在前面一篇文章中，我們對pandas做了一些入門介紹。本文是它的進階篇。在這篇文章中，我們會講解一些更深入的知識。

前言

本文緊接著前一篇的入門教程，會介紹一些關于pandas的進階知識。建議讀者在閱讀本文之前先看完pandas入門教程。同樣的，本文的測試數(shù)據和源碼可以在這里獲?。?Github：pandas_tutorial 。

數(shù)據訪問

在入門教程中，我們已經使用過訪問數(shù)據的方法。這里我們再集中看一下。

注：這里的數(shù)據訪問方法既適用于Series，也適用于DataFrame。

基礎方法：`[]`和`.`

這是兩種最直觀的方法，任何有面向對象編程經驗的人應該都很容易理解。下面是一個代碼示例：

# select_data.py

import pandas as pd

import numpy as np

series1 = pd.Series([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7],

index=['C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'A', 'B'])

print('series1['E'] = {} \n'.format(series1['E']));

print('series1.E = {} \n'.format(series1.E));

這段代碼輸出如下：

series1['E'] = 3

series1.E = 3

注1：對于類似屬性的訪問方式.來說，要求索引元素必須是有效的Python標識符的時候才可以，而對于series1.1這樣的索引是不行的。

注2：[]和.提供了簡單和快速訪問pands數(shù)據結構的方法。這種方法非常的直觀。然而，由于要訪問的數(shù)據類型并不是事先知道的，因此使用這兩種方法方式存在一些優(yōu)化限制。因此對于產品級的代碼來說，pandas官方建議使用pandas庫中提供的數(shù)據訪問方法。

loc與iloc

在入門教程中，我們已經提到了這兩個操作符：

loc：通過行和列的索引來訪問數(shù)據
iloc：通過行和列的下標來訪問數(shù)據

注意：索引的類型可能是整數(shù)。

實際上，當DataFrame通過這兩個操作符訪問數(shù)據，可以只指定一個索引來訪問一行的數(shù)據，例如：

# select_data.py

df1 = pd.DataFrame({'note' : ['C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'A', 'B'],

'weekday': ['Mon', 'Tue', 'Wed', 'Thu', 'Fri', 'Sat', 'Sun']},

index=['1', '2', '3', '4', '5', '6', '7'])

print('df1.loc['2']:\n{}\n'.format(df1.loc['2']))

這里通過索引'2'可以方法到第2行的所有數(shù)據，因此它的輸出如下：

df1.loc['2']:

note D

weekday Tue

Name: 2, dtype: object

除此之外，通過這兩個操作符我們還可以訪問某個范圍之內的數(shù)據，例如這樣：

# select_data.py

print('series1.loc['E':'A']=\n{}\n'.format(series1.loc['E':'A']));

print('df1.iloc[2:4]=\n{}\n'.format(df1.iloc[2:4]))

這段代碼輸出如下：

series1.loc['E':'A']=

E 3

F 4

G 5

A 6

dtype: int64

df1.iloc[2:3]=

note weekday

3 E Wed

4 F Thu

at與iat

這兩個操作符用來訪問單個的元素值（Scalar Value）。類似的：

at：通過行和列的索引來訪問數(shù)據
iat：通過行和列的下標來訪問數(shù)據

# select_data.py

print('series1.at['E']={}\n'.format(series1.at['E']));

print('df1.iloc[4,1]={}\n'.format(df1.iloc[4,1]))

這兩行代碼輸出如下：

series1.at['E']=3

df1.iloc[4,1]=Fri

Index對象

在入門教程我們也已經簡單介紹過Index，Index提供了查找，數(shù)據對齊和重新索引所需的基礎數(shù)據結構。最直接的，我們可以通過一個數(shù)組來創(chuàng)建Index對象。在創(chuàng)建的同時我們還可以通過name指定索引的名稱：

# index.py

index = pd.Index(['C','D','E','F','G','A','B'], name='note')

Index類提供了很多的方法進行各種操作，這個建議讀者直接查詢API說明即可，這里不多做說明。稍微提一下的是，Index對象可以互相之間做集合操作，例如：

# index.py

a = pd.Index([1,2,3,4,5])

b = pd.Index([3,4,5,6,7])

print('a|b = {}\n'.format(a|b))

print('a&b = {}\n'.format(a&b))

print('a.difference(b) = {}\n'.format(a.difference(b)))

