#!/usr/bin/env python
# coding: utf-8

# # Arbeiten mit dem IPython-Notebook  
# Gert-Ludwig Ingold  
# <div style="margin-top:10ex;font-size:smaller">Quellen: `git clone https://github.com/gertingold/lit2015`</div>  
# <div style="font-size:smaller">statische Ansicht: http://nbviewer.ipython.org/github/gertingold/lit2015/blob/master/lit2015.ipynb</div>
# <div style="margin-top:5ex;font-size:smaller;text-align:right">Python and Plone User Group Meeting, München, 2.6.2015</div>

# ## Aus Newtons Notizbuch

# <img src="images/MS-ADD-04004_25_detail.png">

# ### Von Newton zum modernen Notebook
# * *Erläuterungen*  
#   Text, der Gliederungen und mathematische Formeln enthalten kann
# * *mathematische Umformungen*  
# Programmcode und das daraus resultierende Ergebnis
# * *Abbildungen*  
# graphische Darstellungen und Multimedia-Objekte
# * *Darstellung*  
# HTML, PDF, …

# ### Anwendungen von Notebooks
# * Entwicklung kleinerer Python-Skripte  
#   Beispiel: Optimierung für Cython
# * Dokumentation  
#   Beispiel: Datenanalyse
# * Lehrmaterial  
#   Beispiele: Unterricht, Programmierkurs
# * Lehrbücher  
#   Beispiele: [nbviewer.ipython.org](http://nbviewer.ipython.org/), Abschnitt Books
# * Präsentation mit Notebook-Erweiterung RISE von Damián Avila
# * …

# ## Python
# 
# * interpretierte Sprache
# * vergleichsweise leicht erlernbar
# * "Python comes with batteries included"
# * SciPy Stack: NumPy, SciPy, Matplotlib, pandas,...

# ## IPython - die verbesserte Python-Shell
# 
# * 2001: Start des IPython Projekts durch Fernando Pérez.
# * Dezember 2011: Mit IPython 0.12 wird das **IPython Notebook** eingeführt.  
# * 2013–2014: Die Entwicklung von IPython wird mit 1.15 Millionen Dollar von der Alfred P. Sloan Stiftung unterstützt.
# * August 2013: Microsoft unterstützt die Entwicklung von IPython mit 100.000 Dollar.
# * 27\. Februar 2015: Freigabe der Version 3.0.
# * Teilaspekt des Horizon-2020-Projekts [OpenDreamKit](http://opendreamkit.org)
# * Nächster Meilenstein: Der sprachunabhängige Teil geht in das [Jupyter-Projekt](http://jupyter.org) über.

# ### IPython-Quellen
# Homepage: [ipython.org](http://ipython.org)  
# Repository: [github.com/ipython/ipython](http://github.com/ipython/ipython)  
# Mailing-Liste: ipython-dev@scipy.org
# 
# ### Pakete für Debian und Ubuntu:
# `ipython-notebook` / `ipython3-notebook`  
# ipython 1.2.1: Debian wheezy-backports, Ubuntu 14.04LTS  
# ipython 2.3.0: Debian jessie, Ubuntu 15.04  
# ipython 3.1.0: [pypi.python.org](http://pypi.python.org)
# 
# ### Installation in ein virtual environment
# `pip install "ipython[notebook]"`
# 
# siehe auch: [ipython.org/install.html](http://ipython.org/install.html)
# 
# 
# 

# ## Notebook-Zellen
# 
# * Codezellen
# * Textzellen
# * Zellen mit Rohdaten zur Interpretation durch `NBConvert`

# ### Umgang mit Notebook-Zellen
# 
# Die ausgewählte Notebook-Zelle befindet sich in einem von zwei Modi:
# 
# * Kommandomodus = schwarzer Rahmen
# * Eingabemodus = grüner Rahmen und Stiftsymbol im Kopfbereich
# * Wechsel in den Eingabemodus: `ENTER` oder Doppelklicken
# * Wechsel in den Kommandomodus: `ESC` oder `STRG-M`

# ### Nützliche Tastenkürzel
# 
# * `SHIFT-ENTER`, `STRG-ENTER`: Ausführen der aktuellen Zelle
# * `ALT-ENTER`: Ausführen der aktuellen Zelle und Öffnen einer neuen Zelle
# * `A`: Einfügen einer neuen Zelle über der aktuellen Zelle
# * `B`: Einfügen einer neuen Zelle unter der aktuellen Zelle
# * `D,D`: Löschen der aktuellen Zelle
# * `M`: Definiere Zelle als Markdown-Zelle
# * `H`: Anzeige aller Tastenkürzel

# ### Codezellen

# In[ ]:


for n in range(3):
    print("Das IPython-Notebook ist toll.")


