在數(shù)據(jù)分析的道路上氏义，你一定曾有過為新發(fā)現(xiàn)而激動(dòng)不已的時(shí)刻锄列，此時(shí)你急于將自己的發(fā)現(xiàn)告訴大家，卻遇到了這樣的問題：如何將我的分析過程清晰地表述出來呢惯悠？
為了能與同行們有效溝通邻邮，你需要重現(xiàn)整個(gè)分析過程，并將說明文字克婶、代碼筒严、圖表、公式情萤、結(jié)論都整合在一個(gè)文檔中鸭蛙。顯然傳統(tǒng)的文本編輯工具并不能滿足這一需求，所以這兒隆重推薦一款神器 Jupyter Notebook筋岛，不僅能在文檔中執(zhí)行代碼娶视，還能以網(wǎng)頁形式分享。
下圖簡(jiǎn)單展示了Jupyter Notebook 文檔的樣式睁宰，更多示例可在 nbviewer 中找到肪获。
本文將按如下內(nèi)容來展開：
一、Jupyter Notebook 介紹
- 文學(xué)編程
- 歷史傳承
- 優(yōu)點(diǎn)
二柒傻、Jupyter Notebook 使用入門
- 安裝
- 運(yùn)行
- 界面
三孝赫、Jupyter Notebook 進(jìn)階功能
- 數(shù)學(xué)公式編輯
- 幻燈片制作
- 魔術(shù)關(guān)鍵字
一、Jupyter Notebook 介紹
文學(xué)編程
在介紹 Jupyter Notebook 之前红符，讓我們先來看一個(gè)概念：文學(xué)編程 ( Literate programming )青柄，這是由 Donald Knuth 提出的編程方法伐债。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化編程，人們需要按計(jì)算機(jī)的邏輯順序來編寫代碼致开；與此相反峰锁，文學(xué)編程則可以讓人們按照自己的思維邏輯來開發(fā)程序。
簡(jiǎn)單來說喇喉，文學(xué)編程的讀者不是機(jī)器祖今，而是人。 我們從寫出讓機(jī)器讀懂的代碼拣技，過渡到向人們解說如何讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)我們的想法千诬，其中除了代碼，更多的是敘述性的文字膏斤、圖表等內(nèi)容徐绑。這么一看，這不正是數(shù)據(jù)分析人員所需要的編碼風(fēng)格么莫辨？不僅要當(dāng)好一個(gè)程序員傲茄，還得當(dāng)好一個(gè)作家。那么 Jupyter Notebook 就是不可或缺的一款集編程和寫作于一體的效率工具沮榜。
歷史傳承
也許說到 Jupyter 你會(huì)覺得陌生盘榨，但想必你或多或少聽過鼎鼎大名的 IPython。其實(shí)Jupyter 脫胎于 IPython 項(xiàng)目蟆融，IPython 顧名思義草巡，是專注于 Python 的項(xiàng)目，但隨著項(xiàng)目發(fā)展壯大型酥，已經(jīng)不僅僅局限于 Python 這一種編程語言了山憨。Jupyter 的名字就很好地釋義了這一發(fā)展過程，它是 Julia弥喉、Python 以及 R 語言的組合郁竟，字形相近于木星（Jupiter），而且現(xiàn)在支持的語言也遠(yuǎn)超這三種了由境。
優(yōu)點(diǎn)
以下列舉了 Jupyter Notebook 的眾多優(yōu)點(diǎn)：
極其適合數(shù)據(jù)分析
想象一下如下混亂的場(chǎng)景：你在終端中運(yùn)行程序棚亩，可視化結(jié)果卻顯示在另一個(gè)窗口中，包含函數(shù)和類的腳本存在其他文檔中虏杰，更可惡的是你還需另外寫一份說明文檔來解釋程序如何執(zhí)行以及結(jié)果如何讥蟆。此時(shí) Jupyter Notebook 從天而降，將所有內(nèi)容收歸一處嘹屯，你是不是頓覺靈臺(tái)清明攻询，思路更加清晰了呢从撼？支持多語言
也許你習(xí)慣使用 R 語言來做數(shù)據(jù)分析州弟，或者是想用學(xué)術(shù)界常用的 MATLAB 和 Mathematica钧栖，這些都不成問題，只要安裝相對(duì)應(yīng)的核（kernel）即可婆翔。這里列出了 Jupyter 支持的所有語言拯杠，供您參考。分享便捷
支持以網(wǎng)頁的形式分享啃奴，GitHub 中天然支持 Notebook 展示潭陪，也可以通過 nbviewer 分享你的文檔。當(dāng)然也支持導(dǎo)出成 HTML最蕾、Markdown 依溯、PDF 等多種格式的文檔。遠(yuǎn)程運(yùn)行
