由于編程已經(jīng)成為工程、科學(xué)、醫(yī)學(xué)、媒體、商業(yè)、金融和許多其他領(lǐng)域的重要組成部分，因此對(duì)于科學(xué)家和工程師來(lái)說(shuō)，掌握基本的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)是能夠提升自身競(jìng)爭(zhēng)力的。這本書(shū)向擁有不同背景的學(xué)生介紹編程，并提供編程和數(shù)學(xué)工具，這些工具將為他們的職業(yè)生涯提供非常大的幫助。
本書(shū)的大部分內(nèi)容借鑒了加州大學(xué)伯克利分校E7課程“面向科學(xué)家和工程師的計(jì)算機(jī)編程導(dǎo)論”的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)資料。這門(mén)課是工程學(xué)院的大多數(shù)理工科新生以及其他學(xué)科（包括物理、生物、地球和認(rèn)知科學(xué)）本科生的選修課。該課程最初是用Matlab講授的，但隨著最近伯克利數(shù)據(jù)科學(xué)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)科學(xué)部同意并支持將該課程轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦騊ython的課程，以便為來(lái)自不同領(lǐng)域的學(xué)生提供進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)科學(xué)課程的預(yù)備知識(shí)。本課程有兩個(gè)基本目標(biāo)：
向沒(méi)有接觸過(guò)編程的理工科學(xué)生介紹Python編程；
介紹各種用于解決科學(xué)和工程問(wèn)題的數(shù)值分析工具。
這兩個(gè)目標(biāo)反映在本書(shū)的兩個(gè)部分中：
Python編程簡(jiǎn)介；
數(shù)值方法簡(jiǎn)介。
本書(shū)是根據(jù)Timmy Siauw和Alexandre M. Bayen撰寫(xiě)的《面向工程師的MATLAB編程和數(shù)值方法導(dǎo)論》一書(shū)編寫(xiě)的。本書(shū)最初是出于交互目的而在Jupyter Notebook中編寫(xiě)的，然后轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)aTeX。書(shū)中的大多數(shù)代碼來(lái)自Jupyter Notebook代碼單元，可以直接在筆記本單元中運(yùn)行。所有Jupyter Notebook代碼都可以在pythonnumericalmethods.berkeley.edu中找到。
因?yàn)楸緯?shū)涵蓋的主題頗為廣泛，所以沒(méi)有把每一個(gè)主題講得很深入。即使用整個(gè)學(xué)期來(lái)講本書(shū)，每章也最多占用兩個(gè)課時(shí)。這本書(shū)旨在為學(xué)生提供廣泛的編程知識(shí)和數(shù)學(xué)詞匯，以供學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展，而非深入學(xué)習(xí)。
我們相信，就像學(xué)習(xí)一門(mén)新的外語(yǔ)一樣，學(xué)習(xí)編程也可以很有趣，而且很有啟發(fā)性。我們希望你在學(xué)習(xí)本書(shū)的過(guò)程中會(huì)贊同我們的看法。
背景知識(shí)
本書(shū)旨在向那些幾乎沒(méi)有計(jì)算機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生介紹編程和數(shù)值方法。我們希望這一宗旨能反映在本書(shū)的節(jié)奏、基調(diào)和內(nèi)容上。為了達(dá)到編程的目的，我們假設(shè)讀者具備以下背景知識(shí)：
了解計(jì)算機(jī)顯示器和鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備；
