在數(shù)據(jù)分析的道路上，你一定曾有過為新發(fā)現(xiàn)而激動不已的時刻，此時你急于將自己的發(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？

為了能與同行們有效溝通，你需要重現(xiàn)整個分析過程，并將說明文字、代碼、圖表、公式、結(jié)論都整合在一個文檔中。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，不僅能在文檔中執(zhí)行代碼，還能以網(wǎng)頁形式分享。

下圖簡單展示了Jupyter Notebook 文檔的樣式，更多示例可在 nbviewer 中找到。

Jupyter Notebook 文檔示例

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、Jupyter Notebook 使用入門

• 安裝
• 運(yùn)行
• 界面

三、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，讓我們先來看一個概念：文學(xué)編程 ( Literate programming )，這是由 Donald Knuth 提出的編程方法。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；與此相反，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。

簡單來說，文學(xué)編程的讀者不是機(jī)器，而是人。 我們從寫出讓機(jī)器讀懂的代碼，過渡到向人們解說如何讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)我們的想法，其中除了代碼，更多的是敘述性的文字、圖表等內(nèi)容。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？不僅要當(dāng)好一個程序員，還得當(dāng)好一個作家。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。

歷史傳承

也許說到 Jupyter 你會覺得陌生，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，IPython 顧名思義，是專注于 Python 的項(xiàng)目，但隨著項(xiàng)目發(fā)展壯大，已經(jīng)不僅僅局限于 Python 這一種編程語言了。Jupyter 的名字就很好地釋義了這一發(fā)展過程，它是 Julia、Python 以及 R 語言的組合，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。

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景：你在終端中運(yùn)行程序，可視化結(jié)果卻顯示在另一個窗口中，包含函數(shù)和類的腳本存在其他文檔中，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。此時 Jupyter Notebook 從天而降，將所有內(nèi)容收歸一處，你是不是頓覺靈臺清明，思路更加清晰了呢？
• 支持多語言
  也許你習(xí)慣使用 R 語言來做數(shù)據(jù)分析，或者是想用學(xué)術(shù)界常用的 MATLAB 和 Mathematica，這些都不成問題，只要安裝相對應(yīng)的核（kernel）即可。這里列出了 Jupyter 支持的所有語言，供您參考。
• 分享便捷
  支持以網(wǎng)頁的形式分享，GitHub 中天然支持 Notebook 展示，也可以通過 nbviewer 分享你的文檔。當(dāng)然也支持導(dǎo)出成 HTML、Markdown 、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，這里給出一個遠(yuǎn)程運(yùn)行的例子，可以體驗(yàn)一下 Jupyter Notebook。
• 交互式展現(xiàn)
  不僅可以輸出圖片、視頻、數(shù)學(xué)公式，甚至可以呈現(xiàn)一些互動的可視化內(nèi)容，比如可以縮放的地圖或者是可以旋轉(zhuǎn)的三維模型。這就需要交互式插件（Interactive widgets）來支持，更多內(nèi)容請參考這里。

二、Jupyter Notebook 使用入門

安裝

對于初學(xué)者，最簡單的方法是安裝 Anaconda，因?yàn)樗詭Я?Jupyter Notebook。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》。

對于有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)，自然使用命令行最為便捷。

如果在 conda 環(huán)境中，可以使用如下命令安裝：

或者直接通過 pip 安裝：

更多的安裝說明請參考官網(wǎng)。

運(yùn)行

如果使用 Anaconda，可以在其 Navigator 圖形界面中點(diǎn)擊打開 Notebook。但是最快捷的方法還是在命令行中輸入：

此時你的 Web 瀏覽器被自動打開，顯示文件目錄。通過點(diǎn)擊右上角的 new 創(chuàng)建新文檔。

進(jìn)入 notebook

而關(guān)閉 notebook 文檔可以通過選擇文件名前的復(fù)選框后，點(diǎn)擊 Shutdown 按鈕實(shí)現(xiàn)。如果要關(guān)閉整個服務(wù)，則在原來的終端中按 Control + C 兩次。

退出 notebook

界面

Notebook 文檔是由一系列單元（Cell）構(gòu)成，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，其結(jié)果顯示在本單元下方。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。
• Markdown 單元：在這里對文本進(jìn)行編輯，采用 markdown 的語法規(guī)范，可以設(shè)置文本格式、插入鏈接、圖片甚至數(shù)學(xué)公式。同樣使用 Shift + Enter 運(yùn)行 markdown 單元來顯示格式化的文本。

Jupyter Notebook 編輯界面

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。選中單元并按 Enter 鍵進(jìn)入編輯模式，此時單元左側(cè)顯示綠色豎線。
• 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，此時單元左側(cè)顯示藍(lán)色豎線。

如果要使用快捷鍵，首先按 Esc 鍵進(jìn)入命令模式，然后按相應(yīng)的鍵實(shí)現(xiàn)對文檔的操作。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）。查看所有快捷命令可以按H。

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。試想你在鍵盤上十指如飛時，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？

三、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 LaTeX 并不陌生，這簡直是寫科研論文的必備工具，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。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。

在文本行中插入數(shù)學(xué)公式，使用一對 $符號，比如質(zhì)能方程 $E = mc^2$。如果要插入一個數(shù)學(xué)區(qū)塊，則使用一對美元$符號。比如下面公式表示 z=x/y：

如何在 notebook 中使用 LaTeX，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 擅長展示數(shù)據(jù)分析的過程，除了通過網(wǎng)頁形式分享外，當(dāng)然也可以將其制作成幻燈片的形式。這里有一個幻燈片示例供參考，其制作風(fēng)格簡潔明晰。

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，這時在文檔的每個單元右上角顯示了 Slide Type 的選項(xiàng)。通過設(shè)置不同的類型，來控制幻燈片的格式。有如下5中類型：

• Slide：主頁面，通過按左右方向鍵進(jìn)行切換。
• Sub-Slide：副頁面，通過按上下方向鍵進(jìn)行切換。
• Fragment：一開始是隱藏的，按空格鍵或方向鍵后顯示，實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果。
• Skip：在幻燈片中不顯示的單元。
• Notes：作為演講者的備忘筆記，也不在幻燈片中顯示。

Jupyter Notebook 幻燈片設(shè)置

當(dāng)編寫好了幻燈片形式的 notebook，如何來演示呢？這時需要使用 nbconvert：

在命令行中敲入上述代碼后，瀏覽器會自動打開相應(yīng)的幻燈片。

魔術(shù)關(guān)鍵字

魔術(shù)關(guān)鍵字（magic keywords），正如其名，是用于控制 notebook 的特殊的命令。它們運(yùn)行在代碼單元中，以 % 或者 %% 開頭，前者控制一行，后者控制整個單元。

比如，要得到代碼運(yùn)行的時間，則可以使用 %timeit；如果要在文檔中顯示 matplotlib 包生成的圖形，則使用 % matplotlib inline；如果要做代碼調(diào)試，則使用 %pdb。但注意這些命令大多是在Python kernel 中適用的，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，更詳細(xì)的清單請參考 Built-in magic commands 。

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?，供您參考?/p>

1. Jupyter Notebook 官網(wǎng)
2. 文學(xué)編程 Literate programming
3. IPython 官網(wǎng)
4. LaTeX官網(wǎng)
5. LaTeX 語法：A Primer on Using LaTeX in Jupyter Notebooks
6. 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，請參考系列文章Python數(shù)據(jù)分析的起手式