這幾個運算的結果如下：

a|b = Int64Index([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], dtype='int64')

a&b = Int64Index([3, 4, 5], dtype='int64')

a.difference(b) = Int64Index([1, 2], dtype='int64')

Index類有很多的子類，下面是最常見的一些：

RangeIndex
CategoricalIndex
MultiIndex
IntervalIndex
DatetimeIndex
…

MultiIndex

MultiIndex，或者稱之為Hierarchical Index是指數(shù)據的行或者列通過多層次的標簽來進行索引。例如，我們要通過一個MultiIndex描述三個公司在三年內每個季度的營業(yè)額，可以這樣：

# multiindex.py

import pandas as pd

import numpy as np

multiIndex = pd.MultiIndex.from_arrays([

['Geagle', 'Geagle', 'Geagle', 'Geagle',

'Epple', 'Epple', 'Epple', 'Epple', 'Macrosoft',

'Macrosoft', 'Macrosoft', 'Macrosoft', ],

['S1', 'S2', 'S3', 'S4', 'S1', 'S2', 'S3', 'S4', 'S1', 'S2', 'S3', 'S4']],

names=('Company', 'Turnover'))

這段代碼輸出如下：

multiIndex =

MultiIndex(levels=[['Epple', 'Geagle', 'Macrosoft'], ['S1', 'S2', 'S3', 'S4']],

labels=[[1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 2, 2, 2, 2], [0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3, 0, 1, 2, 3]],

names=['Company', 'Turnover'])

從這個輸出可以看出，MultiIndex中的levels數(shù)組數(shù)量對應了索引的級別數(shù)量，labels對應了levels中元素的下標。下面我們用一個隨機數(shù)來構造一個DataFrame：

# multiindex.py

df = pd.DataFrame(data=np.random.randint(0, 1000, 36).reshape(-1, 12),

index=[2016, 2017, 2018],

columns=multiIndex)

print('df = \n{}\n'.format(df))

這里創(chuàng)建出了36個[0, 1000)之間的隨機數(shù)，然后組裝成3行12列的矩陣（如果你對NumPy不熟悉可以訪問NumPy官網學習，或者看一下我之前寫過的：Python 機器學習庫 NumPy 教程）。上面這段代碼輸出如下：

df =

Company Geagle Epple Macrosoft

Turnover S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4

2016 329 25 553 852 833 710 247 990 215 991 535 846

2017 734 368 28 161 187 444 901 858 244 915 261 485

2018 769 707 458 782 948 169 927 237 279 438 738 708

這個輸出很直觀的可以看出三個公司在三年內每個季度的營業(yè)額。有了多級索引，我們可以方便的進行數(shù)據的篩選，例如：

通過df.loc[2017, (['Geagle', 'Epple', 'Macrosoft'] ,'S1')])篩選出三個公司2017年第一季度的營業(yè)額
通過df.loc[2018, 'Geagle']篩選出Geagle公司2018年每個季度的營業(yè)額

它們輸出如下：

2017 S1:

Company Turnover

Geagle S1 734

Epple S1 187

Macrosoft S1 244

Name: 2017, dtype: int64

Geagle 2018:

Turnover

S1 769

S2 707

S3 458

S4 782

Name: 2018, dtype: int64

數(shù)據整合

Concat(enate)：串聯(lián)，連接，級連

Append：附加，增補

Merge：融合，歸并，合并

Join：合并，接合，交接

Concat與Append

concat函數(shù)的作用是將多個數(shù)據串聯(lián)到一起。例如，某個多條數(shù)據分散在3個地方記錄，最后我們將三個數(shù)據添加到一起。下面是一個代碼示例：

# concat_append.py

import pandas as pd

import numpy as np

df1 = pd.DataFrame({'Note': ['C', 'D'],

'Weekday': ['Mon', 'Tue']},

index=[1, 2])

df2 = pd.DataFrame({'Note': ['E', 'F'],

'Weekday': ['Wed', 'Thu']},

index=[3, 4])

df3 = pd.DataFrame({'Note': ['G', 'A', 'B'],

'Weekday': ['Fri', 'Sat', 'Sun']},

index=[5, 6, 7])

df_concat = pd.concat([df1, df2, df3], keys=['df1', 'df2', 'df3'])

print('df_concat=\n{}\n'.format(df_concat))

