آموزش پایتون برای مهندسان

پایتون یک زبان سطح بالا، تفسیری، شی‌گرا و همه‌منظوره است که توسط گیدو ون روسوم طراحی شد. دلیل محبوبیت آن در مهندسی، سادگی سینتکس، قدرت کتابخانه‌ها و کاربرد مستقیم در محاسبات علمی و هوش مصنوعی است.

بریم سراغ اولین برنامه! در VS Code یا Spyder یا py3roid خود بنویسید:

print("Hello, I can write program!!")

تبریک می‌گویم، شما رسماً یک برنامه‌نویس شدید! 🎉

حالا مهندسان عزیز، بیایید با هم پیش برویم. یک ورق کاغذ در جلو خود بگذارید و فرض کنید در حال حل یک مسئله عمرانی هستید. پارامترها را در ورقه کاغذ چطور تعریف می‌کنید؟ خب معلومه، با متغیر:

# تعریف متغیر با مقدار عددی
x = 5
y = 10

# تعریف متغیر با مقدار رشته‌ای
name = "Shayan"

# تعریف متغیر با مقدار اعشاری
pi = 3.14

print(x)       # 5
print(name)    # Shayan

انواع داده‌های پایه: (روی کارت‌ها کلیک کنید)

پایتون سه نوع عدد اصلی دارد: صحیح (int)، اعشاری (float) و مختلط (complex). برای کارهای مهندسی، دو نوع اول کاربرد بیشتری دارند.

مثال — محاسبه ساده:

a = 10
b = 3

print(a + b)   # 13
print(a - b)   # 7
print(a * b)   # 30
print(a / b)   # 3.3333...
print(a // b)  # 3  (تقسیم صحیح)
print(a % b)   # 1  (باقیمانده)
print(a ** b)  # 1000 (توان)

مکعب سه‌بعدی عملگرهای ریاضی — موس را روی مکعب نگه دارید تا سریع‌تر بچرخد

یادت هست با یک پیام برنامه‌نویس شدی؟ ما تمام پیام‌هایمان را به صورت رشته (string) می‌نویسیم و برای ساخت رشته از نمادهای " " یا ' ' استفاده می‌کنیم. تابع مخصوص این کار هم وجود دارد (str()) که جلوتر به آن می‌رسیم.

name = "Shayan"
full = 'Civil Engineer'

print(name + " Dolat Yari")
print("=" * 20)
print(len(name))   # 6

# f-string — فرمت‌بندی مدرن
age = 25
print(f"My name is {name} and I am {age}")

بولین‌ها ارزش‌های منطقی هستند که دو مقدار False و True دارند؛ یا به قول خودمانی، معادل 0 و 1 هستند. به ترتیب نوشتم که متوجه بشی. 😄

a = 10
b = 20

print(a > b)     # False
print(a < b)     # True
print(bool(0))      # False
print(bool(1))      # True

ما چندین نوع عملگر داریم که باید با شکل‌های روی کاغذ مقایسه کنید. خوشبختانه بیشترشان مشابه همان نمادهای ریاضی روی کاغذ مهندسی هستند.

عملگرهای حسابی:

عملگرهای مقایسه‌ای:

عملگرهای منطقی و احتمال:

«بودن یا نبودن؟ مسئله این است!» — و این نقل قول شکسپیر همواره درست است. 😄

a = 5
b = 10

print(a > 0 and b > 0)   # True
print(a > 100 or b > 0)  # True
print(not (a > 0))          # False

قبل از اینکه بدانیم شرط‌ها چیست، باید بدانید یک شرط زمانی فعال می‌شود که مقدار خروجی ما در آن لحظه از نوع boolean باشد و حتماً باید True باشد تا ما وارد بدنه شرط شویم.

یادتان باشد بدنه شرط از بدنه اصلی ۴ فاصله (Space) یا یک Tab فاصله دارد. خب حالا قبل از شرط چی لازم داریم؟ عملگر! پس اگر عملگرها را بلد نیستی یک دور مرور کن و بعد به این قسمت بیا.

یک گزاره شرطی با if شروع می‌شود و با : تمام می‌شود و وارد بدنه شرط می‌شود. اگر شرط برقرار نشد، می‌توانیم وارد elif شویم که مخفف else if است. اگر هم کلاً دو گزاره شرطی داشتیم، مستقیم وارد else می‌شویم.

age = 20

if age >= 18:
    print("You are an adult")
elif age >= 13:
    print("You are a teenager")
else:
    print("You are a child")

مثال مهندسی — بررسی سلامت تیر بتنی:

stress = 250   # تنش بر حسب MPa
limit  = 300   # تنش مجاز

if stress < limit:
    print("✅ Safe")
elif stress == limit:
    print("⚠️ At the limit")
else:
    print("❌ Danger")

در پایتون دو نوع حلقه داریم: حلقه شرطی و حلقه شمارنده (سری).

حلقه for:

# چاپ اعداد 1 تا 5
for i in range(1, 6):
    print(i)

names = ["Ali", "Sara", "Reza"]
for name in names:
    print(name)

حلقه while:

i = 1
while i <= 5:
    print(i)
    i += 1   # معادل i = i + 1

مثال مهندسی — میانگین تنش ۵ نمونه:

stresses = [240, 255, 260, 245, 250]
total = 0

for s in stresses:
    total += s

avg = total / len(stresses)
print(f"Average = {avg} MPa")

با دستور input() می‌توانیم از کاربر بخواهیم به ما ورودی بدهد و آن را درون یک متغیر ذخیره کنیم.

