Python для инженерных задач. Самоучитель

Предисловие ................................................................................................................... 13 Для кого эта книга? ......................................................................................................... 13 Структура книги .............................................................................................................. 13 Благодарности ................................................................................................................. 16 Введение .......................................................................................................................... 17 Общие сведения о Python ............................................................................................... 17 Области применения Python .......................................................................................... 18 Зачем Python инженеру? ................................................................................................. 20 Типы языков программирования ................................................................................... 22 Компилируемые языки программирования ........................................................... 22 Интерпретируемые языки программирования ...................................................... 24 Языки программирования, компилируемые в байт-код ....................................... 25 Исходные коды к книге .................................................................................................. 27 ЧАСТЬ 1. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ И ВСТРОЕННЫЕ ТИПЫ .............................................. 29-ГЛАВА 1 - Первое знакомство с Python ........................................................................................ 31 У станов ка интерпретатора Python под Windows ......................................................... 31Hello, world! Работаем в интерактивном режиме ......................................................... 37 Создание переменных ..................................................................................................... 39 Заключение ...................................................................................................................... 43 -ГЛАВА2- Простейшие типы и математика в Python ............................................................... 45 Коротко о терминологии ................................................................................................ 45 Целые числа ..................................................................................................................... 46 Числа с плавающей точкой ............................................................................................ 47 Комплексные числа ......................................................................................................... 49 Логический (булев) тип переменных ............................................................................ 52 Объект None ..................................................................................................................... 53 Математические операторы ........................................................................................... 54 Приоритет операторов ............................................................................................. 57 Инструкции присваивания ...................................................................................... 58 Математические функции и модуль math .............................................................. 59 Модуль cmath ........................................................................................................... 65 Заключение ...................................................................................................................... 66-ГЛАВА3- Пишем скрипты на Python .......................................................................................... 68 Создание скриптов .......................................................................................................... 68 Выполнение скриптов ..................................................................................................... 70 Комментарии и указание кодировки файла скрипта ................................................... 72 Инструкция ветвления if ... elif ... else ........................................................................... 74 Переносы строк ............................................................................................................... 79 Выражение if ... else ........................................................................................................ 80 Цикл while ........................................................................................................................ 81 Оператор := ...................................................................................................................... 84 Инструкция assert ........................................................................................................... 86 Python Enhancement Proposals (РЕР) .............................................................................. 87 Заключение ...................................................................................................................... 88 -ГЛАВА4- Списки, кортежи и массивы ....................................................................................... 90 Способы хранения данных ............................................................................................. 90 Массивы .................................................................................................................... 90 Списки ....................................................................................................................... 92 Кортежи .................................................................................................................... 93 Создание списков ............................................................................................................ 94 Создание кортежей ......................................................................................................... 95 Создание массивов .......................................................................................................... 96 Преобразование списков, кортежей и массивов друг в друга .................................... 98 Доступ к элементам по индексу .................................................................................... 99 Срезы .............................................................................................................................. 101 Выполнение присваивания для сложных объектов. Операторы is и is not .............. 104 Операторы in и not in .................................................................................................... 109 Распаковка элементов коллекций ................................................................................ 109 Основные методы классов list, tuple и array ............................................................... 111 Заключение .................................................................................................................... 118 -ГЛАВА5- Перебор элементов коллекций ................................................................................. 119 Инструкция for ... in ...................................................................................................... 119 Создание списков с помощью инструкцииfоr ... in .................................................. 123Создание последовательности целых чисел. Класс range ......................................... 125Перебор элементов с нумерацией. Класс enumerate .................................................. 127Параллельный перебор элементов из нескольких коллекций. Класс zip ................. 128Заключение .................................................................................................................... 132-ГЛАВА6-Словари ......................................................................................................................... 133Что такое «словари» и зачем они нужны? .................................................................. 133Создание словарей ........................................................................................................ 134Основные операции со словарями ............................................................................... 136Ограничения на типы ключей ...................................................................................... 140Обход элементов словаря с помощью цикла/оr ........................................................ 141Заключение .................................................................................................................... 143-ГЛАВА 7-Множества .................................................................................................................... 144Что такое множества и зачем они нужны? ................................................................. 144Создание множеств ....................................................................................................... 144Создание неизменяемых множеств ............................................................................. 146Основные операции над множествами ....................................................................... 146Методы и операторы классов set иfrozenset ............................................................... 147Заключение .................................................................................................................... 152-ГЛАВА8-Строки ........................................................................................................................... 153Создание строк .............................................................................................................. 154Многострочные литералы ............................................................................................ 154Вставка символов Unicode ........................................................................................... 158«Сырые» строки ............................................................................................................ 159Создание строкового представления чисел и других объектов ................................ 