Jupyter Notebook 完整介紹、安裝及使用說明

Python 開發環境介紹 - Jupyter Notebook 快速入門指南 (2021更新)

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AI for K-12

11 min readJan 12, 2021

要開始介紹及使用 Jupyter Notebook 之前，我們分幾個面向來說明 Jupiter 的來源，相信讀者會更清楚整個發展及使用方向。首先， Jupyter Notebook 是 Jupyter 專案中的一個產品，而 Jupyter 專案是一個非營利性的開源專案，於 2014 年從 IPython 專案中誕生，其存在主要是為了可跨多種程式語言的互動式計算，所開發的開源軟體、開放標準及服務，而 Jupyter 專案中還有其他產品如下：

1. Jupyter Notebook 介紹

在開始介紹 Jupyter Notebook 之前，先說明一下 IPython、Notebook、Jupyter 這幾個名詞及之間的相互關係：

Notebook：是將基於控制台的方式 (Console-based) ，延伸到一個可互動式計算的新方向，並且提供一個基於網頁式 (Web-based) 的方式來處理整個計算過程，包括開發、編輯、文件化及執行程式，並且可立即傳遞結果。
IPython：則是一個提供互動式運算架構的系統，具有強大的交互式 shell 及數據運算視覺化的特點，可方便且彈性的整合不同編輯器，擁有高效能及容易使用的平行運算功能，同時也是 Jupyter Notebook 其中的一個kernel。
Jupyter：如前面所提，它是一個從 IPython 發展演變而來的專案，後來持續發展成多語言不再只支援 Python。Jupyter 這個名字主要是由 Julia、Python 及 R 所構成，當然除了Julia、Python 及 R 之外，還有提供許多的 kernels (例如 Java、C#、Go、Ruby、JavaScript 等超過50多種 Jupyter kernels)。

另外 Jupyter 是由 Notebook Frontend、 Jupyter Server 及 Kernel Protocol 這三部分所建立(可參考下圖官方資料)，下圖中您可以看到其基本運作過程。

Jupter Notebook 您可以把它想像成是上述所講的 IPython + Notebook 整合架構，它是一個介於編輯器(例如 Atom )及 IDE (Spider、PyCharm、Vim) 之間的應用環境，可讓您編寫程式時利用其直譯式的特性，達到高互動執行結果，並且很容易呈現資料視覺化的執行。Jupyter Notebook包含了兩個組成： Web Application 和 Notebook Documents。

網頁應用程序 (Web Application)：基於瀏覽器 (Web-based) 的互動創作及應用工具，包括可以計算、數學、文檔創作及豐富的多媒體輸出。
筆記本文件檔 (Notebook Documents)：顯示所有在上述網頁應用程序 (Web Application) 當中的內容，包括計算的輸入/輸出、文件說明/解釋、數學運算及運算式、圖片及所有豐富多媒體內容。

並且可以共享包含即時程式碼創作(live code)、方程式、可視化效果和敘述文本檔。用途包括數據清理 (Data Cleaning)和轉換 (Transformation)、數值模擬 (Numerical Simulation)、統計建模 (Statistical Modeling)、數據可視化 (Data Visualization)及機器學習 (Machine Learning)等，這些特性如下：

2. Jupyter Notebook 安裝說明

若尚未決定是否要安裝 Jupyter Notebook，可選擇免安裝試用的方式體驗一下，再來做決定。點選免安裝試用後會導引到下面畫面，您可以在不安裝任何東西的情況下，挑選下面任何一個範例來使用後，您將會得到一個暫時的Jupyter server來服務您所選擇的範例。如果您覺得還不錯，那您將可以選擇為自己開始安裝 Jupyter Notebook了。

安裝前的準備：Python

開始安裝 Jupyter Notebook 前，您必需先安裝 Python (Python 3.3及更高版本)，如果還沒安裝可參考Python 安裝教學及說明。這時候可以有兩種選擇方式進行安裝，使用Anaconda 3 安裝教學及說明或是使用pip安裝。

使用Anaconda安裝

官方建議使用 Anaconda Distribution 來進行安裝，因為 Jupyter Notebook、常用的科學計算 (Scientific Computing)及資料科學 (Data Science) 所需 packages 都已經包含在裡面，對於未來想進行 Data Science 的應用學習有很大的方便性。如果你還不會安裝 Anaconda，您可以參考Anaconda 3 安裝教學及說明，將可以學到 Step by Step 的完整安裝詳細說明。

使用 pip 安裝

如果您已經是一個有經驗的使用者，那您可以可慮選擇 Python 的 package manager -> pip 來取代 Anaconda 的使用，安裝方式可參考下方說明：

先進行 pip 版本升級(建議)

pip3 install --upgrade pip

進行安裝

pip3 install notebook

jupyter notebook安裝好後若要開始執行Jupyter Notebook，您可以從Windows 開始選單(Start menu)中選擇 Jupyter Notebook (如下圖)

或是在終端模式(Mac/Linux) or 命令提示模式(Windows)執行下列命令，同樣可以使用Jupyter Notebook了。

jupyter notebook

您就可以開啟Jupyter Notebook(如下圖)，點選New並選擇您已安裝的Python 3就可以開始使用了。

在開始使用之前，先對 Jupyter Notebook 整個使用介面，做一個完整的介紹如下。

3. Jupyter Notebook 介面說明

接下來將介紹 Notebook 和不同 Notebook 模式下各 UI 元素的名稱及用法，其中我們可以將整個使用者介面看成是由下面這兩組件(Components)所組成的：Notebook Dashboard 以及 Note Editor。

Notebook Dashboard

啟動 jupyter notebook 時，第一個遇到的就是下圖中的 Notebook Dashboard。

Notebook Editor

選擇一個筆記本 (Notebook) 進行編輯時，該筆記本將在 Notebook Editor 中打開。此編輯介面主要分為下面幾個部分：檔名 (File Name)、主選單 (Menubar)、工具列 (Toolbar) 及編輯單元 (Cell)，另外在右上角可以看到目前的編輯狀態及所使用的Kernel為何。

根據上圖我們先簡介一下圖中的編輯單元 – Cell。我們可以有兩個方向來看 Cell (如下圖)，一個是 Cell Mode，另一個則是 Cell Type (後面會再說明)

其中 Cell Mode 主要有兩種模式，分別是編輯模式 (Edit Mode) 及命令模式 (Command Mode)。

．Edit Mode

編輯模式由綠色單元格邊框和在編輯器區域中顯示的提示指示，當單元處於編輯模式時，您可以像普通的文件編輯器一樣鍵入到該編輯單元內。可以透過按 Enter 鍵或使用滑鼠游標單擊編輯單元 (Cell) 的編輯器區域來進入編輯模式。

Edit Mode

．Command Mode

命令模式則是由帶有藍色左邊界的灰色單元格邊框。在命令模式下，您可以整體編輯筆記本，但不能在單個單元格中鍵入內容。最重要的是，在命令模式下，鍵盤會對應到一組快速鍵，可讓您有效地執行筆記本和編輯單元操作。我們可以透過按 “ Esc” 鍵或使用滑鼠游標單擊 “在 Cell 的編輯器區域之外”來進入命令模式。