1.3.3 Jupyter Notebook

本节定位

这一节介绍数据分析和 AI 实验最常用的交互式环境。你会理解 Notebook 适合探索、实验和展示，.py 文件更适合正式项目代码，并学会创建 Cell、运行代码、写 Markdown 和画图。

学习目标

• 理解 Jupyter Notebook 是什么、适合做什么
• 安装和启动 Jupyter Notebook
• 掌握 Cell 类型和基本操作
• 熟悉最常用的快捷键
• 学会使用魔法命令
• 理解 Notebook 和 .py 文件的区别

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Jupyter Notebook 是什么？

Jupyter Notebook 是一种交互式编程环境——你可以写一段代码、立刻运行、看到结果，然后再写下一段。代码、输出、图表、文字说明全部混在一个文件里。

它长什么样？

想象一个笔记本，每一页（叫做 Cell）可以是：

• 一段可以运行的代码
• 一段 Markdown 文字（标题、说明、公式）
• 代码运行后的输出（数字、表格、图表）

它们按顺序排列在一起，形成一个”可运行的文档”。

什么场景最适合用 Jupyter？

场景	用 Jupyter	用 .py 文件
探索性数据分析（EDA）	✅ 最佳	❌
画图和可视化	✅ 图直接显示在下方	❌ 需要弹窗
学习和实验	✅ 逐步运行，边学边试	❌
展示成果（给老板看）	✅ 代码+图+文字一体	❌
正式项目代码	❌	✅ 更好维护
调试复杂程序	❌	✅
团队协作	❌ 合并冲突多	✅

一句话：学习和实验用 Jupyter，写正式代码用 .py 文件。 本课程的前几个阶段会大量使用 Jupyter。

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安装和启动

安装

确保你在正确的 conda 环境里：

conda activate ai-course

# 安装 Jupyter Notebook
pip install jupyter

# （可选）安装 JupyterLab——Jupyter 的增强版，界面更现代
pip install jupyterlab

启动

# 启动 Jupyter Notebook（经典版）
jupyter notebook

# 或启动 JupyterLab（推荐）
jupyter lab

运行后，终端会输出类似这样的信息：

[I 10:00:00 NotebookApp] Serving notebooks from local directory: /Users/zhangsan
[I 10:00:00 NotebookApp] http://localhost:8888/?token=abc123...

浏览器会自动打开，你就能看到 Jupyter 的界面了。

在 VS Code 里用 Jupyter

如果你安装了 VS Code 的 Jupyter 扩展，可以直接在 VS Code 里创建和运行 .ipynb 文件，不需要启动浏览器版本。新建一个 .ipynb 文件就行。后续课程中两种方式都可以用。

创建新 Notebook

在 Jupyter 界面里：

1. 点击右上角的 New → Python 3（经典版）
2. 或点击左侧的 + 号，选择 Python 3 Notebook（JupyterLab）

一个新的空白 Notebook 就创建好了。

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Cell（单元格）基础

Notebook 由一个一个的 Cell 组成。每个 Cell 有两种类型：

Code Cell（代码单元格）

用来写和运行 Python 代码：

# Cell 1：定义变量
name = "AI 全栈学习"
year = 2026

按 Shift + Enter 运行。

# Cell 2：使用上面定义的变量
print(f"欢迎来到 {name} 课程！现在是 {year} 年。")

输出：

欢迎来到 AI 全栈学习教程！现在是 2026 年。

重要特性： Cell 之间共享变量。你在 Cell 1 里定义的 name，在 Cell 2 里可以直接用。

Markdown Cell（文字单元格）

用来写文字说明、标题、列表、公式等。切换方法：

• 选中 Cell，按 M 键切换为 Markdown
• 按 Y 键切换回 Code

Markdown Cell 里可以写：

## 第一步：加载数据

我们使用 **Iris 数据集**进行探索性分析。

- 150 个样本
- 4 个特征
- 3 个类别

数学公式：$y = wx + b$

运行后会渲染成漂亮的格式化文字。

案例：一个典型的数据分析 Notebook 结构

部分	Cell 类型	内容
标题和目标	Markdown	Iris 数据集探索性分析
导入库	Code	numpy、pandas、matplotlib
加载数据	Code	load_iris()、构造 df、用 df.head() 预览
数据概览	Code + 输出	df.describe() 和统计摘要表
可视化	Code + 输出	带标签和标题的散点图
结论	Markdown	哪些特征最能区分品种

