gnuplot – グラフを作成する

gnuplotはフリーでグラフを作成できるソフトウェアになります。
gnuplotの読み方は"new"+"plot"（ニュープロット）であり、gnuplotの開発者たちは当初、「newplot」と命名したかったそうですが既に開発者たちの職場に同じ名前のプログラムがあったようなので、newと同じ発音のgnuを用いた洒落た名前としてgnuplotとしたそうです。また、ニュープロットではなく、グニュープロットと読む人もいます。
gnuは牛に似た動物のヌーのことを意味する単語になります。GNU projectのGNUのスペルとはたまたまダブったものになります。
gnuplotはGNU projectではなく独自のプロジェクトで、ライセンスもGPLではなく、独自のフリーソフトウェアライセンスが用いられています。

1 インストール
- 1.1 gnuplotのサンプルデモ
2 gnuplotの起動
3 出力形式と出力先ファイルの設定
4 plotコマンドの構文と線を引く
5 凡例(key)の構文と設定の確認
6 省略形
- 6.1 コマンドの省略形
- 6.2 withの構文とその他の省略形
7 空のファイル名とパイプからの入力
8 データ列の選択(using)
9 データ列から凡例名を取得
10 testコマンド
11 コマンドラインオプション
- 11.1 プログラム終了後もプロットウインドウを維持(-pオプション)
- 11.2 ファイルを読み込む前にコマンドを実行(-eオプション)
12 参考

インストール

ここで利用するgnuplotはaptからからパッケージをインストールしたものを利用します。

sudo apt install gnuplot

1	sudo apt install gnuplot

利用している環境としてUbuntu(Desktop版)とgnuplotのバージョンは以下のようになります。

$ lsb_release -a 2>/dev/null 
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 23.04
Release:	23.04
Codename:	lunar
$ gnuplot -V
gnuplot 5.4 patchlevel 4

$ lsb_release -a 2>/dev/null

Distributor ID: Ubuntu

Description: Ubuntu 23.04

Release: 23.04

Codename: lunar

$ gnuplot -V

gnuplot 5.4 patchlevel 4

gnuplotのサンプルデモ

gnuplotのソースコードの中にdemosというディレクトリがあり、その中にはgnuplotの多くのサンプルスクリプトがあります。
Web上でもサンプルを見ることができますが、手元で動作するサンプルを持っておくと使いたいグラフの参考やテンプレートとして利用できるため、ソースコードをダウンロードしても良いと思います。
ソースコードは公式サイトからgithub等からダウンロードすることができます。また、前設定が少し必要かもしれませんがapt-get sourceコマンド等でソースコードをダウンロードする方法もあります。

gnuplotの起動

gnuplotはファイルを指定して実行できます。
ファイルを指定しない場合、gnuplotは対話的なモードで起動します。この対話的なモードはexitコマンドで終了できます。

$ gnuplot

	G N U P L O T
	Version 5.4 patchlevel 4    last modified 2022-07-10 

	Copyright (C) 1986-1993, 1998, 2004, 2007-2022
	Thomas Williams, Colin Kelley and many others

	gnuplot home:     http://www.gnuplot.info
	faq, bugs, etc:   type "help FAQ"
	immediate help:   type "help"  (plot window: hit 'h')

Terminal type is now 'qt'
gnuplot> exit
$

$ gnuplot

G N U P L O T

Version 5.4 patchlevel 4 last modified 2022-07-10

Thomas Williams, Colin Kelley and many others

gnuplot home: http://www.gnuplot.info

faq, bugs, etc: type "help FAQ"

immediate help: type "help" (plot window: hit 'h')

Terminal type is now 'qt'

gnuplot> exit

ファイルを指定するとそのファイルから読み込んで実行します。複数のファイルを指定するとファイルを順番に読み込んで実行していき、最後までファイルを読み込むとgnuplotは終了します。

コマンド例と実行結果

$ ls
data.dat  simplegraph.gp
$ gnuplot simplegraph.gp 
$ ls
data.dat  ex1.png  simplegraph.gp

