跟着我学Python进阶篇：01.试用Python完成一些简单问题

2023-12-20 20:57:40

往期文章

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 跟着我学Python基础篇：02.数字与字符串编程
 跟着我学Python基础篇：03.选择结构
 跟着我学Python基础篇：04.循环
 跟着我学Python基础篇：05.函数
 跟着我学Python基础篇：06.列表
 跟着我学Python基础篇：07.文本
 跟着我学Python基础篇：08.集合和字典

前言

在基础篇，我们已经掌握了Python中的一些基础的语法规则，那么在进阶篇中，我们将在更深度一些的层次上，去学习和了解Python。

1. 图形：简单绘图

matplotlib是一个用于创建高质量图形的Python库。它可以用于绘制各种类型的图形，包括线图、散点图、条形图、直方图、饼图等。matplotlib提供了丰富的图形定制选项，允许用户自定义各种元素，如标签、标题、轴标签、颜色、线型等。此外，matplotlib还可以与numpy、pandas等其他Python库一起使用，以便更轻松地处理和可视化数据。

1.1 创建窗口

import matplotlib.pyplot as plt

# 创建一个图形窗口
fig = plt.figure()

# 可选：设置窗口的大小和标题
fig.set_size_inches(6, 4)  # 设置窗口大小为6x4英寸
fig.suptitle('My Window')  # 设置窗口标题


# 显示窗口
plt.show()

在这里插入图片描述
我们首先使用plt.figure()创建了一个图形窗口对象fig。然后，我们可以使用fig.set_size_inches()和fig.suptitle()来设置窗口的大小和标题。

1.2 线和多边形

import matplotlib.pyplot as plt

# 创建一个图形窗口
fig = plt.figure()

# 可选：设置窗口的大小和标题
fig.set_size_inches(6, 4)  # 设置窗口大小为6x4英寸
fig.suptitle('My Window')  # 设置窗口标题

# 绘制折线图
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [5, 4, 3, 2, 1]
plt.plot(x, y)

# 显示窗口
plt.show()

在这里插入图片描述
我们首先创建了一个图形窗口，并设置了窗口的大小和标题。然后使用plt.plot()函数绘制了一个折线图，最后使用plt.show()函数显示图形窗口。你可以根据需要在窗口中绘制不同类型的图形。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
x = ['A', 'B', 'C', 'D']
y = [10, 15, 7, 12]

# 创建一个图形窗口
fig = plt.figure()

# 绘制柱状图
plt.bar(x, y)

# 显示图形
plt.show()

在这里插入图片描述
我们定义了两个列表x和y，分别表示柱状图的横轴和纵轴数据。然后创建一个图形窗口，使用plt.bar()函数绘制柱状图。最后使用plt.show()函数显示图形窗口。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
x = ['A', 'B', 'C', 'D']
y = [10, 15, 7, 12]

# 颜色
colors = ['red', 'green', 'blue', 'orange']

# 创建一个图形窗口
fig = plt.figure()

# 绘制柱状图并填充颜色
plt.bar(x, y, color=colors)

# 显示图形
plt.show()

在这里插入图片描述
定义了一个colors列表，其中每个元素对应柱状图中每个柱子的颜色。然后创建一个图形窗口，使用plt.bar()函数绘制柱状图，并通过color参数指定填充颜色。最后使用plt.show()函数显示图形窗口。你可以根据实际需求调整x、y和colors的值，以及使用其他参数来自定义柱状图的样式，如宽度、边框颜色等。

2. 使用Sympy进行符号处理

sympy包提供了大量的函数可以计算更多公式的值，包括微积分。让我们来感受一下。

2.1 操作表达式

2.1.1化简表达式

`Sympy可以将表达式自动化简为最简形式。以下是一个例子：

import sympy

# 定义符号变量x和y
x, y = sympy.symbols('x y')

# 定义表达式
expr = 2*x + x - x**2

# 化简表达式
simplified_expr = sympy.simplify(expr)

# 输出化简后的表达式
print(simplified_expr)

在这里插入图片描述

在这个例子中，我们定义了一个表达式2*x + x - x**2，使用sympy.simplify()函数将其化简为最简形式，并将结果存储在变量simplified_expr中。最后，我们使用print()函数输出化简后的表达式。

2.1.2 展开表达式

Sympy可以将表达式展开为多项式。以下是一个例子：

import sympy

# 定义符号变量x和y
x, y = sympy.symbols('x y')

# 定义表达式
expr = (x + y)**2

# 展开表达式
expanded_expr = sympy.expand(expr)

# 输出展开后的表达式
print(expanded_expr)

在这里插入图片描述

在这个例子中，我们定义了一个表达式(x + y)**2，使用sympy.expand()函数将其展开为多项式，并将结果存储在变量expanded_expr中。最后，我们使用print()函数输出展开后的表达式。

