2.2 Visualización con ggplot2

Utilizaremos el paquete ggplot2, fue desarrollado por Hadley Wickham y es una implementación de la gramática de las gráficas (Wilkinson et al. 2005).

Gráficas de dispersión

library(ggplot2) # Cargamos el paquete en nuestra sesión

Usaremos el conjunto de datos mpg que se incluye en R, puedes encontrar información de esta base de datos tecleando ?mpg.

data(mpg)
?mpg
glimpse(mpg)

## Observations: 234
## Variables: 11
## $ manufacturer <chr> "audi", "audi", "audi", "audi", "audi", "audi", "...
## $ model        <chr> "a4", "a4", "a4", "a4", "a4", "a4", "a4", "a4 qua...
## $ displ        <dbl> 1.8, 1.8, 2.0, 2.0, 2.8, 2.8, 3.1, 1.8, 1.8, 2.0,...
## $ year         <int> 1999, 1999, 2008, 2008, 1999, 1999, 2008, 1999, 1...
## $ cyl          <int> 4, 4, 4, 4, 6, 6, 6, 4, 4, 4, 4, 6, 6, 6, 6, 6, 6...
## $ trans        <chr> "auto(l5)", "manual(m5)", "manual(m6)", "auto(av)...
## $ drv          <chr> "f", "f", "f", "f", "f", "f", "f", "4", "4", "4",...
## $ cty          <int> 18, 21, 20, 21, 16, 18, 18, 18, 16, 20, 19, 15, 1...
## $ hwy          <int> 29, 29, 31, 30, 26, 26, 27, 26, 25, 28, 27, 25, 2...
## $ fl           <chr> "p", "p", "p", "p", "p", "p", "p", "p", "p", "p",...
## $ class        <chr> "compact", "compact", "compact", "compact", "comp...

Comencemos con nuestra primera gráfica:

ggplot(data = mpg) + 
  geom_point(mapping = aes(x = displ, y = hwy))

En ggplot2 se inicia una gráfica con la instrucción ggplot(), debemos especificar explicitamente que base de datos usamos, este es el primer argumento en la función ggplot(). Una vez que creamos la base añadimos capas, y dentro de aes() escribimos las variables que queremos graficar y el atributo de la gráfica al que queremos mapearlas.

La función geom_point() añade una capa de puntos, hay muchas funciones geometrías incluídas en ggplot2: geom_line(), geom_boxplot(), geom_histogram,… Cada una acepta distintos argumentos para mapear las variables en los datos a características estéticas de la gráfica. En el ejemplo de arriba mapeamos displ al eje x, hwy al eje y, pero geom_point() nos permite representar más variables usando la forma, color y/o tamaño del punto. Esta flexibilidad nos permite entender o descubrir patrones más interesantes en los datos.

ggplot(mpg) + 
  geom_point(aes(x = displ, y = hwy, color = class))

Experimenta con los aesthetics color (color), tamaño (size) y forma (shape).

¿Qué diferencia hay entre las variables categóricas y las continuas?

¿Qué ocurre cuando combinas varios aesthetics?

El mapeo de las propiedades estéticas se denomina escalamiento y depende del tipo de variable, las variables discretas (por ejemplo, genero, escolaridad, país) se mapean a distintas escalas que las variables continuas (variables numéricas como edad, estatura, etc.), los defaults para algunos atributos son (los escalamientos se pueden modificar):

aes	Discreta	Continua
Color (`color`)	Arcoiris de colores	Gradiente de colores
Tamaño (`size`)	Escala discreta de tamaños	Mapeo lineal entre el área y el valor
Forma (`shape`)	Distintas formas	No aplica
Transparencia (`alpha`)	No aplica	Mapeo lineal a la transparencia

Los geoms controlan el tipo de gráfica

p <- ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy))
p + geom_line() # en este caso no es una buena gráfica

¿Qué problema tiene la siguiente gráfica?

p <- ggplot(mpg, aes(x = cty, y = hwy))
p + geom_point()

p + geom_jitter()

¿Cómo podemos mejorar la siguiente gráfica?

ggplot(mpg, aes(x = class, y = hwy)) + 
  geom_point()

Intentemos reodenar los niveles de la variable clase

ggplot(mpg, aes(x = reorder(class, hwy), y = hwy)) + 
    geom_point()

Podemos probar otros geoms.

ggplot(mpg, aes(x = reorder(class, hwy), y = hwy)) + 
    geom_jitter()

ggplot(mpg, aes(x = reorder(class, hwy), y = hwy)) + 
    geom_boxplot()

También podemos usar más de un geom!

ggplot(mpg, aes(x = reorder(class, hwy), y = hwy)) + 
    geom_jitter() +
    geom_boxplot()

Lee la ayuda de reorder y repite las gráficas anteriores ordenando por la mediana de hwy.

¿Cómo harías para graficar los puntos encima de las cajas de boxplot?

Paneles

Veamos ahora como hacer páneles de gráficas, la idea es hacer varios múltiplos de una gráfica donde cada múltiplo representa un subconjunto de los datos, es una práctica muy útil para explorar relaciones condicionales.

