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第1章  Python科学计算环境的安装与简介 1

1.1  Python简介    1

1.1.1  Python 2还是Python 3   1

1.1.2  开发环境    2

1.1.3  集成开发环境(IDE)   5

1.2  IPython Notebook入门  9

1.2.1  基本操作    10

1.2.2  魔法(Magic)命令 12

1.2.3  Notebook的显示系统  20

1.2.4  定制IPython Notebook    24

1.3  扩展库介绍    27

1.3.1  数值计算库  27

1.3.2  符号计算库  28

1.3.3  绘图与可视化    28

1.3.4  数据处理和分析  29

1.3.5  界面设计    30

1.3.6  图像处理和计算机视觉    31

1.3.7  提高运算速度    31

第2章  NumPy-快速处理数据 33

2.1  ndarray对象   33

2.1.1  创建    34

2.1.2  元素类型    35

2.1.3  自动生成数组    37

2.1.4  存取元素    40

2.1.5  多维数组    43

2.1.6  结构数组    47

2.1.7  内存结构    50

2.2  ufunc函数 56

2.2.1  四则运算    58

2.2.2  比较运算和布尔运算  59

2.2.3  自定义ufunc函数 61

2.2.4  广播    62

2.2.5  ufunc的方法 66

2.3  多维数组的下标存取    68

2.3.1  下标对象    68

2.3.2  整数数组作为下标    70

2.3.3  一个复杂的例子  72

2.3.4  布尔数组作为下标    73

2.4  庞大的函数库  74

2.4.1  随机数  74

2.4.2  求和、平均值、方差  77

2.4.3  大小与排序  81

2.4.4  统计函数    86

2.4.5  分段函数    89

2.4.6  操作多维数组    92

2.4.7  多项式函数  96

2.4.8  多项式函数类    98

2.4.9  各种乘积运算    103

2.4.10  广义ufunc函数 106

2.5  实用技巧  110

2.5.1  动态数组    110

2.5.2  和其他对象共享内存  112

2.5.3  与结构数组共享内存  115

第3章  SciPy-数值计算库   117

3.1  常数和特殊函数    117

3.2  拟合与优化-optimize   119

3.2.1  非线性方程组求解    120

3.2.2  最小二乘拟合    121

3.2.3  计算函数局域最小值  125

3.2.4  计算全域最小值  127

3.3  线性代数-linalg   128

3.3.1  解线性方程组    129

3.3.2  最小二乘解  130

3.3.3  特征值和特征向量    132

3.3.4  奇异值分解-SVD  134

3.4  统计-stats    136

3.4.1  连续概率分布    136

3.4.2  离散概率分布    139

3.4.3  核密度估计  140

3.4.4  二项分布、泊松分布、伽玛分布    142

3.4.5  学生t-分布与t检验  147

3.4.6  卡方分布和卡方检验  151

3.5  数值积分-integrate    154

3.5.1  球的体积    154

3.5.2  解常微分方程组  156

3.5.3  ode类   157

3.5.4  信号处理-signal 164

3.5.5  中值滤波    164

3.5.6  滤波器设计  165

3.5.7  连续时间线性系统    167

3.6  插值-interpolate  172

3.6.1  一维插值    172

3.6.2  多维插值    177

3.7  稀疏矩阵-sparse   181

3.7.1  稀疏矩阵的存储形式  182

3.7.2  最短路径    183

3.8  图像处理-ndimage  186

3.8.1  形态学图像处理  187

3.8.2  图像分割    192

3.9  空间算法库-spatial    195

3.9.1  计算最近旁点    195

3.9.2  凸包    199

3.9.3  沃罗诺伊图  201

3.9.4  德劳内三角化    204

第4章  matplotlib-绘制精美的图表  207

4.1  快速绘图  207

4.1.1  使用pyplot模块绘图 207

4.1.2  面向对象方式绘图    210

4.1.3  配置属性    211

4.1.4  绘制多子图  212

4.1.5  配置文件    215

4.1.6  在图表中显示中文    217

4.2  Artist对象    220

4.2.1  Artist的属性    221

4.2.2  Figure容器  223

4.2.3  Axes容器    224

4.2.4  Axis容器    226

4.2.5  Artist对象的关系    230

4.3  坐标变换和注释    231