了解在大多數(shù)操作系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)文件的文件夾結(jié)構(gòu)。
對(duì)于本書(shū)的第二部分，我們假設(shè)讀者具備以下背景知識(shí)：
高中代數(shù)和三角學(xué)；
入門(mén)級(jí)大學(xué)微積分。
就是這樣了！本書(shū)中若出現(xiàn)超出上述背景知識(shí)的內(nèi)容，那必定是我們的問(wèn)題。如果因概念不明確而產(chǎn)生了知識(shí)上的混淆，我們事先表示歉意。
章節(jié)組織
第一部分介紹編程的基本概念。第1章介紹Python和Jupyter Notebook。第2～7章介紹編程的基礎(chǔ)知識(shí)，熟練掌握這些章節(jié)的內(nèi)容可以獲得足夠的背景知識(shí)，從而幾乎可以對(duì)任何想象的東西進(jìn)行編程。第8章介紹如何基于計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行速度來(lái)描述程序的復(fù)雜度。第9章介紹計(jì)算機(jī)如何表示數(shù)字及其對(duì)算術(shù)運(yùn)算的影響。第10章介紹養(yǎng)成良好編程習(xí)慣的有用技巧，掌握這些技巧可以減少代碼中的錯(cuò)誤，并且易于查找錯(cuò)誤。第11章介紹如何長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及如何使Python的結(jié)果在Python之外（即其他程序中）有用。第12章介紹Python的繪圖功能，可生成圖形和圖表，這對(duì)于工程師和科學(xué)家可視化結(jié)果非常有用。第13章介紹Python并行編程的基礎(chǔ)知識(shí)，并行編程可利用當(dāng)今計(jì)算機(jī)的多核
設(shè)計(jì)。
第二部分概述對(duì)工程師有幫助的各種數(shù)值方法。第14章簡(jiǎn)要介紹線性代數(shù)。盡管線性代數(shù)本質(zhì)上是理論性的，但它是理解許多高級(jí)工程主題的關(guān)鍵。第15章討論特征值和特征向量（它們是工程學(xué)和科學(xué)中的重要工具），以及如何利用它們。第16章是關(guān)于最小二乘回歸的，這是一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)，是將理論模型擬合到觀測(cè)數(shù)據(jù)的一種方法。第17章是關(guān)于推斷數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的函數(shù)值的，會(huì)介紹一種稱為“插值”的框架。第18章介紹用多項(xiàng)式近似函數(shù)的思想，這對(duì)于簡(jiǎn)化復(fù)雜函數(shù)很有用。第19章講了兩種算法，用于求函數(shù)的根，即求f(x)=0中的x，其中f是一個(gè)函數(shù)。第20章和第21章分別介紹近似函數(shù)的導(dǎo)數(shù)和積分的方法。第22章和第23章介紹一種數(shù)學(xué)模型，稱為常微分方程，這兩章著重于不同的問(wèn)題，分別是初值問(wèn)題和邊值問(wèn)題，并介紹了幾種求解方法。第24章介紹離散傅里葉變換和快速傅里葉變換的概念及其在數(shù)字信號(hào)處理中的使用。
如何閱讀此書(shū)
學(xué)習(xí)編程就是練習(xí)，練習(xí)，再練習(xí)。就像學(xué)習(xí)一門(mén)新語(yǔ)言一樣，如果不將其內(nèi)化并不斷加以利用，就無(wú)法真正掌握。
我們建議在閱讀本書(shū)時(shí)，打開(kāi)Jupyter Notebook或交互式網(wǎng)站，并運(yùn)行書(shū)中提供的所有示例。相比于像讀小說(shuō)一樣“通讀”全文，花時(shí)間去理解每個(gè)例子中Python所做的事情，將會(huì)獲得更大的回報(bào)。
就本書(shū)而言，應(yīng)該首先閱讀并理解第1章至第5章，因?yàn)樗鼈兒�蓋編程的基礎(chǔ)知識(shí)。第6章到第11章可以按任何順序閱讀。如果你想提高解決問(wèn)題的能力，則有關(guān)繪圖和并行編程的第12章和第13章是必讀章節(jié)。在第二部分中，應(yīng)該首先閱讀第14章，因?yàn)楹罄m(xù)各章都依賴于線性代數(shù)的概念。其余章節(jié)可以按任何順序閱讀，我們建議先閱讀第17章和第18章，再閱讀第19章和第20章。
