Tìm hiểu công cụ NCKH: Jupiter Notebook

1. Jupyter Notebook là gì?

Jupyter là một thuật ngữ được ghép từ ba ngôn ngữ lập trình Julia, Python và R.

Trước đây Jupyter Notebook có tên là IPython Notebook, đến năm 2014 tách ra khỏi IPython và đổi tên thành Jupyter Notebook.

Jupyter Notebook  là một nền tảng tính toán khoa học mã nguồn mở, bạn có thể sử dụng để tạo và chia sẻ các tài liệu có chứa code trực tiếp, phương trình, trực quan hóa dữ liệu và văn bản tường thuật.

Jupyter Notebook được coi là môi trường điện toán tương tác đa ngôn ngữ, hỗ trợ hơn 40 ngôn ngữ lập trình cho người dùng.

Với Jupyter Notebook, người dùng có thể đưa dữ liệu, code, hình ảnh, công thức, video,.. vào trong cùng một file, giúp cho việc trình bày trở nên dễ dàng hơn. Bạn có thể vừa trình chiếu vừa chạy code để tương tác trên đó.

2. Lợi ích của Jupyter Notebook

Jupyter Notebook được viết bằng các ngôn ngữ như Python, R và Julia, nền tảng này hiện đang được sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó, Jupyter còn tạo ra tài liệu, trực quan hóa dữ liệu và lưu trữ chúng một cách dễ dàng hơn rất nhiều. Một số lợi ích chính mà Jupyter Notebook đem lại : 

2.1 Phân tích khám phá dữ liệu (Exploratory Data Analysis)

Jupyter cho phép người dùng xem kết quả của code in-line (mã inline) mà không cần phụ thuộc vào các phần khác của code.

Trong Notebook mọi ô của code có thể được kiểm tra bất cứ lúc nào, điều này đã giúp Jupyter trở nên khác biệt so với các IDE như Pycharm, VSCode. Việc Jupyter có thể xuất code in-line đã giúp ích rất nhiều trong quá trình phân tích khám phá dữ liệu (EDA).

2.2 Bộ đệm dễ dàng trong ô tích hợp

Từng ô tự duy trì trạng thái hoạt động sẽ hơi khó, nhưng với Jupyter, công việc này sẽ được thực hiện tự động. Vì Jupyter lưu trữ kết quả hoạt động của mọi ô đang chạy, cho dù là code đang đào tạo mô hình machine learning hay code đang tải xuống gigabyte dữ liệu từ một máy chủ từ xa.

2.3 Độc lập ngôn ngữ

Jupyter Notebook ở định dạng JSON, vì thế nó được biết đến là một nền tảng độc lập cũng như độc lập về ngôn ngữ.

2.4 Trực quan hóa dữ liệu (Data Visualisation)

Jupyter Notebook hỗ trợ trực quan hóa dữ liệu và hiển thị thêm một số đồ họa và biểu đồ. Những điều này được tạo ra từ code với sự trợ giúp của các mô -đun như Matplotlib, Plotly hoặc Bokeh. Ngoài ra, Jupyter còn cho phép người dùng cùng chia sẻ code và bộ dữ liệu hoặc thay đổi tương tác với nhau.

2.5 Tương tác trực tiếp với code

Jupyter Notebook sử dụng "ipywidgets" packages, cung cấp cho người dùng giao diện chuẩn nhằm khám phá sự tương tác trực tiếp với code và với dữ liệu. Người dùng có thể chỉnh sửa và chạy code, làm cho code của Jupyter non-static.

Ngoài ra, nó còn cho phép người dùng kiểm soát nguồn đầu vào của code và phản hồi lại trực tiếp trên trình duyệt.    

2.6 Các mẫu code tài liệu

Jupyter giúp người dùng dễ dàng giải thích từng dòng code của họ với các phản hồi được đính kèm. Dù trong code đã có đầy đủ các chức năng nhưng người dùng vẫn có thể tăng thêm sự tương tác bằng các lời giải thích.

3. Hướng dẫn cài đặt Jupyter Notebook

3.1 Cài đặt Jupyter Notebook thông qua Anaconda ( Phổ biến nhất ) 

Đầu tiên, bạn hãy truy cập vào trang web của Anaconda . Ở cột Windows, chọn phiên bản phù hợp (32bit hoặc 64bit) rồi tải xuống. (Như trong ảnh) 

Link download : https://www.anaconda.com/download/success

Bước 2: Chương trình sẽ bắt đầu cài đặt, bạn hãy thực hiện theo chỉ dẫn trên màn hình để hoàn thành việc cài đặt. Việc cài đặt thường sẽ mất một vài phút, bạn có thể khởi chạy Jupyter Notebook sau khi quá trình cài đặt hoàn tất.

