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.
Aus dem Inhalt:
- Python: Grundlagen und Sprachstruktur
- Boolesche Algebra
- Statistische Berechnungen
- Rechnen mit komplexen Zahlen
- Numerische Berechnungen mit NumPy
- Computeralgebra mt SymPy
- Funktionsdarstellungen mit Matplotlib
- Simulationen mit SciPy
- 3D-Grafik mit VPython
Inhaltsverzeichnis
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
