软件使用教程（四）：Jupyter Notebook 终极使用指南

文章目录

• 前言
• [一、Jupyter Notebook 是什么？](#一、Jupyter Notebook 是什么？)
• 二、安装与启动
• • [1. 安装](#1. 安装)
  • [2. 启动](#2. 启动)
• 三、界面与核心概念
• 四、单元格操作：Notebook的核心
• • [1. 模式](#1. 模式)
  • [2. 常用快捷键（效率的关键！）](#2. 常用快捷键（效率的关键！）)
• 五、Magic命令：Notebook的超能力
• 六、内核（Kernel）与管理
• 七、扩展（Extensions）与主题
• 八、分享你的工作成果
• 总结

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前言

在数据科学、机器学习和科学计算的广阔世界里，有一个工具因其极高的灵活性和交互性而备受青睐，它就是 Jupyter Notebook。无论你是正在学习Python的数据分析新手，还是需要快速原型设计和结果可视化的资深研究员，Jupyter Notebook 都能提供一个无缝衔接代码、文本和多媒体的集成环境。

本教程旨在成为一份从入门到精通的终极指南。我们将从最基础的安装和启动开始，逐步深入到其强大的核心功能与高级技巧，帮助你彻底掌握这把"瑞士军刀"，让你的项目工作流更加高效。

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一、Jupyter Notebook 是什么？

Jupyter Notebook 是一个开源的Web应用程序，允许你创建和共享包含实时代码 、方程式 、可视化图表 和叙述性文本 的文档。它的名字源于它支持的三种核心编程语言：Ju lia, Py thon, 和 R，同时也象征着它对科学计算（"Jupyter"听起来像"Jupiter"）的致敬。

核心价值：

• 交互式探索：可以单独运行代码单元格，立即看到结果，非常适合数据清洗、转换和可视化。
• 叙事性展示：将代码、输出结果和解释性文本结合在一个文档中，讲述一个完整的数据故事。
• 可重复研究：整个分析过程被完整记录，确保结果可以被他人轻松复现。

二、安装与启动

1. 安装

最推荐的方式是通过Python的包管理工具pip进行安装。通常，我们会将其安装在一个虚拟环境中。

# 在命令行/终端中执行
pip install jupyterlab

或者安装经典的Notebook界面：

pip install notebook

2. 启动

安装完成后，在终端中导航到你希望存放笔记本项目的目录，然后输入：

jupyter notebook

或者（如果你安装的是JupyterLab）：

jupyter lab

执行命令后，你的默认浏览器会自动打开并显示Jupyter的仪表盘界面（通常是 http://localhost:8888）。

三、界面与核心概念

启动后，你会看到文件浏览器（File Browser）。在这里你可以创建、上传和管理你的笔记本文件。

• 创建一个新笔记本 ：点击右上角New -> Python 3（或其他内核），一个新的浏览器标签页将会打开。

一个新的Notebook文档（.ipynb文件）主要由以下部分组成：

1. 菜单栏（Menu Bar）：提供文件操作、编辑、运行内核等高级功能。
2. 工具栏（Toolbar）：常用操作的快捷按钮，如保存、添加单元格、运行单元格等。
3. 代码单元格（Code Cell）：这是你编写和运行代码的地方。光标聚焦时，单元格边框呈绿色。
4. Markdown单元格（Markdown Cell）：用于编写格式化的文本，如标题、列表、链接甚至LaTeX数学公式。光标聚焦时，边框呈蓝色。

四、单元格操作：Notebook的核心

1. 模式

• 命令模式（Command Mode） ：按Esc键进入，单元格边框为蓝色。在此模式下，你可以操作整个单元格（移动、删除、切换类型）。
• 编辑模式（Edit Mode） ：按Enter键或双击单元格进入，单元格边框为绿色。在此模式下，你可以编辑单元格内的内容。

2. 常用快捷键（效率的关键！）

• 通用快捷键：

  • Shift + Enter：运行当前单元格，并选中下一个单元格。
  • Ctrl + Enter：运行当前单元格，并停留在本单元格。
  • Alt + Enter：运行当前单元格，并在下方插入一个新的代码单元格。

