Python 3.0科学计算指南

目录



第 1章　入门 1

1.1　安装和配置说明 1

1.1.1　安装 1

1.1.2　Anaconda 2

1.1.3　配置 3

1.1.4　Python Shell 3

1.1.5　执行脚本 3

1.1.6　获取帮助 4

1.1.7　Jupyter ?C Python笔记本 4

1.2　程序与控制流 4

1.2.1　注释 5

1.2.2　行连接 5

1.3　基本类型 6

1.3.1　数值类型 6

1.3.2　字符串 6

1.3.3　变量 7

1.3.4　列表 7

1.3.5　列表运算符 8

1.3.6　布尔表达式 8

1.4　使用循环来重复语句 9

1.4.1　重复任务 9

1.4.2　break和else 9

1.5　条件语句 10

1.6　使用函数封装代码 10

1.7　脚本和模块 11

1.7.1　简单的模块—函数的

集合 12

1.7.2　使用模块和命名空间 13

1.8　解释器 13

1.9　小结 14

第 2章　变量和基本数据类型 15

2.1　变量 15

2.2　数值类型 16

2.2.1　整数类型 17

2.2.2　浮点数 17

2.2.3　复数 20

2.3　布尔类型 23

2.3.1　布尔运算符 23

2.3.2　布尔类型转换 24

2.3.3　布尔类型自动转换 24

2.3.4　and和or的返回值 25

2.3.5　布尔值和整数 26

2.4　字符串类型 26

2.5　小结 29

2.6　练习 30

第3章　容器类型 33

3.1　列表 33

3.1.1　切片 34

3.1.2　步长 36

3.1.3　列表修改 36

3.1.4　是否属于列表 37

3.1.5　列表方法 37

3.1.6　原位操作 38

3.1.7　列表合并—zip 39

3.1.8　列表推导 39

3.2　数组 40

3.3　元组 41

3.4　字典 42

3.4.1　创建和修改字典 42

3.4.2　循环遍历字典 43

3.5　集合 44

3.6　容器类型转换 45

3.7　类型检查 46

3.8　小结 47

3.9　练习 47

第4章　线性代数—数组 50

4.1　数组类型概要 50

4.1.1　向量和矩阵 50

4.1.2　索引和切片 52

4.1.3　线性代数运算 52

4.2　数学基础 53

4.2.1　作为函数的数组 54

4.2.2　基于元素的运算 54

4.2.3　形状和维数 54

4.2.4　点运算 55

4.3　数组类型 57

4.3.1　数组属性 57

4.3.2　用列表创建数组 57

4.4　访问数组项 59

4.4.1　基本数组切片 59

4.4.2　使用切片修改数组 61

4.5　数组构造函数 61

4.6　访问和修改形状 62

4.6.1　shape函数 62

4.6.2　维数 63

4.6.3　重塑 63

4.7　叠加 65

4.8　作用于数组的函数 66

4.8.1　通用函数 66

4.8.2　数组函数 68

4.9　SciPy中的线性代数方法 69

4.9.1　使用LU来求解多个线性

方程组 70

4.9.2　使用SVD来解决*小二乘

问题 71

4.9.3　其他方法 72

4.10　小结 72

4.11　练习 73

第5章　高级数组 75

5.1　数组视图和副本 75

5.1.1　数组视图 75

5.1.2　切片视图 76

5.1.3　转置和重塑视图 76

5.1.4　复制数组 76

5.2　数组比较 77

5.2.1　布尔数组 77

5.2.2　数组布尔运算 78

5.3　数组索引 79

5.3.1　使用布尔数组进行索引 79

5.3.2　使用where命令 80

5.4　代码性能和向量化 81

5.5　广播 83

5.5.1　数学视角 83

5.5.2　广播数组 86

5.5.3　典型示例 88

5.6　稀疏矩阵 90

5.6.1　稀疏矩阵格式 91

5.6.2　生成稀疏矩阵 94

5.6.3　稀疏矩阵方法 94

5.7　小结 95

第6章　绘图 96

6.1　基本绘图 96

6.2　格式化 100

6.3　meshgrid和contours函数 103

6.4　图像和等值线 106

6.5　matplotlib对象 108

6.5.1　坐标轴对象 108

6.5.2　修改线条属性 109

6.5.3　注释 110

6.5.4　曲线间的填充面积 111

6.5.5　刻度和刻度标签 112

6.6　绘制三维图 113

6.7　用绘图制作电影 116

6.8　小结 117

6.9　练习 117

第7章　函数 120

7.1　基本原理 120

7.2　形参和实参 121

7.2.1　参数传递—通过位置和