$ ls

data.dat simplegraph.gp

$ gnuplot simplegraph.gp

$ ls

data.dat ex1.png simplegraph.gp

simplegraph.gp

set terminal pngcairo
set output "simplegraph.png"

set title "Simple Plot Graph"

set xrange [-1:10]
set xtic 2
set xlabel "x axis"

set yrange [-1:20]
set ytic 5
set ylabel "y axis"

set key outside right center reverse Left samplen 1

plot "data.dat" using 1:2 title "1から10",  "" using 1:3 title "10から19"

set terminal pngcairo

set output "simplegraph.png"

set title "Simple Plot Graph"

set xrange [-1:10]

set xtic 2

set xlabel "x axis"

set yrange [-1:20]

set ytic 5

set ylabel "y axis"

set key outside right center reverse Left samplen 1

plot "data.dat" using 1:2 title "1から10", "" using 1:3 title "10から19"

data.dat

1 1 10

2 2 11

3 3 12

4 4 13

5 5 14

6 6 15

7 7 16

8 8 17

9 9 18

10 10 19

私の環境のwindows 10だと凡例にある文字が一部欠けるような感じになりました。文字が欠ける現象は環境変数PANGOCAIRO_BACKENDにfontconfigを設定するととなくなりますが、
文字のフォントに統一感がなく、ガタガタしているような感じになりました。なので、Windowsでgnuplotを利用する場合は、フォントの指定を色々変えてみて調整したほうが良いと思います。

Windows 10でのフォント例(Meiryo UIの14pt)

set terminal pngcairo font "Meiryo UI, 14pt"

1	set terminal pngcairo font "Meiryo UI, 14pt"

出力形式と出力先ファイルの設定

出力端末はset terminalで設定できます。これは対話的なウインドウや出力するファイルの種類のための出力形式を指定します。
set terminalの引数を省略した場合は利用できる出力形式を表示できます。show terminalで現在の出力形式の設定を確認できます。

set terminal {<terminal-type> | push | pop}
show terminal

1 2	set terminal {<terminal-type> \| push \| pop} show terminal

よく利用される出力形式として対話的なウインドウでは

qt :QTを利用したクロスプラットフォームのディスプレイ
wxt :WxWidgetを利用したクロスプラットフォームのディスプレイ
x11 :UNIX系のディスプレイ
windows :Windowsのディスプレイ

があります。

また、ファイル出力のための出力形式では、

pdfcairo, pngcairo, epscairo等: cairoとpangoライブラリを利用
png, jpeg, gif等: libgdライブラリを利用

があります。利用されているライブラリの違いによって、描画やフォントの処理に違いが現れます。

面白い出力形式としてdumbもあります。これは端末上にグラフを出力する形式で以下のように出力できます。

gnuplot> set terminal dumb

Terminal type is now 'dumb'
Options are 'feed  size 79, 24 aspect 2, 1 mono'
gnuplot> plot sin(x)

                                                                               
    1 +--------------------------------------------------------------------+   
      |                *  *              +  *  **         +       *  *     |   
  0.8 |-+             *   *                 *    *          sin(x* *******-|   
      |              *     *                *    *               *    *    |   
  0.6 |-+            *      *              *     *               *     * +-|   
      |              *      *             *       *             *       *  |   
  0.4 |*+            *      *             *       *             *       *+-|   
      |*            *        *            *        *           *        *  |   
  0.2 |*+           *        *            *        *           *        *+-|   
      | *          *          *          *         *          *          * |   
    0 |-*          *          *          *         *          *          *-|   
      |  *         *          *         *           *         *           *|   
 -0.2 |-+*         *          *         *           *         *          +*|   
      |  *        *            *       *             *       *            *|   
 -0.4 |-+*        *            *       *             *       *           +*|   
      |   *      *              *      *             *      *              |   
 -0.6 |-+ *     *               *     *              *      *            +-|   
      |    *    *               *     *               *     *              |   
 -0.8 |-+   *   *                *   *                 *   *             +-|   
      |     *  *       +         **  *   +             *  *                |   
   -1 +--------------------------------------------------------------------+   
     -10              -5                 0                5                10  
                                                                               