在整本書(shū)中都有用黑體標(biāo)出的文字，當(dāng)你遇到這些文字時(shí)，需要花時(shí)間記憶它們并根據(jù)上下文理解其含義。
為了使書(shū)中內(nèi)容更加清晰，我們?cè)O(shè)計(jì)了不同的文本塊。這些文本塊具有不同的功能，示例如下。
嘗試一下！這是書(shū)中最常見(jiàn)的塊，其中通常會(huì)簡(jiǎn)短地描述問(wèn)題或操作。我們強(qiáng)烈建議你在Python中“嘗試”這些內(nèi)容。
提示！該塊提供了一些建議，我們相信這些建議能使編程更容易。請(qǐng)注意，這些塊不包含理解書(shū)中關(guān)鍵概念所需的新知識(shí)。
示例：這些塊是新概念的具體示例，旨在幫助你思考新概念，但不一定需要進(jìn)行試驗(yàn)。
警告！在編程時(shí)可能會(huì)遇到很多陷阱，這些塊將幫助你避免混亂、養(yǎng)成不良習(xí)慣或誤解關(guān)鍵概念。
發(fā)生了什么？這些塊深入細(xì)節(jié)，以幫助你理解Python執(zhí)行程序時(shí)發(fā)生的事情。
結(jié)構(gòu)：在編程中保留了一些標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)，用于執(zhí)行常見(jiàn)和重要的任務(wù)。這些塊概述這些架構(gòu)并介紹如何使用它們。
每章末尾都有兩個(gè)部分。總結(jié)部分列出當(dāng)前章的要點(diǎn)，這些內(nèi)容能幫助你直觀地了解剛剛所學(xué)的內(nèi)容。習(xí)題部分提供的練習(xí)將幫助你強(qiáng)化所學(xué)的概念。
最后一點(diǎn)，在Python中有很多方法可以做同樣的事情。乍看這似乎是一個(gè)有用的特性，但當(dāng)任務(wù)很簡(jiǎn)單時(shí)，它可能會(huì)讓學(xué)習(xí)Python變得困惑，或者因給編程新手提供過(guò)多的可能性而讓他們不知所措。本書(shū)對(duì)于要執(zhí)行的任務(wù)只提供一種方法，這樣可確保初學(xué)者少走彎路，同時(shí)也不會(huì)被無(wú)關(guān)緊要的信息所淹沒(méi)。對(duì)于某個(gè)任務(wù)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)不同于本書(shū)所給方法的解決方案，而且兩者解決問(wèn)題的效果相同，甚至你的方案效果更好！我們鼓勵(lì)你找到這些替代方法，并根據(jù)我們提供的工具，自己判斷哪種方法更好。
希望你喜歡這本書(shū)！
為什么選擇Python
Python是一種高級(jí)通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，適用于許多應(yīng)用程序。它對(duì)初學(xué)者很友好，希望你會(huì)發(fā)現(xiàn)它簡(jiǎn)單易學(xué)，并且很有趣。該語(yǔ)言本身非常靈活，這意味著在構(gòu)建功能方面沒(méi)有硬性規(guī)定，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有多種方法可以解決相同的問(wèn)題。也許它的強(qiáng)大之處在于擁有一個(gè)強(qiáng)大的用戶社區(qū)，有很多軟件包可以直接插入而且只需投入很少的精力。隨著持續(xù)流行的趨勢(shì)，Python適合當(dāng)今數(shù)據(jù)科學(xué)的目標(biāo)。Python是免費(fèi)的（開(kāi)放源代碼），并且大多數(shù)軟件包也是免費(fèi)使用的。開(kāi)源編程語(yǔ)言的思想使學(xué)習(xí)曲線產(chǎn)生了巨大的變化。你不僅可以免費(fèi)使用這些軟件包，還可以從其他用戶開(kāi)發(fā)的這些軟件包的源代碼中學(xué)習(xí)許多高級(jí)技能。我們希望你能喜歡這里介紹的Python知識(shí)，并在工作和生活中使用它。
Python和軟件包版本