• 命令模式快捷键（按Esc后）：

  • A：在上方插入单元格（Above）。
  • B：在下方插入单元格（Below）。
  • D, D（按两次D）：删除当前单元格（Delete）。
  • M：将当前单元格转换为Markdown单元格。
  • Y：将当前单元格转换为代码单元格（Y好像是代码？记不住可以想成'y'是python代码）。
  • Z：撤销删除操作。

• 编辑模式快捷键（按Enter后）：

  • Ctrl + /：注释/取消注释选中的行。
  • Tab：代码补全或缩进。

五、Magic命令：Notebook的超能力

Magic命令是Jupyter内置的特殊命令，以%或%%为前缀，能提供标准Python之外的大量实用功能。

• 行Magic（单个%）》：只影响一行代码。

  • %run <script.py>：运行一个外部Python脚本。
  • %timeit <statement>：测量一行代码的执行时间。
  • %matplotlib inline：极其重要！ 让matplotlib绘制的图表直接显示在Notebook页面内。

• 单元格Magic（两个%%）》：影响整个单元格的代码。

  • %%writefile <filename>：将整个单元格的内容写入到一个文件中。
  • %%html：将整个单元格的内容渲染为HTML。
  • %%bash：在单元格中运行Bash命令。

六、内核（Kernel）与管理

内核是独立运行的"计算引擎"，它负责执行你输入的代码并返回结果。

• 中断内核（Interrupt） ：如果代码陷入死循环或运行过长，可以点击工具栏的■（停止）按钮来中断它。
• 重启内核（Restart） ：点击工具栏的⟳（重启）按钮。这会清除所有变量和导入的模块，从一个干净的状态重新开始。
• 切换内核 ：如果你的环境安装了多个Python版本或其他语言（如R，Julia）的内核，你可以在Kernel -> Change Kernel菜单中切换。

七、扩展（Extensions）与主题

Jupyter的功能可以通过扩展（Extensions） 来极大地增强。

对于经典Notebook，可以安装jupyter_contrib_nbextensions：

pip install jupyter_contrib_nbextensions && jupyter contrib nbextension install

安装后，你会在仪表盘看到一个Nbextensions标签页，里面有很多实用插件，如代码折叠、目录生成、变量检查器等。

对于JupyterLab ，扩展生态系统更加强大和现代，可以通过Extension Manager直接搜索安装，例如：

• @jupyterlab/toc：自动生成目录。
• jupyterlab-drawio：嵌入Draw.io图表。
• jupyterlab-theme-*：各种主题，如暗黑主题。

八、分享你的工作成果

完成分析后，你有多种方式分享你的Notebook：

1. 分享.ipynb文件：直接发送你的笔记本文件，对方需要有Jupyter环境才能打开。
2. 导出为其他格式 ：
   • File -> Download as -> HTML (.html)：最常用，可以保留所有代码、样式和图表，方便在浏览器中直接查看。
   • File -> Download as -> PDF via LaTeX (.pdf)：生成漂亮的PDF报告（需要安装LaTeX）。
   • File -> Download as -> Python (.py)：导出为纯Python脚本。
3. 使用Nbviewer ：将你的.ipynb文件上传到GitHub等平台，然后将链接粘贴到https://nbviewer.jupyter.org/，它会自动渲染并提供一个可分享的URL。
4. 使用JupyterHub/Binder：对于团队或教学，可以部署JupyterHub。Binder则允许任何人通过一个URL直接启动并交互你的Notebook，而无需本地安装。

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总结

Jupyter Notebook不仅仅是一个代码编辑器，它是一个动态的计算环境 和强大的沟通工具。它完美地弥合了"编写代码"和"展示思想"之间的鸿沟。

通过本教程，希望你已经掌握了：

• 基础：如何安装、启动和创建你的第一个Notebook。
• 核心：熟练操作单元格、使用快捷键、编写Markdown和代码。
• 进阶：利用Magic命令和扩展来提升你的生产力。
• 协作：如何将你的成果以多种形式分享给他人。