Der Python-Kurs für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Materialien zum Buch . . . 14
1. Einführung . . . 15

1. 1 . . . Entwicklungsumgebungen . . . 16
1. 2 . . . Die Module von Python . . . 20
1. 3 . . . Die Schlüsselwörter von Python . . . 25
1. 4 . . . Ihr Weg durch dieses Buch . . . 26

2. Programmstrukturen . . . 29

2. 1 . . . Lineare Programmstruktur . . . 29
2. 2 . . . Funktionen . . . 38
2. 3 . . . Verzweigungsstrukturen . . . 47
2. 4 . . . Wiederholungsstrukturen . . . 52
2. 5 . . . Datenstrukturen . . . 67
2. 6 . . . Funktionaler Programmstil . . . 81
2. 7 . . . Objektorientierter Programmstil . . . 84
2. 8 . . . Projektaufgabe: Dimensionierung einer Welle . . . 91
2. 9 . . . Aufgaben . . . 93

3. Numerische Berechnungen mit NumPy . . . 95

3. 1 . . . NumPy-Funktionen . . . 95
3. 2 . . . Vektoren . . . 106
3. 3 . . . Matrizenmultiplikation . . . 114
3. 4 . . . Lineare Gleichungssysteme . . . 122
3. 5 . . . Projektaufgabe: Blitzschutzsystem . . . 126
3. 6 . . . Aufgaben . . . 129

4. Funktionsdarstellungen und Animationen mit Matplotlib . . . 131

4. 1 . . . 2D-Funktionsplots . . . 131
4. 2 . . . 3D-Funktionsplots . . . 174
4. 3 . . . Vektoren . . . 179
4. 4 . . . Figuren, Linien und Pfeile darstellen . . . 183
4. 5 . . . Animationen . . . 191
4. 6 . . . Projektaufgabe: Stirling-Kreisprozess . . . 200
4. 7 . . . Projektaufgabe: Animation eines Fadenpendels . . . 207
4. 8 . . . Projektaufgabe: Animation eines Getriebes . . . 211
4. 9 . . . Aufgaben . . . 215

5. Symbolisches Rechnen mit SymPy . . . 219

5. 1 . . . Mathematische Grundoperationen . . . 223
5. 2 . . . Matrizen multiplizieren . . . 230
5. 3 . . . Gleichungen . . . 233
5. 4 . . . Vereinfachungen von Ausdrücken . . . 239
5. 5 . . . Reihenentwicklung . . . 241
5. 6 . . . Partialbrüche . . . 242
5. 7 . . . Kettenbrüche . . . 244
5. 8 . . . Grenzwerte . . . 248
5. 9 . . . Differenzieren . . . 252
5. 10 . . . Integrieren . . . 255
5. 11 . . . Differenzialgleichungen . . . 260
5. 12 . . . Laplace-Transformation . . . 270
5. 13 . . . Projektaufgabe: Sprungantwort einer Kettenschaltung . . . 279
5. 14 . . . Projektaufgabe: Durchbiegung eines einseitig eingespannten Balkens . . . 281
5. 15 . . . Projektaufgabe: Reaktionskinetik . . . 287
5. 16 . . . Projektaufgabe: Zweimassenschwinger . . . 291
5. 17 . . . Aufgaben . . . 294

6. Numerische Berechnungen und Simulationen mit SciPy . . . 297

6. 1 . . . Nullstellen numerisch berechnen . . . 298
6. 2 . . . Optimierungen . . . 300
6. 3 . . . Interpolationen . . . 302
6. 4 . . . Numerisches Differenzieren . . . 304
6. 5 . . . Numerisches Integrieren . . . 312
6. 6 . . . Differenzialgleichungen numerisch lösen . . . 327
6. 7 . . . Diskrete Fourier-Transformation . . . 349
6. 8 . . . Schreiben und Auslesen von Sounddateien . . . 356
6. 9 . . . Signalverarbeitung . . . 359
6. 10 . . . Projektaufgabe: Simulation eines Wälzlagerschadens . . . 365
6. 11 . . . Projektaufgabe: Räuber-Beute-Modell . . . 368
6. 12 . . . Projektaufgabe: Simulation einer Epidemie . . . 373
6. 13 . . . Aufgaben . . . 375

7. 3D-Grafik und Animationen mit VPython . . . 379

7. 1 . . . Das Koordinatensystem . . . 380
7. 2 . . . Grundkörper, Punkte und Linien . . . 382
7. 3 . . . Körper bewegen sich . . . 397
7. 4 . . . Animation von Schwingungen . . . 411
7. 5 . . . Ereignisverarbeitung . . . 416
7. 6 . . . Projektaufgabe: Animation eines gekoppelten Federpendels . . . 419
7. 7 . . . Projektaufgabe: Animation von zwei gekoppelten Fadenpendeln . . . 422
7. 8 . . . Aufgaben . . . 425

8. Rechnen mit komplexen Zahlen . . . 427

8. 1 . . . Mathematische Operationen . . . 428
8. 2 . . . Die eulersche Formel . . . 430
8. 3 . . . Rechnen mit komplexen Widerständen . . . 432
8. 4 . . . Funktionsplots mit komplexen Größen . . . 435
8. 5 . . . Projektaufgabe: Elektrisches Energieübertragungssystem . . . 439
8. 6 . . . Aufgaben . . . 445

9. Statistische Berechnungen . . . 447

9. 1 . . . Messwerte erzeugen, abspeichern und auslesen . . . 449
9. 2 . . . Häufigkeitsverteilung . . . 454
9. 3 . . . Lageparameter . . . 457
9. 4 . . . Streuungsparameter . . . 461
9. 5 . . . Normalverteilung . . . 465
9. 6 . . . Schiefe . . . 468
9. 7 . . . Regressionsanalyse . . . 470
9. 8 . . . Projektaufgabe: Simulation einer Qualitätsregelkarte . . . 475
9. 9 . . . Aufgaben . . . 480

10. Boolesche Algebra . . . 483

10. 1 . . . Logische Verknüpfungen . . . 484
10. 2 . . . Gesetze der booleschen Algebra . . . 488
10. 3 . . . Schaltungssynthese . . . 490
10. 4 . . . Projektaufgabe: Siebensegmentcodierung . . . 495
10. 5 . . . Aufgaben . . . 498

11. Interaktive Programmierung mit Tkinter . . . 501

11. 1 . . . Interaktionen mit Befehlsschaltflächen, Textfeldern und Bezeichnungsfeldern . . . 503
11. 2 . . . Der Layout-Manager von Tkinter . . . 505
11. 3 . . . Auswahl mit Radiobutton . . . 512
11. 4 . . . Slider . . . 514
11. 5 . . . Die Zeichenfläche Canvas . . . 515
11. 6 . . . Projektaufgabe: Drehfrequenzregelung eines fremderregten Gleichstrommotors . . . 521
11. 7 . . . Aufgaben . . . 534

Anhang . . . 535

A. 1 . . . Glossar: Grundbegriffe der praktischen Informatik . . . 535
A. 2 . . . Ableitungen elementarer Funktionen . . . 536
A. 3 . . . Stammfunktionen elementarer Funktionen . . . 537
A. 4 . . . Fourier-Reihen wichtiger elektrotechnischer Spannungsverläufe . . . 538
A. 5 . . . Korrespondenztabelle wichtiger inverser Laplace-Transformationen . . . 539
A. 6 . . . Literaturverzeichnis . . . 540

Index . . . 543