Python 基本語法與科學計算套件的使用： Python 基礎(一)

四堂課程大綱

第一堂-Python 基礎(一)：Python 簡介及環境建立、Python程式的編寫及執行、資料型態、基本輸入輸出、流程控制
第二堂-Python 基礎(二)：檔案讀寫、例外處理、函數、模組、物件導向
第三堂-Python科學計算套件(一)：Numpy、Matplotlib
第四堂-Python科學計算套件(二)：Scipy、Astropy

Python 簡介

Python 是一種直譯式的程式語言
Python的擴充性：標準函式庫+眾多的第三方套件
建立用於科學計算的Python開發環境
示範如何編輯及執行Python程式: Python/IPython互動式命令列介面、文字編輯器(Atom、Vim、Sublime Text 3、Notepad++...)、整合開發環境(Anaconda內建的Spyder、Enthought Canopy...)、IPython Notebook (可將程式碼、圖、筆記統整在一份文件中，並可儲存成其他格式分享給別人)

資料型態(整數、浮點數、複數、字串、布林值)及基本輸出輸入

Python的變數命名是會區分大小寫
動態定型



In [1]:

    
# ←此為Python的註解符號，在這之後的文字不會被當作程式碼執行
# Python不用宣告變數型態，在指定變數的值時即會動態決定其型態
n_solar_mass = 10                                           # 整數
MASS_SUN = 1.99 * 10 ** 30                        # 浮點數
z = complex(3., -1.)                                          # 複數                  
unit  = "kg"                                                         #字串
yes = True                                                         #布林值
no = False                                                         #布林值
type(n_solar_mass)









    Out[1]:





int

基本輸出輸入



In [2]:

    
print("伴星的質量為：", n_solar_mass * MASS_SUN, unit)
perid = input("請輸入雙星軌道周期 (單位為秒) : ")









    



伴星的質量為： 1.99e+31 kg
請輸入雙星軌道周期 (單位為秒) : 72000

強型別
轉型



In [3]:

    
MASS_SUN + unit









    



---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-3-9045cf533177> in <module>()
----> 1 MASS_SUN + unit

TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'float' and 'str'



In [4]:

    
str(MASS_SUN) + unit









    Out[4]:





'1.99e+30kg'

對變數的操作



In [5]:

    
s = "Hello," + " " + "Python!"
#s.upper()
s.split()









    Out[5]:





['Hello,', 'Python!']

資料型態(List、Tuple、Dictionary)

簡介

1. Tuple

內容不可變



In [6]:

    
x = (1,2)
x









    Out[6]:





(1, 2)



In [7]:

    
x[0] = 12  #無法更改內容









    



---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-7-0bfb67b35805> in <module>()
----> 1 x[0] = 12  #無法更改內容

TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

tuple 是有順序但不可以變動



In [8]:

    
# 延續上面範例

constants = (3.14159, 1.99 * 10 ** 30 ,  6.67 * 10 ** -11)   # tuple用小括號
print(constants)
constants.append(-342)









    



(3.14159, 1.99e+30, 6.67e-11)






    



---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-8-dffbb472e278> in <module>()
      3 constants = (3.14159, 1.99 * 10 ** 30 ,  6.67 * 10 ** -11)   # tuple用小括號
      4 print(constants)
----> 5 constants.append(-342)

AttributeError: 'tuple' object has no attribute 'append'



In [9]:

    
x = (10,11)
y = list(x) #把tuple製作成串列



In [10]:

    
y[0] = 20
y









    Out[10]:





[20, 11]

list 是有順序且可以變動



In [11]:

    
slist = []
slist = ['A','B','C','D','E']
slist









    Out[11]:





['A', 'B', 'C', 'D', 'E']



In [12]:

    
slist[0] = 'B'
slist









    Out[12]:





['B', 'B', 'C', 'D', 'E']



In [13]:

    
# 延續上面範例

radial_velocity = [140, 220, 314, 244, 'km/s']    # list用中括號
print(radial_velocity[0])                                        # 元素的index從零開始
radial_velocity.append(-342)
radial_velocity.insert(2, 592)
print(radial_velocity)
print(len(radial_velocity))









    



140
[140, 220, 592, 314, 244, 'km/s', -342]
7

雙重list



In [14]:

    
dlist = [['A','B','C','D','E'],[1,2,3,4,5]]
dlist[1]









