کتاب Modeling and Simulation in Python

کتاب Modeling and Simulation in Python (مدل‌سازی و شبیه‌سازی در پایتون: مقدمه‌ای برای دانشمندان و مهندسان) در 3 بخش مختلف به شرح مدل‌سازی و شبیه‌سازی و پیاده‌سازی آن با استفاده از زبان برنامه‌نویسی پایتون خواهد پرداخت.

در ادامه مقدمه‌ای از کتاب Modeling and Simulation in Python را از زبان نویسنده شرح خواهیم داد.

مقدمه‌ای بر کتاب Modeling and Simulation in Python:

این کتاب در سه بخش تنظیم شده است. بخش اول در مورد سیستم‌هایی است که از اجزای مجزا تشکیل شده اند. مثال‌ها شامل سیستم اشتراک دوچرخه و رشد جمعیت است. سرفصل‌های این قسمت به شرح زیر است:

فصل 1: مقدمه‌ای بر مدل‌سازی این فصل چارچوب مدل‌سازی را معرفی می‌کند و آن را با آزمایش افسانه در حال سقوط نشان می‌دهد. همچنین Pint را ارائه می‌کند، کتابخانه‌ای برای محاسبات با واحدهایی مانند متر و کیلوگرم.

فصل 2: مدل‌سازی یک سیستم اشتراک دوچرخه این فصل چارچوب مدل‌سازی را برای سیستم اشتراک دوچرخه اعمال می‌کند و برخی از ابزارهای برنامه‌نویسی را که در سراسر کتاب به آن‌ها نیاز خواهیم داشت، از جمله توابع، حلقه‌ها و ساختار داده‌های TimeSeries معرفی می‌کند.

فصل 3: مدل‌سازی تکراری این فصل فرآیند مدل‌سازی تکراری را با بهبود تدریجی مدل ما از سیستم اشتراک دوچرخه نشان می‌دهد. از اشیاء State برای ردیابی دوچرخه‌ها استفاده می‌کند و شرایط غیرممکن مانند دوچرخه‌های منفی را بررسی می‌کند.

فصل 4: پارامترها و معیارها ما مدل سهم دوچرخه را به کار می‌گیریم و از آن برای پیش‌بینی رفتار سیستم تحت طیف وسیعی از شرایط، مانند تغییرات در تقاضای مشتری، استفاده می‌کنیم. ما همچنین راه‌هایی را برای تست و اشکال زدایی کد پیشنهاد می‌کنیم.

فصل 5: ساخت مدل جمعیت این اولین فصل از پنج فصل در مورد رشد جمعیت جهان است. این با داده‌های 50 سال گذشته شروع می‌شود و چندین مدل را آزمایش می‌کند تا ببیند آیا با داده‌ها مطابقت دارند یا خیر.

فصل 6 کتاب Modeling and Simulation in Python: تکرار مدل جمعیت در اینجا ما به صورت تدریجی مدل جمعیت خود را بهبود می‌بخشیم، آن را واقعی‌تر می‌کنیم و خواندن و اصلاح کد را آسان‌تر می‌کنیم. ما همچنین اشیاء سیستمی را معرفی می‌کنیم که اطلاعات مربوط به سیستمی را که مدل‌سازی می‌کنیم نشان می‌دهند.

فصل 7 کتاب Modeling and Simulation in Python: محدودیت‌های رشد در این فصل ویژگی‌های جدیدی را به مدل اضافه می‌کنیم تا محدودیت‌های رشد جمعیت را نشان دهد و راه‌هایی را برای آزمایش و اشکال‌زدایی توابع پیشنهاد می‌کنیم.

فصل 8: پیش‌بینی به آینده در اینجا ما کار خود را بر روی جمعیت جهان با ایجاد پیش‌بینی‌هایی برای 80 سال آینده و مقایسه آن‌ها با پیش‌بینی‌های جمعیت‌شناسان حرفه‌ای ادامه می‌دهیم.

فصل 9 کتاب Modeling and Simulation in Python: تجزیه و تحلیل و محاسبات نمادین این فصل روش‌های ریاضی را برای تجزیه و تحلیل مدل‌های جمعیت جهان ما ارائه می‌دهد و SymPy را معرفی می‌کند، کتابخانه ای برای انجام محاسبات نمادین. این فصل باید به افرادی علاقه مند باشد که تجزیه و تحلیل ریاضی را دوست دارند، اما اختیاری است: اگر بخواهید از آن صرف نظر کنید، چیزی را که بعداً در کتاب نیاز دارید از دست نخواهید داد.

