Python物理建模初学者指南

第1 章 Python入门 1

1.1　算法与算法思想 1

1.1.1　算法思想 2

1.1.2　状态 3

1.1.3　“a=a 1”是什么意思 4

1.1.4　符号和数字的对比 5

1.2　启动Python 6

1.2.1　IPython 控制台 7

1.2.2　错误信息 13

1.2.3　如何获取帮助 13

1.2.4　好的做法：记录日志 15

1.3　Python 模块 15

1.3.1　import 15

1.3.2　from...import 16

1.3.3　NumPy和PyPlot模块 17

1.4　Python 表达式 18

1.4.1　数字 18

1.4.2　算术操作和预定义函数 19

1.4.3　好的做法：变量命名 21

1.4.4　更多的函数相关信息 22

第2 章 数据结构与程序控制 24

2.1　对象和方法 24

2.2　列表、元组和数组 27

2.2.1　创建列表和元组 28

2.2.2　NumPy数组 28

2.2.3　为数组填充值 30

2.2.4 数组的连接 32

2.2.5　访问数组元素 33

2.2.6　数组和赋值 34

2.2.7　数组切片 35

2.2.8　数组展平 37

2.2.9　更改数组形状 38

2.2.10　以列表和数组为索引 38

2.3　字符串 39

2.3.1　使用format 方法格式化字符串 41

2.3.2　使用“%”格式化字符串 43

2.4　循环 43

2.4.1　for 循环 44

2.4.2　while 循环 46

2.4.3　循环长时间运行 46

2.4.4　死循环 47

2.5 数组操作 47

2.5.1　矢量化数学 48

2.5.2 数组化简 50

2.6　脚本 51

2.6.1　Editor 窗格 52

2.6.2　其他编辑器 53

2.6.3　调试的*步 54

2.6.4　好的做法：做注释 57

2.6.5　好的做法：使用命名参数 61

2.6.6　好的做法：注意单位问题 62

2.7　或有行为：分支 63

2.7.1　if 语句 64

2.7.2　真值的处理 65

2.8　嵌套 65

第3 章 数据输入、结果输出 67

3.1　导入数据 68

3.1.1　获取数据 68

3.1.2　将数据导入Python 70

3.2　导出数据 73

3.2.1　脚本 73

3.2.2　数据文件 74

3.3　数据可视化 77

3.3.1　plot 及相关命令 77

3.3.2　绘图的调整与装饰 81

3.3.3 误差条 83

3.3.4　3D图形 84

3.3.5　多重绘图 85

3.3.6　子绘图 87

3.3.7　保存图形 87

3.3.8　在其他应用中使用图形 88

第4 章 首次上机实验 90

4.1　艾滋病病毒载量模型 90

4.1.1　探究模型 91

4.1.2　匹配实验数据 92

4.2　细菌实验 93

4.2.1　探究模型 93

4.2.2　匹配实验数据 94

第5 章 Python进阶 96

5.1　自定义函数 97

5.1.1　定义Python函数 97

5.1.2　更新函数 100

5.1.3　参数、关键字和缺省值 101

5.1.4　返回值 102

5.1.5　函数式编程 103

5.2　*数和模拟 105

5.2.1　模拟抛硬币 105

5.2.2　生成轨迹线 106

5.3　直方图和条形图 107

5.4　等势线绘图和曲面 109

5.4.1　生成绘图点网格 109

5.4.2　等势线绘图 110

5.4.3　曲面绘图 111

5.5　非线性方程的数学求解 111

5.5.1　一般实函数 112

5.5.2　多项式的复数根 113

5.6　求解线性等式 114

5.7　数值积分 115

5.7.1　对预定义函数积分 116

5.7.2　对自定义函数积分 117

5.7.3　对震荡函数积分 117

5.7.4　参数依赖性 118

5.8　微分方程的数值解 118

5.8.1 问题重构 119

5.8.2　ODE求解 120

5.8.3　参数依赖 122

5.9　向量场和流线图 123

5.9.1　向量场 123

5.9.2　流型 124

第6 章 第二次上机实验 126

6.1　生成和绘制轨迹 126

6.2　绘制位移分布 127

6.3　少见事件 129

6.3.1　泊松分布 129

6.3.2　等待时间 131

第7 章 更多的技术 133

7.1　图像处理 133

7.1.1　图像和数字数组 134

7.1.2　操作图像 135

7.2　动画 135

7.2.1　创建动画 136

7.2.2　保存动画 137

7.3　分析计算 141

7.3.1　SymPy软件包 141

7.3.2　Wolfram Alpha 142

第8 章 第三次上机实验 145

8.1　卷积 146

8.1.1　Python 的图像处理工具 146

8.1.2　图像平均 148

8.1.3　使用高斯滤波器做平滑 149

8.2　图像去噪 149

8.3　特征强调 150

继续努力 152

附录A　安装Python 154

A.1　安装Python 和Spyder 154

A.1.1　图形界面安装 155

A.1.2　命令行安装 156

A.2　设置Spyder 159

A.2.1　工作目录 159

A.2.2　交互图形 159

A.2.3　脚本模块 159

A.2.4　重启 160

A.3　加速 160

A.4　保持版本* 161

A.5　安装FFmpeg 161

附录B　错误和错误消息 164

B.1　Python错误概述 165

B.2　一些常见的错误 166



附录C　比较Python 2与Python 3 170

C.1　除法 171

C.2　用户输入 171

C.3　打印命令 172

C.4　更多帮助 173

附录D　深入学习 174

D.1　赋值语句 174

D.2　内存管理 177

D.3　函数 177

D.4　作用域 178

D.4.1　命名冲突 180

D.4.2 作为参数传递变量 181

D.5　总结 182

附录E　练习的解答 183

致谢 189

参考文献 190