Visualization (ggplot2) with R

การสร้างภาพข้อมูลหรือ Data Visualization ช่วยให้เราเข้าใจชุดข้อมูลที่มีความซับซ้อนได้ง่ายขึ้นและทำให้เราตัดสินใจในการจัดการกับข้อมูลเร็วขึ้น ซึ่ง Data Visualization สามารถทำได้ทั้งก่อนและหลังการวิเคราะห์เชิงสถิติ

การสร้างภาพข้อมูลใน R สามารถทำได้จากหลากหลาย package ซึ่งใน tutorial นี้เราจะใช้ package ggplot2 ซึ่งเป็น package ที่ช่วยให้เราสามารถสร้างกราฟิคได้หลากหลาย และสามารถปรับแต่งรูปแบบต่าง ๆ ได้ในแบบที่ต้องการ

#load packages
library(ggplot2)
library(psych)
library(Rmisc)

Mtcars data

ใน tutorial นี้เราจะใช้ข้อมูลที่มีอยู่แล้วใน package ggplot2 ชื่อว่า mtcars ในการสร้างกราฟฟิค
หลังจาก import mtcars ลงมาแล้ว เราสามารถเซ็ตค่าตัวแปรได้ตามนี้

data("mtcars")

mtcars$vs <- factor(mtcars$vs, labels = c("V", "S"))
mtcars$am <- factor(mtcars$am, labels = c("automatic", "manual"))
mtcars$cyl  <- as.factor(mtcars$cyl)
mtcars$gear <- as.factor(mtcars$gear)
mtcars$carb <- as.factor(mtcars$carb)

psych::describe(mtcars)

##       vars  n   mean     sd median trimmed    mad   min    max  range  skew
## mpg      1 32  20.09   6.03  19.20   19.70   5.41 10.40  33.90  23.50  0.61
## cyl*     2 32   2.09   0.89   2.00    2.12   1.48  1.00   3.00   2.00 -0.17
## disp     3 32 230.72 123.94 196.30  222.52 140.48 71.10 472.00 400.90  0.38
## hp       4 32 146.69  68.56 123.00  141.19  77.10 52.00 335.00 283.00  0.73
## drat     5 32   3.60   0.53   3.70    3.58   0.70  2.76   4.93   2.17  0.27
## wt       6 32   3.22   0.98   3.33    3.15   0.77  1.51   5.42   3.91  0.42
## qsec     7 32  17.85   1.79  17.71   17.83   1.42 14.50  22.90   8.40  0.37
## vs*      8 32   1.44   0.50   1.00    1.42   0.00  1.00   2.00   1.00  0.24
## am*      9 32   1.41   0.50   1.00    1.38   0.00  1.00   2.00   1.00  0.36
## gear*   10 32   1.69   0.74   2.00    1.62   1.48  1.00   3.00   2.00  0.53
## carb*   11 32   2.72   1.37   2.00    2.65   1.48  1.00   6.00   5.00  0.35
##       kurtosis    se
## mpg      -0.37  1.07
## cyl*     -1.76  0.16
## disp     -1.21 21.91
## hp       -0.14 12.12
## drat     -0.71  0.09
## wt       -0.02  0.17
## qsec      0.34  0.32
## vs*      -2.00  0.09
## am*      -1.92  0.09
## gear*    -1.07  0.13
## carb*    -0.95  0.24

โดยข้อมูลประกอบไปด้วย
mpg - จำนวนแกลลอนของน้ำต่อ 1 ไมล์
cyl - จำนวนกระบอกสูบ
disp - ความจุของเครื่องยนต์ (ลูกบาศก์นิ้ว)
hp - แรงม้า
drat - สัดส่วนของเพลากลางของรถ
wt - น้ำหนัก
qsec - ความเร่ง
vs - รูปร่างของเครื่องยนต์ ‘V’ หรือ ‘S’
am - ระบบเกียร์อัตโนมัติ (auto) หรือ เกียร์กระปุก (manual)
gear - จำนวนเกียร์
carb - จำนวนตัวเผาไหม้เครื่องยนต์

Ggplot2 Package

Ggplot2 เป็น package ในรูปแบบของ Grammar of Graphic ที่ความยืดหยุ่น ซึ่งในการเขียนคำสั่งของ ggplot2 นั้น จะมีลักษณะเป็นการเรียงคำสั่งในแต่ละขั้น
โดยปกติแล้ว คำสั่งที่ใช้งานพื้นฐานจะประกอบไปด้วย

data - การเรียกข้อมูลที่ใช้งาน
aesthetic mappings - การเลือกตัวแปรที่จะปรากฎอยู่ในกราฟ
geometric objects - การเลือกวิธีการสร้างกราฟฟิค
Customizing เช่น การใส่ชื่อ เลือกธีม หรือลงสีให้กราฟ