فصل 10 کتاب Modeling and Simulation in Python: مطالعات موردی بخش اول این فصل چهار مطالعه موردی را ارائه می‌کند که روش‌هایی را که تاکنون آموخته‌ایم در مجموعه‌ای از موضوعات به کار می‌برند: جمعیت جهان ماقبل تاریخ، جمعیت حیات وحش، رشد درختان و سیستم‌های صف.

بخش دوم درباره سیستم‌هایی است که می‌توان آن‌ها را با معادلات دیفرانسیل مرتبه اول توصیف کرد، از جمله اجسامی که گرم و سرد می‌شوند، غلظت‌ها و واکنش‌های شیمیایی، و انتقال بیماری‌های عفونی. در اینجا تفکیک فصول آمده است:

فصل 11 کتاب Modeling and Simulation in Python: اپیدمیولوژی و مدل‌های SIR اولین فصل از چهار فصل در مورد مدل‌سازی بیماری‌های عفونی، مدل SIR و ساختار داده TimeFrame را معرفی می‌کند.

فصل 12 کتاب Modeling and Simulation in Python: کمی‌سازی مداخلات این فصل از مدل SIR برای تعیین کمیت اثر مداخلاتی مانند قرنطینه و ایمن‌سازی بر بیماری‌های عفونی استفاده می‌کند و پدیده ایمنی گله را بررسی می‌کند.

فصل 13: پارامترهای Sweeping این فصل تأثیر عفونت و نرخ بهبودی را بر پیشرفت یک بیماری عفونی بررسی می‌کند و ساختار داده SweepFrame را معرفی می‌کند.

فصل 14: غیر بعدی سازی در اینجا ما کار خود را با مدل SIR به پایان می‌بریم. ما از تجزیه و تحلیل ریاضی برای درک رابطه بین میزان عفونت، نرخ بهبودی و تعداد تولید مثل اولیه استفاده می‌کنیم که میزان مسری بودن یک بیماری را کمیت می‌دهد. این فصل اختیاری است.

فصل 15: سیستم‌های حرارتی اولین فصل از دو فصل در مورد سیستم‌های حرارتی، مسئله خنک کننده قهوه را معرفی می‌کند که رابطه بین دما و جریان گرما را بررسی می‌کند.

فصل 16: حل مسئله قهوه ما با مدل‌سازی مخلوط قهوه و شیر در دماهای مختلف، برای یافتن زمان بهینه برای مخلوط کردن، مسئله خنک‌کننده قهوه را تکمیل می‌کنیم.

فصل 17: مدل‌سازی قند خون این اولین فصل از دو فصل است که تنظیم قند خون را با مدل‌سازی برهمکنش گلوکز و انسولین در بدن انسان بررسی می‌کند. مفهوم درون یابی را معرفی می‌کند.

فصل 18 کتاب Modeling and Simulation in Python: اجرای مدل حداقلی ما مدل گلوکز-انسولین را با استفاده از یک حل کننده ODE، یک روش عددی برای کار با معادلات دیفرانسیل، پیاده سازی می‌کنیم.

فصل 19: مطالعات موردی بخش دوم این فصل مطالعات موردی را ارائه می‌کند که ابزارهایی را که تاکنون آموخته‌ایم برای مشکلات مختلف، از جمله مدار الکتریکی، دیوار عایق حرارتی، و تعامل HIV و سیستم ایمنی به کار می‌برد.

بخش سوم درباره سیستم‌هایی است که با معادلات دیفرانسیل مرتبه دوم توصیف می‌شوند، از جمله اجسامی که در فضا حرکت می‌کنند و می‌چرخند. به عنوان مثال می‌توان به پرتابه‌هایی مانند توپ بیسبال و اجسام چرخشی مانند یویو اشاره کرد. فصول به شرح زیر است:

فصل 20: بازبینی پنی در حال سقوط ما به مثال در حال سقوط از فصل 1 باز می‌گردیم، این بار با استفاده از حل کننده ODE برای مدل‌سازی پرتابه ای که در یک بعد حرکت می‌کند.

