Python建模和模擬: 科學家與工程師的入門指南

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【簡介】 學習如何利用Python來充分發揮建模和模擬的潛力，建立逼真的模型，輕鬆解決複雜而重要的問題。 釋放預測的力量，本書揭開了宇宙的秘密並掌握預測的藝術！從帝國大廈投擲一分錢到一杯咖啡的溫度變化，您將學習如何建立模型、編寫Python程式來類比它們、並使用這些模型來預測和解釋系統的行為。利用迭代建模、分析、符號計算等方法，實作從共享自行車系統到人口模型等各種模型。 本書非常適合希望提高對模型和模擬理解能力的各領域學生和專業人士。讀者無需具備程式設計、科學或工程方面的知識。每章都有一個可下載的Jupyter筆記本，您可以輕鬆使用程式碼進行實驗，並學以致用。 透過本書您將可以： *建立世界人口模型、預測增長極限並進行未來預測 *模擬傳染病的傳播和廣泛接種疫苗的影響 *分析葡萄糖和胰島素在濃度隨時間變化時的交互作用 *探索棒球等投擲物和溜溜球等旋轉物體的物理學原理 *使用優化方法來確定在芬威球場擊出全壘打所需的力度 【目錄】 【PART 1 離散系統】 第1章 建模導論 　建模框架 　檢驗硬幣掉落的迷思 　Python 計算 　 第2章 自行車共享系統建模 　我們的自行車共享模型 　定義函數 　列印敘述 　if 敘述 　參數 　for 迴圈 　TimeSeries 　繪圖 第3章 迭代建模 　迭代我們的自行車共享模型 　使用多個狀態物件 　說明文件 　處理負自行車 　比較運算子 　度量介紹 　 第4章 參數和度量 　傳回值的函數 　迴圈和陣列 　掃描參數 　增量式開發 　總結 　習題 　 第5章 建構人口模型 　探索資料 　絕對誤差和相對誤差 　人口增長建模 　模擬人口增長 第6章 迭代人口模型 　System 物件 　比例增長模型 　分解更新函數 　結合出生與死亡 第7章 增長的限制 　二次增長 　淨增長 　尋找平衡 　問題函數 第8章 推測未來 　產生推測 　比較推測 第9章 分析和符號計算 　差分方程式 　微分方程式 　解析與模擬 　使用 WolframAlpha 進行解析 　使用 SymPy 進行解析 　SymPy 中的微分方程式 　求解二次增長模型 第10章 案例研究(1) 　歷史世界人口 　一個佇列還是兩個佇列？ 　預測鮭魚數量 　樹木生長 【PART II 一階系統】 第11章 流行病學和 SIR 模型 　新鮮人瘟疫 　Kermack-McKendrick 模型 　KM 方程式 　實作 KM 模型 　更新函數 　執行模擬 　蒐集結果 　現在使用 TimeFrame 　 第12章 量化干預措施 　免疫接種的效果 　選擇度量 　掃描免疫接種 第13章 掃描參數 　掃描 Beta 　掃描 Gamma 　使用 SweepFrame 第14章 無維度化 　beta 和 gamma 　探索結果 　接觸數 　解析和模擬的比較 　估計接觸數 第15章 熱系統 　咖啡冷卻問題 　溫度和熱量 　熱傳遞 　牛頓冷卻定律 　實作牛頓冷卻 　求根 　估計 r 　 第16章 解咖啡問題 　混合液體 　先混合還是最後混合？ 　最佳時機 　解析解 　 第17章 血糖建模 　最小模型 　葡萄糖最小模型 　獲取資料 　內插 第18章 實作最小模型 　實作模型 　更新函數 　執行模擬 　求解微分方程式 第19章 案例研究(2) 　重新審視最小模型 　胰島素最小模型 　低通濾波器 　牆壁的熱行為 　HIV 【PART III 二階系統】 第20章 重溫掉落的硬幣 　牛頓第二運動定律 　掉落的硬幣 　事件函數 　 第21章 拖曳 　計算拖曳力 　Params 物件 　模擬硬幣掉落 第22章 二維運動 　假設和決策 　向量 　模擬棒球飛行 　拖曳力 　添加事件函數 　視覺化軌跡 　棒球動畫 第23章 優化 　Manny Ramirez 問題 　尋找射程 　總結 第24章 迴轉 　衛生紙的物理學 　設定參數 　模擬系統 　繪製結果 　解析解 第25章 力矩 　角加速度 　轉動慣量 　茶壺和轉盤 　雙相模擬 　估計摩擦力 　轉盤動畫 第26章 案例研究(3) 　高空彈跳 　重溫高空彈跳灌籃 　環繞太陽運行 　蜘蛛人 　小貓 　模擬溜溜球 　恭喜您 附錄　內部玄機 　run_solve_ivp 的工作原理 　root_scalar 的工作原理 　maximize_scalar 的工作原理