2.1.3 因式分解表达式

将表达式因式分解为乘积形式。以下是一个例子：

import sympy

# 定义符号变量x和y
x, y = sympy.symbols('x y')

# 定义表达式
expr = x**2 - y**2

# 因式分解表达式
factored_expr = sympy.factor(expr)

# 输出因式分解后的表达式
print(factored_expr)

在这里插入图片描述

在这个例子中，我们定义了一个表达式x2 - y2，使用sympy.factor()函数将其因式分解为x + y)*(x - y)的乘积形式，并将结果存储在变量actored_expr中。最后，我们使用print()函数输出因式分解后的表达式。

2.1.4 求导数

Sympy可以对表达式求导数。以下是一个例子：

import sympy

# 定义符号变量x和y
x, y = sympy.symbols('x y')

# 定义表达式
expr = x**3 + 2*x**2 + x

# 对表达式求导
derivative_expr = sympy.diff(expr, x)

# 输出求导后的表达式
print(derivative_expr)

在这里插入图片描述

在这个例子中，我们定义了一个表达式x3 + 2*x2 + x，使用sympy.diff()函数对其求导，并将结果存储在变量derivative_expr中。最后，我们使用print()函数输出求导后的表达式。

2.1.5 求积分

import sympy

# 定义符号变量x和y
x, y = sympy.symbols('x y')

# 定义表达式
expr = x**3 + 2*x**2 + x

# 对表达式求积分
integral_expr = sympy.integrate(expr, x)

# 输出求积分后的表达式
print(integral_expr)

在这里插入图片描述

在这个例子中，我们定义了一个表达式x3 + 2*x2 + x，使用sympy.integrate()函数对其求积分，并将结果存储在变量integral_expr中。最后，我们使用print()函数输出求积分后的表达式。

2.2 求解方程

2.2.1 求解一元方程

import sympy

# 定义符号变量x
x = sympy.symbols('x')

# 定义方程
equation = sympy.Eq(x**2 - 4, 0)

# 求解方程
solutions = sympy.solve(equation, x)

# 输出方程的解
print(solutions)

在这里插入图片描述
我们定义了一个一元方程x**2 - 4 = 0，使用sympy.solve()函数来求解方程，并将结果存储在变量solutions中。最后，我们使用print()函数输出方程的解。

2.2.2求解多元方程

import sympy

# 定义符号变量x和y
x, y = sympy.symbols('x y')

# 定义方程组
equations = [
    sympy.Eq(x + y, 5),
    sympy.Eq(2*x - y, 1)
]

# 求解方程组
solutions = sympy.solve(equations, (x, y))

# 输出方程组的解
print(solutions)

在这里插入图片描述
我们定义了一个多元方程组，包含两个方程x + y = 5和2*x - y = 1。我们使用sympy.solve()函数来求解方程组，并将结果存储在变量solutions中。最后，我们使用print()函数输出方程组的解。

2.2.3 求解高阶多项方程

import sympy

# 定义符号变量x
x = sympy.symbols('x')

# 定义高阶多项式方程
equation = x**4 - 6*x**3 + 11*x**2 - 6*x

# 求解方程
solutions = sympy.solve(equation, x)

# 输出方程的解
print(solutions)

在这里插入图片描述
高阶多项式方程x4 - 6*x3 + 11x**2 - 6x，使用sympy.solve()函数求解方程，并将结果存储在变量solutions中。最后，我们使用print()函数输出方程的解。

2.2.4 求解三角方程

import sympy

# 定义符号变量x
x = sympy.symbols('x')

# 定义三角方程
equation = sympy.sin(x) - sympy.cos(x)

# 求解方程
solutions = sympy.solve(equation, x)

# 输出方程的解
print(solutions)

在这里插入图片描述
我们定义了一个三角方程sin(x) - cos(x)，使用sympy.solve()函数求解方程，并将结果存储在变量solutions中。最后，我们使用print()函数输出方程的解。

2.2.5 求解指数方程

import sympy

# 定义符号变量x
x = sympy.symbols('x')

# 定义指数方程
equation = sympy.exp(x) - 2**x

# 求解方程
solutions = sympy.solve(equation, x)

# 输出方程的解
print(solutions)

在这里插入图片描述

2.3 画函数图像

import sympy
from sympy.plotting import plot

# 定义符号变量x
x = sympy.symbols('x')

# 定义函数
f = x**2

# 绘制函数图像
p = plot(f, (x, -5, 5), show=False)

# 设置标题和坐标轴标签
p.title = 'Function Graph'
p.xlabel = 'x'
p.ylabel = 'y'

# 显示图像
p.show()

在这里插入图片描述
我们定义了一个函数f(x) = x**2，使用sympy库的plot()函数来绘制函数的图像。第一个参数是要绘制的函数，第二个参数是函数自变量的范围。plot()函数还有许多其他参数可以用来定制图像，例如线条颜色、线条样式等。
最后，我们设置了标题和坐标轴标签，并使用show()函数显示图像。
注意，sympy库的绘图功能相对于专业的绘图库可能较为简单，因此对于绘制复杂的图像，建议使用更专业的绘图库，例如matplotlib。