# دریافت نام
name = input("Enter your name: ")
print(f"Hello, {name}!")

# دریافت عدد (باید تبدیل شود)
age = int(input("Enter your age: "))
print(f"Next year you will be {age + 1}")

height = float(input("Enter your height (m): "))

توابع در پایتون زمانی به سراغشان می‌رویم که بخواهیم یک الگوریتم بسازیم و هرموقع به آن نیاز داشتیم فراخوانی کنیم تا از تکرار حلقه‌ها، شرط‌ها و... جلوگیری کنیم.

توابع بلوک‌هایی از کد هستند که یک کار مشخص را انجام می‌دهند و با کلمه کلیدی def تعریف می‌شوند.

# تعریف یک تابع ساده
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

greet("Shayan")

# تابع با مقدار بازگشتی
def add(a, b):
    return a + b

result = add(5, 3)
print(result)   # 8

# تابع با مقدار پیش‌فرض
def power(base, exp=2):
    return base ** exp

print(power(5))       # 25
print(power(2, 3))    # 8

مثال مهندسی — محاسبه مساحت مقطع دایره‌ای:

import math

def circle_area(r):
    return math.pi * r ** 2

print(circle_area(5))   # 78.5398...

داده‌ها دو دسته‌اند:

• لوکال (Local) — عبارت‌اند از: لیست‌ها، تاپل‌ها، دیکشنری‌ها و...
• گلوبال (Global) — عبارت‌اند از: فایل‌ها، فایل‌های CSV، داده‌های موجود روی سرور، دیتاست‌ها و...

پایتون چهار ساختار داده اصلی لوکال دارد:

# لیست
fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
fruits.append("orange")

# دیکشنری
person = {"name": "Shayan", "age": 25}
print(person["name"])   # Shayan

# مجموعه
nums = {1, 2, 2, 3, 3}
print(nums)   # {1, 2, 3}

پایتون کتابخانه‌های بسیار قدرتمندی دارد که برای کارهای مهندسی و علمی حیاتی هستند. با import آن‌ها را به کد اضافه می‌کنیم.

import math

print(math.sqrt(16))    # 4.0
print(math.sin(0))      # 0.0
print(math.pi)           # 3.14159...

def hypotenuse(a, b):
    return math.sqrt(a ** 2 + b ** 2)

print(hypotenuse(3, 4))   # 5.0

برای مصورسازی داده‌ها و نتایج مهندسی از کتابخانه matplotlib استفاده می‌شود.

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

plt.plot(x, y, color="cyan", linewidth=2)
plt.title("Sine Wave")
plt.xlabel("x")
plt.ylabel("sin(x)")
plt.grid(True)
plt.show()

مثال مهندسی — منحنی تنش-کرنش:

import matplotlib.pyplot as plt

strain = [0, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004]
stress = [0, 50, 100, 150, 200]

plt.plot(strain, stress, marker="o")
plt.title("Stress-Strain Curve")
plt.xlabel("Strain")
plt.ylabel("Stress (MPa)")
plt.grid(True)
plt.show()

شی‌گرایی (OOP) یک سبک برنامه‌نویسی است که در آن داده‌ها و رفتارها در قالب «شیء» (Object) سازمان‌دهی می‌شوند. در پایتون همه‌چیز شیء است — اعداد، رشته‌ها، لیست‌ها و حتی توابع.

فرض کنید می‌خواهیم یک ماشین طراحی کنیم و کمپانی ما «کمپانی مهندس دولت‌یاری» است. برای ساختن یک سیستم و ساختار کلی که سازنده ما هستیم، و بعد ساخت ماشین که بتوانیم این ماشین را صادر کنیم و در برنامه‌های سایر مهندسین با دستور import آن را فراخوانی کنیم — برای این کار سراغ شی‌گرایی می‌رویم.

تعریف کلاس و ساخت شیء:

class Student:
    # سازنده (Constructor)
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age

    def introduce(self):
        print(f"My name is {self.name}, I am {self.age}")

# ساخت شیء از کلاس
s1 = Student("Shayan", 25)
s1.introduce()

وراثت (Inheritance):

class Engineer(Student):
    def __init__(self, name, age, field):
        super().__init__(name, age)   # فراخوانی سازنده پدر
        self.field = field

    def introduce(self):   # بازنویسی متد (Override)
        print(f"I am {self.name}, a {self.field} engineer")

e1 = Engineer("Shayan", 25, "Civil")
e1.introduce()

مثال مهندسی — کلاس تیر بتنی (ماشین مهندس دولت‌یاری):

class Beam:
    def __init__(self, length, width, height):
        self.length = length
        self.width = width
        self.height = height

    def volume(self):
        return self.length * self.width * self.height

    def weight(self, density=2500):   # kg/m³ بتن
        return self.volume() * density

b = Beam(5, 0.3, 0.5)
print(f"Volume: {b.volume()} m³")
print(f"Weight: {b.weight()} kg")