向大師借點子：跟著偉大科學家、工程師與數學家這樣玩STEAM Copycat Science: Step into the shoes of the world's greatest scientists! (1版)

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內容簡介 　　英國科普大神 麥可．巴菲爾德(Mike Barfield) 的超有趣全圖解暢銷科學經典 　　“看看大師們的小故事，簡單體驗他們的研究或實驗，真正了解這些偉大的發現！” 　　原來科學領域可以這麼好玩！ 　　想培養科學跨領域素養或喜歡科學的 　　小孩與大朋友都應該擁有的一本書 　　用看的就可以長知識‧動手做就能賺經驗 　　和愛因斯坦一起做實驗，與愛迪生一起創造，跟牛頓、達爾文一起發現… 　　讓37位大師同時變成你的專屬老師，幫你成為一位點子科學家！ 　　所有傑出的科學家都會學習前人的成果，跟著這本圖畫書一起了解知名科學家、 　　數學家與工程師們的背景與發現，並動手試試他們神奇的研究與實驗， 　　如：變色水、飛行測試、味覺問題、大腦遊戲、視覺奇幻術、指紋偵探、 　　水魔法、製造聲波、光的幻術、來自星星的你、掌中數學…等。 　　當科學變成好像是遊戲、魔法或魔術一樣時，科學就會變得很好玩， 　　現在就開始你的超有趣科學之旅！ 　　‧涵蓋科學領域為主的多面向主題 　　‧介紹每位偉大學者的小故事與發現成果 　　‧對應科學家發現成果的有趣小實驗或實作 　　‧運用日常中的物品就能動手做 　　‧提供啟發思考的有趣小問題與解答 　　‧擁有超級豐富的全彩插圖圖解 　　‧充滿活潑逗趣的對話與文字解說 　　適合小學中高年級與國中生，連大人都可以看的好玩科普書！ 專業推薦 　　‧知名科學實驗家 Penny(陳乃綺)老師 　　‧百萬人氣部落格YouTube學校教育自然科學教師 米蘭老師 　　‧頻道超過60萬人訂閱的網路超人氣科普YouTuber 佑來了 　　‧新北市國小自然科學領域輔導團資深研究員 陳振威 　　‧阿魯米玩科學」FB粉絲頁版主/岳明國小自然老師 盧俊良 　　(依姓氏/別名筆畫排序) 摘自國外專業推薦與來自老師、爸媽們的好評 　　“這是一本很棒的科學書，充滿著豐富的插圖。書中介紹每一位科學家們，了解他們的發現，然後提供對應的小實驗。對於自學或喜愛科學的孩子非常有用，我還想買一本送給學校的圖書館。” - Alicia 　　“這是一本有趣的課外讀物，因為內容非常豐富，並且提供可以嘗試的有趣事物。許多實驗都很有趣的、很簡單，很多都是使用日常生活物品就可以完成的。” - Wayne 　　“這是一本超級有趣，關於科學家和科學發現的漫畫插圖書籍，涵蓋不同類型的科學領域。在每個單元中，通常是採跨頁的形式，左頁是有關科學家的訊息，右頁則是一或兩個實驗或動手做的項目。大多數項目都很簡單，如果您有一個對科學感興趣的孩子，或者您想接觸科學領域，那麼這本令人讚賞的漫畫插圖風格書籍可能正是您或您的孩子在尋找的，一本關於科學基礎知識和介紹科學家的好書。” - Jamie 　　“這本書讓你對不同的科學家有一個簡短的了解，然後下一頁就給提供了一個可以做的實驗。是一本非常適合孩子，甚至是一些大人的科普書。我喜歡看書中一些名人的文章，然後可以試試看他們的發現。喜歡裡面的插圖，因為讓這本書變得很容易閱讀，而我的朋友與他們的小朋友也都很喜歡 ” - Rally 　　“這是為孩子們設計，非常出色的插圖風格科學書。本書擁有各個科學領域的內容，如：生物學、天文學、化學、物理、數學…等。每個單元一開始都有對知名科學家的介紹，並與實驗相關的原理。我喜歡書中介紹的女科學家們。實驗很簡單，但也充足地展示了基本的科學原理。” – Nicki 　　“先簡單介紹著名的科學家和科學概念，然後提供相關的簡易實驗，幫助孩子們理解不同的觀念。