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Python科学计算

Python科学计算

作者：张若愚
出版社：清华大学出版社
出版年： 2012-1
页数： 621
定价： 98.00元
装帧：平装
ISBN： 9787302273608

评分

8.0

162人已评价

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35.2%
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内容简介

本书介绍如何用Python开发科学计算的应用程序，除了介绍数值计算之外，还着重介绍如何制作交互式的2D、3D图像，如何设计精巧的程序界面，如何与C语言编写的高速计算程序结合，如何编写声音、图像处理算法等内容。书中涉及的Python扩展库包括NumPy、SciPy、SymPy、matplotlib、Traits、TraitsUI、Chaco、TVTK、Mayavi、VPython、OpenCV...

作者简介

张若愚，毕业于华中理工大学(现华中科技大学)通信工程专业，2004年获日本姬路工业大学(现兵库县立大学)硕士学位。毕业后于日本神户制钢综合研究所从事研究开发工作至今，研究方向为：嵌入式DSP信号处理系统开发，嵌入式MCU控制系统开发，工业控制软件开发，信号处理、数据处理以及生产系统的计算机模拟。在工作中他积极采用Python作为主要编程语言，在数据处理、信号分析、工业控制、算法模拟等领域取得...

目录

目录

第1章软件包的安装和介绍 ....................1

1.1 Python简介 .................................

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目录

第1章软件包的安装和介绍 ....................1

1.1 Python简介 ......................................1

1.2 安装软件包 ......................................2

1.2.1 Python(x,y)..................................... 2

1.2.2 Enthought Python Distribution (EPD) ............................................. 3

1.3 方便的开发工具 ..............................3

1.3.1 IPython ........................................... 4

1.3.2 Spyder ............................................ 8

1.3.3 Wing IDE 101 .............................. 12

1.4 函数库介绍 ....................................13

1.4.1 数值计算库 ................................. 13

1.4.2 符号计算库 ................................. 14

1.4.3 界面设计 ..................................... 14

1.4.4 绘图与可视化 ............................. 14

1.4.5 图像处理和计算机视觉 .............. 15

第2章 NumPy——快速处理数据 .......... 16

2.1 ndarray对象 ...................................16

2.1.1 创建数组 ..................................... 16

2.1.2 存取元素 ..................................... 21

2.1.3 多维数组 ..................................... 24

2.1.4 结构数组 ..................................... 29

2.1.5 内存结构 ..................................... 32

2.2 ufunc运算 ......................................35

2.2.1 四则运算 ..................................... 37

2.2.2 比较和布尔运算 ......................... 39

2.2.3 自定义ufunc函数 ...................... 40

2.2.4 广播 ............................................. 42

2.2.5 ufunc函数的方法 ....................... 46

2.3 多维数组的下标存取 ....................48

2.3.1 下标对象 ..................................... 48

2.3.2 整数数组作为下标 ..................... 49

2.3.3 一个复杂的例子 ......................... 51

2.3.4 布尔数组作为下标 ..................... 53

2.4 庞大的函数库 ............................... 54

2.4.1 求和、平均值、方差 ................. 54

2.4.2 最值和排序 ................................. 55

2.4.3 多项式函数 ................................. 57

2.4.4 分段函数 ..................................... 60

2.4.5 统计函数 ..................................... 62

2.5 线性代数 ....................................... 65

2.5.1 各种乘积运算 ............................. 65

2.5.2 解线性方程组 ............................. 67

2.6 掩码数组 ....................................... 69

2.7 文件存取 ....................................... 72

2.8 内存映射数组 ............................... 75

第3章 SciPy——数值计算库 ................. 79

3.1 常数和特殊函数 ........................... 79

3.2 优化——optimize .......................... 81

3.2.1 最小二乘拟合 ............................. 81

3.2.2 函数最小值 ................................. 84

3.2.3 非线性方程组求解 ..................... 86

3.3 插值——interpolate ....................... 88

3.3.1 B样条曲线插值 .......................... 88

3.3.2 外推和Spline拟合 ..................... 90

3.3.3 二维插值 ..................................... 91

3.4 数值积分——integrate .................. 93

3.4.1 球的体积 ..................................... 93