在任何地點(diǎn)都可以通過網(wǎng)絡(luò)鏈接遠(yuǎn)程服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算瘟则，這里給出一個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)行的例子黎炉，可以體驗(yàn)一下 Jupyter Notebook。交互式展現(xiàn)
不僅可以輸出圖片醋拧、視頻慷嗜、數(shù)學(xué)公式，甚至可以呈現(xiàn)一些互動(dòng)的可視化內(nèi)容丹壕，比如可以縮放的地圖或者是可以旋轉(zhuǎn)的三維模型庆械。這就需要交互式插件（Interactive widgets）來支持，更多內(nèi)容請(qǐng)參考這里菌赖。
二缭乘、Jupyter Notebook 使用入門
安裝
對(duì)于初學(xué)者，最簡(jiǎn)單的方法是安裝 Anaconda盏袄，因?yàn)樗詭Я?Jupyter Notebook忿峻。如果想進(jìn)一步了解 Anaconda 的使用方法，可參考我的上一篇文章《致Python初學(xué)者們 - Anaconda入門使用指南》辕羽。
對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)逛尚，自然使用命令行最為便捷。
如果在 conda 環(huán)境中刁愿，可以使用如下命令安裝：
conda install jupyter notebook
或者直接通過 pip 安裝：
pip install jupyter notebook
更多的安裝說明請(qǐng)參考官網(wǎng)绰寞。
運(yùn)行
如果使用 Anaconda，可以在其 Navigator 圖形界面中點(diǎn)擊打開 Notebook铣口。但是最快捷的方法還是在命令行中輸入：
jupyter notebook
此時(shí)你的 Web 瀏覽器被自動(dòng)打開滤钱，顯示文件目錄。通過點(diǎn)擊右上角的 new 創(chuàng)建新文檔脑题。
而關(guān)閉 notebook 文檔可以通過選擇文件名前的復(fù)選框后件缸，點(diǎn)擊 Shutdown 按鈕實(shí)現(xiàn)。如果要關(guān)閉整個(gè)服務(wù)叔遂，則在原來的終端中按 Control + C 兩次他炊。
界面
Notebook 文檔是由一系列單元（Cell）構(gòu)成争剿，主要有兩種形式的單元：
代碼單元：這里是你編寫代碼的地方，通過按
Shift + Enter運(yùn)行代碼痊末，其結(jié)果顯示在本單元下方蚕苇。代碼單元左邊有In [1]:這樣的序列標(biāo)記，方便人們查看代碼的執(zhí)行次序凿叠。Markdown 單元：在這里對(duì)文本進(jìn)行編輯涩笤，采用 markdown 的語法規(guī)范，可以設(shè)置文本格式盒件、插入鏈接蹬碧、圖片甚至數(shù)學(xué)公式偿衰。同樣使用
Shift + Enter運(yùn)行 markdown 單元來顯示格式化的文本航唆。
類似于 Linux 的 Vim 編輯器，在 notebook 中也有兩種模式：
編輯模式：編輯文本和代碼恕曲。選中單元并按
Enter鍵進(jìn)入編輯模式切心，此時(shí)單元左側(cè)顯示綠色豎線飒筑。命令模式：用于執(zhí)行鍵盤輸入的快捷命令。通過
Esc鍵進(jìn)入命令模式绽昏，此時(shí)單元左側(cè)顯示藍(lán)色豎線协屡。
如果要使用快捷鍵，首先按 Esc 鍵進(jìn)入命令模式全谤，然后按相應(yīng)的鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)文檔的操作肤晓。比如切換成代碼單元（Y）或 markdown 單元（M），或者在本單元的下方增加一單元（B）认然。查看所有快捷命令可以按H补憾。
盡管一開始需要花費(fèi)一些學(xué)習(xí)成本，但熟練使用快捷鍵將大大提高工作效率卷员。試想你在鍵盤上十指如飛時(shí)盈匾，如果還需要通過鼠標(biāo)來操作文檔，是不是很影響思考速度呢毕骡？
三削饵、Jupyter Notebook 進(jìn)階功能
數(shù)學(xué)公式編輯