實驗所需的物品很常見，總結來說，這本書對學生來說是非常棒的。” – Mara 　　“我只想說：多麼酷的圖書！可以說這本書絕對值得一讀！這是一本非常有趣的科學書，書中充滿了精緻的插圖和實驗，真的會吸引孩子的注意力！ ” - May 　　“這本書對於任何熱愛科學的孩子來說都是一個很棒的禮物，我承認連大人也會從中學到很多東西！” – Candace 　　“作為家長，我對這本書很滿意。我希望兩個女兒學習並熱愛科學，而這本書很容易閱讀，因為它擁有許多插圖又很活潑，而且它易於進行實驗（如此簡單以至於媽媽可以這麼說！）。麥可．巴菲爾德真的是一位出色的作者，我們將會繼續購買他的書，插圖真的很精彩。” –Piula 　　“我真的很喜歡這本書，而且我也喜歡這些簡單的實驗！這是一本生動且富有教育意義的書籍，介紹了傑出的科學家，然後可以在家裡用實驗來了解他們的發現。一本有趣的書，內容豐富—5顆星！” - Donna 　　“喜歡圖畫書的風格，我相信這種風格對年輕讀者非常有吸引力。關於一些著名科學家的實驗也可以嘗試看看，插圖真的很棒。” - Kate 簡介 - 生物 瑪麗亞‧西碧拉‧梅里安（Maria Sibylla Merian） 六隻腳　 泰奧弗拉斯托斯（Theophrastus） 發芽向上　 尼希米‧格魯（Nehemiah Grew） 和史蒂芬‧黑爾斯（Stephen Hales） 　 切開和染色　 查爾斯‧達爾文（Charles Darwin）　 昆蟲飼養箱　 約翰‧詹姆斯‧奧杜邦（John James Audubon） 餵鳥器　 拓印植物 - 人體生物學 楊‧埃萬傑利斯塔‧普爾基涅（Jan Evangelista Purkyně） 指紋偵探　 赫爾曼‧馮‧亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz） 視覺奇幻術　 大腦遊戲　 羅莎琳‧富蘭克林（Rosalind Franklin） DNA動手做 味覺的問題　 - 材料 弗里茨‧克拉特（Fritz Klatte） 史萊姆時間！　 漢斯‧厄斯特（Hans Christian Oersted） 飛行測試　 瑟倫‧索倫森（Soren Sorensen） 變色水　 羅伯特‧安格斯‧史密斯（Robert Angus Smith） - 空氣 奧托‧馮‧格里克（Otto von Guericke） 在壓力下　 丹尼爾‧白努利（Daniel Bernoulli） 隨波逐流　 萊特兄弟　 去放風箏！　 詹姆士‧克拉克‧麥克斯威爾（James Clerk Maxwell） - 電力和磁性 通電！　 班傑明‧富蘭克林（Benjamin Franklin） 黑暗中的火花　 威廉‧吉爾伯特（William Gilbert） 製作磁鐵#1　 製作羅盤　 製作磁鐵#2　 - 力和物理 海柏蒂亞（Hypatia of Alexandria） 阿基米德（Archimedes） 艾格妮絲‧普克斯（Agnes Pockels） 水魔法！　 蘿拉‧巴斯（Laura Bassi） 艾薩克‧牛頓（Isaac Newton） 貝爾和愛迪生　 製造聲波　 法蘭克‧惠特爾（Frank Whittle） - 光 海什木（Iban Al-Hytham） 看見　 艾薩克牛頓（Isaac Newton） 光的幻術！　 安東尼‧范‧雷文霍克（Antonie van Leeuwenhoek） 放大再放大！　 阿爾伯特‧愛因斯坦（Albert Einstein） 微-光　 瑞利男爵（Lord Rayleigh） - 天文學 伽利略‧伽利萊（Galileo Galilei） 來自星星的你！　 阿波羅11號成員　 多變的月亮　 卡羅琳‧赫歇爾（Caroline Herschel） 太空異事　 熱爆了！ - 數學 凱瑟琳‧強森（Katherine Johnson） 掌中數學　 艾達‧勒芙蕾絲（Ada Lovelace） 數學魔法！　 一整捲　 - 準備來玩STEAM 瑪麗‧薩默維爾（Mary Somerville） 你會成為什麼樣的人呢？　 麥可‧巴菲爾德（Mike Barfield） 詞彙表