Python物理学高效计算 PDF 全书扫描版

给大家带来的一篇关于Python应用相关的电子书资源，介绍了关于Python、物理学、高效计算方面的内容，本书是由人民邮电出版社出版，格式为PDF，资源大小6.6 MB，安东尼·斯科普斯编写，目前豆瓣、亚马逊、当当、京东等电子书综合评分为：7.4。

Python物理学高效计算电子书封面

读者评价

通过阅读本书，读者会学到如何用Python编程语言收集、分析数据，构建软件，发布结果等技能。

内容简洁 全面 对于学物理 化学的人们从事应用开发和科学计算有帮助

这本书感觉对工程技术人员帮助较大，值得一看

本书介绍了如何通过Python自动化地完成物理领域方面的研究。全书共分为4个部分，以Python代码为示例向读者介绍了如何用Python解决物理项目中出现的各种问题。

内容介绍

本书介绍了如何通过Python自动化地完成物理领域方面的研究。全书共分为4个部分，以Python代码为示例向读者介绍了如何用Python解决物理项目中出现的各种问题。第 1部分（第 1~6章）：起步，介绍Python的基本知识，如命令行、数据容器、类和对象等。第 2部分（第7~13章）：上手，主要介绍正则表达式、数据可视化、存储数据等实用知识。第3部分（第 14~18章）：完善，介绍如何构建流程和软件、版本控制、调试和控制代码等。第4部分（第 19~23章）：发布，介绍如何为代码生成文档、如何提高协作效率和软件许可证以及版权的相关知识等。
本书适合想要通过Python减少工作量的物理学领域的研究人员阅读，也适合想要学习如何通过Python编程解决物理问题的读者参考。

内容节选

利用python求解物理学中的双弹簧质能系统详解

物理的模型如下：

在这个系统里有两个物体，它们的质量分别是m1和m2，被两个弹簧连接在一起，伸缩系统为k1和k2，左端固定。假定没有外力时，两个弹簧的长度为L1和L2。

由于两物体有重力，那么在平面上形成摩擦力，那么摩擦系数分别为b1和b2。所以可以把微分方程写成这样：

这是一个二阶的微分方程，为了使用python来求解，需要把它转换为一阶微分方程。所以引入下面两个变量：

这两个相当于运动的速度。通过运算可以改为这样：

这时可以线性方程改为向量数组的方式，就可以使用python定义了

代码如下：

# Use ODEINT to solve the differential equations defined by the vector field 
from scipy.integrate import odeint 
 
def vectorfield(w, t, p): 
 """ 
 Defines the differential equations for the coupled spring-mass system. 
 
 Arguments: 
  w : vector of the state variables: 
     w = [x1,y1,x2,y2] 
  t : time 
  p : vector of the parameters: 
     p = [m1,m2,k1,k2,L1,L2,b1,b2] 
 """ 
 x1, y1, x2, y2 = w 
 m1, m2, k1, k2, L1, L2, b1, b2 = p 
 
 # Create f = (x1',y1',x2',y2'): 
 f = [y1, 
   (-b1 * y1 - k1 * (x1 - L1) + k2 * (x2 - x1 - L2)) / m1, 
   y2, 
   (-b2 * y2 - k2 * (x2 - x1 - L2)) / m2] 
 return f 
 
# Parameter values 
# Masses: 
m1 = 1.0 
m2 = 1.5 
# Spring constants 
k1 = 8.0 
k2 = 40.0 
# Natural lengths 
L1 = 0.5 
L2 = 1.0 
# Friction coefficients 
b1 = 0.8 
b2 = 0.5 
 
# Initial conditions 
# x1 and x2 are the initial displacements; y1 and y2 are the initial velocities 
x1 = 0.5 
y1 = 0.0 
x2 = 2.25 
y2 = 0.0 
 
# ODE solver parameters 
abserr = 1.0e-8 
relerr = 1.0e-6 
stoptime = 10.0 
numpoints = 250 
 
# Create the time samples for the output of the ODE solver. 
# I use a large number of points, only because I want to make 
# a plot of the solution that looks nice. 
t = [stoptime * float(i) / (numpoints - 1) for i in range(numpoints)] 
 
# Pack up the parameters and initial conditions: 
p = [m1, m2, k1, k2, L1, L2, b1, b2] 
w0 = [x1, y1, x2, y2] 
 
# Call the ODE solver. 
wsol = odeint(vectorfield, w0, t, args=(p,), 
    atol=abserr, rtol=relerr) 
 
with open('two_springs.dat', 'w') as f: 
 # Print & save the solution. 
 for t1, w1 in zip(t, wsol):   
  out = '{0} {1} {2} {3} {4}\n'.format(t1, w1[0], w1[1], w1[2], w1[3]); 
  print(out) 
  f.write(out); 