En ggplot podemos usar facet_wrap() para hacer paneles dividiendo los datos de acuerdo a las categorías de una sola variable

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) + 
  geom_jitter() +
  facet_wrap(~ cyl)

También podemos hacer una cuadrícula de \(2\) dimensiones usando facet_grid(filas~columnas)

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) + 
  geom_jitter() +
  facet_grid(.~ class)

ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy)) + 
  geom_jitter() +
  facet_grid(drv ~ class)

Los páneles pueden ser muy útiles para entender relaciones en nuestros datos. En la siguiente gráfica es difícil entender si existe una relación entre radiación solar y ozono.

data(airquality)
ggplot(airquality, aes(x = Solar.R, y = Ozone)) + 
  geom_point()

## Warning: Removed 42 rows containing missing values (geom_point).

Veamos que ocurre si realizamos páneles separando por velocidad del viento.

library(Hmisc)
airquality$Wind.cat <- cut2(airquality$Wind, g = 3) 
ggplot(airquality, aes(x = Solar.R, y = Ozone)) + 
  geom_point() +
  facet_wrap(~ Wind.cat)

Podemos agregar un suavizador (loess) para ver mejor la relación de las variables en cada panel.

ggplot(airquality, aes(x = Solar.R, y = Ozone)) + 
  geom_point() +
  facet_wrap(~ Wind.cat) + 
  geom_smooth(method = "lm")

Escribe algunas preguntas que puedan contestar con estos datos.

En ocasiones es necesario realizar transformaciones u obtener subconjuntos de los datos para poder responder preguntas de nuestro interés.

library(dplyr)
library(babynames)
glimpse(babynames)

## Observations: 1,858,689
## Variables: 5
## $ year <dbl> 1880, 1880, 1880, 1880, 1880, 1880, 1880, 1880, 1880, 188...
## $ sex  <chr> "F", "F", "F", "F", "F", "F", "F", "F", "F", "F", "F", "F...
## $ name <chr> "Mary", "Anna", "Emma", "Elizabeth", "Minnie", "Margaret"...
## $ n    <int> 7065, 2604, 2003, 1939, 1746, 1578, 1472, 1414, 1320, 128...
## $ prop <dbl> 0.072384329, 0.026679234, 0.020521700, 0.019865989, 0.017...

Supongamos que queremos ver la tendencia del nombre “John”, para ello debemos generar un subconjunto de la base de datos. ¿Qué ocurre en la siguiente gráfica?

babynames_John <- filter(babynames, name == "John")
ggplot(babynames_John, aes(x = year, y = prop)) +
  geom_point()

ggplot(babynames_John, aes(x = year, y = prop, color = sex)) +
  geom_line()

La preparación de los datos es un aspecto muy importante del análisis y suele ser la fase que lleva más tiempo. Es por ello que el siguiente tema se enfocará en herramientas para hacer transformaciones de manera eficiente.

Tarea. Explora la base de datos gapminder, estos datos están incluidos en el paquete del mismo nombre, para acceder a ellos basta con cargar el paquete:

# install.packages("gapminder")
library(gapminder)
gapminder

## # A tibble: 1,704 x 6
##    country     continent  year lifeExp      pop gdpPercap
##    <fct>       <fct>     <int>   <dbl>    <int>     <dbl>
##  1 Afghanistan Asia       1952    28.8  8425333      779.
##  2 Afghanistan Asia       1957    30.3  9240934      821.
##  3 Afghanistan Asia       1962    32.0 10267083      853.
##  4 Afghanistan Asia       1967    34.0 11537966      836.
##  5 Afghanistan Asia       1972    36.1 13079460      740.
##  6 Afghanistan Asia       1977    38.4 14880372      786.
##  7 Afghanistan Asia       1982    39.9 12881816      978.
##  8 Afghanistan Asia       1987    40.8 13867957      852.
##  9 Afghanistan Asia       1992    41.7 16317921      649.
## 10 Afghanistan Asia       1997    41.8 22227415      635.
## # ... with 1,694 more rows

realiza al menos \(3\) gráficas y explica las relaciones que encuentres. Debes usar lo que revisamos en estas notas: al menos una de las gráficas debe ser de páneles, realiza una gráfica con datos de México, y (opcional)si lo consideras interesante, puedes crear una variable categórica utilizando la función cut2 del paquete Hmisc.

Recursos

El libro R for Data Science (Wickham and Grolemund 2017) tiene un capítulo de visualización.
Google, stackoverflow tiene un tag para ggplot2.
Documentación con ejemplos en la página de ggplot2.
Otro recurso muy útil es el acordeón de ggplot.
La teoría detrás de ggplot2 se explica en el libro de ggplot2 (Wickham 2009),

Referencias

Wilkinson, L., D. Wills, D. Rope, A. Norton, and R. Dubbs. 2005. The Grammar of Graphics. Statistics and Computing. Springer New York. https://books.google.com.mx/books?id=\_kRX4LoFfGQC.

Wickham, Hadley, and Garrett Grolemund. 2017. R for Data Science: Import, Tidy, Transform, Visualize, and Model Data. 1st ed. O’Reilly Media, Inc.

Wickham, Hadley. 2009. Ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis. 2nd ed. Springer Publishing Company, Incorporated.