PYTHON建模与仿真

本书是美国乔治梅森大学Jason M.Kinser教授的经典著作，精准直击Python建模者“能搭流程难出正确结果”的核心痛点。全书以“理论+代码+应用”为框架，从基础的随机数原理讲起，逐步深入蒙特卡罗方法、隐马尔可夫模型（HMM）、耦合微分方程等核心技术，最终延伸至实际应用场景。
内容覆盖18个关键主题：既有纸牌游戏、掷骰子等入门案例，也包含起始密码子识别、HIV仿真、病毒传播ABM模型等生物领域应用，更涉及棒球赛事分析、隐莎士比亚文本生成、国际象棋博弈策略等跨学科实践。每个案例均以故事引入，配合分步拆解的代码与可视化图表，既保持专业严谨性，又大幅降低学习门槛。书中所有Python函数均存档于GitHub（ModSim411），可直接复用调试。
它不止传授技术，更培养“将现实问题转化为可计算模型”的工程思维，是兼顾基础性与实用性的优质资源。

本书以Python为工具，系统介绍了建模与仿真的核心方法论及跨学科应用，旨在为读者构建从理论基础到实践操作的完整知识体系。作者通过循序渐进的章节设计，结合真实案例与代码实现，揭示了建模在科学工程领域的广泛应用潜力，同时强调对模型本质的理解与批判性思考。
本书从随机数生成、蒙特卡罗方法等基础工具切入，逐步延伸至隐马尔可夫模型（HMM）、耦合微分方程、ABM模型等复杂方法。每章以“理论-代码-应用”的结构展开介绍。它强调使用不同计算环境的算法思维能力，并提供了一些有趣的示例，包括莎士比亚文本生成HMM、电影数据库、病毒传播和国际象棋等。本书适合具备基础Python能力的读者阅读。