在这里把结果输出到文件two_springs.dat，接着写一个程序来把数据显示成图片，就可以发表论文了，代码如下：

# Plot the solution that was generated 
 
from numpy import loadtxt 
from pylab import figure, plot, xlabel, grid, hold, legend, title, savefig 
from matplotlib.font_manager import FontProperties 
 
t, x1, xy, x2, y2 = loadtxt('two_springs.dat', unpack=True) 
 
figure(1, figsize=(6, 4.5)) 
 
xlabel('t') 
grid(True) 
lw = 1 
 
plot(t, x1, 'b', linewidth=lw) 
plot(t, x2, 'g', linewidth=lw) 
 
legend((r'$x_1$', r'$x_2$'), prop=FontProperties(size=16)) 
title('Mass Displacements for the\nCoupled Spring-Mass System') 
savefig('two_springs.png', dpi=100) 

最后来查看一下输出的png图片如下：

目录

• 第 一部分 起步
• 第 1章 命令行简介 3
• 1．1 Shell概览 3
• 1．1．1 Shell是 一 款编程
• 语言 4
• 1．1．2 路径和pwd 5
• 1．1．3 主目录（~） 7
• 1．1．4 列出内容（ls） 8
• 1．1．5 更改目录（cd） 9
• 1．1．6 查看文件内容（head
• 和tail命令） 12
• 1．2 操作文件和目录 12
• 1．2．1 创建文件（nano、emacs、
• vi、cat、>、
• touch） 12
• 1．2．2 复制和重命名文件
• （cp和mv） 17
• 1．2．3 创建目录
• （mkdir） 18
• 1．2．4 删除文件和目录
• （rm） 19
• 1．2．5 标志和通配符 21
• 1．3 获取帮助 22
• 1．3．1 阅读程序手册
• （man） 22
• 1．3．2 找到正确的
• 工具（apropos） 24
• 1．3．3 用重定向和管道组合
• 多个实用程序
• （>、>>、|） 25
• 1．4 权限和共享 26
• 1．4．1 查看权限（ls –l） 27
• 1．4．2 设置所有权 28
• 1．4．3 设置权限
• （chmod） 29
• 1．4．4 创建链接（ln） 29
• 1．4．5 连接其他计算机
• （ssh和scp） 30
• 1．5 环境 31
• 1．5．1 保存环境变量
• （．bashrc） 33
• 1．5．2 运行程序
• （PATH） 34
• 1．5．3 别名命令
• （alias） 35
• 1．6 使用bash编写脚本 36
• 1．7 本章小结 38
• 第 2章 Python编程起步 39
• 2．1 运行Python 40
• 2．2 注释 41
• 2．3 变量 42
• 2．4 特殊变量 44
• 2．4．1 布尔值 44
• 2．4．2 None不是0！ 45
• 2．4．3 NotImplemented
• 不是None！ 45
• 2．5 操作符 45
• 2．6 字符串 49
• 2．6．1 字符串索引 50
• 2．6．2 字符串连接 52
• 2．6．3 字符串字面值 53
• 2．6．4 字符串方法 55
• 2．7 模块 56
• 2．7．1 导入模块 56
• 2．7．2 从模块中导入
• 变量 57
• 2．7．3 别名导入 58
• 2．7．4 导入变量别名 58
• 2．7．5 包 59
• 2．7．6 标准库和Python
• 生态系统 61
• 2．8 本章小结 62
• 第3章 基本容器 63
• 3．1 列表 64
• 3．2 元组 68
• 3．3 集合 69
• 3．4 字典 71
• 3．5 本章小结 73
• 第4章 流程控制和逻辑运算 75
• 4．1 条件语句 75
• 4．1．1 if-else语句 78
• 4．1．2 if-elif-else语句 79
• 4．1．3 if-else表达式 80
• 4．2 异常 80
• 4．2．1 抛出异常 81
• 4．3 循环 83
• 4．3．1 while循环 83
• 4．3．2 for循环 85
• 4．3．3 解析式 87
• 4．4 本章小结 90
• 第5章 使用函数 91
• 5．1 Python中的函数 91
• 5．2 关键字参数 94
• 5．3 变长参数 96
• 5．4 多返回值 98
• 5．5 作用域 99
• 5．6 递归 102
• 5．7 lambda 103
• 5．8 生成器 104
• 5．9 装饰器 107
• 5．10 本章小结 110
• 第6章 类和对象 112
• 6．1 面向对象 112
• 6．2 对象 113
• 6．3 类 117
• 6．3．1 类变量 118
