実験データへのモデルフィッティングは、科学計算における基本的な作業であり、ノイズを含む測定値から有意な傾向を抽出することを可能にします。前の章では、最適化や方程式の根の探索手法、カーブフィッティングおよび最小二乗法について学びました。ここでは、`scipy.optimize.curve_fit` を用いてノイズを含むデータ点に多項式モデルをフィットさせることで、これらの概念を実践します。この実践的なチャレンジを通じて、データフィッティングやモデルパラメータの抽出に関する理解を深めることができます。


import unittest
import user_code
import ast
import re   
import unittest
import importlib
import numpy as np

class TestTask(unittest.TestCase):
    def test_coefficients_tuple_length_and_type(self):
        import user_code
        importlib.reload(user_code)
        coeffs = getattr(user_code, 'coefficients', None)
        _dynamic_test(
            self,
            isinstance(coeffs, tuple) and len(coeffs) == 3 and all(isinstance(x, (int, float, np.floating, np.integer)) for x in coeffs),
            "Returned coefficients are a tuple of three numeric values.",
            f"Expected a tuple of three numbers, got: {coeffs}",
        )

    def test_coefficients_approximate_true_values(self):
        import user_code
        importlib.reload(user_code)
        coeffs = getattr(user_code, 'coefficients', None)
        expected = [2.5, -1.3, 0.5]
        tolerance = [0.4, 0.6, 0.7]
        _dynamic_test(
            self,
            coeffs is not None and all(abs(c - e) < t for c, e, t in zip(coeffs, expected, tolerance)),
            "Fitted coefficients are within acceptable tolerance of true values.",
            f"Fitted coefficients {coeffs} are not close to true values {expected}",
        )

    def test_function_works_for_different_data(self):
        import user_code
        import importlib
        import numpy as np
        importlib.reload(user_code)
        fit_func = getattr(user_code, 'fit_noisy_data', None)
        _dynamic_test(
            self,
            callable(fit_func),
            "fit_noisy_data function exists and is callable.",
            "fit_noisy_data function is not defined.",
        )
        np.random.seed(42)
        x = np.linspace(-3, 3, 20)
        y = 1.8 * x**2 + 0.7 * x - 2.2 + np.random.normal(scale=2.0, size=x.shape)
        coeffs = fit_func(x, y)
        expected = [1.8, 0.7, -2.2]
        tolerance = [0.15, 0.7, 0.7]  # Adjusted tolerance for b and c due to noise
        _dynamic_test(
            self,
            isinstance(coeffs, tuple) and len(coeffs) == 3 and all(abs(c - e) < t for c, e, t in zip(coeffs, expected, tolerance)),
            "fit_noisy_data works correctly for new data arrays.",
            f"Returned coefficients {coeffs} are not close to expected {expected} for new data.",
        )

def _dynamic_test(test_case, condition, success_message, failure_message):
    if condition:
        test_case._testMethodName = success_message
        test_case.assertTrue(True, success_message)
    else:
        test_case._testMethodName = failure_message
        test_case.fail(failure_message)

def normalize_text(text):
    text = text.lower()
    text = re.sub(r"\s{2,}", " ", text)
    text = re.sub(r"\s*([,:?])\s*", r"\1 ", text)
    return text.strip()

def change_var(code: str, var_name: str, value: str) -> str:
    tree = ast.parse(code)
    lines = code.splitlines()
    for i, node in enumerate(tree.body):
        if isinstance(node, ast.Assign):
            for target in node.targets:
                if isinstance(target, ast.Name) and target.id == var_name:
                    start_line = node.lineno - 1
                    line = lines[start_line]
                    indent = ' ' * (len(line) - len(line.lstrip()))
                    lines[start_line] = f"{indent}{var_name} = {value}"
                    next_line = len(lines)
                    for next_node in tree.body[i+1:]:
                        if hasattr(next_node, 'lineno'):
                            next_line = next_node.lineno - 1
                            break
                    if next_line > start_line + 1:
                        lines[start_line+1:next_line] = []
                    
                    return '\\n'.join(lines)
    return code

if __name__ == "__main__":
    unittest.main()


test_main.py

強力な数学的バックグラウンドと中級から上級のPythonスキルを持つ学生を対象に、SciPyを活用した科学計算、最適化、積分、高度な数学的操作に焦点を当てた包括的なコースです。

科学計算のためのSciPyの構造、主要モジュール、および基本機能を探求します。

SciPyの強力な線形代数機能を活用し、実世界の数学的問題を解決します。

科学および工学の問題に対して、SciPy を用いた最適化手法と根探索アルゴリズムを習得します。

SciPyを使用した積分、補間、基本的な信号処理を含む高度な数学的操作を学びます。

チャレンジ：実践的なデータフィッティング

解答