。

结语

通过这两个例子，我们可以看到Python和相关库在数据可视化方面的强大能力。无论是用于展示数据、教育目的，还是仅仅为了艺术和美学，Python都是一个绝佳的工具。希望你喜欢这篇博客，并且能够在你的项目中应用这些知识！