    Out[14]:





[1, 2, 3, 4, 5]



In [15]:

    
dlist[1][0]









    Out[15]:





1

須注意指定問題



In [16]:

    
a = [1,2,3]
a









    Out[16]:





[1, 2, 3]



In [17]:

    
b = a
b









    Out[17]:





[1, 2, 3]



In [18]:

    
b[0] = 10
b









    Out[18]:





[10, 2, 3]



In [19]:

    
a # list a 中的數值也一起改變









    Out[19]:





[10, 2, 3]



In [20]:

    
# 如何解決？
c = a[:]
c









    Out[20]:





[10, 2, 3]



In [21]:

    
c[0] = 40
c









    Out[21]:





[40, 2, 3]



In [22]:

    
a









    Out[22]:





[10, 2, 3]

判斷項目是否存在於list中 => in



In [23]:

    
clist = ['A','B','C','D','E']
'B' in clist









    Out[23]:





True



In [24]:

    
'F' in clist









    Out[24]:





False

排序



In [25]:

    
wlist = ['D','A','F','C','E','D']
sorted(wlist)









    Out[25]:





['A', 'C', 'D', 'D', 'E', 'F']



In [26]:

    
nlist = [4,23,1,3,2,98,3]
sorted(nlist)









    Out[26]:





[1, 2, 3, 3, 4, 23, 98]

dictionary 是無順序且可以變動



In [27]:

    
dic = {'Jack':84,'Ben':63,'Cathy':76, 'Bob': 83}
dic









    Out[27]:





{'Ben': 63, 'Bob': 83, 'Cathy': 76, 'Jack': 84}



In [28]:

    
dic['Jack']









    Out[28]:





84



In [29]:

    
dic = {'Jack':[84,23,34],'Ben':[63,12,74],'Cathy':[12,43,76],'Bob': [83,81,90]} # key 不能放list value可以
dic









    Out[29]:





{'Ben': [63, 12, 74],
 'Bob': [83, 81, 90],
 'Cathy': [12, 43, 76],
 'Jack': [84, 23, 34]}



In [30]:

    
dic['Jack']









    Out[30]:





[84, 23, 34]



In [31]:

    
dic['Jack'] = [1,2,3]
dic









    Out[31]:





{'Ben': [63, 12, 74],
 'Bob': [83, 81, 90],
 'Cathy': [12, 43, 76],
 'Jack': [1, 2, 3]}

新增合併字典



In [32]:

    
dic.update({'William':[23,43,84],'Eric':[93,31,32]})
dic









    Out[32]:





{'Ben': [63, 12, 74],
 'Bob': [83, 81, 90],
 'Cathy': [12, 43, 76],
 'Eric': [93, 31, 32],
 'Jack': [1, 2, 3],
 'William': [23, 43, 84]}

判斷key是否存在



In [33]:

    
'Ben' in dic









    Out[33]:





True



In [34]:

    
'William' in dic









    Out[34]:





True

取得key, value



In [35]:

    
dic.keys() #取得key not list









    Out[35]:





dict_keys(['Bob', 'William', 'Jack', 'Eric', 'Ben', 'Cathy'])



In [36]:

    
dic.values() #取得value not list









    Out[36]:





dict_values([[83, 81, 90], [23, 43, 84], [1, 2, 3], [93, 31, 32], [63, 12, 74], [12, 43, 76]])



In [37]:

    
dic.items() #取得所有的key, value not list









    Out[37]:





dict_items([('Bob', [83, 81, 90]), ('William', [23, 43, 84]), ('Jack', [1, 2, 3]), ('Eric', [93, 31, 32]), ('Ben', [63, 12, 74]), ('Cathy', [12, 43, 76])])



In [38]:

    
# 延續上面範例

binaries = {'name':["GX 339-4","GRS 1915+105"], 'constants': constants}                   # dictionary用大括號
print(binaries['name'])
print(binaries['constants'])
binaries['mass'] = [ ]
print(binaries)









    



['GX 339-4', 'GRS 1915+105']
(3.14159, 1.99e+30, 6.67e-11)
{'mass': [], 'name': ['GX 339-4', 'GRS 1915+105'], 'constants': (3.14159, 1.99e+30, 6.67e-11)}

Slicing



In [39]:

    
print(radial_velocity[2:5])                        # [i:j] 從i開始到j-1
print(radial_velocity[:-2:3])                     # [i:j:k] 從i開始每隔k個到j-1