這里我們通過keys指定了三個數(shù)據的索引劃分，最后的數(shù)據中會由此存在MultiIndex。這段代碼輸出如下：

df_concat=

Note Weekday

df1 1 C Mon

2 D Tue

df2 3 E Wed

4 F Thu

df3 5 G Fri

6 A Sat

7 B Sun

請仔細思考一下df_concat結構與原先三個數(shù)據結構的關系：其實它就是將原先三個數(shù)據縱向串聯(lián)起來了。另外，請關注一下MultiIndex結構。 concat函數(shù)默認是以axis=0（行）為主進行串聯(lián)。如果需要，我們可以指定axis=1（列）為主進行串聯(lián)：

# concat_append.py

df_concat_column = pd.concat([df1, df2, df3], axis=1)

print('df_concat_column=\n{}\n'.format(df_concat_column))

這個結構輸出如下：

df_concat_column=

Note Weekday Note Weekday Note Weekday

1 C Mon NaN NaN NaN NaN

2 D Tue NaN NaN NaN NaN

3 NaN NaN E Wed NaN NaN

4 NaN NaN F Thu NaN NaN

5 NaN NaN NaN NaN G Fri

6 NaN NaN NaN NaN A Sat

7 NaN NaN NaN NaN B Sun

請再次觀察一下這里的結果和原先三個數(shù)據結構之間的關系。 concat是將多個數(shù)據串聯(lián)在一起。類似的，對于某個具體的數(shù)據來說，我們可以在其數(shù)據基礎上添加（append）其他數(shù)據來進行串聯(lián)：

# concat_append.py

df_append = df1.append([df2, df3])

print('df_append=\n{}\n'.format(df_append))

這個操作的結果和之前的concat是一樣的：

df_append=

Note Weekday

1 C Mon

2 D Tue

3 E Wed

4 F Thu

5 G Fri

6 A Sat

7 B Sun

Merge與Join

pandas中的Merge操作和SQL語句中的Join操作是類似的。Join操作可以分為下面幾種：

INNER
LEFT OUTER
RIGHT OUTER
FULL OUTER
CROSS

關于這幾種的Join操作的含義請參閱其他資料，例如維基百科：Join (SQL)。使用pandas進行Merge操作很簡單，下面是一段代碼示例：

# merge_join.py

import pandas as pd

import numpy as np

df1 = pd.DataFrame({'key': ['K1', 'K2', 'K3', 'K4'],

'A': ['A1', 'A2', 'A3', 'A8'],

'B': ['B1', 'B2', 'B3', 'B8']})

df2 = pd.DataFrame({'key': ['K3', 'K4', 'K5', 'K6'],

'A': ['A3', 'A4', 'A5', 'A6'],

'B': ['B3', 'B4', 'B5', 'B6']})

print('df1=n{}n'.format(df1))

print('df2=n{}n'.format(df2))

merge_df = pd.merge(df1, df2)

merge_inner = pd.merge(df1, df2, how='inner', on=['key'])

merge_left = pd.merge(df1, df2, how='left')

merge_left_on_key = pd.merge(df1, df2, how='left', on=['key'])

merge_right_on_key = pd.merge(df1, df2, how='right', on=['key'])

merge_outer = pd.merge(df1, df2, how='outer', on=['key'])

print('merge_df=\n{}\n'.format(merge_df))

print('merge_inner=\n{}\n'.format(merge_inner))

print('merge_left=\n{}\n'.format(merge_left))

print('merge_left_on_key=\n{}\n'.format(merge_left_on_key))

print('merge_right_on_key=\n{}\n'.format(merge_right_on_key))

print('merge_outer=\n{}\n'.format(merge_outer))

這段代碼說明如下：

merge函數(shù)的join參數(shù)的默認值是“inner”，因此merge_df是兩個數(shù)據的inner join的結果。另外，在不指明的情況下，merge函數(shù)使用所有同名的列名作為key來進行運算。
merge_inner是指定了列的名稱進行inner join。
merge_left是left outer join的結果
merge_left_on_key是指定了列名進行left outer join的結果
merge_right_on_key是指定了列名進行right outer join的結果
merge_outer是full outer join的結果