# Die Codezellen werden in der Reihenfolge ihrer Ausführung nummeriert.

# Unter Verwendung magischer Befehle kann man auch nicht in Python geschriebenen Code einbinden und ausführen, z.B. HTML:

# In[ ]:


get_ipython().run_cell_magic('html', '', '<style>\ndiv.text_cell_render h3 { \n    color: #c60;\n}\n</style> \n')


# ### Textzellen

# Zur Formatierung kann Markdown und HTML verwendet werden.
# 
# Beispiele:
# * *Kursiver Text* oder _Kursiver Text_
# * **Fetter Text** oder __Fetter Text__
# * `Code`
# * <span style="color:white;background-color:#c00">hervorgehobener Text</span>
# 
# 

# ### Mathematiksatz
# In Textzellen kann LaTeX-Syntax verwendet werden, um mathematische Symbole wie z.B. $\ddot x$ oder aber ganze Formeln darzustellen:
# $$\mathcal{L}\{f(t)\} = \int_0^\infty\text{d}z\text{e}^{-zt}f(t)$$

# 
# Hierzu wird MathJax ([www.mathjax.org](http://www.mathjax.org)) verwendet, das entweder eine Internetanbindung oder eine lokale Installation erfordert. Hinweise zur lokalen Installation erhält man zum Beispiel folgendermaßen:

# In[ ]:


from IPython.external import mathjax
get_ipython().run_line_magic('pinfo', 'mathjax')


# ## Ausgewählte Vorteile der IPython-Shell

# ### Hilfe

# In[ ]:


import numpy as np
get_ipython().run_line_magic('pinfo', 'np.tensordot')


# Beschreibung mit Code (falls möglich)

# In[ ]:


get_ipython().run_line_magic('pinfo2', 'np.tensordot')


# Codeergänzung mit `TAB`

# In[ ]:


np.


# ### Bezug auf frühere Ergebnisse

# In[ ]:


2**3


# In[ ]:


_-8


# In[ ]:


__**2


# ### Zugriff auf alle früheren Ein- und Ausgaben

# In[ ]:


In, Out


# 
# ### Magische Befehle in IPython...

# In[ ]:


get_ipython().run_line_magic('lsmagic', '')


# Schnellanleitung

# In[ ]:


get_ipython().run_line_magic('quickref', '')


# Laufzeitbestimmungen

# In[ ]:


get_ipython().run_line_magic('timeit', '2.5**100')


# In[ ]:


import math


# In[ ]:


get_ipython().run_cell_magic('timeit', '', 'result = []\nnmax = 100000\ndx = 0.001\nfor n in range(nmax):\n    result.append(math.sin(n*dx))\n')


# In[ ]:


get_ipython().run_cell_magic('timeit', '', 'nmax = 100000\ndx = 0.001\nx = np.arange(nmax)*dx\nresult = np.sin(x)\n')


# ## Erweiterte Darstellungsmöglichkeiten

# IPython erlaubt eine Darstellung von Objekten in verschiedenen Formaten wie
# 
# * HTML
# * Markdown
# * SVG
# * PNG
# * JPEG
# * LaTeX

# In[ ]:


from IPython.display import Image
Image("./images/ipython_logo.png")


# In[ ]:


from IPython.display import HTML
HTML('<iframe src="http://www.ipython.org" width="700" height="500"></iframe>')


# Auch die Einbindung von Audio- und Video-Dateien ist möglich

# In[ ]:


from IPython.display import YouTubeVideo
YouTubeVideo('F4rFuIb1Ie4')


# Python erlaubt die textliche Darstellung von Objekten mit der ``__repr__``-Methode.  
# 
# Beispiel:

# In[ ]:


class MyObject(object):
    def __init__(self, obj):
        self.obj = obj
        
    def __repr__(self):
        return ">>> {0!r} / {0!s} <<<".format(self.obj)
    
x = MyObject('Python')
print(x)