4.3.1  4种坐标系   234

4.3.2  坐标变换的流水线    236

4.3.3  制作阴影效果    240

4.3.4  添加注释    241

4.4  块、路径和集合    243

4.4.1  Path与Patch 243

4.4.2  集合    245

4.5  绘图函数简介  255

4.5.1  对数坐标图  255

4.5.2  极坐标图    256

4.5.3  柱状图  257

4.5.4  散列图  258

4.5.5  图像    259

4.5.6  等值线图    261

4.5.7  四边形网格  264

4.5.8  三角网格    267

4.5.9  箭头图  269

4.5.10  三维绘图   273

4.6  matplotlib技巧集  274

4.6.1  使用agg后台在图像上绘图 274

4.6.2  响应鼠标与键盘事件  277

4.6.3  动画    285

4.6.4  添加GUI面板 288

第5章  Pandas-方便的数据分析库 291

5.1  Pandas中的数据对象    291

5.1.1  Series对象  291

5.1.2  DataFrame对象   293

5.1.3  Index对象   297

5.1.4  MultiIndex对象  298

5.1.5  常用的函数参数  300

5.1.6  DataFrame的内部结构 301

5.2  下标存取  303

5.2.1  []操作符    304

5.2.2  .loc[]和.iloc[]存取器   304

5.2.3  获取单个值  306

5.2.4  多级标签的存取  306

5.2.5  query()方法 307

5.3  文件的输入输出    307

5.3.1  CSV文件 308

5.3.2  HDF5文件    309

5.3.3  读写数据库  313

5.3.4  使用Pickle序列化   314

5.4  数值运算函数  315

5.5  时间序列  323

5.5.1  时间点、时间段、时间间隔    323

5.5.2  时间序列    326

5.5.3  与NaN相关的函数 329

5.5.4  改变DataFrame的形状 333

5.6  分组运算  338

5.6.1  groupby()方法   339

5.6.2  GroupBy对象 340

5.6.3  分组－运算－合并    341

5.7  数据处理和可视化实例  347

5.7.1  分析Pandas项目的提交历史   347

5.7.2  分析空气质量数据    354

第6章  SymPy-符号运算好帮手   359

6.1  从例子开始    359

6.1.1  封面上的经典公式    359

6.1.2  球体体积    361

6.1.3  数值微分    362

6.2  数学表达式    365

6.2.1  符号    365

6.2.2  数值    367

6.2.3  运算符和函数    368

6.2.4  通配符  371

6.3  符号运算  373

6.3.1  表达式变换和化简    373

6.3.2  方程    376

6.3.3  微分    377

6.3.4  微分方程    378

6.3.5  积分    379

6.4  输出符号表达式    380

6.4.1  lambdify    381

6.4.2  用autowrap()编译表达式  381

6.4.3  使用cse()分步输出表达式 384

6.5  机械运动模拟  385

6.5.1  推导系统的微分方程  386

6.5.2  将符号表达式转换为程序  388

6.5.3  动画演示    389

第7章  Traits & TraitsUI-轻松制作图形界面 393

7.1  Traits类型入门    393

7.1.1  什么是Traits属性   393

7.1.2  Trait属性的功能 396

7.1.3  Trait类型对象   399

7.1.4  Trait的元数据   401

7.2  Trait类型 403

7.2.1  预定义的Trait类型  403

7.2.2  Property属性    406

7.2.3  Trait属性监听   408

7.2.4  Event和Button属性  411

7.2.5  动态添加Trait属性  412

7.3  TraitsUI入门  413

7.3.1  默认界面    414

7.3.2  用View定义界面 415

7.4  用Handler控制界面和模型  425

7.4.1  用Handler处理事件  426

7.4.2  Controller和UIInfo对象 429

7.4.3  响应Trait属性的事件 431

7.5  属性编辑器    432

7.5.1  编辑器演示程序  433

7.5.2  对象编辑器  436

7.5.3  自定义编辑器    440

7.6  函数曲线绘制工具  444

第8章  TVTK与Mayavi-数据的三维可视化 451

8.1  VTK的流水线(Pipeline) 452

8.1.1  显示圆锥    452

8.1.2  用ivtk观察流水线   455

8.2  数据集    461

8.2.1  ImageData   461