gnuplot> plot '< seq 1 100' with lines

                                                                               
  100 +--------------------------------------------------------------------+   
      |      +      +      +      +      +     +      +      +      +****  |   
   90 |-+                                            '< seq 1 100'********-|   
      |                                                        ***         |   
   80 |-+                                                  ****          +-|   
      |                                                 ***                |   
   70 |-+                                           ****                 +-|   
      |                                          ****                      |   
   60 |-+                                    ****                        +-|   
      |                                   ****                             |   
   50 |-+                             ****                               +-|   
      |                            ****                                    |   
   40 |-+                       ***                                      +-|   
      |                     ****                                           |   
   30 |-+                ***                                             +-|   
      |              ****                                                  |   
   20 |-+         ***                                                    +-|   
      |       ****                                                         |   
   10 |-+  ****                                                          +-|   
      |****  +      +      +      +      +     +      +      +      +      |   
    0 +--------------------------------------------------------------------+   
      0      10     20     30     40     50    60     70     80     90    100  
                                                                               
gnuplot>

gnuplot> set terminal dumb

Terminal type is now 'dumb'

Options are 'feed size 79, 24 aspect 2, 1 mono'

gnuplot> plot sin(x)

1 +--------------------------------------------------------------------+

| * * + * ** + * * |

0.8 |-+ * * * * sin(x* *******-|

| * * * * * * |

0.6 |-+ * * * * * * +-|

| * * * * * * |

0.4 |*+ * * * * * *+-|

|* * * * * * * |

0.2 |*+ * * * * * *+-|

| * * * * * * * |

0 |-* * * * * * *-|

| * * * * * * *|

-0.2 |-+* * * * * * +*|

| * * * * * * *|

-0.4 |-+* * * * * * +*|

| * * * * * * |

-0.6 |-+ * * * * * * +-|

| * * * * * * |

-0.8 |-+ * * * * * * +-|

| * * + ** * + * * |

-1 +--------------------------------------------------------------------+

-10 -5 0 5 10

gnuplot> plot '< seq 1 100' with lines

100 +--------------------------------------------------------------------+

| + + + + + + + + +**** |

90 |-+ '< seq 1 100'********-|

| *** |

80 |-+ **** +-|

| *** |

70 |-+ **** +-|

| **** |

60 |-+ **** +-|

| **** |

50 |-+ **** +-|

| **** |

40 |-+ *** +-|

| **** |

30 |-+ *** +-|

| **** |

20 |-+ *** +-|

| **** |

10 |-+ **** +-|

|**** + + + + + + + + + |

0 +--------------------------------------------------------------------+

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

gnuplot>

出力先の設定はset outputで設定できます。引数を省略した場合は標準出力に設定され、show outputで現在の出力先を確認できます。

set output {"<filename>"}
show output

1 2	set output {"<filename>"} show output

plotコマンドの構文と線を引く

plotコマンド構文はgnuplotのドキュメントより

plot {<ranges>} <plot-element> {, <plot-element>, <plot-element>}

plot-element:
  {<iteration>}
  <definition> | {sampling-range} <function> | <data source>　| keyentry
  {axes <axes>} {<title-spec>}
  {with <style>}

plot {<ranges>} <plot-element> {, <plot-element>, <plot-element>}

plot-element:

{<iteration>}

<definition> | {sampling-range} <function> | <data source>　| keyentry

{axes <axes>} {<title-spec>}

{with <style>}

のようになります。定義(definition)、関数(function)、データ(data source)は描画するグラフのデータ指定を行い、keyentryは凡例の行を増やすことができます。

keyという単語は鍵という意味を思い浮かぶ人もいるかもしれませんが、グラフの用語では凡例を意味する単語でもあります。

この構文の中でこの記事でよく利用する形式は、

plot <plot-element> {, <plot-element>, <plot-element>}

plot-element:
  <data source> {<title-spec>} {with <style>}

plot <plot-element> {, <plot-element>, <plot-element>}

plot-element:

<data source> {<title-spec>} {with <style>}

になります。

また、データファイルを利用したplotコマンドの構文は同じくgnuplotのドキュメントより

plot '<file_name>' {binary <binary list>}
  {{nonuniform} matrix}
  {index <index list> | index "<name>"}
  {every <every list>}
  {skip <number-of-lines>}
  {using <using list>}
  {smooth <option>}
  {bins <options>}
  {volatile} {noautoscale}

plot '<file_name>' {binary <binary list>}

{{nonuniform} matrix}

{index <index list> | index "<name>"}

{every <every list>}

{skip <number-of-lines>}

{using <using list>}

{smooth <option>}

{bins <options>}

{volatile} {noautoscale}

のようになります。usingはデータ列の選択に利用します。他のものの詳しい内容については省略させてもらいます。

plotコマンドで線を引きたい場合は、withでlinesを指定すると線を引くことができます。

plotコマンドの例

plot "data.dat" using 1:2 title "1から10" with lines, \
     "" using 1:3 title "10から19" with lines

1 2	plot "data.dat" using 1:2 title "1から10" with lines, \ "" using 1:3 title "10から19" with lines

行の末尾に"\"を入れることでコマンドを複数行にすることができます。
また、ファイルの指定を空文字列にすると前回指定したファイルを再利用できます。

コマンド例と実行結果

$ ls
data.dat  lines.gp
$ gnuplot lines.gp 
$ ls
data.dat  lines.gp  lines.png

$ ls

data.dat lines.gp

$ gnuplot lines.gp

$ ls

data.dat lines.gp lines.png

線を引くと同時に点も入れたい場合は、withでlinespointsを指定すると線を引くと同時に点を入れることができます。

plotコマンドの例

plot "data.dat" using 1:2 title "1から10" with linespoints pointtype 7 pointsize 2, \
     "" using 1:3 title "10から19" with linespoints pt 7 ps 2

1 2	plot "data.dat" using 1:2 title "1から10" with linespoints pointtype 7 pointsize 2, \ "" using 1:3 title "10から19" with linespoints pt 7 ps 2

凡例(key)の構文と設定の確認

凡例にかかわる構文はgnuplotのドキュメントより以下のようなものがあります。詳しい内容に関してはドキュメントの方を参照してください。

凡例のグローバルオプション

set key {on|off} {default}
  {font "<face>,<size>"} {{no}enhanced}
  {{no}title "<text>" {<font or other text options>}}
  {{no}autotitle {columnheader}}
  {{no}box {<line properties>}} {{no}opaque {fc <colorspec>}}
  {width <width_increment>} {height <height_increment>}

unset key

set key {on|off} {default}

{font "<face>,<size>"} {{no}enhanced}

{{no}title "<text>" {<font or other text options>}}

{{no}autotitle {columnheader}}

{{no}box {<line properties>}} {{no}opaque {fc <colorspec>}}

{width <width_increment>} {height <height_increment>}

unset key

凡例の配置オプション

set key {inside | outside | fixed}
  {lmargin | rmargin | tmargin | bmargin}
  {at <position>}}
  {left | right | center} {top | bottom | center}
  {offset <dx>,<dy>}

set key {inside | outside | fixed}

{lmargin | rmargin | tmargin | bmargin}

{at <position>}}

{left | right | center} {top | bottom | center}

{offset <dx>,<dy>}

凡例のレイアウトオプション

set key {vertical | horizontal}
  {maxcols {<max no. of columns> | auto}}
  {maxrows {<max no. of rows> | auto}}
  {columns <exact no. of columns>}
  {keywidth [screen|graph] <fraction>}
  {Left | Right}
  {{no}reverse} {{no}invert}
  {samplen <sample_length>} {spacing <line_spacing>}
  {width <width_increment>} {height <height_increment>}
  {title {"<text>"} {{no}enhanced} {center | left | right}}
  {font "<face>,<size>"} {textcolor <colorspec>}

