공학용 프로그래밍 언어, 이제는 포트란이 아니라 파이썬

여기에서는 파이썬 프로그래밍 언어의 확장, 적용, 기능에 관한 간략한 개요를 제공합니다.

 

공학이나 과학 업무는 보통 광범위한 계산을 수행하고, 그 결과를 그래프로 표현합니다. 파이썬은 계산에 필요한 모듈 설치가 가능한 프로그래밍 언어입니다. 또한, 파이썬 자체 뿐만 아니라 모든 확장 모듈은 모두 무료로 제공합니다. 예를 들어, 파이썬을 사용하면 방정식을 풀고, 함수를 그래프로 만들고, 미분, 적분 등 방정식을 풀 수 있습니다. 그리고 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)도 만들 수 있습니다. 공학 및 자연과학의 거의 모든 문제에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 사용자 친화성과 성능 면에서도 뛰어난 해법을 제공합니다.

파이썬 언어는 1990년대 초반 네덜란드인 귀도 반 로섬(Guido van Rossum)이 암스테르담의 Centrum voor Wiskunde & Informatica(CWI)에서 개발했습니다. 이 이름은 비단뱀과는 상관이 없으며, 영국 코미디 그룹 몬티 파이썬(Monty Python)에서 따온 것입니다.

 

이 프로그래밍 언어의 특별한 장점과 특징은 다음과 같습니다.
● 파이썬은 배우기 쉽고 강력한 프로그래밍 언어입니다.
● 효율적인 데이터 구조를 제공합니다.
● 객체 지향 프로그래밍(OOP)도 가능합니다.
● 명확한 구문과 데이터 종류를 스스로 결정하는 동적 타이핑 기능을 가지고 있습니다.
● 파이썬 프로그램은 인터프리터를 사용하여 컴파일되므로 프로토타입의 신속한 개발에 적합합니다.
● 파이썬은 리눅스, 맥OS, 윈도우에서 사용할 수 있습니다.
● 파이썬은 모듈을 통해 확장할 수 있습니다.
 
모듈 개념은 파이썬의 기초이자 하나의 뛰어난 강점입니다. 모듈은 소프트웨어 시스템의 구성 요소이며 특정 기능을 제공하는 독립적인 프로그램입니다. 정의 가능한 과학적 문제에서 이 문제에 정확히 맞춰진 모듈을 각각 제공합니다. 이 책에서는 NumPy, Matplotlib, SymPy, SciPy, VPython 모듈을 소개합니다.

 

개발 환경

개발 환경은 텍스트 에디터, 디버거, 인터프리터로 구성된 소프트웨어 프로그램입니다. 개발 환경에서 텍스트 에디터는 프로그래머가 프로그램을 작성할 때 구문 강조, 소스 코드의 자동 들여쓰기 같은 기능을 지원합니다. 디버거는 프로그래머가 오류를 찾는 데 도움을 주고, 인터프리터는 프로그램의 명령문을 실행합니다. 파이썬 프로그램을 개발하는 데 사용할 수 있는 많은 개발 환경 중에서 통합 개발 및 학습 환경(IDLE), Thonny, Spyder 개발 환경만 간략하게 소개하겠습니다.

 

1) IDLE

IDLE의 약어는 “Integrated Development and Learning Environment(통합 개발 및 학습 환경)”를 의미합니다. IDLE은 표준 파이썬 다운로드의 일부입니다. 파이썬을 설치하면, IDLE은 Pip 패키지 관리자와 함께 설치됩니다. Linux, macOS, Windows 운영 체제용 최신 버전의 파이썬은 https://www.python.org/downloads/에서 내려받을 수 있습니다. 그런 다음, Pip 패키지 관리자를 사용하여 NumPy, Matplotlib, SymPy, SciPy, VPython 모듈을 개별적으로 설치해야 합니다. 이 단계는 새로운 파이썬 버전을 설치할 때 문제가 발생할 수 있습니다. 새로운 버전의 IDLE에서 모듈을 더 이상 가져올 수 없고, 프로그램이 더 이상 실행되지 않습니다. 파이썬 모듈 설치에 실패하면, Thonny 개발 환경을 사용하는 것이 좋습니다.

Run • Python Shell을 클릭하면 Python Shell이 열립니다. >>> 입력 프롬프트 옆에 직접 Python 명령이나 수학 표현식(예: 2+3, 3*5, 7/5)을 입력할 수 있습니다. 각 항목을 입력할 때마다 (Return) 키를 눌러야 한다는 점에 유의하십시오.