3.4.2 解常微分方程组 ......................... 95

3.5 信号处理——signal ....................... 97

VIII

Python 科学计算

目录

3.5.1 中值滤波 ..................................... 97

3.5.2 滤波器设计 ................................. 98

3.6 图像处理——ndimage .................100

3.6.1 膨胀和腐蚀 ............................... 101

3.6.2 Hit和Miss ................................. 102

3.7 统计——stats ................................105

3.7.1 连续和离散概率分布................ 105

3.7.2 二项、泊松、伽玛分布 ............ 108

3.8 嵌入C语言程序——weave ........112

第4章 SymPy——符号运算好帮手 .... 115

4.1 从例子开始 ..................................115

4.1.1 封面上的经典公式.................... 115

4.1.2 球体体积 ................................... 117

4.2 数学表达式 ..................................119

4.2.1 符号 ........................................... 119

4.2.2 数值 ........................................... 121

4.2.3 运算符和函数 ........................... 122

4.3 符号运算 ......................................125

4.3.1 表达式变换和化简.................... 125

4.3.2 方程 ........................................... 128

4.3.3 微分 ........................................... 129

4.3.4 微分方程 ................................... 130

4.3.5 积分 ........................................... 131

4.4 其他功能 ......................................133

4.4.1 平面几何 ................................... 133

4.4.2 绘图 ........................................... 135

第5章 matplotlib——绘制精美的图表 ..................................... 139

5.1 快速绘图 ......................................139

5.1.1 使用pyplot模块绘图 ............... 139

5.1.2 以面向对象方式绘图................ 142

5.1.3 配置属性 ................................... 143

5.1.4 绘制多个子图 ........................... 145

5.1.5 配置文件 ................................... 147

5.1.6 在图表中显示中文.................... 149

5.2 Artist对象 ................................... 152

5.2.1 Artist对象的属性 ..................... 154

5.2.2 Figure容器 ................................ 155

5.2.3 Axes容器 .................................. 156

5.2.4 Axis容器 ................................... 159

5.2.5 Artist对象的关系 ..................... 163

5.3 坐标变换和注释 ......................... 164

5.3.1 4种坐标系 ................................ 167

5.3.2 坐标变换的步骤 ....................... 169

5.3.3 制作阴影效果 ........................... 173

5.3.4 添加注释 ................................... 174

5.4 绘图函数简介 ............................. 177

5.4.1 对数坐标图 ............................... 177

5.4.2 极坐标图 ................................... 178

5.4.3 柱状图 ....................................... 179

5.4.4 散列图 ....................................... 180

5.4.5 图像 ........................................... 181

5.4.6 等值线图 ................................... 184

5.4.7 三维绘图 ................................... 187

第6章 Traits——为Python添加类型定义 ......................................... 190

6.1 开发背景 ..................................... 190

6.2 Trait属性的功能 ......................... 192

6.3 Trait类型对象 ............................. 196

6.4 Trait的元数据 ............................. 198

6.5 预定义的Trait类型 .................... 200

6.6 Property属性 ............................... 204

6.7 Trait属性监听 ............................. 206

6.8 Event和Button属性 .................. 210

6.9 Trait属性的从属关系 ................. 211

6.10 动态添加Trait属性 .................. 213

6.11 创建自己的Trait类型 .............. 215

6.11.1 从TraitType继承 ................. 215

6.11.2 使用Trait() ............................ 217

6.11.3 定义TraitHandler类 ............. 219

IX

目

录

第7章 TraitsUI——轻松制作用户界面 ......................................... 221

7.1 默认界面 ......................................221

7.2 用View定义界面 ........................222

7.2.1 外部视图和内部视图................ 222

7.2.2 多模型视图 ............................... 226

