在人工智能领域，多步推理（multi-step reasoning）是实现复杂 AI agent 功能的核心机制。通过 Claude API 在 Jupyter notebooks 中构建这样的推理链，可以显著提升开发效率和实验灵活性。Jupyter 作为交互式计算环境，天然支持逐步执行代码、实时可视化和调试，这使得它成为迭代式 AI agent 实验的理想平台。本文将聚焦于如何整合工具调用（tool calls）、状态管理和可视化，来构建高效的多步推理系统。
Claude 的多步推理能力主要依赖于其工具使用功能，该功能允许模型在响应中插入工具调用请求，从而实现迭代式交互。根据 Anthropic 官方文档，工具调用通过 XML 格式的标签实现，例如 <tool_use name="search">，这使得 Claude 能够在单次 API 调用中规划多个步骤，并在后续交互中处理工具输出。这种机制避免了传统单轮对话的局限性，支持复杂任务如数据检索、计算和决策链。
在 Jupyter 中实现这一功能，首先需要安装 anthropic Python SDK。使用 pip install anthropic 命令导入客户端，然后初始化 API 密钥：from anthropic import Anthropic; client = Anthropic(api_key="your_api_key")。对于多步推理，核心是维护对话历史（conversation state）。每个 API 调用都应传递完整的 messages 列表，其中包括用户输入、Claude 响应和工具结果。例如，初始消息为 [{"role": "user", "content": "查询用户订单状态，然后计算退款金额。"}]，Claude 可能响应工具调用请求，随后执行工具（如数据库查询）并将结果追加到 messages 中：messages.append({"role": "assistant", "content": tool_result})。这种状态管理确保 Claude 在后续步骤中记住先前上下文，避免信息丢失。
为了可视化推理过程，Jupyter 的优势在于其支持 matplotlib 和 plotly 等库。假设一个多步链涉及数据分析：第一步工具调用检索数据，第二步进行统计计算。可以创建一个函数来记录每个步骤的中间结果，例如使用 Pandas DataFrame 存储状态快照，然后通过 plotly.express.line() 绘制推理路径图。这不仅帮助开发者观察链条的执行流，还能识别瓶颈，如工具调用延迟或状态膨胀。实际参数建议：设置 max_tokens=2000 以容纳复杂响应，temperature=0.0 以确保确定性输出；对于状态管理，限制历史消息长度至 10-20 条，避免 token 超限（Claude 3 支持 200k tokens，但实践中小于 50k 更稳定）。
可落地参数与清单包括：1. API 配置：model="claude-3-5-sonnet-20240620"，tools 定义为 JSON schema，如 {"name": "query_db", "input_schema": {"type": "object", "properties": {"user_id": {"type": "string"}}}}。2. 状态管理清单：初始化 messages=[]；在循环中 while 未完成：调用 client.messages.create(messages=messages, tools=tools)；解析响应，若有 tool_use，则执行工具并追加结果。3. 可视化参数：使用 %matplotlib inline 启用内联图表；对于 agent 实验，定义 checkpoints 每 5 步保存状态到 JSON 文件，便于回滚。4. 监控要点：追踪 token 使用（response.usage），设置阈值 80% 时精简历史；错误处理包括重试工具调用（retry=3, backoff=1s）。这些参数确保系统鲁棒性，支持从简单查询到复杂 agent 的扩展。
在迭代实验中，Jupyter 允许开发者逐步测试链条。例如，构建一个客户服务 agent：第一步解析用户查询，第二步调用知识库工具，第三步生成响应。通过 notebook 单元格分步执行，可以调整提示词如 "逐步思考：先识别意图，再调用工具"，观察输出变化。这种方法比纯脚本开发更直观，尤其适合 AI 研究者快速原型化。
最后，资料来源主要基于 Anthropic 的 Claude Cookbooks 仓库，特别是 tool_use/customer_service_agent.ipynb 示例，该 notebook 展示了工具调用在 agent 中的应用。此外，参考 Anthropic 官方工具使用文档，确保实现符合最佳实践。通过这些技术点，开发者可以高效构建 Claude 多步推理系统，推动 AI agent 在实际场景中的落地。