這里的結果如下，請觀察一下結果與你的預算是否一致：

df1=

A B key

0 A1 B1 K1

1 A2 B2 K2

2 A3 B3 K3

3 A8 B8 K4

df2=

A B key

0 A3 B3 K3

1 A4 B4 K4

2 A5 B5 K5

3 A6 B6 K6

merge_df=

A B key

0 A3 B3 K3

merge_inner=

A_x B_x key A_y B_y

0 A3 B3 K3 A3 B3

1 A8 B8 K4 A4 B4

merge_left=

A B key

0 A1 B1 K1

1 A2 B2 K2

2 A3 B3 K3

3 A8 B8 K4

merge_left_on_key=

A_x B_x key A_y B_y

0 A1 B1 K1 NaN NaN

1 A2 B2 K2 NaN NaN

2 A3 B3 K3 A3 B3

3 A8 B8 K4 A4 B4

merge_right_on_key=

A_x B_x key A_y B_y

0 A3 B3 K3 A3 B3

1 A8 B8 K4 A4 B4

2 NaN NaN K5 A5 B5

3 NaN NaN K6 A6 B6

merge_outer=

A_x B_x key A_y B_y

0 A1 B1 K1 NaN NaN

1 A2 B2 K2 NaN NaN

2 A3 B3 K3 A3 B3

3 A8 B8 K4 A4 B4

4 NaN NaN K5 A5 B5

5 NaN NaN K6 A6 B6

DataFrame也提供了join函數(shù)來根據索引進行數(shù)據合并。它可以被用于合并多個DataFrame，這些DataFrame有相同的或者類似的索引，但是沒有重復的列名。默認情況下，join函數(shù)執(zhí)行left join。另外，假設兩個數(shù)據有相同的列名，我們可以通過lsuffix和rsuffix來指定結果中列名的前綴。下面是一段代碼示例：

# merge_join.py

df3 = pd.DataFrame({'key': ['K1', 'K2', 'K3', 'K4'],

'A': ['A1', 'A2', 'A3', 'A8'],

'B': ['B1', 'B2', 'B3', 'B8']},

index=[0, 1, 2, 3])

df4 = pd.DataFrame({'key': ['K3', 'K4', 'K5', 'K6'],

'C': ['A3', 'A4', 'A5', 'A6'],

'D': ['B3', 'B4', 'B5', 'B6']},

index=[1, 2, 3, 4])

print('df3=\n{}\n'.format(df3))

print('df4=\n{}\n'.format(df4))

join_df = df3.join(df4, lsuffix='_self', rsuffix='_other')

join_left = df3.join(df4, how='left', lsuffix='_self', rsuffix='_other')

join_right = df1.join(df4, how='outer', lsuffix='_self', rsuffix='_other')

print('join_df=\n{}\n'.format(join_df))

print('join_left=\n{}\n'.format(join_left))

print('join_right=\n{}\n'.format(join_right))

這段代碼輸出如下：

df3=

A B key

0 A1 B1 K1

1 A2 B2 K2

2 A3 B3 K3

3 A8 B8 K4

df4=

C D key

1 A3 B3 K3

2 A4 B4 K4

3 A5 B5 K5

4 A6 B6 K6

join_df=

A B key_self C D key_other

0 A1 B1 K1 NaN NaN NaN

1 A2 B2 K2 A3 B3 K3

2 A3 B3 K3 A4 B4 K4

3 A8 B8 K4 A5 B5 K5

join_left=

A B key_self C D key_other

0 A1 B1 K1 NaN NaN NaN

1 A2 B2 K2 A3 B3 K3

2 A3 B3 K3 A4 B4 K4

3 A8 B8 K4 A5 B5 K5

join_right=

A B key_self C D key_other

0 A1 B1 K1 NaN NaN NaN

1 A2 B2 K2 A3 B3 K3

2 A3 B3 K3 A4 B4 K4

3 A8 B8 K4 A5 B5 K5

4 NaN NaN NaN A6 B6 K6

數(shù)據集合和分組操作

很多時候，我們會需要對批量的數(shù)據進行分組統(tǒng)計或者再處理，groupby，agg，apply就是用來做這件事的。

groupby將數(shù)據分組，分組后得到pandas.core.groupby.DataFrameGroupBy類型的數(shù)據。
agg用來進行合計操作，agg是aggregate的別名。
apply用來將函數(shù)func分組化并將結果組合在一起。