set key {vertical | horizontal}

{maxcols {<max no. of columns> | auto}}

{maxrows {<max no. of rows> | auto}}

{columns <exact no. of columns>}

{keywidth [screen|graph] <fraction>}

{Left | Right}

{{no}reverse} {{no}invert}

{samplen <sample_length>} {spacing <line_spacing>}

{width <width_increment>} {height <height_increment>}

{title {"<text>"} {{no}enhanced} {center | left | right}}

{font "<face>,<size>"} {textcolor <colorspec>}

show keyを用いると凡例の設定の確認を行うことができます。

設定の確認

gnuplot> show key

	key is ON, position: top right vertical fixed
	key is right justified, not reversed, not inverted, enhanced and not boxed
	sample length is 4 characters
	vertical spacing is 1 characters
	width adjustment is 0 characters
	height adjustment is 0 characters
	curves are automatically titled with filename
	maximum number of columns is calculated automatically
	maximum number of rows is calculated automatically

	key title is ""

gnuplot> show key

key is ON, position: top right vertical fixed

key is right justified, not reversed, not inverted, enhanced and not boxed

sample length is 4 characters

vertical spacing is 1 characters

width adjustment is 0 characters

height adjustment is 0 characters

curves are automatically titled with filename

maximum number of columns is calculated automatically

maximum number of rows is calculated automatically

key title is ""

始めの例として用いた

set key outside right center reverse Left samplen 1

1	set key outside right center reverse Left samplen 1

はデモスクリプト(custom_key.dem)から借りた記述ですが、構文を見るとreverseとLeftの順序が入れ替わっているので、set keyの構文はプログラムの方で少し柔軟に解釈してもらえるかもしれません。

省略形

コマンドの省略形

コマンドは曖昧にならない程度に先頭にある文字で省略を行うことができます。
例として

plot -> p
using -> u
with -> w
lines -> l

のように省略できます。

コマンドを省略した例

f(x)=2*x
p "< seq 1 10" u 1:1 w l, "" u 1:(f($1)) w l

1 2	f(x)=2*x p "< seq 1 10" u 1:1 w l, "" u 1:(f($1)) w l

withの構文とその他の省略形

単語の頭文字同士を組み合わせた省略形になっているものもあります。これらの多くはwithで利用されることが多いです。
withの構文はgnuplotのドキュメントより

with <style> { {linestyle | ls <line_style>}
  | {{linetype | lt <line_type>}
  {linewidth | lw <line_width>}
  {linecolor | lc <colorspec>}
  {pointtype | pt <point_type>}
  {pointsize | ps <point_size>}
  {arrowstyle | as <arrowstyle_index>}
  {fill | fs <fillstyle>} {fillcolor | fc <colorspec>}
  {nohidden3d} {nocontours} {nosurface}
  {palette}}
}

with <style> { {linestyle | ls <line_style>}

| {{linetype | lt <line_type>}

{linewidth | lw <line_width>}

{linecolor | lc <colorspec>}

{pointtype | pt <point_type>}

{pointsize | ps <point_size>}

{arrowstyle | as <arrowstyle_index>}

{fill | fs <fillstyle>} {fillcolor | fc <colorspec>}

{nohidden3d} {nocontours} {nosurface}

{palette}}

}

のようになっています。詳しい内容についてはgnuplotのドキュメントを参照してください。

空のファイル名とパイプからの入力

空のファイル名を指定すると直前のファイル名を再利用することができます。
また、popen関数が働くシステムでは、最初に"<"の文字を入れることで、シェルコマンドからパイプ入力を行うことができます。

command_abbreviation.gp

set terminal pngcairo
set output "command_abbreviation.png"

unset key

f(x)=2*x
p "< seq 1 10" u 1:1 w l, "" u 1:(f($1)) w l

set terminal pngcairo

set output "command_abbreviation.png"

unset key

f(x)=2*x

p "< seq 1 10" u 1:1 w l, "" u 1:(f($1)) w l

fdopen関数が働くシステムでは、"<&n"でn番目のファイルディスクリプタを用いて入力を行うことができます。
これにより、１回のシェルコマンドの呼び出しで複数のデータファイルからのパイプ入力が容易になります。