7.2.3 Group对象 ................................ 228

7.2.4 配置视图 ................................... 231

7.3 用Handler控制界面和模型 .......232

7.3.1 用Handler处理事件 ................. 233

7.3.2 Controller和UIInfo对象.......... 237

7.3.3 响应Trait属性的事件 .............. 238

7.4 属性编辑器 ..................................240

7.4.1 编辑器演示程序 ....................... 241

7.4.2 对象编辑器 ............................... 243

7.4.3 字符串列表编辑器.................... 248

7.4.4 对象列表编辑器 ....................... 250

7.5 菜单、工具条和状态栏 ..............252

7.6 设计自己的编辑器 ......................255

7.6.1 Trait编辑器的工作原理 ........... 255

7.6.2 制作matplotlib的编辑器 ......... 259

7.6.3 CSV数据绘图工具 ................... 262

第8章 Chaco——交互式图表 ............. 264

8.1 面向脚本绘图 ..............................264

8.2 面向应用绘图 ..............................265

8.2.1 多条曲线 ................................... 267

8.2.2 Plot对象的结构 ........................ 271

8.2.3 编辑绘图属性 ........................... 275

8.2.4 容器(Container) ......................... 276

8.3 添加交互工具 ..............................279

8.3.1 平移和缩放 ............................... 279

8.3.2 选取范围 ................................... 282

8.3.3 选取数据点 ............................... 284

8.3.4 套索工具 ................................... 287

8.4 二次开发 ......................................289

8.4.1 用Kiva库在数组上绘图 .......... 290

8.4.2 Enable库的组件 ....................... 292

8.4.3 设计圆形选择工具 ................... 297

8.4.4 制作动画演示 ........................... 301

第9章 TVTK——数据的三维可视化 .... 303

9.1 流水线(Pipeline) .......................... 304

9.1.1 显示圆锥 ................................... 304

9.1.2 用ivtk观察流水线 ................... 307

9.2 数据集(Dataset) ........................... 313

9.2.1 ImageData .................................. 313

9.2.2 RectilinearGrid ........................... 318

9.2.3 StructuredGrid............................ 319

9.2.4 PolyData .................................... 321

9.3 可视化实例 ................................. 324

9.3.1 切面 ........................................... 325

9.3.2 等值面 ....................................... 330

9.3.3 流线 ........................................... 333

9.4 TVTK的改进 .............................. 337

9.4.1 TVTK的基本用法 .................... 338

9.4.2 Trait属性 ................................... 339

9.4.3 序列化(Pickling) ........................ 339

9.4.4 集合迭代 ................................... 340

9.4.5 数组操作 ................................... 341

第10章 Mayavi——更方便的可视化 .... 343

10.1 用mlab快速绘图 ..................... 343

10.1.1 点和线 ................................... 343

10.1.2 Mayavi的流水线 .................. 345

10.1.3 二维图像的可视化 ............... 348

10.1.4 网格面 ................................... 352

10.1.5 修改和控制流水线 ............... 356

10.1.6 标量场 ................................... 358

10.1.7 矢量场 ................................... 361

10.2 Mayavi和TVTK之间的关系 ....................................... 363

10.2.1 显示TVTK流水线 .............. 363

10.2.2 两条流水线之间的关系 ....... 365

X

Python 科学计算

目录

10.3 Mayavi应用程序 .......................367

10.3.1 操作流水线 ........................... 368

10.3.2 命令行和对象浏览器 ........... 371

10.4 将Mayavi嵌入到界面中 ..........374

第11章 VPython——制作3D演示动画 ...................................... 378

11.1 场景、物体和照相机 ................378

11.1.1 控制场景窗口 ....................... 380

11.1.2 控制照相机 ........................... 383

11.1.3 模型的属性 ........................... 384

11.1.4 三维模型 ............................... 387

11.2 制作动画演示 ............................390

11.2.1 简单动画 ............................... 390

11.2.2 盒子中反弹的球 ................... 391

11.3 与场景交互 ................................393

11.3.1 响应键盘事件 ....................... 394

