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Hans-Bernhard Woyand
Python für Ingenieure und Naturwissenschaftler
Einführung in die Programmierung, mathematische Anwendungen und Visualisierungen
Vorwort
6
Inhaltsverzeichnis
8
1 Einführung
12
1.1 Die Programmiersprache Python
12
1.2 Hinweise zur Installation
13
1.3 Erste Schritte – Der Python-Interpreter
14
1.3.1 Addition und Subtraktion
15
1.3.2 Multiplikation und Division
15
1.3.3 Vergleichsausdrücke
17
1.3.4 Logische Ausdrücke
18
1.3.5 Mathematische Funktionen
18
1.3.6 Grundlegendes über Variablen und Zuweisungen
19
1.3.7 Zeichenketten (Strings)
21
1.3.8 Turtle-Grafik
21
1.4 Python-Programme mit IDLE erstellen
23
Aufgaben
29
Lösungen
33
2 Grundlagen
42
2.1 Einfache Objekttypen
42
2.1.1 Ganze Zahlen – Integer
42
2.1.2 Gleitpunktzahlen – Float
43
2.1.3 Komplexe Zahlen - Complex
45
2.1.4 Zeichenketten - Strings
46
Aufgaben
52
Lösungen
53
2.2 Operatoren und mathematische Standardfunktionen
56
2.2.1 Operatoren zur arithmetischen Berechnung
56
2.2.2 Mathematische Standardfunktionen
57
Aufgaben
60
Lösungen
60
2.3 Variablen und Zuweisungen
61
2.4 Funktionen
66
2.4.1 Funktionen mit Rückgabewert
66
2.4.2 Funktionen ohne Rückgabewert
70
Aufgaben
71
Lösungen
73
2.5 Ein- und Ausgabe
75
2.6 Programmverzweigungen
78
2.6.1 Einfache if-Anweisung
78
2.6.2 Erweiterte if-Anweisung
79
Aufgaben
81
Lösungen
82
2.7 Bedingungen
83
2.8 Programmschleifen
84
2.8.1 for-Schleifen
84
2.8.2 while-Schleifen
89
Aufgaben
92
Lösungen
92
3 Vertiefung
96
3.1 Listen
96
Aufgaben
101
Lösungen
102
3.2 Tuples
106
3.3 Sets - Mengen
107
3.4 Dictionaries
109
Aufgaben
112
Lösungen
113
3.5 Slicing
116
3.6 List Comprehensions
118
3.7 Iteratoren und die Zip-Funktion
120
3.8 Funktionen, Module und Rekursion
121
3.8.1 Schlüsselwort-Parameter
122
3.8.2 Module
123
3.8.3 Rekursion
125
3.8.4 Globale und lokale Variablen
127
3.9 Turtle-Grafik - verbessert
128
3.10 Dateien lesen und schreiben
130
Aufgaben
135
Lösungen
140
4 Objektorientiertes Programmieren
152
4.1 Klassen und Objekte
152
4.2 Konstruktoren und Destruktoren
160
4.3 Überladen von Operatoren
163
4.4 Vererbung
167
Aufgaben
170
Lösungen
172
5 Numerische Berechnungenmit Numpy
184
5.1 Hinweis zur Installation
184
5.2 Arrays
184
5.3 Darstellung von Matrizen
186
5.4 Spezielle Funktionen
186
5.5 Operationen
187
5.6 Lineare Algebra
189
5.7 Zufallswerte
190
Aufgaben
191
Lösungen
192
6 Graphische Darstellungenmit Matplotlib
194
6.1 Hinweis zur Installation
194
6.2 XY-Diagramme
194
6.3 Balken-Diagramme
198
6.4 Torten-Diagramme
200
6.5 Polardiagramme
201
6.6 Histogramme
202
6.7 Subplots
203
6.8 Axes
205
6.9 Anmerkungen und Legenden
206
Aufgaben
208
Lösungen
209
7 Computeralgebra mit Sympy
212
7.1 Hinweise zur Installation
212
7.2 Differentiation
213
7.3 Integration
214
7.4 Potenzreihen
216
7.5 Matrizenrechnung – lineare Algebra
217
7.6 Die Datentypen Rational und Float
219
7.7 Nützliche Ergänzungen
220
Aufgaben
222
Lösungen
223
8 3D-Grafik mit VPython
226
8.1 Hinweise zur Installation
226
8.2 Szenen
227
8.3 Grundkörper
231
8.4 Faces
239
8.5 Controls
242
8.6 Steuerung mit Tastatur und Maus
247
Aufgaben
251
Lösungen
253
9 Python-Versionen,Programmbibliotheken undDistributionen
260
9.1 Python 2
261
9.2 Die Python-Distribution Anaconda
263
Aufgaben
264
Lösungen
266
10 Numerische Analysen mit Scipy
270
10.1 Hinweis zur Installation
270
10.2 Numerische Berechnung von Integralen
271
10.3 Interpolation
273
10.4 Berechnung von Nullstellen - Rootfinding
275
10.5 Optimierung
277
10.6 Signalanalyse mit der schnellen Fourier Transformation (FFT)
281
10.7 Numerische Integration gewöhnlicher Differenzialgleichungen
285
Aufgaben
290
Lösungen
291
Literaturverzeichnis
298
Sachwortverzeichnis
300
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