$ gnuplot -p -e 'plot "<&3","<&4"' 3< <(seq 1 10) 4< <(seq 11 20)

1	$ gnuplot -p -e 'plot "<&3","<&4"' 3< <(seq 1 10) 4< <(seq 11 20)

"<(command)"はシェルの機能にあるプロセス置換といいます。プロセスの入力をファイル名として扱うことができます。

データ列の選択(using)

usingは

plot 'file' using <entry> {:<entry> {:<entry> ...}} {'format'}

1	plot 'file' using <entry> {:<entry> {:<entry> ...}} {'format'}

のように利用します。'format'はこの記事では利用しませんが、C言語のscanf関数のようにデータを読み取ることができます。

<entry>は

フィールド選択のための単なる列番号 ex)1,2,3,…
先頭行の列ラベルの文字列 ex) "Age", "Height" 等
括弧で囲んだ数式 ex) ($2+$3), ($2>10 ? $2 : $3), (f($1)) 等
括弧で囲まなくてよい特別な関数 ex) xticlabels(2) 等

になります。

括弧で囲んだ数式を用いる場合、列の値はcolumn(1)のように指定でき、その略記が$1, $2になります。

<entry>が２つある場合は、<xの値>:<yの値>のように扱われます。
エラーバー等を用いると３つ以上の<entry>を用いることもあります。
using 1のような<entry>が１つの場合は、その<entry>はyの値として扱われ、using 0:1と同じ意味になります。

0は疑似列で、gnuplotがデータに対して自動的に連番を振った値になります。

データ列から凡例名を取得

set key autotitle columnheaderを用いるとデータファイルの先頭行を凡例のとして用いることができます。
また、columnhead関数を用いると指定した列の名前を取得することができます。２つ以上の列の計算を用いた場合等に利用すると便利です。

autotitle.gp

set terminal pngcairo
set output "autotitle.png"

set title "Simple Plot Graph(Auto Title)"

set xrange [-1:10]
set xtic 2
set xlabel "x axis"

set yrange [-1:20]
set ytic 5
set ylabel "y axis"

set key outside right center reverse Left samplen 1
set key autotitle columnheader

plot "data_key.dat" using 1:2, \
     "" using 1:3, \
     "" using 1:($2+$3) title columnhead(3)

set terminal pngcairo

set output "autotitle.png"

set title "Simple Plot Graph(Auto Title)"

set xrange [-1:10]

set xtic 2

set xlabel "x axis"

set yrange [-1:20]

set ytic 5

set ylabel "y axis"

set key outside right center reverse Left samplen 1

set key autotitle columnheader

plot "data_key.dat" using 1:2, \

"" using 1:3, \

"" using 1:($2+$3) title columnhead(3)

data_key.dat

x	1から10	10から19
1	1	10
2	2	11
3	3	12
4	4	13
5	5	14
6	6	15
7	7	16
8	8	17
9	9	18
10	10	19

x 1から10 10から19

1 1 10

2 2 11

3 3 12

4 4 13

5 5 14

6 6 15

7 7 16

8 8 17

9 9 18

10 10 19

コマンド例

$ gnuplot autotitle.gp

1	$ gnuplot autotitle.gp

testコマンド

'test'または'test terminal'は設定されているterminalでサポートしている線や点のスタイル等を網羅的に確認できます。
点や線のスタイルとその色の番号が一緒になっていて簡潔に表示されている点は少し気を付けるべきかもしれません。

また、'test palette'は現在の色の設定'palette'を確認できます。

コマンドラインオプション

gnuplotコマンドのコマンドラインオプションを一部紹介します。

プログラム終了後もプロットウインドウを維持(-pオプション)

-p(--persist)オプションは、gnuplotのプログラムが終了した後でもプロットウインドウが終了しません。

ファイルを読み込む前にコマンドを実行(-eオプション)

-eオプションはファイルを読み込む前にコマンドを実行できます。

参考

gnuplot homepage