11.3.2 响应鼠标事件 ....................... 394

11.4 用界面控制场景 ........................397

11.5 创建复杂模型 ............................400

11.5.1 faces()的用法 ........................ 400

11.5.2 读入模型数据 ....................... 402

第12章 OpenCV——图像处理和计算机视觉 ...................................... 408

12.1 存储图像数据的Mat对象 ........409

12.1.1 Mat对象和NumPy数组 ..... 410

12.1.2 像素点类型 ........................... 414

12.1.3 其他数据类型 ....................... 415

12.1.4 Vector类型 ........................... 417

12.1.5 在图像上绘图 ....................... 418

12.2 图像处理 ....................................421

12.2.1 二维卷积 ............................... 421

12.2.2 形态学运算 ........................... 424

12.2.3 填充——floodFill .................. 426

12.2.4 去瑕疵——inpaint ................. 427

12.3 图像变换 ....................................428

12.3.1 几何变换 ............................... 428

12.3.2 重映射——remap .................. 430

12.3.3 直方图统计 ........................... 433

12.3.4 二维离散傅立叶变换 ........... 437

12.4 图像识别 ................................... 440

12.4.1 用霍夫变换检测直线和圆 ....................................... 440

12.4.2 图像分割 ............................... 444

12.4.3 用SURF进行特征匹配 ....... 450

第13章数据和文件 ............................ 453

13.1 声音的输入输出 ....................... 453

13.1.1 读写WAV文件 ................... 453

13.1.2 用pyAudio播放和录音 ....... 456

13.2 视频的输入输出 ....................... 459

13.2.1 读写视频文件 ....................... 459

13.2.2 安装视频编码 ....................... 464

13.3 读写HDF5文件 ....................... 465

13.4 读写Excel文件 ........................ 469

13.4.1 写Excel文件 ........................ 469

13.4.2 读Excel文件 ........................ 471

第14章数字信号系统 ......................... 473

14.1 FIR和IIR滤波器 ..................... 473

14.2 FIR滤波器设计 ........................ 477

14.2.1 用firwin()设计滤波器 .......... 479

14.2.2 用remez()设计滤波器 .......... 481

14.2.3 滤波器的级联 ....................... 483

14.3 IIR滤波器设计 ......................... 485

14.3.1 巴特沃斯低通滤波器 ........... 485

14.3.2 双线性变换 ........................... 487

14.3.3 滤波器的频带转换 ............... 490

14.4 数字滤波器的频率响应 ........... 494

14.5 二次均衡滤波器设计工具 ....... 497

14.6 零相位滤波器 ........................... 500

14.7 重取样 ....................................... 501

XI

目

录

第15章频域信号处理 ........................ 505

15.1 FFT演示程序 ............................505

15.1.1 FFT知识复习 ....................... 505

15.1.2 合成时域信号 ....................... 509

15.1.3 三角波FFT演示程序 .......... 511

15.2 观察信号的频谱 ........................512

15.2.1 窗函数 ................................... 515

15.2.2 频谱平均 ............................... 517

15.2.3 谱图 ....................................... 519

15.3 卷积运算 ....................................522

15.3.1 快速卷积 ............................... 522

15.3.2 分段运算 ............................... 524

15.4 信号处理 ....................................526

15.4.1 基本框架 ............................... 527

15.4.2 频域滤波器 ........................... 528

15.4.3 频率变调处理 ....................... 530

15.4.4 用谱图差减法降噪 ............... 531

15.5 Hilbert变换 ................................532

第16章用C语言提高计算效率 ......... 537

16.1 用ctypes调用DLL库 ..............537

16.2 用Weave嵌入C++程序 ...........541

16.2.1 Weave的工作原理 ............... 541

16.2.2 处理NumPy数组 ................. 543

16.2.3 使用blitz()提速..................... 546

16.2.4 扩展模块 ............................... 548

16.3 用Cython将Python编译成C ............................................549

16.3.1 编译Cython程序 ................. 549

16.3.2 提高计算效率 ....................... 550

16.3.3 快速访问NumPy数组 ......... 553

16.4 用SWIG创建扩展模块 ............555

16.4.1 SWIG的调用方法和实例 .................................. 555

16.4.2 SWIG基础 ............................ 558