关键字 121

7.2.2　更改实参 122

7.2.3　访问本地命名空间之外

定义的变量 122

7.2.4　默认参数 123

7.2.5　可变参数 124

7.3　返回值 125

7.4　递归函数 126

7.5　函数文档 128

7.6　函数是对象 128

7.7　匿名函数—lambda

关键字 130

7.8　装饰器 131

7.9　小结 132

7.10　练习 133

第8章　类 135

8.1　类的简介 136

8.1.1　类语法 136

8.1.2　_ _init_ _方法 137

8.2　属性和方法 138

8.2.1　特殊方法 139

8.2.2　彼此依赖的属性 143

8.2.3　绑定和未绑定方法 145

8.2.4　类属性 146

8.2.5　类方法 146

8.3　子类和继承 148

8.4　封装 151

8.5　装饰器类 152

8.6　小结 154

8.7　练习 154

第9章　迭代 156

9.1　for语句 156

9.2　控制循环内流程 157

9.3　迭代器 158

9.3.1　生成器 159

9.3.2　迭代器是一次性的 159

9.3.3　迭代器工具 160

9.3.4　递归序列的生成器 161

9.4　加速收敛 163

9.5　列表填充模式 165

9.5.1　使用append方法来填充

列表 165

9.5.2　迭代器中的列表 166

9.5.3　存储生成的值 166

9.6　将迭代器作为列表使用 167

9.6.1　生成器表达式 167

9.6.2　压缩迭代器 168

9.7　迭代器对象 169

9.8　无限迭代 170

9.8.1　while循环 170

9.8.2　递归 171

9.9　小结 171

9.10　练习 172

第 10章　异常处理 175

10.1　什么是异常 175

10.1.1　基本原理 177

10.1.2　用户定义异常 179

10.1.3　上下文管理器—

with语句 180

10.2　查找错误：调试 181

10.2.1　漏洞 182

10.2.2　堆栈 182

10.2.3　Python调试器 183

10.2.4　调试命令 185

10.2.5　IPython调试 186

10.3　小结 187

第 11章　命名空间、范围和模块 188

11.1　命名空间 188

11.2　变量范围 189

11.3　模块 191

11.3.1　简介 191

11.3.2　IPython模块 192

11.3.3　变量_ _name_ _ 193

11.3.4　一些有用的模块 193

11.4　小结 194

第 12章　输入和输出 195

12.1　文件处理 195

12.1.1　文件交互 195

12.1.2　文件是可迭代的 196

12.1.3　文件模式 197

12.2　NumPy方法 198

12.2.1　savetxt 198

12.2.2　loadtxt 198

12.3　Pickling 199

12.4　Shelves 200

12.5　读写Matlab数据文件 200

12.6　读写图像 201

12.7　小结 202

第 13章　测试 203

13.1　手动测试 203

13.2　自动测试 204

13.3　使用unittest包 206

13.4　参数化测试 209

13.5　断言工具 210

13.6　浮点值比较 210

13.7　单元和功能测试 212

13.8　调试 213

13.9　测试发现 213

13.10　测量执行时间 213

13.10.1　用魔法函数计时 214

13.10.2　使用Python的timeit

计时模块 215

13.10.3　用上下文管理器

计时 216

13.11　小结 217

13.12　练习 217

第 14章　综合示例 219

14.1　多项式 219

14.1.1　理论背景 219

14.1.2　任务 220

14.2　多项式类 221

14.3　牛顿多项式 225

14.4　谱聚类算法 226

14.5　解决初始值问题 230

14.6　小结 233

14.7　练习 233

第 15章　符号计算—SymPy 235

15.1　什么是符号计算 235

15.2　SymPy的基本元素 238

15.2.1　符号—所有公式的

基础 238

15.2.2　数字 239

15.2.3　函数 239

15.3　基本函数 241

15.4　符号线性代数 243

15.5　SymPy线性代数方法示例 245

15.6　替换 246

15.7　评估符号表达式 249

15.8　符号表达式转化为数值

函数 250

15.9　小结 252

参考文献 253