• 6．3．2 实例变量 120
• 6．3．3 构造器 121
• 6．3．4 方法 123
• 6．3．5 静态方法 126
• 6．3．6 鸭子类型 127
• 6．3．7 多态 128
• 6．4 装饰器和元类 132
• 6．5 本章小结 134
• 第 2部分 上手
• 第7章 分析和可视化 139
• 7．1 准备数据 139
• 7．1．1 实验数据 143
• 7．1．2 模拟数据 144
• 7．1．3 元数据 145
• 7．2 载入数据 145
• 7．2．1 NumPy 146
• 7．2．2 PyTables 147
• 7．2．3 Pandas 147
• 7．2．4 Blaze 148
• 7．3 清理和改写数据 149
• 7．4 分析 153
• 7．4．1 模型驱动的分析 154
• 7．4．2 数据驱动的分析 155
• 7．5 可视化 156
• 7．5．1 可视化工具 157
• 7．5．2 gnuplot 158
• 7．5．3 matplotlib 160
• 7．5．4 Bokeh 165
• 7．5．5 Inkscape 167
• 7．6 本章小结 167
• 第8章 正则表达式 169
• 8．1 示例：杂乱的磁性 170
• 8．2 命令行中的元字符 171
• 8．2．1 用简单的模式
• 列出文件 172
• 8．2．2 根据模式全局查找
• 文件名（find） 173
• 8．3 grep、sed、awk 179
• 8．4 在文件中查找模式
• （grep） 179
• 8．5 在文件中查找和替换
• （sed） 181
• 8．5．1 查找和替换复杂
• 模式 183
• 8．5．2 sed额外内容 184
• 8．6 处理数据列（awk） 186
• 8．7 Python正则表达式 188
• 8．8 本章小结 190
• 第9章 NumPy：以数组的形式
• 思考 192
• 9．1 数组 193
• 9．2 dtype 195
• 9．3 切片和视图 198
• 9．4 算术和广播 200
• 9．5 花式索引 204
• 9．6 掩模 206
• 9．7 结构数组 209
• 9．8 通用函数 211
• 9．9 其他有用的函数 213
• 9．10 本章小结 215
• 第 10章 数据存储：文件和
• HDF5 216
• 10．1 Python中的文件 217
• 10．2 关于计算机架构的一些说明 221
• 10．3 HDF5中的重要思想 223
• 10．4 文件处理 225
• 10．5 层次布局 227
• 10．6 分块 229
• 10．7 核内和核外操作 233
• 10．7．1 核内 233
• 10．7．2 核外 234
• 10．8 查询 235
• 10．9 压缩 236
• 10．10 HDF5工具 237
• 10．11 本章小结 239
• 第 11章 物理中重要的数据
• 结构 240
• 11．1 散列表 240
• 11．1．1 调整大小 242
• 11．1．2 冲突 243
• 11．2 数据框 245
• 11．2．1 Series 246
• 11．2．2 DataFrame结构 247
• 11．3 B数 250
• 11．4 k-d树 252
• 11．5 本章小结 256
• 第 12章 并行化执行 258
• 12．1 规模和扩展能力 259
• 12．2 问题分类 261
• 12．3 示例：N体问题 262
• 12．4 非并行 263
• 12．5 线程 267
• 12．6 多处理 273
• 12．7 MPI 276
• 12．8 本章小结 281
• 第 13章 软件部署 283
• 13．1 部署软件本身 284
• 13．1．1 pip 285
• 13．1．2 Conda 289
• 13．1．3 虚拟机 292
• 13．1．4 Docker 293
• 13．2 部署到云端 297
• 13．3 在超算上部署 299
• 13．4 本章小结 300
• 第3部分 完善
• 第 14章 构建流程和软件 305
• 14．1 make 306
• 14．1．1 运行make 308
• 14．1．2 makefile 308
• 14．1．3 目标 309
• 14．1．4 特殊目标 311
• 14．2 构建和运行软件 312
• 14．2．1 Makefile配置 313
• 14．2．2 编译 316
• 14．3 安装 316
• 14．4 本章小结 317
• 第 15章 本地版本控制 318
• 15．1 什么是版本控制 318
• 15．1．1 计算物理中的
• 实验室笔记本 319
• 15．1．2 版本控制工具的
• 类型 320
• 15．2 Git起步 320
• 15．2．1 安装Git 321
• 15．2．2 获取帮助 321
• 15．2．3 控制Git的行为
• （git config） 322
• 15．3 使用Git进行本地版本
• 控制 323
• 15．3．1 创建本地库
• （git init） 323
• 15．3．2 暂存文件 325
• 15．3．3 检查本地副本的状态
• （git status） 326