# Im IPython-Notebook ist eine reichhaltige Darstellung von Objekten durch Bereitstellung von entsprechenden Methoden möglich:
# 
# * `_repr_pretty_`
# * `_repr_html_`
# * `_repr_markdown_`
# * `_repr_latex`
# * `_repr_svg_`
# * `_repr_json_`
# * `_repr_javascript_`
# * `_repr_png_`
# * `_repr_jpeg_`
# 
# Achtung: jeweils nur ein Unterstrich im Gegensatz zu `__repr__`

# In[ ]:


class RGBColor(object):
    def __init__(self, r, g, b):
        self.colordict = {"r": r, "g":g, "b": b}
        
    def _repr_svg_(self):
        return '''<svg height="50" width="50">
                    <rect width="50" height="50" fill="rgb({r},{g},{b})" />
                  </svg>'''.format(**self.colordict)

c = RGBColor(205, 128, 255)
c


# In[ ]:


from fractions import Fraction

class MyFraction(Fraction):
    def _repr_html_(self):
        return "<sup>%s</sup>&frasl;<sub>%s</sub>" % (self.numerator,
                                                          self.denominator)
    
    def _repr_latex_(self):
        return r"$\frac{%s}{%s}$" % (self.numerator, self.denominator)
    
    def __add__(a, b):
        """a + b"""
        return MyFraction(a.numerator * b.denominator +
                          b.numerator * a.denominator,
                          a.denominator * b.denominator)
        
MyFraction(12, 345)+MyFraction(67, 89)


# In[ ]:


from IPython.display import display_latex
display_latex(MyFraction(12, 345)+MyFraction(67, 89))


# ## Interaktion mit Widgets

# In[ ]:


from IPython.html.widgets import interact


# In[ ]:


@interact(x=(0., 10.), y=(0, 10))
def power(y, x=2):
    print(x**y)


# #### Datentypen und ihre Widgets
# 
# Zeichenkette (`str`, `unicode`) → Text  
# Dictionary (`dict`) → Dropdown  
# logische Variable (`bool`) → Checkbox  
# Gleitkommazahl (`float`) → FloatSlider  
# ganze Zahl (`int`) → IntSlider

# In[ ]:


@interact(x=(0, 5),
          text="Python ist toll!!!")
def f(text, x=0):
    for _ in range(x):
        print(text)


# In[ ]:


from IPython.html import widgets
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
get_ipython().run_line_magic('matplotlib', 'inline')
# sonst werden Matplotlib-Graphiken in einem externen Fenster angezeigt

@interact(harmonische=widgets.IntSlider(min=1, max=10, 
                                        description='Anzahl der Harmonischen',
                                        padding='2ex'),
          funktion=widgets.RadioButtons(options=("Rechteck",
                                                  "Sägezahn",
                                                  "Dreieck"),
                                        description='Funktion')
          )
def f(harmonische, funktion):
    params = {"Rechteck": {"sign":1, "stepsize": 2, "func": np.sin, "power": 1},
              "Sägezahn": {"sign": -1, "stepsize": 1, "func": np.sin, "power": 1},
              "Dreieck": {"sign": 1, "stepsize": 2, "func":  np.cos, "power": 2}
              }
    p = params[funktion]
    xvals, nvals = np.ogrid[-2*np.pi:2*np.pi:100j, 1:harmonische+1:p["stepsize"]]
    yvals = np.sum(p["sign"]**nvals*p["func"](nvals*xvals)/nvals**p["power"], axis=1)
    plt.plot(xvals, yvals)


# Siehe auch das Tutorial von Cyrille Rossant in https://github.com/rossant/euroscipy2014.

# ## Umwandlung des IPython-Notebooks in verschiedene Ausgabeformate

# `ipython notebook --to` *format* *Notebook-Datei*  
# 
# Ausgabeformate:
# * HTML für Ausgabe mit `reveal.js`
# * LaTeX, PDF
# * Markdown
# * Restructured Text
# * Python
# 
# 
# Statische Darstellung von Notebooks: [nbviewer.ipython.org](http://nbviewer.ipython.org "nbviewer")