目　　录<br />译者序<br />前言<br />第1章　概述　1<br />第2章　随机数　3<br />2.1　随机的定义　3<br />2.2　复制随机序列　6<br />2.3　缩放与偏移　7<br />2.4　其他类型的随机数　7<br />2.5　高斯分布　9<br />2.6　确认随机性　10<br />2.7　本章小结　12<br />练习题　12<br />第3章　随机数的应用　13<br />3.1　纸牌游戏：战争　13<br />3.2　Python实现　14<br />3.3　改变游戏　19<br />3.3.1　一张A　19<br />3.3.2　四张A　20<br />3.4　本章小结　20<br />练习题　21<br />第4章　蒙特卡罗方法　22<br />4.1　随机向量　22<br />4.2　掷骰子　23<br />4.3　蒙特卡罗方法应用示例　24<br />4.3.1　水平线分隔　24<br />4.3.2　斜线分隔　25<br />4.3.3　积分　26<br />4.3.4　正方形　28<br />4.3.5　π值预估　29<br />4.4　超球体　30<br />4.5　合理抽样　31<br />4.6　估算星形面积　33<br />4.6.1　几何性质　34<br />4.6.2　理论比　36<br />4.6.3　使用蒙特卡罗方法估计<br />星形面积占比　38<br />4.7　非平均分布　41<br />4.8　本章小结　42<br />练习题　43<br />第5章　自组织建模　44<br />5.1　谢林模型　44<br />5.2　用Python建模　45<br />5.3　试验　48<br />5.4　修改算法　49<br />5.5　本章小结　52<br />练习题　52<br />第6章　隐马尔可夫模型　53<br />6.1　输出HMM　53<br />6.2　转换HMM　55<br />6.2.1　转换HMM的数据结构　56<br />6.2.2　构建转换HMM　58<br />6.3　循环HMM　61<br />6.4　注意事项　62<br />6.4.1　假设的数据　63<br />6.4.2　虚假字符串　63<br />6.4.3　递归概率　63<br />6.5　本章小结　64<br />练习题　64<br />第7章　起始密码子的识别　65<br />7.1　简要生物学背景　65<br />7.2　Python实现　66<br />7.2.1　数据　66<br />7.2.2　概率和对数几率　67<br />7.2.3　构建矩阵　68<br />7.2.4　一个查询　70<br />7.2.5　测试工作　70<br />7.3　本章小结　72<br />练习题　72<br />第8章　HMM在棒球中的应用　74<br />8.1　棒球就够了　74<br />8.2　棒球HMM　75<br />8.3　数据采集　76<br />8.4　统计事件　79<br />8.5　创建转换HMM　80<br />8.6　分析　82<br />8.6.1　用户选择的局　82<br />8.6.2　罕见的转换　83<br />8.6.3　不寻常的局　84<br />8.7　本章小结　85<br />练习题　85<br />第9章　隐莎士比亚模型　86<br />9.1　构建HMM　86<br />9.2　创造新的字符串　88<br />9.3　发现新莎士比亚　90<br />9.4　结构　92<br />9.5　Midsummer Madness　94<br />9.6　本章小结　95<br />练习题　95<br />第10章　关联的数据　97<br />10.1　电影数据库　97<br />10.2　Python查询　99<br />10.3　关联　102<br />10.4　Floyd-Warshall算法　105<br />10.4.1　B矩阵和P矩阵　105<br />10.4.2　创建G矩阵和P矩阵　107<br />10.4.3　用Python创建矩阵　109<br />10.4.4　查找最短路径　110<br />10.5　Floyd-Warshall在演员中的<br />应用　112<br />10.6　无法连接　114<br />10.7　本章小结　116<br />练习题　116<br />第11章　基因表达阵列　117<br />11.1　数据　118<br />11.2　阅读电子表格　119<br />11.3　协议　119<br />11.3.1　减去背景　119<br />11.3.2　比值和强度　120<br />11.3.3　M和A　121<br />11.3.4　LOWESS　122<br />11.4　多个文件　124<br />11.5　简单分析　126<br />11.6　本章小结　128<br />练习题　128<br />第12章　联立方程　130<br />12.1　线性代数方法　131<br />12.2　Python实现　131<br />12.3　计算的限制　133<br />12.3.1　矩阵求逆的精度　133<br />12.3.2　奇点　134<br />12.4　应用题　136<br />12.4.1　游乐场收费　136<br />12.4.2　交通流量　136<br />12.5　基尔霍夫定律的应用　137<br />12.5.1　基尔霍夫电流定律　138<br />12.5.2　基尔霍夫电压定律　138<br />12.5.3　创建方程　139<br />12.5.4　计算电流　141<br />12.6　本章小结　142<br />练习题　142<br />第13章　运动仿真　144<br />13.1　直线运动　144<br />13.2　汽车碰撞　145<br />13.3　加速运动　146<br />13.4　垂直方向的运动　148<br />13.4.1　向上运动　148<br />13.4.2　向下运动　149<br />13.4.3　向上和向下运动　150<br />13.5　抛体运动　150<br />13.6　能量　152<br />13.6.1　示例1　154<br />13.6.2　示例2　155<br />13.7　下落物体的瞄准点　158<br />13.7.1　定义变量　159<br />13.7.2　瞄准　159<br />13.7.3　彩弹射击速度　160<br />13.7.4　飞行时间　160<br />13.7.5　物体高度　161<br />13.8　火箭测试　162<br />13.8.1　构建仿真　162<br />13.8.2　寻找正确参数　166<br />13.9　本章小结　168<br />练习题　168<br />第14章　振荡　169<br />14.1　弹簧理论　169<br />14.2　弹簧运动的仿真　170<br />14.3　修正后的仿真　172<br />14.3.1　平均加速度　173<br />14.3.2　蛙跳法　174<br />14.4　单摆　175<br />14.5　本章小结　177<br />练习题　178<br />第15章　耦合微分方程　179<br />15.1　简单的示例　179<br />15.2　两个依赖于时间的变量　181<br />15.3　相关方程　182<br />15.4　耦合方程　184<br />15.5　HIV仿真　187<br />15.6　弹簧模型　189<br />15.6.1　无摩擦力的弹簧模型　189<br />15.6.2　带摩擦力的弹簧模型　191<br />15.6.3　强制系统　191<br />15.7　耦合弹簧　194<br />15.8　本章小结　196<br />练习题　196<br />第16章　数量惊人的解决方案　198<br />16.1　游戏　199<br />16.2　构建解决方案　200<br />16.2.1　单元格标识　200<br />16.2.2　单元格表示　200<br />16.2.3　谜题架构　201<br />16.2.4　创建谜题　202<br />16.2.5　呈现谜题　203<br />16.2.6　规则1　204<br />16.2.7　规则2　206<br />16.3　其他谜题架构　209<br />16.3.1　更大的谜题　209<br />16.3.2　拼图数独谜题　209<br />16.3.3　规则3　211<br />16.4　开发游戏　213<br />16.4.1　创建一个已解决的<br />谜题　213<br />16.4.2　简单的解决方案　214<br />16.4.3　对简单解决方案的<br />修改　215<br />16.4.4　解开谜题　217<br />16.5　本章小结　219<br />练习题　219<br />第17章　ABM模型—病毒传播　221<br />17.1　ABM模型　221<br />17.1.1　移动　221<br />17.1.2　碰撞　222<br />17.1.3　示例　223<br />17.1.4　另一种计算方法　224<br />17.2　Python实现　225<br />17.2.1　将agent定义为对象　225<br />17.2.2　迭代　229<br />17.2.3　修改仿真程序　231<br />17.3　计算速度　232<br />17.4　本章小结　235<br />练习题　235<br />第18章　国际象棋　237<br />18.1　理论　237<br />18.2　实施　238<br />18.2.1　棋子的价值　238<br />18.2.2　创建棋盘　238<br />18.2.3　走棋　240<br />18.2.4　单个棋子　240<br />18.2.5　为游戏的状态分配<br />分数　244<br />18.3　进行游戏　247<br />18.3.1　走法的选择　247<br />18.3.2　提高性能　249<br />18.4　本章小结　250<br />练习题　250<br />参考文献　251