Matplotlibで曲線の条件に応じたシェーディング領域を作成する方法

Matplotlibでは、BrokenBarHCollection.span_where()を使うことで、曲線の値が特定の条件を満たす区間だけを自動的に塗りつぶすことができます。この記事では、正弦波の正の部分を緑色、負の部分を赤色で塗り分ける具体例を通して、その実装手順を解説します。

実装の手順

• 図のサイズを設定し、サブプロット間および周囲の余白（パディング）を調整します。

• NumPyを使って t、s1、s2 のデータポイントを生成します。

• 図とサブプロットのセットを作成します。

• t と s1 のデータをプロットし、軸全体に渡る水平線を追加します。

• yrange（y方向の範囲）にまたがる水平バーのコレクションを、xranges（x方向の範囲のシーケンス）に基づいて作成します。

• 作成した Collection オブジェクトを軸（axes）に追加します。

• plt.show() メソッドで図を表示します。

コード例

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.collections as collections

plt.rcParams["figure.figsize"] = [7.00, 3.50]
plt.rcParams["figure.autolayout"] = True

t = np.arange(0.0, 2, 0.01)
s1 = np.sin(2 * np.pi * t)
s2 = 1.2 * np.sin(4 * np.pi * t)

fig, ax = plt.subplots()

ax.plot(t, s1, color='black')
ax.axhline(0, color='black', lw=2)

collection = collections.BrokenBarHCollection.span_where(t, ymin=0, ymax=1,
    where=s1 > 0, facecolor='green', alpha=0.5
)
ax.add_collection(collection)

collection = collections.BrokenBarHCollection.span_where(t, ymin=-1, ymax=0,
    where=s1 < 0, facecolor='red', alpha=0.5
)
ax.add_collection(collection)

plt.show()

コードのポイント

• span_where() の where 引数にブール配列（例：s1 > 0）を渡すことで、条件がTrueとなる区間のみが塗りつぶされます。

• ymin と ymax で塗りつぶす縦方向の範囲を指定します。上記の例では、正の領域は0〜1を緑で、負の領域は-1〜0を赤で描画しています。

• alpha=0.5 を指定することで半透明になり、元の曲線が見えやすくなります。

出力結果

このコードを実行すると、次のような出力が得られます。正弦波が0より大きい区間は緑色、0より小さい区間は赤色で塗り分けられて表示されます。