Python en Ámbitos Científicos

Este proyecto es parte del soporte de construcción del libro "Python en Ámbitos Científicos" de Facundo Batista y Manuel Carlevaro.

Todavía en desarrollo, aquí se irán publicando capítulos por separado (en distintos grados de finalización) con la idea de poder compartir el contenido y en lo posible ir recibiendo feedback.

Cada capítulo es un PDF diferente, y en el directorio códigos, bajo el directorio correspondiente a ese capítulo, estarán los programas en Python que se mencionan o usan en el texto.

Tanto los textos como el código fuente, ejemplos e imágenes son Copyright de Facundo Batista y Manuel Carlevaro y están compartidos bajo la licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0), salvo que se especifique puntualmente lo contrario.

Capítulos

• Introducción a Python: Qué es Python. Propiedades del lenguaje, multiparadigma, interpretado. Biblioteca estándar, módulos externos, integrado en Python. Editando y ejecutando, usando módulos. El intérprete interactivo, Jupyter Notebooks, explorando. Cómo pedir ayuda.

• Python: Tipos de datos: Tipos de datos: números, cadenas, listas, tuplas. Pensando como un Pythonista. Más tipos: conjuntos y diccionarios. Iteradores.

• Python: Controles de flujo: If, while, for. Excepciones.

• Python: Encapsulando código: Funciones, espacios de nombres, generadores, clases, módulos.

• Ecuaciones diferenciales ordinarias: Introducción. Solución analítica. Métodos numéricos. Ecuación diferencial con valores iniciales.

• Numpy: Introducción y conceptos. El array. Multidimensionalidad. Slices. Indización avanzada, máscaras, arreglos correlacionados. Broadcasting.

• Ecuaciones en derivadas parciales: Clasificación. Método de las diferencias finitas. Ecuación 1D con método explícito. Solución con método implícito. Implementación con matriz rala. Método de elementos finitos. Ecuación de Poisson. Formulación variacional. Implementación en FEniCS.

• Aritmética de punto flotante: Introducción. La necesidad del punto flotante. La estructura y sus partes. Valores especiales.Binario y decimal. Errores, comparaciones. Uso en aplicaciones científicas.

• Ecuaciones algebraicas: Sistemas de ecuaciones lineales. Condicionamiento. Factorización LU. Problema de autovalores. Ecuaciones no lineales de una y varias dimensiones.

• Versionado de código: Control de versiones, utilidad, necesidad, casos de uso. Ramas. Git. Flujo de traajo, ciclo de vida de una rama, ejemplo práctico. Lecturas recomendadas.

• Integración numérica: Integración simbólica. Transformaciones integrales. Integración numérica en una dimensión: métodos de Newton-Cotes, cuadraturas gaussianas, integración Monte Carlo. Integración numérica con SciPy. Integración múltiple.

• Entornos de ejecución de Python: Introducción a la problemática. Descripción de la necesidad de múltiples entornos. Repetibilidad y aislamiento. Entornos virtuales, creación y activación, instalación de paquetes. Herramientas: virtualenv, virtualenvwrapper, fades, pipenv. Ejemplos prácticos. Contenedores, conceptos, distinción con imágenes. El Dockerfile. Creando imágenes. Ejecutando contenedores. Copiando resultados desde el contenedor. Valor de los contenedores a nivel sistema. Compartiendo imágenes.

• Elementos de estadística: Números aleatorios. Distribuciones: medidas de centralidad y dispersión. Test de hipótesis. Estimación no paramétrica.

• Procesamiento en paralelo: Introducción. Qué es la concurrencia. Threading. Usando hilos. Modificando estructuras en sistemas multithreading, condiciones de carrera, locks. Sistemas asincrónicos, ventajas y desventajas. Usando async. Procesamiento en múltiples procesadores, compartiendo datos. Trabajando con números. Ejemplo práctico.

• Modelado estadístico: Introducción. Coeficiente de correlación. Definición de modelos estadísticos con patsy. Regresión lineal y discreta. Series temporales.

• Interfaces gráficas: Concepto de interfaz gráfica. Qt. PyQt. Documentación. Una aplicación mínima. Widgets. Diseño. Señales. Una aplicación real. La ventana principal. Menús y barra de tareas, acciones. Diálogos. Tablas: vista y modelo. Ejecución en otro hilo para no bloquear la interfaz.

• Optimización: Optimización unidimensional. Optimización multidimensional sin restricciones. Optimización multidimensional con restrcciones. Programación lineal y no lineal. Algoritmo genético.

• Manipulación de datos: Leyendo archivos, formas de apertura. Trabajando con datos en formato textual, tres formatos comunes: CSV, JSON y XML. Trabajando con datos binarios, un formato muy usado: HDF5. Pandas, carga de datos, estructuras básicas, operaciones.

• Machine learning: Introducción. Nodos, pesos y funciones de activación. Aprendizaje. Ejemplo de red usando Numpy. Ejemplo con Keras.

• Sobre la velocidad de procesamiento: Introducción. Profiling. Encontrando dónde un programa es lento. Midiendo pequeñas partes de código. Usando Python de forma más eficiente. Planes alternativos cuando Python puro sigue siendo lento: Mypyc, Cythin, Numba, conclusiones. Usando código compilado: extendiendo Python con C o C++, aprovechar código previamente compilado.

• Python más avanzado: Generadores. Administradores de contexto: uso, construcción clásica y abreviada. Acercándonos a la programación funcional: funciones lambda, map, filter y reduce, alternativas. Pruebas de unidad: conceptos, estados de salida, construcción de caso ejemplo. Decoradores: uso y conceptos, construcción.

• Procesamiento en GPU: Introducción. Arquitectura de una GPU. Kernels y threads en CUDA. Organización de threads. Producto de matrices en GPU con PyCUDA y PyOpenCL.

• Python: Clases: Atributos de instancia y de clase. Métodos de clase y estáticos. Herencia: concepto y ejemplos. Simple y no lineal. Propiedades. Creando tipos de datos: conceptos y métodos con nombres especiales.