如果你曾做過嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)研究，一定對(duì) LaTeX 并不陌生未巫，這簡(jiǎn)直是寫科研論文的必備工具窿撬，不但能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的文檔排版，而且能編輯復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式叙凡。在 Jupyter Notebook 的 markdown 單元中我們也可以使用 LaTeX 的語法來插入數(shù)學(xué)公式劈伴。
在文本行中插入數(shù)學(xué)公式，使用一對(duì) $符號(hào)握爷，比如質(zhì)能方程 $E = mc^2$跛璧。如果要插入一個(gè)數(shù)學(xué)區(qū)塊苏遥，則使用一對(duì) $$ 符號(hào)。比如下面公式表示 z=x/y：
$$ z = \frac{x}{y} $$
如何在 notebook 中使用 LaTeX赡模，可進(jìn)一步參考 A Primer on Using LaTeX in Jupyter Notebooks 這篇文章。
幻燈片制作
既然Jupyter Notebook 擅長(zhǎng)展示數(shù)據(jù)分析的過程师抄，除了通過網(wǎng)頁形式分享外漓柑，當(dāng)然也可以將其制作成幻燈片的形式。這里有一個(gè)幻燈片示例供參考叨吮，其制作風(fēng)格簡(jiǎn)潔明晰辆布。
那么如何用 Jupyter Notebook 制作幻燈片呢？首先在 notebook 的菜單欄選擇 View > Cell Toolbar > Slideshow茶鉴，這時(shí)在文檔的每個(gè)單元右上角顯示了 Slide Type 的選項(xiàng)锋玲。通過設(shè)置不同的類型，來控制幻燈片的格式涵叮。有如下5中類型：
- Slide：主頁面惭蹂，通過按左右方向鍵進(jìn)行切換。
- Sub-Slide：副頁面割粮，通過按上下方向鍵進(jìn)行切換盾碗。
- Fragment：一開始是隱藏的，按空格鍵或方向鍵后顯示舀瓢，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果廷雅。
- Skip：在幻燈片中不顯示的單元。
- Notes：作為演講者的備忘筆記京髓，也不在幻燈片中顯示航缀。
當(dāng)編寫好了幻燈片形式的 notebook，如何來演示呢堰怨？這時(shí)需要使用 nbconvert：
jupyter nbconvert notebook.ipynb --to slides --post serve
在命令行中敲入上述代碼后芥玉，瀏覽器會(huì)自動(dòng)打開相應(yīng)的幻燈片。
魔術(shù)關(guān)鍵字
魔術(shù)關(guān)鍵字（magic keywords）备图，正如其名飞傀，是用于控制 notebook 的特殊的命令。它們運(yùn)行在代碼單元中诬烹，以 % 或者 %% 開頭砸烦，前者控制一行，后者控制整個(gè)單元绞吁。
比如幢痘，要得到代碼運(yùn)行的時(shí)間，則可以使用 %timeit家破；如果要在文檔中顯示 matplotlib 包生成的圖形颜说，則使用 % matplotlib inline购岗；如果要做代碼調(diào)試，則使用 %pdb门粪。但注意這些命令大多是在Python kernel 中適用的喊积，其他 kernel 大多不適用。有許許多多的魔術(shù)關(guān)鍵字可以使用玄妈，更詳細(xì)的清單請(qǐng)參考 Built-in magic commands 乾吻。
相關(guān)資源匯總
本文給出了許多擴(kuò)展鏈接供參考，這里匯總?cè)缦履怛撸┠鷧⒖迹?/p>
- Jupyter Notebook 官網(wǎng)
- 文學(xué)編程 Literate programming
- IPython 官網(wǎng)
- LaTeX官網(wǎng)
- LaTeX 語法：A Primer on Using LaTeX in Jupyter Notebooks
- 魔術(shù)關(guān)鍵字：Built-in magic commands
- 如果你現(xiàn)在迫不及待地想試一試 Jupyter Notebook了绎签，請(qǐng)參考系列文章Python數(shù)據(jù)分析的起手式
