如何在R中的能量图中绘制曲线？

Posted 2023-03-05

【中文标题】如何在R中的能量图中绘制曲线？

【英文标题】：How to draw the curves in an energy diagram in R?

【发布时间】：2015-03-12 22:00:04

【问题描述】：

我编写了以下 R 脚本：

#energy diagram
x <- c(0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 )    #chosen randomly, reaction axis
y <- c(-5.057920, -5.057859, -5.057887,-5.057674, -5.057919 ) #energy of the educt, intermediate, transtition states and product 
plot(x,y, type="p",
     xlim=c(0,1),
     ylim=c(-5.058,-5.0575),
     xlab="reaction axis",
     ylab=expression(paste(E[el] ," / ",10^6," ",kJ/mol)),
     xaxt="n"        #hide x-axis
     )
#h- and v-lines, so i can draw curves by hand
abline(v=seq(0,1,0.1),h=seq(-5.0600,-5.0500,0.00005),col="black",lty=1,lwd=1)
abline(h=c(-5.057920, -5.057859, -5.057887,-5.057674), col="blue", lty=1,lwd=0.7)

是否可以通过看起来像能量图的点绘制曲线。能量图的示例在这里：

【问题讨论】：

lines(spline(x, y)) 不幸的是不合适。

所以你提供的是最小/最大 (x,y) 对，这意味着你想要通过那些点的导数为 0 的点拟合曲线。样条线可以用于此，但我不知道任何标准的 R 实现也可以让您指定导数。 bezier 包中的贝塞尔曲线可能会让您更幸运。这将允许您从最小/最大点水平添加“控制点”，这将在最小/最大点处强制执行 0 导数。

再看一点，Hmisc::bezier 似乎更容易使用。我现在没有太多时间，但如果仍然需要，我可以在一天左右的时间内找到解决方案。

没关系，我会把自己读成贝塞尔曲线。感谢您的信息:)

【参考方案1】：

可以做很多事情来简化/矢量化这段代码，但是对于一个小图来说，这很有效：

# get that data
x <- c(0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 )    # reaction axis
y <- c(-5.057920, -5.057859, -5.057887,-5.057674, -5.057919 ) # energies 

我将制作一条小贝塞尔曲线将每个点连接到下一个点——这样我们可以确保平滑线穿过数据，而不仅仅是靠近它。我会给每个点一个“控制点”来定义斜率。通过对一个点和它的控制点使用相同的 y 值，该点的斜率将为 0。我将调用该点和控制点之间的偏移量delta。我们将从一对点开始：

library(Hmisc)
delta = 0.15
bezx = c(0.1, 0.1 + delta, 0.3 - delta, 0.3)
bezy = rep(y[1:2], each = 2)
plot(bezx, bezy, type = 'b', col = "gray80")
lines(bezier(bezx, bezy), lwd = 2, col = "firebrick4")

在这里，我用灰色绘制了点和控制点，用红色绘制了平滑线，这样我们就可以看到发生了什么。 看起来很有希望，让我们把它变成一个我们可以应用到每一对点的函数：

bezf = function(x1, x2, y1, y2, delta = 0.15) 
    bezier(x = c(x1, x1 + delta, x2 - delta, x2), y = c(y1, y1, y2, y2))

delta参数你可以玩，我觉得0.1看起来还不错。

plot(x, y, xlab = "Reaction coordinate", ylab = "E", axes = F)
box(bty = "L")
axis(side = 2)
for(i in 1:(length(x) - 1)) 
    lines(bezf(x1 = x[i], x2 = x[i + 1], y1 = y[i], y2 = y[i + 1], delta = 0.1))

您当然可以调整情节、添加标签和ablines，就像原来的一样。 （使用for 循环和lines 命令仅绘制平滑线。）我留下点以表明我们正在通过它们，而不仅仅是靠近。

我更喜欢在 ggplot2 中绘图，如果你也这样做，你需要将数据提取到 data.frame 中：

bezlist = list()
for (i in 1:(length(x) - 1)) 
    bezlist[[i]] = bezf(x1 = x[i], x2 = x[i + 1], y1 = y[i], y2 = y[i + 1], delta = 0.1)



xx = unlist(lapply(bezlist, FUN = '[', 'y'))
yy = unlist(lapply(bezlist, FUN = '[', 'y'))

bezdat = data.frame(react = xx, E = yy)
library(ggplot2)
ggplot(bezdat, aes(x = react, y = E)) + 
    geom_line() +
    labs(x = "Reaction coordinate")

【讨论】：

Gregor，你这该死的天才，你为我节省了数小时令人沮丧的研究:)。几周前我了解了ggplot2，但我仍然需要学习如何处理它。无论如何，我真的很感谢你的努力！干杯

【参考方案2】：

您可以使用样条拟合。沿着能量图定义一些点，然后使用样条函数拟合它们。您提供的分数越多，您的合身性就越好。您可以查看 stats 包中的 smooth.splines 函数，了解样条拟合的一种实现。

【讨论】：

我在脚本中添加了以下命令：smoothingSpline = smooth.spline(x, y) 和 lines(smoothingSpline)。虽然不合适。这条线是通过五个给定点定义的，它们是局部最小值和最大值。