นอกจากนี้ยังมีคำสั่งอื่น ๆ ที่มีความซับซ้อนมากขึ้น หากเราเริ่มคุ้นเคยกับคำสั่งพื้นฐานแล้ว เราสามารถศึกษาเพิ่มเติมให้กราฟฟิคมีความสวยงามและตรงตามความต้องการของเรามากขึ้นได้

การสร้างกราฟ

ก่อนที่เราจะสร้างกราฟ เราควรสังเกตตัวแปรที่เราต้องการนำมาสร้างว่าเป็นตัวแปรลักษณะใด โดยสามารถใช้คำสั่ง str()

str(mtcars)

## 'data.frame':    32 obs. of  11 variables:
##  $ mpg : num  21 21 22.8 21.4 18.7 18.1 14.3 24.4 22.8 19.2 ...
##  $ cyl : Factor w/ 3 levels "4","6","8": 2 2 1 2 3 2 3 1 1 2 ...
##  $ disp: num  160 160 108 258 360 ...
##  $ hp  : num  110 110 93 110 175 105 245 62 95 123 ...
##  $ drat: num  3.9 3.9 3.85 3.08 3.15 2.76 3.21 3.69 3.92 3.92 ...
##  $ wt  : num  2.62 2.88 2.32 3.21 3.44 ...
##  $ qsec: num  16.5 17 18.6 19.4 17 ...
##  $ vs  : Factor w/ 2 levels "V","S": 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 ...
##  $ am  : Factor w/ 2 levels "automatic","manual": 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 ...
##  $ gear: Factor w/ 3 levels "3","4","5": 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 ...
##  $ carb: Factor w/ 6 levels "1","2","3","4",..: 4 4 1 1 2 1 4 2 2 4 ...

หลักการในการสร้างกราฟฟิคคือ การสังเกตจำนวนตัวแปรและลักษณะของตัวแปรในแกน x และ y โดยลักษณะของตัวแปรนี้จะเป็นการคัดรูปแบบกราฟของเรา
ใน tutorial นี้เราจะเรียนรู้สร้าง boxplot, bar graph และ line graph ค่ะ

การสร้าง boxplot

ในการสร้าง boxplot (หรือกราฟลักษณะอื่น ๆ) เราจะเริ่มกันที่การสร้างคำสั่งพื้นฐาน คือ data และ aesthetic mappings
โดยคำสั่งทั่วไปคือ ggplot(data = ชื่อไฟล์, aes(x = ตัวแปรแกน x, y = ตัวแปรแกน y)

คำสั่ง aes() สามารถเซ็ตค่าอื่น ๆ ได้ เช่น

ตำแหน่งของตัวแปร (x = และ y = )
สี: โดย color= เป็นสีเส้นขอบ และ fill= เป็นสีด้านใน
shape = รูปร่างของจุดข้อมูล และ size =ขนาดของจุดข้อมูล

ggplot(data = mtcars, aes(x = am, y = mpg))

ถ้าเรา run คำสั่งข้างต้น เราจะพบว่า กราฟฟิคมีเพียง background (หรือ coordinate system) และชื่อตัวแปรของเราเท่านั้น ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องเขียนคำสั่งว่าเราต้องการให้กราฟออกมาเป็นรูปแบบใด (สามารถเข้าไปดูรูปแบบทั้งหมดได้ที่ help.search("geom_", package = "ggplot2")

สำหรับการสร้าง boxplot เราจะใช้คำสั่ง geom_boxplot() เพื่อเซ็ตค่า geometric objects

ggplot(data = mtcars, aes(x = am, y = mpg)) +
  geom_boxplot()

จะเห็นว่ากราฟ boxplot ที่สร้างขึ้นมามีเพียงตัวแปร x และ y หากเราต้องการจัดกลุ่มตัวแปร เราสามารถใช้คำสั่ง fill = ตัวแปรจัดกลุ่ม ใน aesthetic mapping เพื่อให้มีการจัดกลุ่มของตัวแปรในกราฟ

ggplot(data = mtcars, aes(x = am, y = mpg, fill = vs)) +
  geom_boxplot()