代码、图表、文字解释，全在一个文件里。这就是 Jupyter 的魅力。

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Kernel 状态：Notebook Bug 的隐藏来源

Notebook 看起来像文档，但运行起来更像一个小程序。Kernel 是 Notebook 背后的 Python 进程，它会记住你前面创建过的变量，即使创建变量的 Cell 已经被移动、删除，或者不在当前视线里。

flowchart LR
    A["Cell 1：导入库"] --> B["Cell 2：加载数据"]
    B --> C["Cell 3：创建变量"]
    C --> D["Cell 4：画图或训练"]
    K["Kernel 记忆"] -. "保存变量" .- C
    K -. "后续 Cell 可以继续使用" .- D

这很强大，但也容易坑新手：Notebook 能跑通，可能只是因为你刚才按了某个特殊顺序运行 Cell，并不代表这个文件从上到下是完整可复现的。

可靠 Notebook 规则

在你相信一个 Notebook、分享给别人、或者把它整理成教程前，请做一次检查：

1. 保存文件。
2. 选择 Restart Kernel and Run All Cells。
3. 如果中途报错，就继续修，直到它能从第一个 Cell 到最后一个 Cell 自动跑完。

把 import、配置、数据加载放在前面；把实验和图表放在后面。你可以把它理解成 Notebook 版的“项目还能不能完整构建”。

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快捷键

Jupyter 有两种模式：

• 命令模式（Cell 外框是蓝色）：按 Esc 进入，用于管理 Cell
• 编辑模式（Cell 外框是绿色）：按 Enter 进入，用于编辑内容

命令模式快捷键（按 Esc 后使用）

快捷键	操作
Shift + Enter	运行当前 Cell 并跳到下一个（最最最常用）
Ctrl + Enter	运行当前 Cell 但不跳转
A	在上方插入新 Cell
B	在下方插入新 Cell
DD（连按两次 D）	删除当前 Cell
M	把当前 Cell 改为 Markdown
Y	把当前 Cell 改为 Code
Z	撤销删除 Cell
↑ / ↓	上下移动选中不同的 Cell

编辑模式快捷键（按 Enter 后使用）

快捷键	操作
Shift + Enter	运行并跳到下一个
Tab	代码补全
Shift + Tab	显示函数文档
Ctrl + /	注释/取消注释
Ctrl + Z	撤销

实操：练习快捷键

创建一个新 Notebook，然后：

1. 在第一个 Cell 里输入 print("Cell 1")，按 Shift + Enter 运行
2. 按 B 在下方新建一个 Cell
3. 输入 print("Cell 2")，按 Ctrl + Enter 运行（注意光标不跳转）
4. 按 Esc 回到命令模式
5. 按 A 在上方插入 Cell
6. 按 M 切换为 Markdown，输入 # 我的标题，按 Shift + Enter 渲染
7. 选中一个不需要的 Cell，按 DD 删除

反复练习几次，很快就能形成肌肉记忆。

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魔法命令

Jupyter 提供了一些以 % 或 ! 开头的特殊命令，叫做”魔法命令”。它们可以做到普通 Python 代码做不到的事。

! 命令：在 Cell 里执行终端命令

# 安装包（不需要切到终端）
!pip install seaborn

# 查看当前目录
!ls

# 查看 Python 版本
!python --version

# 下载文件
!wget https://example.com/data.csv

%timeit：测量代码运行时间

import numpy as np

# 测量一行代码的运行时间
%timeit np.random.rand(1000, 1000)
# 输出: 5.23 ms ± 128 µs per loop

%%timeit
# 测量整个 Cell 的运行时间（注意是两个 %）
data = np.random.rand(1000, 1000)
result = np.dot(data, data.T)
# 输出: 15.6 ms ± 1.2 ms per loop

%matplotlib inline：让图表显示在 Notebook 里

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
plt.plot(x, np.sin(x))
plt.title("正弦函数")
plt.show()
# 图表直接显示在 Cell 下方

在较新的 Jupyter 版本中，%matplotlib inline 通常是默认行为，可以省略。但写上也不会错。

%who：查看当前定义的变量

name = "张三"
age = 25
scores = [90, 85, 92]

%who
# 输出: age   name   scores

%whos
# 输出变量的详细信息（类型、值）

常用魔法命令速查

命令	用途
!命令	执行终端命令
%timeit	测量一行代码运行时间
%%timeit	测量整个 Cell 运行时间
%matplotlib inline	图表内联显示
%who / %whos	查看当前变量
%reset	清除所有变量（重新开始）
%pwd	显示当前目录
%history	显示输入历史