3. 随机数的生成和模拟

3.1 模拟掷骰子

import pygame
import sys
import random
import time

pygame.init()

WINDOW_SIZE = (400, 400)
screen = pygame.display.set_mode(WINDOW_SIZE)
pygame.display.set_caption("Rolling Dice Animation")

DICE_POINTS = {
    1: [(200, 200)],
    2: [(170, 170), (230, 230)],
    3: [(170, 170), (200, 200), (230, 230)],
    4: [(170, 170), (230, 230), (170, 230), (230, 170)],
    5: [(170, 170), (230, 230), (170, 230), (230, 170), (200, 200)],
    6: [(170, 170), (230, 230), (170, 230), (230, 170), (170, 200), (230, 200)],
}

def draw_dice(number):
    screen.fill((255, 255, 255))

    pygame.draw.rect(screen, (0, 0, 0), (150, 150, 100, 100))

    for point in DICE_POINTS[number]:
        pygame.draw.circle(screen, (255, 0, 0), point, 10)

    pygame.display.flip()

def roll_dice_animation():
    current_number = 1

    for _ in range(30):
        draw_dice(current_number)
        current_number = random.randint(1, 6)
        time.sleep(0.1)

    return current_number

def main():
    while True:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                pygame.quit()
                sys.exit()

        result = roll_dice_animation()
        print(f"Dice rolled: {result}")
        time.sleep(1)  # 停留一秒，显示掷出的点数

if __name__ == "__main__":
    main()

在这里插入图片描述

3.2 模拟打靶

import pygame
import sys
import random

pygame.init()

WINDOW_SIZE = (400, 400)
screen = pygame.display.set_mode(WINDOW_SIZE)
pygame.display.set_caption("Target Shooting Simulation")

TARGET_RADIUS = 50  # 调整靶子半径
TARGET_COLOR = (255, 0, 0)
BACKGROUND_COLOR = (255, 255, 255)

shots = []

def draw_target():
    pygame.draw.circle(screen, TARGET_COLOR, (200, 200), TARGET_RADIUS)

def draw_shots():
    for shot in shots:
        pygame.draw.circle(screen, (0, 255, 0), shot[0], 5)
        font = pygame.font.Font(None, 36)
        text = font.render(str(shot[1]), True, (0, 255, 0))
        screen.blit(text, (shot[0][0] - 10, shot[0][1] - 20))

def calculate_score(distance):
    max_distance = TARGET_RADIUS
    min_distance = 0
    normalized_distance = max(0, min((max_distance - distance) / max_distance, 1))
    score = int(normalized_distance * 10)
    return score

def main():
    clock = pygame.time.Clock()

    while True:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                pygame.quit()
                sys.exit()
            elif event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN and event.button == 1:  # 左键点击
                mouse_x, mouse_y = pygame.mouse.get_pos()
                distance = ((mouse_x - 200) ** 2 + (mouse_y - 200) ** 2) ** 0.5
                if distance <= TARGET_RADIUS:
                    score = calculate_score(distance)
                    print(f"Hit! Score: {score}")
                    shots.append(((mouse_x, mouse_y), score))

        screen.fill(BACKGROUND_COLOR)
        draw_target()
        draw_shots()

        pygame.display.flip()
        clock.tick(60)

if __name__ == "__main__":
    main()

在这里插入图片描述

3.3 生成随机密码

import random
import string

def generate_password(length=12):
    characters = string.ascii_letters + string.digits + string.punctuation
    password = ''.join(random.choice(characters) for _ in range(length))
    return password

# 生成一个默认长度为12的密码
password = generate_password()
print("Generated Password:", password)

在这里插入图片描述

文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_53472920/article/details/135023401
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跟着我学Python进阶篇：01.试用Python完成一些简单问题

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目录

前言

1. 图形：简单绘图

1.1 创建窗口

1.2 线和多边形

2. 使用Sympy进行符号处理

2.1 操作表达式

2.1.1化简表达式

2.1.2 展开表达式

2.1.3 因式分解表达式

2.1.4 求导数

2.1.5 求积分

2.2 求解方程

2.2.1 求解一元方程

2.2.2求解多元方程

2.2.3 求解高阶多项方程

2.2.4 求解三角方程

2.2.5 求解指数方程

2.3 画函数图像

3. 随机数的生成和模拟

3.1 模拟掷骰子

3.2 模拟打靶

3.3 生成随机密码