หากเราต้องการให้กราฟมีสีสันและชื่อแกนตามที่เราต้องการ เราสามารถเขียนคำสั่งต่อจาก คำสั่ง geometric ได้

ตัวอย่างคำสั่งอื่น ๆ ในการปรับแต่งกราฟ

เพิ่มลักษณะกราฟฟิค:
- หากเราอยากให้ ggplot2 สร้างจุดข้อมูลในกราฟของเรา เราสามารถสั่งคำสั่ง geom_jitter() หลังจาก geometric objects หลักของเราได้
ตกแต่งกราฟ:
- ใช้คำสั่ง alpha = ค่าโปรงใส เพื่อเพิ่มความโปร่งใสของกราฟ
- ใช้คำสั่ง width = ค่าความกว้างของกราฟ ในการกำหนดความกว้างของกราฟ
เพิ่มชื่อ:
- แกน x และ y: ใช้คำสั่ง xlab = "ชื่อแกน x" และ ylab = "ชื่อแกน y"
- ชื่อหัวกราฟ: ใช้คำสั่ง ggtitle("ชื่อหัวกราฟ")
เลือกใช้ theme:
- ธีมของกราฟ: ใช้คำสั่ง theme_ ในการเลือกใช้ theme โดย คำสั่ง theme_classic จะใกล้เคียงกับ APA
- สีของกราฟ:
  - เลือกจาก palette ที่มีชุดคำสั่งสี
    - สีเส้นขอบ: scale_color_brewer(palette = "ชื่อ palette ที่ต้องการ")
    - สีช่องในกล่องหรือคอลัมน์: scale_fill_brewer(palette = "ชื่อ palette ที่ต้องการ")
  - เลือกสีเอง
    - สีเส้นขอบ: scale_color_manual(values=c("สีที่1", "สีที่2", "สีที่3"))
    - สีช่องในกลุ่มหรือคอลัมน์: scale_fill_manual(values=c("สีที่1", "สีที่2", "สีที่3"))

Note: หากเลือกสีเอง จำนวนสีต้องเท่ากับจำนวนกลุ่มตัวแปรที่ต้องการจะให้มีสี

ggplot(data = mtcars, aes(x = am, y = mpg, fill = vs)) +
  geom_boxplot(alpha = 0.7, width = 0.6) +
  geom_jitter(alpha = 0.2, size = 2) +
  xlab("Types of Gear transmissions") +
  ylab("Miles per Gallon") +
  ggtitle("Motor Trend Car Road Tests") +
  theme_classic() +
  scale_color_brewer(palette="Accent") +
  scale_fill_brewer(palette="Accent")

จะเห็นได้ว่าสีของกล่องข้อมูลเปลี่ยนไปตามที่เราตั้งค่าไว้ และมีการแสดงของจุดข้อมูลที่มาจากชุดคำสั่ง geom_jitter() โดยมีความโปร่งใสของจุดข้อมูลให้เห็นในกราฟ

การสร้าง Bar Graph

การสร้าง Bar Graph เหมาะสมกับตัวแปรต้นที่มีลักษณะเป็นกลุ่ม (discrete variable) ดังนั้นโครงสร้างของชุดคำสั่งจะคล้ายคลึงกับการสร้าง boxplot

เราสามารถสร้าง bar graph ได้ 2 วิธีคือ

geom_bar() จะมีคำสั่งพื้นฐานโดยมีความสูงของกราฟจากสัดส่วนของ n ในข้อมูล
geom_col() จะมีคำสั่งพื้นฐานโดยมีความสูงของกราฟเป็นค่าของข้อมูลนั้น ๆ คำสั่งนี้จะเหมาะสมกับข้อมูลที่ผ่านการหาค่าสถิติเชิงพรรณามาแล้ว (เช่นค่า n, mean, sd, se) และนำไปใช้งานได้สะดวกกว่าเมื่อต้องการสร้าง error_bar

ดังนั้น หากต้องการสร้าง bar graph อย่างง่าย เราสามารถใช้คำสั่ง geom_bar() ได้ โดยเพิ่มคำสั่ง stat = "summary" เมื่อต้องการค่าเฉลี่ย (mean) หรือ stat = "identity" เมื่อต้องการค่าผลรวม (sum)

นอกจากนี้แล้ว การสร้าง bar graph ยังสามารถเลือกการวางตัวของกราฟได้ โดยใช้คำสั่ง position =โดยค่าพื้นฐานของ geom_bar() คือ position = "stack" โดยจะเป็นการต่อกันของข้อมูลในแต่ละกลุ่ม ถ้าต้องการให้กราฟอยู่แยกกัน เราจะใช้คำสั่ง position = "dodge" หรือ position = position_dodge(ค่าความห่าง)

