Der Python-Kurs für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Dieses Handbuch bietet Ingenieuren und Wissenschaftlern einen praxisnahen Einstieg in die Programmierung mit Python. Python ist die ideale Sprache für schnelle, unkomplizierte Lösungen von klar umrissenen Problemen. Grenzwerte bestimmen, Differenzialgleichungen lösen, Testreihen visualisieren und vieles mehr - die Ingenieurs- und Naturwissenschaften stecken voller Aufgaben, die Sie elegant mit Python lösen können. Wie das geht, lernen Sie in übersichtlich strukturierten Kapiteln mit kommentierten Codebeispielen, Übungen und Musterlösungen.

Das Praxisbuch für Studium und Beruf

Materialien zum Buch ... 14 1. Einführung ... 15 1.1 ... Entwicklungsumgebungen ... 16 1.2 ... Die Module von Python ... 19 1.3 ... Die Schlüsselwörter von Python ... 24 1.4 ... Ihr Weg durch dieses Buch ... 25 2. Programmstrukturen ... 27 2.1 ... Lineare Programmstruktur ... 27 2.2 ... Funktionen ... 36 2.3 ... Verzweigungsstrukturen ... 49 2.4 ... Wiederholungsstrukturen ... 54 2.5 ... Datenstrukturen ... 67 2.6 ... Objektorientierter Programmstil ... 79 2.7 ... Funktionaler Programmstil ... 85 2.8 ... Projektaufgabe: Dimensionierung einer Welle ... 88 2.9 ... Aufgaben ... 90 3. Numerische Berechnungen mit NumPy ... 93 3.1 ... NumPy-Funktionen ... 93 3.2 ... Vektoren ... 100 3.3 ... Matrizenmultiplikation ... 108 3.4 ... Lineare Gleichungssysteme ... 117 3.5 ... Polynome ... 123 3.6 ... Projektaufgabe: Blitzschutzsystem ... 132 3.7 ... Aufgaben ... 136 4. Funktionsdarstellungen und Animationen mit Matplotlib ... 137 4.1 ... 2D-Funktionsplots ... 137 4.2 ... 3D-Funktionsplots ... 170 4.3 ... Vektoren ... 176 4.4 ... Figuren, Linien und Pfeile darstellen ... 180 4.5 ... Animationen ... 189 4.6 ... Projektaufgabe: Animation eines Getriebes ... 197 4.7 ... Aufgaben ... 200 5. Symbolisches Rechnen mit SymPy ... 201 5.1 ... Mathematische Grundoperationen ... 204 5.2 ... Matrizen multiplizieren ... 210 5.3 ... Gleichungen ... 214 5.4 ... Vereinfachungen von Ausdrücken ... 220 5.5 ... Reihenentwicklung ... 221 5.6 ... Partialbrüche ... 222 5.7 ... Kettenbrüche ... 225 5.8 ... Grenzwerte ... 228 5.9 ... Differenzieren ... 233 5.10 ... Integrieren ... 236 5.11 ... Differenzialgleichungen ... 242 5.12 ... Laplace-Transformation ... 251 5.13 ... Projektaufgabe: Sprungantwort einer Kettenschaltung ... 260 5.14 ... Aufgaben ... 262 6. Numerische Berechnungen und Simulationen mit SciPy ... 265 6.1 ... Nullstellen numerisch berechnen ... 267 6.2 ... Optimierungen ... 269 6.3 ... Interpolationen ... 271 6.4 ... Numerisches Differenzieren ... 273 6.5 ... Numerisches Integrieren ... 281 6.6 ... Differenzialgleichungen numerisch lösen ... 298 6.7 ... Diskrete Fourier-Transformation ... 322 6.8 ... Schreiben und Auslesen von Sounddateien ... 330 6.9 ... Signalverarbeitung ... 332 6.10 ... Projektaufgabe: Simulation eines Wälzlagerschadens ... 339 6.11 ... Projektaufgabe: Räuber-Beute-Modell ... 343 6.12 ... Projektaufgabe: Simulation einer Epidemie ... 353 6.13 ... Aufgaben ... 356 7. 3D-Grafik und Animationen mit VPython ... 359 7.1 ... Das Koordinatensystem ... 361 7.2 ... Grundkörper, Punkte und Linien ... 363 7.3 ... Körper bewegen sich ... 378 7.4 ... Animation von Schwingungen ... 392 7.5 ... Ereignisverarbeitung ... 397 7.6 ... Projektaufgabe: Animation eines gekoppelten Federpendels ... 400 7.7 ... Projektaufgabe: Animation eines Doppelpendels ... 403 7.8 ... Aufgaben ... 407 8. Rechnen mit komplexen Zahlen ... 409 8.1 ... Mathematische Operationen ... 410 8.2 ... Die eulersche Formel ... 412 8.3 ... Rechnen mit komplexen Widerständen ... 414 8.4 ... Funktionsplots mit komplexen Größen ... 416 8.5 ... Projektaufgabe: Elektrisches Energieübertragungssystem ... 421 8.6 ... Aufgaben ... 427 9. Statistische Berechnungen ... 429 9.1 ... Messwerte erzeugen, abspeichern und auslesen ... 431 9.2 ... Häufigkeitsverteilung ... 436 9.3 ... Lageparameter ... 440 9.4 ... Streuungsparameter ... 443 9.5 ... Normalverteilung ... 447 9.6 ... Schiefe ... 451 9.7 ... Regressionsanalyse ... 453 9.8 ... Projektaufgabe: Simulation einer Qualitätsregelkarte ... 457 9.9 ... Aufgaben ... 46310. Boolesche Algebra ... 465 10.1 ... Logische Verknüpfungen ... 466 10.2 ... Gesetze der booleschen Algebra ... 470 10.3 ... Schaltungssynthese ... 472 10.4 ... Projektaufgabe: Siebensegmentcodierung ... 477 10.5 ... Aufgaben ... 48011. Interaktive Programmierung mit Tkinter ... 481 11.1 ... Interaktionen mit Befehlsschaltflächen, Textfeldern und Bezeichnungsfeldern ... 483 11.2 ... Der Layout-Manager von Tkinter ... 488 11.3 ... Auswahl mit Radiobutton ... 497 11.4 ... Schieberegler ... 499 11.5 ... Die Zeichenfläche Canvas ... 504 11.6 ... Projektaufgabe: Drehfrequenzregelung eines fremderregten Gleichstrommotors ... 510 11.7 ... Aufgaben ... 523 Anhang ... 525 A.1 ... Glossar: Grundbegriffe der praktischen Informatik ... 525 A.2 ... Ableitungen elementarer Funktionen ... 526 A.3 ... Stammfunktionen elementarer Funktionen ... 527 A.4 ... Fourier-Reihen wichtiger elektrotechnischer Spannungsverläufe ... 528 A.5 ... Korrespondenztabelle wichtiger inverser Laplace-Transformationen ... 529 A.6 ... Literaturverzeichnis ... 530 Index ... 531