فصل 21 کتاب Modeling and Simulation in Python: کشیدن ما مدل پنی در حال سقوط را گسترش می‌دهیم تا کشش ناشی از مقاومت هوا را نیز شامل شود. بدون آن، نتایج حتی نزدیک به دقیق نیستند.

فصل 22 کتاب Modeling and Simulation in Python: حرکت دو بعدی ما از یک بعد به بعد حرکت می‌کنیم تا بتوانیم پرواز یک توپ بیسبال را از جمله اثر مقاومت هوا مدل‌سازی کنیم. ما نتایج را با استفاده از انیمیشن‌های ساده تجسم می‌کنیم.

فصل 23: بهینه‌سازی مثال بیسبال را با حل یک سوال بهینه‌سازی به پایان می‌رسانیم: حداقل تلاش لازم برای رسیدن به یک خانه در پارک فن‌وی چقدر است؟

فصل 24: چرخش اولین فصل از دو فصل در مورد چرخش، مفهوم سرعت زاویه‌ای را ارائه می‌کند و آن را در نمونه‌ای از ساخت رول دستمال توالت به کار می‌برد.

فصل 25 کتاب Modeling and Simulation in Python: گشتاور این فصل مفاهیم گشتاور و شتاب زاویه ای را معرفی می‌کند و مدل‌سازی سیستم‌هایی که شامل نیرو و چرخش هستند را ممکن می‌سازد.

فصل 26: مطالعات موردی قسمت سوم این فصل شش مطالعه موردی را ارائه می‌کند که آنچه را که آموخته‌ایم در سیستم‌های مختلف، از جمله بانجی جامپر، یویو، مرد عنکبوتی، و یک بچه گربه که دستمال توالت را باز می‌کند، اعمال می‌کند.

در پایان هر فصل کتاب Modeling and Simulation in Python، حداقل یک تمرین را ارائه می‌دهیم که در آن می‌توانید آنچه را که آموخته اید به کار ببرید. در پایان هر بخش، ما مطالعات موردی را ارائه می‌کنیم که در آن شما می‌توانید روی طیف وسیع‌تری از مشکلات کار کنید.

در نهایت، ضمیمه “هود را باز می‌کند” و جزئیات برخی از روش‌هایی که ما استفاده کرده ایم، از جمله حل کننده ODE، ریشه یاب و بهینه ساز را توضیح می‌دهد.

سرفصل‌های کتاب Modeling and Simulation in Python:

• Cover Page
• PRAISE FOR MODELING AND SIMULATION IN PYTHON
• Title Page
• Copyright Page
• About the Author
• About the Technical Reviewer
• BRIEF CONTENTS
• CONTENTS IN DETAIL
• ACKNOWLEDGMENTS
• INTRODUCTION
• PART I DISCRETE SYSTEMS
  • 1 INTRODUCTION TO MODELING
  • 2 MODELING A BIKE SHARE SYSTEM
  • 3 ITERATIVE MODELING
  • 4 PARAMETERS AND METRICS
  • 5 BUILDING A POPULATION MODEL
  • 6 ITERATING THE POPULATION MODEL
  • 7 LIMITS TO GROWTH
  • 8 PROJECTING INTO THE FUTURE
  • 9 ANALYSIS AND SYMBOLIC COMPUTATION
  • 10 CASE STUDIES PART I
• PART II FIRST-ORDER SYSTEMS
  • 11 EPIDEMIOLOGY AND SIR MODELS
  • 12 QUANTIFYING INTERVENTIONS
  • 13 SWEEPING PARAMETERS
  • 14 NONDIMENSIONALIZATION
  • 15 THERMAL SYSTEMS
  • 16 SOLVING THE COFFEE PROBLEM
  • 17 MODELING BLOOD SUGAR
  • 18 IMPLEMENTING THE MINIMAL MODEL
  • 19 CASE STUDIES PART II
• PART III SECOND-ORDER SYSTEMS
  • 20 THE FALLING PENNY REVISITED
  • 21 DRAG
  • 22 TWO-DIMENSIONAL MOTION
  • 23 OPTIMIZATION
  • 24 ROTATION
  • 25 TORQUE
  • 26 CASE STUDIES PART III
• APPENDIX: UNDER THE HOOD
• INDEX

فایل کتاب Modeling and Simulation in Python را می‌توانید پس از پرداخت، دریافت کنید.