# x axis is am
#  stack
stack <- ggplot(data = mtcars, aes(x = am, y = mpg, fill = vs)) +
         geom_bar(stat = "summary") +
         ggtitle("stack") +
         theme_classic()
#  dodge
dodge <- ggplot(data = mtcars, aes(x = am, y = mpg, fill = vs)) +
         geom_bar(stat = "summary", position = position_dodge(0.9)) +
         ggtitle("dodge") +
         theme_classic()
#x axis is vs
#  stack
stack2 <- ggplot(data = mtcars, aes(x = vs, y = mpg, fill = am)) +
         geom_bar(stat = "summary") +
         ggtitle("stack") +
         theme_classic()
#  dodge
dodge2 <- ggplot(data = mtcars, aes(x = vs, y = mpg, fill = am)) +
         geom_bar(stat = "summary", position = position_dodge(0.9)) +
         ggtitle("dodge") +
         theme_classic()

describeBy(mpg ~ am * vs, data = mtcars)

## 
##  Descriptive statistics by group 
## am: automatic
## vs: V
##    vars  n  mean   sd median trimmed mad  min  max range  skew kurtosis  se
## X1    1 12 15.05 2.77   15.2    15.1 2.3 10.4 19.2   8.8 -0.28    -0.96 0.8
## ------------------------------------------------------------ 
## am: manual
## vs: V
##    vars n  mean   sd median trimmed  mad min max range skew kurtosis   se
## X1    1 6 19.75 4.01  20.35   19.75 3.85  15  26    11 0.21    -1.53 1.64
## ------------------------------------------------------------ 
## am: automatic
## vs: S
##    vars n  mean   sd median trimmed  mad  min  max range skew kurtosis   se
## X1    1 7 20.74 2.47   21.4   20.74 3.26 17.8 24.4   6.6  0.1    -1.75 0.93
## ------------------------------------------------------------ 
## am: manual
## vs: S
##    vars n  mean   sd median trimmed mad  min  max range  skew kurtosis  se
## X1    1 7 28.37 4.76   30.4   28.37 4.6 21.4 33.9  12.5 -0.35    -1.73 1.8

การสร้างกราฟที่มี Error Bar

ในการสร้างกราฟแบบ bar graph และ line graph เราสามารถที่จะแสดงผลความคลาดเคลื่อนข้อมูลโดยเพิ่มคำสั่ง geom_errorbar() โดยเราสามารถหาค่า sd, se, หรือ ci จากข้อมูลที่เรามีก่อนการสร้าง Error Bar โดยใช้คำสั่ง summarySE() จาก package Rmiscโดยใช้คำสั่ง

summarySE(ชื่อไฟล์, measurevar = "ชื่อตัวแปรที่ต้องการหาค่ามาตรฐาน", groupvars = c("ชื่อกลุ่ม 1", "ชื่อกลุ่ม 2"))

library(Rmisc)

sum <- summarySE(mtcars, measurevar="mpg", groupvars=c("am","vs"))
sum

##          am vs  N      mpg       sd        se       ci
## 1 automatic  V 12 15.05000 2.774396 0.8008991 1.762767
## 2 automatic  S  7 20.74286 2.471071 0.9339769 2.285359
## 3    manual  V  6 19.75000 4.008865 1.6366124 4.207046
## 4    manual  S  7 28.37143 4.757701 1.7982418 4.400139

เมื่อได้ค่าความคลาดเคลื่อนออกมาแล้ว เราจะสร้างกราฟจาก object ที่มาจาก summarySE() นี้

โดยในการสร้าง line graph เราจะใช้คำสั่ง geom_point() และ geom_line() โดย geom_point() จะเป็นการกำหนดให้กราฟมีจุดที่เป็นค่า mean และ geom_line()จะเป็นการใส่เส้นกราฟ ซึ่งเราสามารถเซ็ตให้กราฟมีการแยกกลุ่มตามที่เรากำหนดโดยใส่ aes(group = ตัวแปรจัดกลุ่ม)

จากนั้น เพิ่มคำสั่ง geom_errorbar() ในการสร้าง error bar โดยใช้คำสั่ง aes(ymin = ชื่อตัวแปรค่า mean - ci, ymax = ชื่อตัวแปรค่า mean + ci) (Note: เราสามารถใช้ค่า sd หรือ se ในการสร้าง error bar ได้โดยการเปลี่ยน ci เป็น sd หรือ se)

