Problem Solving with Python 3.6 Edition

Python

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Problem Solving with Python

Peter D. Kazarinoff, PhD

3.6 Edition

Contents

Preface 9

Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Supporting Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Formatting Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Errata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1 Orientation 13

1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Why Python? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 The Anaconda Distribution of Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.4 Installing Anaconda on Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.5 Installing Anaconda on MacOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.6 Installing Anaconda on Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.7 Installing Python from Python.org . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.9 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 The Python REPL 35

2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2 Python as a Calculator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4 String Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.5 Print Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.7 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

CONTENTS

3 Data Types and Variables 53

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Numeric Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3 Boolean Data Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4 Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.5 Lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.6 Dictionaries and Tuples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.8 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4 Jupyter Notebooks 69

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2 What is a Jupyter Notebook? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.3 Why Jupyter Notebooks? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.4 Installing Juypter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.5 Opening a Jupyter Notebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.6 The Jupyter Notebook Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.7 Magic Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.8 Getting Help in a Jupyter Notebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.10 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5 Functions and Modules 101

5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.2 Why Functions? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.3 First Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.4 Functions with Multiple Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.5 Functions with Default Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.6 Calling Functions from Other Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.7 Docstrings in Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.8 Positional and Keyword Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.10 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6 Plotting with Matplotlib 121

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

CONTENTS

6.2 What is Matplotlib? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.3 Installing Matplotlib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.4 Line Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.5 Saving plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

6.6 Multi Line Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6.7 Bar Charts and Pie Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.8 Error Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.9 Histograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

6.10 Box Plots and Violin Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.11 Scatter Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

6.12 Plot annotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

6.13 Subplots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.14 Plot Styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.15 Contour Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

6.16 Quiver and Stream Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.17 3D Surface Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6.18 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

6.19 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

7 If Else Try Except 191

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

7.2 User Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

7.3 If statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

7.4 Selection Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

7.5 If Else Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

7.6 Try-Except Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

7.7 Flowcharts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

7.9 Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

8 Loops 211

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

8.2 For Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

8.3 While Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

8.4 Break and Continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

8.5 Flowcharts Describing Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

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