160Базовые операции над строками .................................................................................. 160Некоторые методы класса str ....................................................................................... 162Заключение .................................................................................................................... 169-ГЛАВА 9-Форматирование строк .............................................................................................. 170Использование оператора % ........................................................................................ 171Использование метода format() .................................................................................... 1 77f-строки .......................................................................................................................... 181Заключение .................................................................................................................... 187 ЧАСТЬ 11. ОСНОВНЫЕ подходы ................................................................................ 189-ГЛАВА lОФункции ........................................................................................................................ 191Создание функций ........................................................................................................ 191«Утиная» типизация...................................................................................................... 19 5Именованные параметры функций ............................................................................. 197Параметры со значениями по умолчанию .................................................................. 198Функции с переменным числом позиционных параметров ...................................... 201Функции с переменным числом именованных параметров ...................................... 202Разделители параметров / и * ....................................................................................... 205Функции и глобальные переменные ........................................................................... 208Заключение .................................................................................................................... 211- ГЛАВА 11 -Функции как объекты ................................................................................................ 212Функция - это тоже объект ........................................................................................ 212Анонимные функции .................................................................................................... 214Строки документации ................................................................................................... 218Декораторы .................................................................................................................... 221Заключение .................................................................................................................... 228-ГЛАВА 12-Модули и пакеты модулей ......................................................................................... 229Создание и импорт модулей ........................................................................................ 229Выполнение кода модулей при импорте. Переменные _пате_ и _file_ .......... 232Пакеты модулей ............................................................................................................ 236Заключение .................................................................................................................... 240- ГЛАВА 13 -Объектно-ориентированное проrраммирование. Создание классов ................ 241Что такое объектно-ориентированное программирование? ..................................... 241Создание классов .......................................................................................................... 244Видимость полей и методов классов ........................................................................... 248Свойства ......................................................................................................................... 251Поля класса .................................................................................................................... 252Методы класса ............................................................................................................... 255Статические методы ..................................................................................................... 257Заключение .................................................................................................................... 259 -ГЛАВА 14-Объектно-ориентированное программирование.Наследование и полиморфизм .................................................................................. 260Что такое наследование классов? ................................................................................ 260Наследование классов ................................................................................................... 260Абстрактные базовые классы ....................................................................................... 267Что такое полиморфизм? .............................................................................................. 273Множественное наследование ..................................................................................... 273Функции для определения родительских отношений классов. Класс object .......... 280Заключение .................................................................................................................... 282-ГЛАВА 15-«Магические» методы классов и перегрузка операторов ................................... 284«Магические» методы классов .................................................................................... 284Примеры перегрузки операторов ................................................................................ 286Заключение .................................................................................................................... 296-ГЛАВА 16-Сторонние библиотеки и инструменты для работы с ними ............................... 298У станов ка пакетов с помощью pip .............................................................................. 298Файл зависимостей requirements.txt ............................................................................ 304Обновление и удаление пакетов .................................................................................. 305Заключение .................................................................................................................... 307-ГЛАВА 17-Виртуальные окружения ........................................................................................... 308Программа venv ............................................................................................................. 308Работа с виртуальными окружениями ........................................................................ 311Программа Poetry ................................................................................................... 311Создание проекта с помощью Poetry. Файл pyproject. toml ........................ 312Создание виртуального окружения для проекта с помощью Poetry ......... 315Менеджер пакетов и проектов uv ......................................................................... 319Создание проекта с помощью uv .................................................................. 320Создание виртуального окружения для проекта с помощью uv ............... 322Заключение .................................................................................................................... 326- ГЛАВА 18 -Аннотации типов ......................................................................................................... 328Проблемы динамической типизации ........................................................................... 328Что такое «аннотации типов» и зачем они нужны? ................................................... 329Знакомство с Муру ................................................................................................ 331 Указание простейших типов и коллекций .................................................................. 332Обобщенные типы ........................................................................................................ 338Заключение .................................................................................................................... 342-ГЛАВА 19-Обработка исключений ............................................................................................. 344Обработка ошибок без использования исключений .................................................. 344Что такое исключения, как и зачем их ловить? .................................................. 345Перехват исключений ................................................................................................... 349Пользовательские исключения. Наследование исключений .................................... 352Конструкция try ... except ... else ... finally ................................................................ 358Заключение .................................................................................................................... 363- ГЛАВА 20-Запись и чтение файлов ............................................................................................. 364Открытие файла и запись текстовых данных ............................................................. 364Закрытие файлов. Инструкция with ............................................................................. 369Чтение текстовых данных ............................................................................................ 371Двоичные строки ........................................................................................................... 373Запись и чтение двоичных данных .............................................................................. 378Коротко о сериализации и десериализации ................................................................ 383Заключение .................................................................................................................... 386-ГЛАВА21-Работа с файловой системой ..................................................................................... 387Проблема формирования путей до файлов ................................................................. 387Формирование путей до файлов. Модуль os.path ...................................................... 