 

2) Thonny

전문 개발 환경과 비교하면 Thonny는 비교적 단순한 디자인과 비교적 적은 기능의 개발 환경입니다. 하지만 사용이 쉬우므로 프로그래밍 초보자에게 특히 적합합니다. 다음 그림은 Thonny의 사용자 인터페이스를 보여줍니다.

 

Thonny는 Linux, macOS, Windows에서 사용할 수 있으며, https://thonny.org에서 내려받을 수 있습니다.

 

프로그램 소스 코드는 텍스트 편집기(왼쪽 위 영역)에 입력해야 합니다. (F5) 기능 키를 누르거나 시작 버튼을 클릭하여 프로그램을 시작하면, 프로그램의 파일 이름을 입력해야 하는 창이 열립니다. 숫자 계산 결과는 아래에 있는 창에 출력됩니다. Matplotlib 프로그램의 각 함수 그림은 별도의 창에 출력됩니다. Shell(파이썬 콘솔이라고도 함)에서 직접 파이썬 명령을 입력할 수도 있습니다. 

 

Thonny의 특히 중요한 기능은 NumPy, Matplotlib, SymPy, SciPy, VPython 모듈을 쉽게 설치하고 업데이트할 수 있다는 것입니다. 이 작업을 수행하려면 그림과 같이 Tools > Manage Packages 대화 상자를 여는 것만 하면 됩니다. 그런 다음, 왼쪽 위 모서리에 있는 텍스트 상자에 설치하려는 모듈의 이름을 입력하고 설치 또는 업데이트를 클릭합니다.

 

모듈을 제거하려면 왼쪽 창에서 해당 모듈을 선택해야 합니다. 그러면 설치 명령 버튼의 오른쪽에 제거 명령 버튼이 나타납니다. Thonny 패키지 관리자의 주목할 만한 장점 중 하나는 사용할 수 있는 모든 모듈의 이전 버전을 테스트할 수 있다는 것입니다. 이 작업을 수행하려면 설치 버튼 오른쪽에 있는 ... 명령 아이콘을 클릭하기만 하면 모듈의 원하는 버전을 선택할 수 있는 창이 열립니다.

 

3) Spyder

Spyder는 파이썬의 아나콘다 배포판의 개발 환경입니다. VPython을 제외하고, 여기서 다루는 모듈(NumPy, Matplotlib, SymPy, SciPy)은 이미 내장되어 있습니다. Spyder는 https://www.spyder-ide.org에서 Linux, macOS, Windows 배포판을 무료로 내려받을 수 있습니다.

Matplotlib 프로그램을 사용하여 애니메이션을 실행하려면, IPython Console > Graphics 아래의 설정에서 시스템 연결 부분으로 자동을 선택해야 합니다. 프로그램을 시작하면 애니메이션이 실행될 별도의 창이 열립니다. 슬라이더 컨트롤이 포함된 Matplotlib 프로그램도 이 옵션을 통해서만 대화형으로 실행할 수 있습니다.

Spyder는 매우 강력한 개발 환경입니다. 그러나 한 가지 단점은 VPython과 같이 기본적으로 설치되지 않는 모듈을 나중에 설치하는 것이 초보자에게는 어려울 수 있다는 것입니다. 

 

4) Pip

Thonny나 Spyder가 아닌 다른 개발 환경을 사용하려면 Pip을 사용하여 Python 모듈을 설치할 수 있습니다. Pip은 개발 환경이 아니라 Python Package Index(PyPI) (https://pypi.org/)에서 모듈을 설치하는 Python 패키지 관리자입니다. Pip을 사용하면 모듈을 쉽게 내려받고 업데이트할 수 있습니다. Python을 사용할 때 Pip은 특히 중요한 도구입니다.

예를 들어, 파이썬을 설치한 후 NumPy 모듈만 추가하려는 경우, Windows, Linux 또는 macOS의 터미널에 다음 명령을 입력할 수 있습니다.

pip install numpy

 

다음 명령을 사용하면 기존 NumPy 설치를 업데이트할 수 있습니다.

pip install --upgrade numpy

 

IDLE을 사용하다가 새로운 버전의 파이썬을 설치하면, 이전에 설치된 파이썬 모듈이 더 이상 업데이트된 버전으로 가져오지 않게 됩니다. 이 경우, pip로 numpy를 설치해야 합니다.

Pip 사용에 대한 자세한 정보는 https://pypi.org/project/pip를 참조하십시오. 파이썬 모듈의 설치 또는 업데이트가 실패하는 경우, 대신 Thonny 개발 환경을 사용하는 것이 좋습니다.