Uebung 04

Uebung04/Uebung04.ipynb

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+    "# <font color='blue'>**Übung 4 - Module und Zeichnen mit Matplotlib**</font>"
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+    "## <font color='blue'>**Einleitung**</font>\n",
+    "\n",
+    "In den vorherigen Übungen haben wir uns mit den Grundlagen der Programmiersprache Python befasst. Inhalt dieser Übung ist die Verwendung von Modulen. In der letzten Übung haben wir Klassen und die Objektorientierte Programmierung kennen gelernt. Als Beispiel diente eine einfache Klasse um grundlegende Vektorrechnung zu ermöglichen. Vektorrechnung ist etwas, das in vielen Programmen benötigt wird und sicherlich bereits von vielen Programmierern implementiert wurde. Um das Rad nicht bei jedem Programm neu zu erfinden bietet Python ein sogenanntes Modul-System an, durch das Programmcode wiederverwendet werden kann. Ein Modul bietet Klassen oder auch Funktionen an, die von anderen Programmierern wiederverwendet werden können Dabei beschränkt sich ein Modul meistens auf ein spezielles Themengebiet. Ein solches Modul kann selbst in Python geschrieben sein, es gibt allerdings auch viele Module, die in anderen Programmiersprachen programmiert sind, sich allerdings trotzdem mit Python verwenden lassen.\\\n",
+    "Module können in Paketen zusammengefasst sein, die sich über einen zentralen Paketmanager namens *pip* automatisch installieren lassen. Viele davon sind im Internet bereitgestellt und lassen sich darüber hinaus sogar automatisch herunterladen. In dieser Übung geht es darum, wie solche Module genutzt werden können. Außerdem geht es um die Verwendung eines konkreten Moduls namens Matplotlib, das im wissenschaftlichen Kontext oft zur Erstellung von Grafiken genutzt wird\n",
+    "\n",
+    "### **Weitere Notebooks, die dir helfen könnten**\n",
+    "* Python Grundlagen Teil 1\n",
+    "* Python Grundlagen Teil 2\n",
+    "* OOP Grundlagen\n",
+    "\n",
+    "### **Vorkenntnisse**\n",
+    "* Übung 1\n",
+    "* Übung 2\n",
+    "* Übung 3\n",
+    "\n",
+    "### **Lernziele**\n",
+    "* Module\n",
+    "* Grundlegende Verwendung von Matplotlib"
+   ]
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+    "# <font color='blue'>**Abschnitt 1 - Importieren von Modulen**</font>"
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+    "Ein Modul kann man sich prinzipiell als eine Sammlung von Klassen, Funktionen und ggf. Variablen vorstellen. Am einfachsten ist es, diese Module mit *import* zu importieren, was immer das komplette Modul lädt. Python selbst bringt automatisch einige Module mit. Diese werden als die Standardbibliothek bezeichnet. Eine vollständige Liste findet sich unter *https://docs.python.org/3/library/*. Ein Beispiel ist die Bibliothek *time*, die verschiedene Funktionen rund um das Thema Zeit beinhaltet"
+   ]
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+      "time.struct_time(tm_year=2022, tm_mon=11, tm_mday=21, tm_hour=16, tm_min=50, tm_sec=41, tm_wday=0, tm_yday=325, tm_isdst=0)\n"
+     ]
+    }
+   ],
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+    "import time\n",
+    "print(time.localtime())"
+   ]
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+    "Das Beispiel importiert ein Modul mit dem Namen *time*. Das ist möglich, da dieses Modul automatisch mit Python installiert wird. Um Funktionalität im Module *time* (z.B. die Funktion *localtime*, aber auch Klassen oder Variablen) zu nutzen, muss dem Funktionsnamen ein *time.* vorangestellt werden. Ähnlich wie bei der Objektorientierten Programmierung. Der Sinn ist, dass verschiedene Module unter Umständen Funktionen oder Klassen mit identischen Namen beinhalten könnten, was ohne diese Regel zu Problemen führen würde. Jedes Modul kann nur einmal geladen werden. Mehrmaliges Importieren eines Moduls führt zwar nicht zu Fehlern, das Modul wird aber nicht neu geladen. Das kann allerdings nur dann zum Problem werden, wenn man selber Module programmieren möchte. Falls der Modulname zu lang ist, kann man dem Modul in einem Programm auch einen Ersatznamen geben. Es sind auch mehrere Ersatznamen möglich"
+   ]
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+      "time.struct_time(tm_year=2022, tm_mon=11, tm_mday=21, tm_hour=17, tm_min=0, tm_sec=25, tm_wday=0, tm_yday=325, tm_isdst=0)\n"
+     ]
+    }
+   ],
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+    "import time as ti\n",
+    "print (ti.localtime())"
+   ]
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+    "Das Beispiel macht das selbe, wie die erste Zelle. Das Modul *time* wird lediglich unter dem Alias *ti* in das Programm geladen. Es ist weiterhin möglich, nur einzelne Funktionen aus einem Modul zu laden. Diesen kann optional ein neuer Name gegeben werden"