    



[592, 314, 244]
[140, 314]

流程控制：條件判斷式及迴圈

依據某些條件(條件判斷式)或多次執行某個程式區塊(迴圈)，來控制程式的執行流程
Python使用冒號及縮排來辨別程式區塊
if...else if...else 條件判斷式



In [40]:

    
if "GRS 1915+105" or "GX 339-4" in binaries['name']:
    print('They are microquasars!')
elif "XTE J1550-564" not in binaries['name']:
    print('XTE J1550-564 is not in the list!')
else:
    binaries['name'].append( input("請輸入下一個microquasars的名稱 : ") )
binaries['name']









    



They are microquasars!






    Out[40]:





['GX 339-4', 'GRS 1915+105']

for 迴圈



In [41]:

    
# Basic example 1.
for i in range(10):
    print(i)



In [42]:

    
# Basic example 2.
arr = [1,3,5,7,9,2,4,6,8,10]
for i in arr:
    print(i)



In [43]:

    
microquasars = ["GRS 1915+105" , "GX 339-4"]
for m in microquasars:
    if m in binaries['name']:
        print(m, "is a microquasar!")
        
for i in range(2, 100, 20):
    print(i, i ** 2)









    



GRS 1915+105 is a microquasar!
GX 339-4 is a microquasar!
2 4
22 484
42 1764
62 3844
82 6724



In [44]:

    
# Plot a light curve example
# (Read a LMC X-4 archival data collecting by RXTE/PCA)


import numpy as np
data = np.loadtxt('../files4examples/Tcol_10135-01-01-000_gx0')  # a list of X-ray photon arrival times

# elements of data
n = len(data)

binsize = 20.0                                     # unit: sec
n_col = (data[n-1]-data[0]) // binsize + 1
bintime = np.arange(0, n_col)*binsize + data[0] + 0.5*binsize
crate = np.arange(0, n_col)*0.0                    # an empty array

## for-loop case a.
#for i in range(int(n_col)):
#    for j in range(n):
#        if (data[j] >= bintime[i]-0.5*binsize) and (data[j] < bintime[i]+0.5*binsize):
#            crate[i] = crate[i]+ 1.0
#crate = crate/binsize
## The value used in the function of 'range' must be a integral number.
## Or typing 'range?' to check.

## for-loop case b.
#for i in bintime:
#    for j in data:
#        if (j >= i-0.5*binsize) and (j < i+0.5*binsize):
#            crate[np.where(bintime == i)] = crate[np.where(bintime == i)] + 1.0
#crate = crate/binsize

## for-loop case c.
for i,val in enumerate(bintime):
    nn = np.where((data >= val - 0.5*binsize) & (data < (val + 0.5*binsize)))
    crate[i] = len(nn[0])
crate = crate/binsize


import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
plt.plot(bintime,crate)
#plt.show()









    Out[44]:





[<matplotlib.lines.Line2D at 0x111ae44e0>]

while 迴圈



In [45]:

    
# Basic example 
x = 10
while x > 0:
    print (x)
    x = x - 1



In [46]:

    
input_value = "yes"
while input_value == 'yes' :
    input_value = input("請輸入下一個microquasars的名稱，結束請輸入no : ")









    



請輸入下一個microquasars的名稱，結束請輸入no : no

break 及 continue



In [47]:

    
input_value == "yes"
while True :
    input_value = input("請輸入下一個microquasars的名稱，結束請輸入no : ")
    if input_value == "no":
        break









    



請輸入下一個microquasars的名稱，結束請輸入no : no



In [48]:

    
for i in range(2, 100, 20):
    if i == 2 or i == 42:
        continue
    print(i, i ** 2)

作業小專題

Mass function: $f(M) = \dfrac{M_2^3}{(M_1 + M_2)^2} \sin^3 i = \dfrac{P}{2\pi G} K_1^3$

利用google、ADS及書籍，儘可能搜尋數個X-ray雙星系統的以下資訊：伴星質量、軌道傾角、軌道周期、伴星的徑向速度，並寫一個程式能讓你能持續輸入雙星系統的名稱及上述資訊(直到你輸入no為止)，並在程式中利用mass function計算出主星質量，且當主星質量大於三倍太陽質量時，印出"雙星系統名稱" + "的主星是黑洞"。