หากกราฟที่ปรากฎออกมามีค่าแกน x และ y ที่ไม่สมดุล เราสามารถใช้คำสั่ง xlim() หรือ ylim() เพื่อปรับแก้สเกลให้เหมาะสมได้

#only plot
line.plot <- ggplot(sum, aes(x = am, y = mpg, color = vs)) +
             geom_point(position = position_dodge(.2)) +
             geom_line(aes(group = vs), position = position_dodge(.2)) +
             ylim(5, 35) +
             ggtitle("Line Plot without Error Bar") +
             theme_classic() +
             scale_color_brewer(palette="Accent")

#with error

line.error <- ggplot(sum, aes(x = am, y = mpg, color = vs)) +
             geom_point(position = position_dodge(.2)) +
             geom_line(aes(group = vs), position = position_dodge(.2)) +
             geom_errorbar(aes(ymin=mpg-ci, ymax=mpg+ci), width=.2, 
                           position=position_dodge(.2)) +
             ylim(5, 35) +
             ggtitle("Line Plot with Error Bar") +
             theme_classic() +
             scale_color_brewer(palette="Accent")

นอกจากนี้ การสร้าง error bar ด้วยคำสั่ง geom_errorbar() ยังสามารถนำไปประยุกต์กับ bar graph ได้เช่นกัน แต่ในกรณีรการสร้าง bar graph จากข้อมูลที่หาค่าสถิติจากคำสั่ง summarySE() มาแล้วนั้น สังเกตว่าจะมีค่า mean เฉลี่ยแต่ละกลุ่ม (และค่าความคลาดเคลื่อนอื่น ๆ) เท่านั้น ดังนั้นในกรณีนี้เราจะใช้คำสั่ง geom_col() ในการสร้าง bar graph

bar.error <- ggplot(sum, aes(x = am, y = mpg, color = vs)) + 
             geom_col(aes(fill = vs), alpha = .5, position = position_dodge(.9)) +
             geom_errorbar(aes(ymin=mpg-ci, ymax=mpg+ci), width = .3, 
                           position = position_dodge(.9)) + 
             theme_classic() +
             scale_color_manual(values=c("#999999", "#E69F00", "#56B4E9")) +
             scale_fill_manual(values=c("#999999", "#E69F00", "#56B4E9"))

bar.error

การสร้างกราฟรูปแบบอื่น ๆ

นอกจาก boxplot, Bar Graph และ Line Graph แล้ว package Ggplot2 ยังช่วยเราในการสร้างกราฟอื่น ๆ ได้ เช่น กราฟที่มีตัวแปรเป็นตัวแปรต่อเนื่อง (continuous variable) เราสามารถใช้คำสั่ง geom_point() ในการสร้างจุดข้อมูล และ geom_smooth() ในการหาเส้นตรงที่เหมาะสมระหว่างข้อมูลทั้งสองตัวแปร โดยเพิ่มคำสั่ง geom_smooth(method = lm)

con.point <- ggplot(mtcars, aes(x = hp, y = mpg, color = hp)) + 
             geom_point(aes(color = hp)) +
             geom_smooth(method = lm, color = "darkblue") +
             theme_classic()

con.point

เรายังสามารถสร้างข้อมูลเชิงเส้นโดยการใช้คำสั่ง geom_line() และ geom_jitter() ในการสร้างกราฟเส้น

con.line <- ggplot(mtcars, aes(x = hp, y = mpg, group = vs)) + 
             geom_line(color = "blue3", position = position_dodge(.9)) +
             geom_jitter(alpha = 0.1, size = 0.5) +
             theme_classic()

con.line

การปรับแต่งสีในกราฟ

เราสามารถเลือกปรับแต่งกราฟได้โดยการใช้คำสั่ง theme_ และการใส่สีของกราฟ
ทั้ง R และ Ggplot2 มีระบบสีที่ช่วยให้เราเลือกสี 2 วิธี คือ 1. เราสามารถใส่ชื่อสีที่เราต้องการได้โดยเรียกดูชื่อสีในคำสั่ง colors() ซึ่งเป็นคำสั่งจาก Base R หรือ 2. คำสั่ง display.brewer.all()จาก package RColorBrewer

colors()

RColorBrewer::display.brewer.all()

[^1] this tutorial was in associated with Psychology Faculty, Chulalongkorn University in Experimental Design And Analysis course.