+   ]
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+      "time.struct_time(tm_year=2022, tm_mon=11, tm_mday=21, tm_hour=17, tm_min=2, tm_sec=16, tm_wday=0, tm_yday=325, tm_isdst=0)\n"
+     ]
+    }
+   ],
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+    "from time import localtime as Lokalzeit\n",
+    "print (Lokalzeit())"
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+    "Das Beispiel importiert nur die Funktion *localtime* aus dem Modul *time*. Im Programm ist sie unter dem Namen *Lokalzeit* verfügbar. Alle drei Beispiele machen das selbe. Welche Methode ein Modul zu importieren die beste ist, hängt von der jeweiligen Situation ab. Mit der möglichkeit *import as* funktioniert es meistens am Einfachsten.\\\n",
+    "Module können in Python verschachtelt sein. Das bedeutet ein Modul kann aus mehreren Modulen bestehen, die ihrerseits dann Klassen, Funktionen und Variablen anbieten. Ein Beispiel dafür ist das Modul matplotlib, das ein Modul pyplot enthält. Schaue dir das Grundlagen-Notebook an"
+   ]
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+    "# <font color='blue'>**Abschnitt 2 - Zeichne eine Sinus und eine Kosinusfunktion**</font>"
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+    "## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>\n",
+    "Erstelle eine Grafik, die eine Sinus- und eine Kosinuskurve zeigt. Die Grafik soll auf der x-Achse von -Pi bis Pi gehen. Die entsprechenden Sinus- und Kosinuswerte sind selbst zu berechnen. Die Grafik soll aus 100 Stützstellen bestehen, die gleichmäßig über die x-Achse verteilt sind. Alle Achsen sollen sinnvoll beschriftet sein und die Grafik soll über eine Legende verfügen. Um an diesem Punkt die Aufgabe etwas besser zu gliedern, besteht sie aus mehreren Teilaufgaben, in denen du auch einige Techniken der vorangegangenen Übungen wiederholen kannst."
+   ]
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+    "## <font color='blue'>*Hinweise*</font>\n",
+    "Der Sinus und der Kosinus können über die Funktionen *sin(x)* bzw. *cos(x)* aus dem Modul *math* berechnet werden. Weiterhin enthält das Modul eine Variable namens *pi*"
+   ]
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+    "### <font color='blue'>*Teilaufgabe 1*</font>\n",
+    "Um etwas zeichnen zu können, brauchen wir zunächst die Werte der Sinus und der Kosinus Funktion an 100 gleichmäßig verteilten Stellen zwischen -Pi und Pi. Dazu sollen 3 Listen erstellt werden. Eine mit den x-Werten, eine mit den Sinus-Werten und eine mit den Kosinus-Werten. Dafür benötigst du eine Schleife, bei der in jedem Durchgang ein weiterer Wert angehängt wird\n",
+    "### <font color='blue'>*Lösung Teilaufgabe-1*</font>"
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+    "### <font color='blue'>*Teilaufgabe 2*</font>\n",
+    "Um etwas mit Matplotlib warm zu werden, solltest du zu erst versuchen die Sinusfunktion zu zeichnen. Da du nur eine einfache Grafik zeichnen möchtest, kannst du hierfür das *pyplot* interface verwenden. Versuche die Grafik zu beschriften. Die Kurve soll im rot und gestrichelt sein\n",
+    "### <font color='blue'>*Lösung Teilaufgabe-2*</font>"
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+    "### <font color='blue'>*Teilaufgabe 3*</font>\n",
+    "Für diese Teilaufgabe soll das Objektorientierte Interface von Matplotlib genutzt werden. Erstelle zunächst ein *Figure*-Objekt für die Zeichnung. Es soll die Größe 5 zu 2.5 besitzen. Die Zeichnung soll einen Graphen enthalten, der sowohl die Sinus und die Kosinus Funktion enthält. Die Sinus-Funktion soll in blau, die Kosinusfunktion in rot dargestellt sein. Außerdem soll die Grafik einen sinnvollen Titel und eine Farblegende besitzen. Die X-Achse soll mit \"X\", die Y-Achse mit \"Y\" beschriftet sein"
+   ]
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+    "# <font color='blue'>**Aufgabe zum selbst probieren**</font>"
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+    "Probiere ein neue Grafik zu erstellen, in der zwei Graphen untereinander positioniert sind. Einer soll die Sinus-Funktion enthalten, einer die Kosinus-Funktion. Probiere die beschriebenen Möglichkeiten im Grundlagen-Notebook selbst aus. Markiere z.B. das Maximum der Sinus-Funktion mit einem Pfeil. Hinterlege die Grafiken mit einem Hintergrundraster, damit du Werte besser ablesen kannst. Die x- und y-Achse sind momentan noch recht grob in Einerschritten beschriftet. Füge kleinere Markierungen für 0.1-er Schritte in der Beschriftung hinzu"
+   ]
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