8.2.2  RectilinearGrid 466

8.2.3  StructuredGrid  467

8.2.4  PolyData    470

8.3  TVTK的改进    473

8.3.1  TVTK的基本用法  474

8.3.2  Trait属性   475

8.3.3  序列化  476

8.3.4  集合迭代    476

8.3.5  数组操作    477

8.4  TVTK可视化实例    478

8.4.1  切面    479

8.4.2  等值面  484

8.4.3  流线    487

8.4.4  计算圆柱的相贯线    491

8.5  用mlab快速绘图   496

8.5.1  点和线  497

8.5.2  Mayavi的流水线  498

8.5.3  二维图像的可视化    501

8.5.4  网格面mesh  505

8.5.5  修改和创建流水线    508

8.5.6  标量场  511

8.5.7  矢量场  513

8.6  将TVTK和Mayavi嵌入界面  515

8.6.1  TVTK场景的嵌入  516

8.6.2  Mayavi场景的嵌入    518

第9章  OpenCV-图像处理和计算机视觉 523

9.1  图像的输入输出    523

9.1.1  读入并显示图像  523

9.1.2  图像类型    524

9.1.3  图像输出    525

9.1.4  字节序列与图像的相互转换    526

9.1.5  视频输出    527

9.1.6  视频输入    529

9.2  图像处理  530

9.2.1  二维卷积    530

9.2.2  形态学运算  532

9.2.3  填充-floodFill  534

9.2.4  去瑕疵-inpaint  536

9.3  图像变换  537

9.3.1  几何变换    537

9.3.2  重映射-remap    540

9.3.3  直方图  543

9.3.4  二维离散傅立叶变换  547

9.3.5  用双目视觉图像计算深度信息  550

9.4  图像识别  553

9.4.1  用霍夫变换检测直线和圆  553

9.4.2  图像分割    558

9.4.3  SURF特征匹配    561

9.5  形状与结构分析    564

9.5.1  轮廓检测    565

9.5.2  轮廓匹配    568

9.6  类型转换  569

9.6.1  分析cv2的源程序 570

9.6.2  Mat对象 572

9.3.3  在cv和cv2之间转换图像对象 574

第10章  Cython-编译Python程序 575

10.1  配置编译器   575

10.2  Cython入门   577

10.2.1  计算矢量集的距离矩阵   577

10.2.2  将Cython程序编译成扩展模块 579

10.2.3  C语言中的Python对象类型   581

10.2.4  使用cdef关键字声明变量类型 582

10.2.5  使用def定义函数   585

10.2.6  使用cdef定义C语言函数 586

10.3  高效处理数组 587

10.3.1  Cython的内存视图   587

10.3.2  用降采样提高绘图速度   592

10.4  使用Python标准对象和API 596

10.4.1  操作list对象  596

10.4.2  创建tuple对象 597

10.4.3  用array.array作为动态数组 598

10.5  扩展类型 600

10.5.1  扩展类型的基本结构 600

10.5.2  一维浮点数向量类型 601

10.5.3  包装ahocorasick库 606

10.6  Cython技巧集 612

10.6.1  创建ufunc函数 613

10.6.2  快速调用DLL中的函数   617

10.6.3  调用BLAS函数  620

第11章  实例  627

11.1  使用泊松混合合成图像 627

11.1.1  泊松混合算法   627

11.1.2  编写代码   629

11.1.3  演示程序   632

11.2  经典力学模拟 632

11.2.1  悬链线 633

11.2.2  最速降线   638

11.2.3  单摆模拟   641

11.3  推荐算法 644

11.3.1  读入数据   645

11.3.2  推荐性能评价标准   646

11.3.3  矩阵分解   647

11.3.4  使用最小二乘法实现矩阵分解 648

11.3.5  使用Cython迭代实现矩阵分解 651

11.4  频域信号处理 654

11.4.1  FFT知识复习    654

11.4.2  合成时域信号   657

11.4.3  观察信号的频谱 660

11.4.4  卷积运算   671

11.5  布尔可满足性问题求解器   675

11.5.1  用Cython包装PicoSAT   678

11.5.2  数独游戏   682

11.5.3  扫雷游戏   686

11.6  分形 693

11.6.1  Mandelbrot集合 693

11.6.2  迭代函数系统   699

11.6.3  L-System分形   706

11.6.4  分形山脉   710