本書(shū)是使用Python 3編寫(xiě)的。下面列出了本書(shū)中使用的軟件包及各自的版本。隨著這些軟件包的不斷開(kāi)發(fā)，你可能會(huì)添加、刪除或更改軟件包的某些功能：
jupyter，1.0.0
ipython，7.5.0
numpy，1.16.4
scipy，1.2.1
h5py，2.9.0
matplotlib，3.1.0
cartopy，0.17.0
joblib，0.13.2

致　　謝
Python Programming and Numerical Methods
編寫(xiě)本書(shū)初稿的時(shí)候，加州大學(xué)伯克利分校工程學(xué)教授的標(biāo)準(zhǔn)通用語(yǔ)言是Matlab，它的起源可以追溯到2005年左右。那之后便迎來(lái)了當(dāng)前的數(shù)據(jù)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)代， Python作為一種普遍使用的語(yǔ)言出現(xiàn)在整個(gè)工程行業(yè)。因此，初稿是作為加州大學(xué)伯克利分校E7課程的一部分編寫(xiě)的，該課程向?qū)W生介紹編程和數(shù)值分析。
如果沒(méi)有同事、研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)（GSI）、評(píng)分員和行政人員的幫助，這本書(shū)就永遠(yuǎn)不會(huì)寫(xiě)出來(lái)，他們幫助我們完成了每學(xué)期向數(shù)百名學(xué)生講授E7課程的艱巨過(guò)程。此外，如果沒(méi)有耐心閱讀本書(shū)并給出反饋的學(xué)生的幫助，本書(shū)也將永遠(yuǎn)無(wú)法完成。在多次教授E7課程的過(guò)程中，我們與數(shù)千名學(xué)生、數(shù)十個(gè)研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)和評(píng)分員以及十幾名同事和管理人員進(jìn)行了互動(dòng)，鑒于涉及的人數(shù)較多，對(duì)于那些可能遺漏的人，我們深表
歉意。
我們非常感謝同事Panos Papadopoulos、Roberto Horowitz、Michael Frenklach、Andy Packard、Tad Patzek、Jamie Rector、Raja Sengupta、Mike Cassidy和Samer Madanat教授的指導(dǎo)。尤其感謝Roberto Horowitz、Andy Packard、Sanjay Govindjee和Tad Patzek教授分享了他們?cè)谡n堂上使用的內(nèi)容，這些內(nèi)容對(duì)本書(shū)的編寫(xiě)做出了貢獻(xiàn)。我們還要感謝Rob Harley和Sanjay Govindjee教授在教授E7課程時(shí)使用了本書(shū)的初稿，并向我們提供了有助于改進(jìn)的反饋。課程的順利進(jìn)行，讓作者有了編寫(xiě)本書(shū)的時(shí)間和精力。眾多行政人員承擔(dān)了大量后勤工作，使課程的管理井井有條。我們特別感謝Joan Chamberlain、Shelley Okimoto、Jenna Tower和Donna Craig。
特別值得一提的是，土木與環(huán)境工程系副主任Bill Nazaroff在2011年指定第二作者授課。如果沒(méi)有這項(xiàng)任務(wù)，這本書(shū)的幾位作者就沒(méi)有機(jī)會(huì)一起工作并撰寫(xiě)本書(shū)。眾所周知，E7課程是加州大學(xué)伯克利分校工程學(xué)院最難教的課程。然而，在我們教授這門(mén)課的多個(gè)學(xué)期里，課程一直順利進(jìn)行，這主要?dú)w功于我們有幸與才華橫溢的研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)合作。這幾年在授課的過(guò)程中，一系列具有傳奇色彩的研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為塑造課程做出了貢獻(xiàn)，并為學(xué)生提供了有意義的體驗(yàn)。特別是Scott Payne、James Lew、Claire Saint-Pierre、Kristen Paris