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Notebook vs .py 文件

什么时候用 Notebook？

• 数据分析、EDA
• 学习新库、做实验
• 画图和可视化
• 给别人展示（如 Kaggle Notebook）
• 写教程

什么时候用 .py 文件？

• 正式项目代码（模型定义、训练脚本、API 服务）
• 需要被其他文件 import 的模块
• 需要在命令行用参数运行的脚本
• 团队协作的代码

一个典型的 AI 项目，两者配合使用

区域	典型文件	用途
探索	notebooks/01_eda.ipynb、02_experiment.ipynb	尝试想法、查看数据
源代码	src/model.py、train.py、evaluate.py、utils.py	保存可复用项目代码
数据和模型	data/、models/	存放输入和生成产物
复现说明	requirements.txt、README.md	说明怎样安装和重跑

先在 Notebook 里做实验，确定方案后把代码整理到 .py 文件中——这是 AI 工程师的标准工作流。

在 Notebook 里调用 .py 文件的代码

# 在 Notebook 中 import 自己写的模块
import sys
sys.path.append('../src')  # 把 src 目录加入路径

from model import SimpleCNN
from utils import accuracy

model = SimpleCNN()
print(f"模型参数量: {sum(p.numel() for p in model.parameters())}")

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实操练习

创建一个 Notebook，完成以下练习：

Cell 1（Markdown）：

# 我的第一个 Jupyter Notebook
今天的日期：2026 年 X 月 X 日

Cell 2（Code）：

# 基本运算
import math
print(f"圆周率: {math.pi:.10f}")
print(f"自然对数底: {math.e:.10f}")
print(f"10! = {math.factorial(10)}")

Cell 3（Code）：

# 列表操作
fruits = ["苹果", "香蕉", "橙子", "葡萄", "西瓜"]
for i, fruit in enumerate(fruits, 1):
    print(f"第{i}种水果: {fruit}")

Cell 4（Code）：

# 简单可视化
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 100)
fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 4))

axes[0].plot(x, np.sin(x), color='blue')
axes[0].set_title('sin(x)')

axes[1].plot(x, np.cos(x), color='red')
axes[1].set_title('cos(x)')

plt.tight_layout()
plt.show()

Cell 5（Code）：

# 测量性能
%timeit sum(range(100000))
%timeit np.sum(np.arange(100000))
# 对比 Python 原生 sum 和 NumPy sum 的速度差异

Cell 6（Markdown）：

## 留下的证据

学完这一页，至少保留这张证据卡：

```text
环境：Python/Node/编辑器/Notebook 版本以及选定的解释器/内核
验证记录：证明设置可用的一条命令或一个 Notebook 单元
项目文件夹：依赖、脚本和 notebooks 所在位置
失败检查：错误的解释器、缺少包、过时的 kernel，或编辑器路径不匹配
期望产出：设置截图或终端输出加一条回退说明
```

## 小结
- 学会了创建和运行 Cell
- 学会了在 Notebook 里画图
- 发现 NumPy 比原生 Python 快很多（这就是 3 数据分析与可视化会学 NumPy 的原因！）

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1 开发者工具基础自检

恭喜你完成了整个 1 开发者工具基础！回顾一下你学会了什么：

• 终端： 能用命令行导航、操作文件、使用管道和重定向
• Git： 能创建仓库、提交代码、推送到 GitHub、使用分支
• Python 环境： 能用 Miniconda 创建和管理虚拟环境
• VS Code： 能用 VS Code 写代码、调试、使用快捷键
• Jupyter： 能创建 Notebook、运行代码、画图、写文档

检查思路与讲解

1. Notebook 的 kernel 应该选择本课程环境，否则 import 结果可能和终端不一致。
2. 运行所有 Cell 后，应该能看到数值输出、DataFrame 预览、折线图和 %timeit 对比。
3. 图像不必完全一样，但标题、坐标趋势和代码逻辑要对应。
4. %timeit 的具体时间会因电脑不同而变化，重点是观察 NumPy 向量化通常更快。
5. 修改环境或安装新包后，如果 Notebook 没反应，先 Restart Kernel，再 Run All。
6. 最终自检的合格证据是一份能从头运行的 notebook，而不是只截一张成功截图。

全部打勾了？

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