• 15．3．4 保存快照
• (git commit) 326
• 15．3．5 git log：查看
• 历史 329
• 15．3．6 查看改动
• （git diff） 329
• 15．3．7 取消暂存或回滚文件
• （git reset） 330
• 15．3．8 丢弃提交
• （git revert） 331
• 15．3．9 列出、创建、删除分
• 支（git branch） 332
• 15．3．10 切换分支
• （git checkout） 334
• 15．3．11 合并分支
• （git merge） 334
• 15．3．12 处理冲突 336
• 15．4 本章小结 336
• 第 16章 远程版本控制 337
• 16．1 代码托管（github．com） 337
• 16．2 在GitHub上创建
• 代码库 339
• 16．3 声明远程库
• （git remote） 339
• 16．4 向远程库发送提交
• （git push） 340
• 16．5 下载代码库
• （git clone） 341
• 16．6 从远程库获取内容
• （git fetch） 344
• 16．7 合并远程库的内容
• （git merge） 345
• 16．8 Pull等于Fetch加Merge
• (git pull) 345
• 16．9 冲突 346
• 16．10 解决冲突 347
• 16．11 本章小结 348
• 第 17章 调试 350
• 17．1 遇到一个bug 351
• 17．2 print语句 352
• 17．3 交互式调试 354
• 17．4 在Pythong中调试
• （pdb） 355
• 17．4．1 设置跟踪点 356
• 17．4．2 步进 357
• 17．4．3 查询变量 358
• 17．4．4 设置状态 358
• 17．4．5 运行函数和
• 方法 359
• 17．4．6 继续执行 359
• 17．4．7 断点 360
• 17．5 剖析 360
• 17．5．1 使用pstats查看
• 剖析文件 361
• 17．5．2 可视化查看剖析
• 信息 361
• 17．5．3 使用Kernprof剖析
• 代码 364
• 17．6 linting 365
• 17．7 本章小结 366
• 第 18章 测试 368
• 18．1 为什么要做测试 369
• 18．2 什么时候写测试 369
• 18．3 在哪里编写测试 370
• 18．4 如何测试？测试哪些
• 内容 370
• 18．5 运行测试 373
• 18．6 边界情形 374
• 18．7 单元测试 376
• 18．8 集成测试 378
• 18．9 回归测试 380
• 18．10 测试生成器 380
• 18．11 测试覆盖 382
• 18．12 测试驱动开发 383
• 18．13 本章小结 386
• 第4部分 发布
• 第 19章 文档 389
• 19．1 为什么文档很重要 389
• 19．1．1 文档非常有价值 390
• 19．1．2 编写文档比想象的
• 要简单 390
• 19．2 文档类型 391
• 19．2．1 理论手册 391
• 19．2．2 用户和开 发 者
• 指南 392
• 19．2．3 readme文件 392
• 19．2．4 注释 393
• 19．2．5 自文档代码 395
• 19．2．6 文档字符串 396
• 19．3 自动化 397
• 19．4 本章小结 401
• 第 20章 出版 402
• 20．1 文档处理 403
• 20．1．1 格式和内容
• 分离 403
• 20．1．2 跟踪改动 404
• 20．2 文本编辑器 404
• 20．3 标记语言 405
• 20．3．1 LaTeX 406
• 20．3．2 参考文献 416
• 20．4 本章小结 419
• 第 21章 协作 421
• 21．1 任务单系统 422
• 21．1．1 工作流程概览 422
• 21．1．2 创建问题 424
• 21．1．3 分配问题 425
• 21．1．4 讨论问题 426
• 21．1．5 关闭问题 427
• 21．2 拉取请求和代码审查 427
• 21．2．1 提交拉取请求 428
• 21．2．2 审查合并请求 428
• 21．2．3 合并拉取请求 429
• 21．3 本章小结 429
• 第 22章 许可证、所有权和
• 版权 430
• 22．1 哪些内容可赋予版权 431
• 22．2 首 次发布权 431
• 22．3 什么是公共领域 432
• 22．4 选择一个软件许可证 432
• 22．5 伯克利软件发布
• 许可证（BSD） 434
• 22．6 GNU General Public
• License (GPL) 436
• 22．7 知识共享（CC） 437
• 22．8 其他许可证 438
• 22．9 更换许可证 440
• 22．10 版权不是一切 441
• 22．11 本章小结 442
• 第 23章 关于计算物理进一步
• 思考 443
• 术语 447

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