16.4.3 SWIG处理NumPy数组 ...... 566

第17章自适应滤波器 ......................... 571

17.1 自适应滤波器简介 ................... 571

17.1.1 系统识别 ............................... 571

17.1.2 信号预测 ............................... 572

17.1.3 信号均衡 ............................... 572

17.2 NLMS计算公式 ....................... 573

17.3 用NumPy实现NLMS算法 .... 575

17.3.1 系统辨识模拟 ....................... 577

17.3.2 信号均衡模拟 ....................... 579

17.3.3 卷积逆运算 ........................... 581

17.4 用C语言加速NLMS运算...... 583

17.4.1 用SWIG编写扩展模块 ....... 583

17.4.2 用Weave嵌入C++程序 ...... 586

第18章单摆和双摆模拟 ..................... 588

18.1 单摆模拟 ................................... 588

18.1.1 小角度时的摆动周期 ........... 589

18.1.2 大角度时的摆动周期 ........... 590

18.2 双摆模拟 ................................... 592

18.2.1 公式推导 ............................... 592

18.2.2 微分方程的数值解 ............... 595

18.2.3 动画演示 ............................... 598

第19章分形几何 ................................ 599

19.1 Mandelbrot集合 ........................ 599

19.1.1 使用NumPy加速计算 ......... 601

19.1.2 使用Weave加速计算 .......... 603

19.1.3 连续的逃逸时间 ................... 604

19.1.4 Mandelbrot演示程序 ........... 605

19.2 迭代函数系统(IFS) ................... 606

19.2.1 二维仿射变换 ....................... 610

19.2.2 迭代函数系统设计器 ........... 610

19.3 L-System分形 ........................... 613

19.4 分形山脉 ................................... 616

19.4.1 一维中点移位法 ................... 616

19.4.2 二维中点移位法 ................... 618

19.4.3 菱形方形算法 ....................... 619

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0 e21tian 2011-12-26

通往Python领域不可多得的一本好书，力荐!!!
0 redaready-王亮 2012-01-02

好人好书
0 Boite 2016-03-01

life is short, u need python
0 小羽 2016-10-22

一般般
0 HYRY 2011-12-26

这本书的编写耗时2年多，虽然在写作过程中收到过500多份问卷调查，但是在国内用Python做科学计算还是非常小众的。因此十分感谢清华大学出版社对本书的支持。希望它能起到抛砖引玉的作用。
0 阿斯巴甜 2014-05-23

python2.6
0 tsurara 2016-11-28

编程方面的纸质书虽然赶不上实际代码的更新，但是还是能提供大思路的。在实际需要的时候可以去网上查。
0 Optical 2013-06-30

入个门足够了，numpy 的相关介绍很到位，有助于读者接下去看明白 numpy 以及 scipy 的帮助……
0 卡比兽 2012-01-07

大概记得11年读大四的时候，在网上就看到了这本关于python的书了，当时是在作者的网站上发现它的（那时书还没有出版），而且作者还很热心地提供这本书的电子版，粗略看了后发现这本书实在太全面了，几乎把关于python的计算方面的内容都讲了，似乎借助这些python库可以完全摆脱matlab的使用。而且作者分章讲解、图形结合，让人看了后很是了然。应该说这本书的确是一本集python科学计算于大乘的经典书，在此向使用python的广大科技工作者推荐此书。
0 既济 2013-01-26

非常不错

4 M. Tong 2012-03-24

国内还是有人认真写书的。Python有一统天下的趋势。。。
1 达令你快乐吗 2014-07-16

当个手册查还好。
1 大米粒 2013-05-30

图书馆借书，有位朋友和我抢
1 煎挠橙 2014-02-08

后面信号处理部分没看。确实有的地方是照着官方文档翻译的，不过仔细看过发现还是有不少亮点，比如：numpy里面ndarray在内存上的实现方法；matplotlib里各类的继承关系的介绍等，还没在别处见过。总的来说很系统，涵盖面广，但篇幅所限，每一块来看就不那么过瘾。另外这毕竟是国人写的书，相比英文书好懂些，相比翻译书语言不操蛋，做入门做参看都不错。
1 知北游 2016-01-04

内容写得像作者的笔记，只有内容没有逻辑，作者水平应该很棒但本书明显没用心。
0 e21tian 2011-12-26

通往Python领域不可多得的一本好书，力荐!!!
0 redaready-王亮 2012-01-02

好人好书
0 Boite 2016-03-01

life is short, u need python
0 小羽 2016-10-22

一般般
0 HYRY 2011-12-26

这本书的编写耗时2年多，虽然在写作过程中收到过500多份问卷调查，但是在国内用Python做科学计算还是非常小众的。因此十分感谢清华大学出版社对本书的支持。希望它能起到抛砖引玉的作用。

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Python科学计算
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11有用 yinxb 2012-01-29

1、这本书在策划出版的将近1年时间内，网上持续有部分内容的放送，供读者参考。使用python进行数值计算的圈子应该还不算大，上述举措的确锁定了部分读着，吊足了胃口。2、本数的内容较之前网上的版本，有很... 查看全部>>

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第2版更新内容
2有用 Louise 2016-05-23

Python世界的发展日新月异，在本书第1版出版之后，Python在数据分析、科学计算领域又出现了许多令人兴奋的进展：●IPython从增强的交互式解释器发展到JupyterNotebook项目，它已... 查看全部>>
第1版序
1有用 Louise 2016-05-23

第1版序Python理所当然地被视为一门通用的程序设计语言，非常适合于网站开发、系统管理以及通用的业务应用程序。它为诸如YouTube这样的网站系统、RedHat操作系统中不可或缺的安装工具以及从云管... 查看全部>>
Python科学计算
0有用涅瓦纳 2014-04-10

本书介绍如何用Python开发科学计算的应用程序，除了介绍数值计算之外，还着重介绍如何制作交互式的2D、3D图像，如何设计精巧的程序界面，如何与C语言编写的高速计算程序结合，如何编写声音、图像处理算法... 查看全部>>

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