Notebook-Schnittstelle

Ein Notebook-Interface oder Computational Notebook ist eine virtuelle Notebook- Umgebung für Literate Programming , eine Methode zum Schreiben von Computerprogrammen . ^{[ 1 ]} Manche Notebooks sind WYSIWYG- Umgebungen mit ausführbaren Berechnungen, die in formatierte Dokumente eingebettet sind; andere trennen Berechnungen und Text in separate Abschnitte. Notebooks haben einige Gemeinsamkeiten in Zielsetzung und Funktionen mit Tabellenkalkulations- und Textverarbeitungsprogrammen , gehen aber über deren begrenzte Datenmodelle hinaus.

Modulare Notebooks können sich mit einer Vielzahl von Rechen-Backends, sogenannten „Kernels“, verbinden. Notebook-Schnittstellen werden häufig in den Bereichen Statistik , Data Science , maschinelles Lernen und Computeralgebra eingesetzt . ^{[ 2 ]}

Im Kern des Notebooks steht die Idee der Literate-Programming-Tools, mit denen man „die Teile eines Programms in beliebiger Reihenfolge anordnen und Dokumentation und Code aus derselben Quelldatei extrahieren kann“ ^{[ 3 ]} . Das Notebook hebt diesen Ansatz auf eine neue Ebene, indem es ihn um grafische Funktionen und einen Fokus auf Interaktivität erweitert. Stephen Wolfram erklärt : „Die Idee eines Notebooks ist es, ein interaktives Dokument zu haben, das Code, Ergebnisse, Grafiken, Text und alles andere frei miteinander kombiniert“ ^{[ 4 ].} Die Jupyter-Projektdokumentation beschreibt es so: „Das Notebook erweitert den konsolenbasierten Ansatz des interaktiven Rechnens in eine qualitativ neue Richtung und bietet eine webbasierte Anwendung, die sich eignet, den gesamten Berechnungsprozess abzubilden: Entwicklung, Dokumentation und Ausführung von Code sowie die Kommunikation der Ergebnisse“ ^{[ 5 ] .}

VisiCalc , die erste Tabellenkalkulation für Personalcomputer , wurde 1979 veröffentlicht. Ihre Idee der visuellen Berechnungen ist auch heute noch weit verbreitet, beschränkt sich jedoch auf Dokumente, die in eine Tabelle passen .

Die Forschung zu WYSIWYG-Mathematiksystemen, die gemischten Text und Berechnungen mit einer Dokumentenmetapher unterstützen, wurde ab 1987 veröffentlicht: ^{[ 6 ]} Ron Avitzurs Milo , ^{[ 7 ]} William Schelters INFOR , Xerox PARCs Tioga ^{[ 8 ]} und CaminoReal . ^{[ 9 ]}

Das erste kommerzielle System, das die Dokumentenmetapher nutzte, war MathCAD , das ebenfalls 1987 erschien. ^{[ 10 ]} Wolfram Mathematica 1.0 folgte 1988. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Später kamen Maple 5.2 (1992) ^{[ 14 ]} und Macsyma 2.0 (1995) ^{[ 15 ] .}

Mit zunehmender Beliebtheit der Notebook-Oberfläche in den folgenden zwei Jahrzehnten wurden Notebooks für verschiedene Rechen-Backends („Kernels“) eingeführt, darunter MATLAB , Python , Julia , R , Scala , Elixir , SQL und andere. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Die Vielfalt der Notebook-Benutzeroberflächen wurde seither erweitert und es entwickeln sich ständig neue Formen. ^{[ 18 ]}

Notebooks werden traditionell in den Naturwissenschaften als elektronische Laborbücher verwendet , um Forschungsmethoden, Daten, Berechnungen und Ergebnisse zu dokumentieren. Sie dokumentieren die angewandte Methodik und erleichtern so die Reproduktion von Ergebnissen und Berechnungen mit unterschiedlichen Datensätzen. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Im Bildungsbereich bietet die Notebook-Oberfläche eine digitale Lernumgebung, insbesondere für die Vermittlung von Computational Thinking . ^{[ 19 ] [ 4 ]} Ihre Fähigkeit, Text und Code zu kombinieren, macht sie im Bildungsbereich einzigartig. Digitale Notebooks werden mitunter für Präsentationen als Alternative zu PowerPoint und anderer Präsentationssoftware eingesetzt, da sie die Ausführung von Code innerhalb der Notebook-Umgebung ermöglichen. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Aufgrund ihrer Fähigkeit, Daten visuell darzustellen und durch Codeänderungen Daten aus verschiedenen Quellen abzurufen, finden Notebooks auch zunehmend Anwendung in Business-Intelligence-Software . ^{[ 16 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

Beispiel für Projekte oder Produkte aus Notizbüchern: ^{[ 25 ]}

• Apache Spark Notebook ^{[ 26 ]} – Apache-Lizenz 2.0
• GNU TeXmacs (ein Dokumentenprozessor, der auch als Notebook-Oberfläche fungieren kann) – GPLv3 ^{[ 27 ]}
• IPython – BSD
• Jupyter Notebook (ehemals IPython ) – Modifizierte BSD-Lizenz (Modell des gemeinsamen Urheberrechts) ^{[ 28 ]}
• JupyterLab – Überarbeitete BSD-Lizenz ^{[ 29 ]}
• Org-Mode in Emacs (mit dem integrierten Babel-Add-on) – GPL
• R Markdown ^{[ 30 ]} – GPLv3 ^{[ 31 ]}
• SageMath – GPLv3

• Anakonda
• SMath Studio – Freeware, nicht frei verfügbar: lizenziert unter Creative Commons Attribution-No Derivatives

• CoCalc
• Google Colab
• Wolfram Mathematica
• Kaggle-Notizbücher
• Mathcad
• MATLAB – Live-Editor seit 2016.
• Databricks Cloud (gegründet 2013). ^{[ 16 ] [ 32 ]}
• WolframAlpha Notebooks ^{[ 33 ]}

• Liste der integrierten Online-Entwicklungsumgebungen
• Read-Eval-Print-Schleife