388Формирование путей до файлов. Модуль pathlib ...................................................... 395Создание, копирование, перемещение и удаление файлов и каталогов .................. 399Создание пустых файлов ....................................................................................... 399Создание каталогов ................................................................................................ 399Копирование файлов ............................................................................................. 401Копирование каталогов ......................................................................................... 403Удаление файлов и каталогов ............................................................................... 404Переименование и перемещение файлов и каталогов ........................................ 405Заключение .................................................................................................................... 408-ГЛАВА22-Передача параметров через командную строку .................................................... 410Зачем это надо? ............................................................................................................. 410Разбор параметров командной строки без использования библиотек ..................... 412 Разбор командной строки с помощью модуля argparse ........................................... .415Заключение .................................................................................................................... 425-ГЛАВА23-Регулярные выражения ............................................................................................. 427Что такое «регулярные выражения» и когда их используют? .................................. 427Символы подстановки .................................................................................................. 428Параметры регулярных выражений ............................................................................ 433Инструкции группировки ............................................................................................. 434Поиск и замена с помощью регулярных выражений ................................................ .440Коротко про функции из модуля re ............................................................................. 444Заключение .................................................................................................................... 444-ГЛАВА 24-Тестирование приложений ........................................................................................ 446Зачем нужны тесты, и какие они бывают? ................................................................. 446Создание тестов с помощью модуля unittest .............................................................. 447Добавим еще тесты ....................................................................................................... 453Подготовка данных для тестов .................................................................................... 456Способы запуска тестов ............................................................................................... 458Тесты в строках документации .................................................................................... 460Заключение .................................................................................................................... 464ЧАСТЬ 111. PYTHON ДЛЯ НАУЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ................................................. 467-ГЛАВА 25-Массивы из библиотеки N umPy ............................................................................... 469Массивы NumPy : ........................................................................................................... 469Способы создания массивов ........................................................................................ 472Основные операции над массивами ............................................................................ 4 77Индексация, срезы и виды ............................................................................................ 480Формы массивов ............................................................................................................ 484Транслирование (broadcasting) ..................................................................................... 490Булевы массивы и фильтрация элементов по условию ............................................. 492Использование целочисленных массивов в качестве индексов ............................... 495Заключение .................................................................................................................... 496-ГЛАВА 26-Форматы файлов для хранения числовых данных .............................................. 498Текстовые файлы, хранящие данные в столбцах ....................................................... 498Работа с данными в формате CSV ............................................................................... 504 Файлы форматов NPY и NPZ ....................................................................................... 506Файлы формата HDF5 ................................................................................................... 508Создание файлов в формате HDF5 ....................................................................... 509Сторонние приложения для работы с файлами формата HDF5 ........................ 511Чтение файлов в формате HDF5 ........................................................................... 513Другие форматы данных .............................................................................................. 514Заключение .................................................................................................................... 515-ГЛАВА27-Основы построения графиков с помощью библиотеки Matplotlib ................... 517Установка библиотеки и первые примеры графиков ................................................ 517Настройка внешнего вида кривых на графиках ......................................................... 521Способы задания цвета .......................................................................................... 522Стили линий ........................................................................................................... 524Маркеры .................................................................................................................. 525Краткий способ задания внешнего вида кривых ................................................ 528Несколько графиков в одних осях ............................................................................... 528Добавление легенды ..................................................................................................... 530Создание нескольких графиков в одном окне на разных осях ................................. 532Настройка осей графика ............................................................................................... 535Объектно-ориентированный подход к построению графиков ................................. 540Заключение .................................................................................................................... 545-ГЛАВА28-Построение с помощью библиотеки Matplotlib более сложных графиков ...... 547Диаграммы рассеяния ................................................................................................... 54 7Графики в полярной системе координат .................................................................... 550Столбчатые диаграммы ................................................................................................ 553Круговые диаграммы .................................................................................................... 558Построение трехмерных графиков .............................................................................. 562Линии уровня ................................................................................................................. 571Отображение векторов ................................................................................................. 575Заключение .................................................................................................................... 579- ГЛАВА 29-Знакомство с Pandas ................................................................................................... 581Установка библиотеки Pandas ...................................................................................... 581Чтение файлов в формате CSV .................................................................................... 582Создание экземпляров класса DataFrame ................................................................... 589Выбор элементов и фильтрация данных из DataFrame ............................................ 591Обработка данных с помощью DataFrame ................................................................. 598Группировка .................................................................................................................. 607Заключение .................................................................................................................... 611-ГЛАВА 30-Библиотека SciPy: решение сложных научных и инженерных задач .............. 613Физические константы и специальные математические функции ........................... 613Преобразование Фурье ................................................................................................. 619Заключение .................................................................................................................... 640- ГЛАВА 31 -Интерактивные среды IPython и JupyterLab ........................................................ 642IPython - более удобный REPL .................................................................................. 642От IPython к JupyterLab ................................................................................................ 648Заключение .................................................................................................................... 659Заключение ко всей книге ......................................................................................... 661Литература ................................................................................................................... 662Предметный указатель .............................................................................................. 663