進階 · Python 實驗

建模者的 Python 實驗室

用於模擬、數值方法、最佳化及圖像生成的可重現實驗課。

這些實驗把 Python 當成測試數學論證的工具。程式從來不是起點;每個實驗先提出問題、預期的小結果,以及一項可以清楚失敗的檢查。

標準實驗結構

每個實驗包含七項:

  1. 問題: 用一段文字交代數學或決策問題。
  2. 模型卡: 變數、單位、方程、假設與預期輸出。
  3. 起步實驗: 所有人都可重現的確定性或固定種子運行。
  4. 檢查點: 手算、極限情況、守恆檢查或已知解。
  5. 延伸: 每次只改一個參數、假設或演算法。
  6. 證據產物: 由程式生成並完整標示的表或圖。
  7. 反思: 計算支持甚麼、在哪裡失效、下一步需甚麼資料。

實驗序列

數值思維

插值與簡單微分方程引入離散化、誤差、收斂,以及「曲線平滑」與「近似準確」之間的差別。插值導讀提供概念配套。

動態系統

遞推及時間步進模型展示局部規則如何形成軌跡。學生比較步長、檢查穩定性,並解釋數值結果為何改變。

模擬

交通或排隊案例引入隨機種子、重複試驗、分布與信賴區間。一次運行只是一個例子;聲稱需要預先設計的一組運行。

空間模型

網格環境案例引入邊界條件、擴散、參數場與數值加密。謹慎閱讀空間登革熱實驗展示模型邊界如何跟隨結果。

最佳化與取捨

學生把基準政策與候選改善比較,繪製取捨曲面,再測試改變假設後首選是否仍然相同。

三種支架

  • 引導: 補全表達式並重現指定檢查。
  • 結構化: 選擇參數並設計一項敏感度測試。
  • 獨立: 定義延伸、論證評估指標並撰寫驗證備忘。

可重現性清單

  • 輸入與單位可見;
  • 程式及輸出沒有本機絕對路徑;
  • 確定性設定或種子已記錄;
  • 先保存結果,再繪圖;
  • 座標、圖例與說明交代量度內容;
  • 一條命令或清楚 notebook 次序可重生產物;
  • README 說明預期輸出及已知限制。

評核

程式風格服務於數學清晰度。最強作品未必最長,而是讓讀者可由假設追到方程、由方程追到輸出、再由輸出追到有界結論。

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