Chi tiết về các bước cài đặt, bạn tham khảo link dưới đây:

https://researchguides.uoregon.edu/library_workshops/install_anaconda

Bước 3: Sau khi cài đặt hoàn tất, bạn có thể khởi chạy Anaconda Navigator. Từ Navigator nhấp vào khởi chạy (Launch) trong tab Jupyter Notebook, sẽ được hiển thị bên dưới:

Hoặc bạn có thể sử dụng  phím tắt  để bắt đầu khởi chạy Jupyter Notebook trực tiếp, theo ví dụ như hình bên dưới:

3.2 Các cách cài đặt khác

Bạn đọc tham khảo ở 2 Link dưới đây : 

https://www.geeksforgeeks.org/install-jupyter-notebook-in-windows/

https://200lab.io/blog/jupyter-notebook-la-gi

4. Hướng dẫn sử dụng Jupyter Notebook cơ bản

4.1 Chạy Jupyter Notebook trên Server

Sau khi cài đặt xong Jupyter Notebook trong các bước ở trên, chúng ta có thể bắt đầu chạy Jupyter bằng câu lệnh trong Terminal hoặc Command Prompt:

Sau đó nhập lệnh Jupyter Notebook và chương trình sẽ khởi tạo một máy chủ cục bộ tại LocalHost: 8888 (hoặc một cổng được chỉ định khác).

Ngay lập tức, trình duyệt sẽ bật ra với đường dẫn http://localhost:8888/tree như hình dưới đây:

4.2 Giao diện trên Jupyter Notebook

Bạn đang ở trong giao diện Jupyter Notebook và bạn có thể thấy tất cả các tệp có trong thư mục của mình. Nếu bạn muốn xem một thư mục, bạn hãy tìm nó trong danh sách các tệp và nhấp vào nó để mở thư mục đó lên.

Jupyter Notebook của bạn sẽ được mở trong tab mới.

Nếu bạn quay lại dashboard, bạn sẽ thấy file mới Untitled.ipynb và một số văn bản màu xanh lá cây cho điều đó cho bạn biết là Jupyter Notebook của bạn đang chạy.

4.3 Làm việc với Notebook

Nội dung tài liệu chứa các cell có nội dung là code hoặc markdown, đây là vùng chúng ta sẽ làm việc chính.

Một notebook bao gồm nhiều cell (ô). Khi tạo mới một notebook, bạn luôn được tạo sẵn một cell rỗng đầu tiên.

Có hai thuật ngữ mà bạn nên biết là Cell và Kernel:

Kernel: là một "công cụ tính toán" thực thi code có trong Jupyter Notebook

Cell: là chỗ chứa văn bản được hiển thị trong Jupyter Notebook hoặc code được thực hiện bởi Kernel của Jupyter Notebook.

4.3.1 Cell

Có hai loại ô chính mà các bạn cần biết:

Code cell chứa code sẽ được thực hiện trong kernel. Khi code chạy, Jupyter Notebook sẽ hiển thị đầu ra bên dưới code cell đã tạo ra nó.

Markdown cell chứa văn bản được định dạng bằng cách sử dụng Markdown và hiển thị đầu ra của nó tại chỗ mà Markdown cell chạy.

Cell đầu tiên trong Notebook mới luôn là code cell.

Chúng ta sẽ cùng thử nghiệm bằng một ví dụ cổ điển sau: Nhập print('Hello World!') vào cell và nhấn nút Run trên thanh công cụ hoặc nhấn Ctrl + Enter.

Chúng ta sẽ có kết quả trông như thế này:

Khi chúng ta bắt đầu chạy cell, đầu ra của nó được hiển thị bên dưới và nhãn bên trái của nó sẽ thay đổi từ In [ ] thành In [1].

Đầu ra của code cell cũng tạo thành một phần tài liệu, đó là lý do tại sao bạn có thể thấy nó trong bài viết này. Bạn có thể thấy sự khác biệt giữa code cell và Markdown cell vì các code cell có nhãn (label) ở bên trái nhưng còn Markdown cell thì không có.

In trong nhãn chỉ đơn giản là viết tắt cho "Input".

Chạy lại cell và nhãn lúc này sẽ đổi thành [2], vì bây giờ cell đã chạy lần thứ hai trên kernel, điều này sẽ làm mọi thứ trở nên rõ ràng và hữu ích hơn.

Từ thanh menu, nhấp vào Insert và chọn Insert Cell Below để tạo một code cell mới bên dưới:

Đầu ra của một cell có thể xuất phát từ bất kỳ dữ liệu văn bản nào được thực hiện trong cell, nó có thể là một biến, lệnh gọi hàm. Ví dụ:

4.3.2 Kernel

Khi có một code cell chạy, thì code đó sẽ được thực thi trong kernel. Trạng thái của kernel vẫn luôn tồn tại theo thời gian và giữa các cell - nó liên quan đến toàn bộ tài liệu.

Có một số tùy chọn cực kỳ hữu ích từ menu kernel:

Khởi động lại (Restart): Khởi động lại kernel nó sẽ xóa tất cả các biến đã được xác định.

Khởi động lại và xóa đầu ra (Restart và Clear Output): Sẽ xóa đầu ra được hiển thị bên dưới các code cell của bạn.

Khởi động lại và chạy tất cả (Restart & Run All): Sẽ chạy lại tất cả các cell của bạn theo thứ tự từ đầu đến cuối.

Các chức năng khác, bạn đọc tìm hiểu thêm tại : 

https://www.geeksforgeeks.org/install-jupyter-notebook-in-windows/

https://200lab.io/blog/jupyter-notebook-la-gi