這些概念都很抽象，我們還是通過代碼來進行說明。

# groupby.py

import pandas as pd

import numpy as np

df = pd.DataFrame({

'Name': ['A','A','A','B','B','B','C','C','C'],

'Data': np.random.randint(0, 100, 9)})

print('df=\n{}\n'.format(df))

groupby = df.groupby('Name')

print('Print GroupBy:')

for name, group in groupby:

print('Name: {}\nGroup:\n{}\n'.format(name, group))

在這段代碼中，我們生成了9個[0, 100)之間的隨機數(shù)，數(shù)據的第一列是['A','A','A','B','B','B','C','C','C']。然后我們以Name列進行groupby，得到的結果會根據將Name列值一樣的分組在一起，我們將得到的結果進行了打印。這段代碼的輸出如下：

df=

Data Name

0 34 A

1 44 A

2 57 A

3 81 B

4 78 B

5 65 B

6 73 C

7 16 C

8 1 C

Print GroupBy:

Name: A

Group:

Data Name

0 34 A

1 44 A

2 57 A

Name: B

Group:

Data Name

3 81 B

4 78 B

5 65 B

Name: C

Group:

Data Name

6 73 C

7 16 C

8 1 C

groupby并不是我們的最終目的，我們的目的是希望分組后還要對這些數(shù)據進行進一步的統(tǒng)計或者處理。pandas庫本身就提供了很多進行操作的函數(shù)，例如：count，sum，mean，median，std，var，min，max，prod，first，last。這些函數(shù)的名稱很容易明白它的作用。例如：groupby.sum()就是對結果進行求和運行。除了直接調用這些函數(shù)之外，我們也可以通過agg函數(shù)來達到這個目的，這個函數(shù)接收其他函數(shù)的名稱，例如這樣：groupby.agg(['sum'])。通過agg函數(shù)，可以一次性調用多個函數(shù)，并且可以為結果列指定名稱。像這樣：groupby.agg([('Total', 'sum'), ('Min', 'min')])。這里的三個調用輸出結果如下：

# groupby.py

Sum:

Data

Name

A 135

B 224

C 90

Agg Sum:

Data

sum

Name

A 135

B 224

C 90

Agg Map:

Data

Total Min

Name

A 135 34

B 224 65

C 90 1

除了對數(shù)據集合進行統(tǒng)計，我們也可以通過apply函數(shù)進行分組數(shù)據的處理。像這樣：

# groupby.py

def sort(df):

return df.sort_values(by='Data', ascending=False)

print('Sort Group: \n{}\n'.format(groupby.apply(sort)))

在這段代碼中，我們定義了一個排序函數(shù)，并應用在分組數(shù)據上，這里最終的輸出如下：

Sort Group:

Data

Name

A 2 57

1 44

0 34

B 3 81

4 78

5 65

C 6 73

7 16

8 1

時間相關

時間是應用程序中很頻繁需要處理的邏輯，尤其是對于金融，科技，商業(yè)等領域。當我們在討論時間，我們討論的可能是下面三種情況中的一種：

某個具體的時間點（Timestamp），例如：今天下午一點整
某個時間范圍（Period），例如：整個這個月
某個時間間隔（Interval），例如：每周二上午七點整

Python語言提供了時間日期相關的基本API，它們位于datetime, time, calendar幾個模塊中。下面是一個代碼示例：

# time.py

import datetime as dt

import numpy as np

import pandas as pd

now = dt.datetime.now();

print('Now is {}'.format(now))

yesterday = now - dt.timedelta(1);

print('Yesterday is {}\n'.format(yesterday.strftime('%Y-%m-%d')))

在這段代碼中，我們打印了今天的日期，并通過timedelta進行了日期的減法運算。這段代碼輸出如下：借助pandas提供的接口，我們可以很方便的獲得以某個時間間隔的時間序列，例如這樣：

# time.py

this_year = pd.date_range(dt.datetime(2018, 1, 1),

dt.datetime(2018, 12, 31), freq='5D')

print('Selected days in 2018: \n{}\n'.format(this_year))

這段代碼獲取了整個2018年中從元旦開始，每隔5天的日期序列。 date_range函數(shù)的詳細說明見這里：pandas.date_range 這段代碼的輸出如下：

Selected days in 2018:

DatetimeIndex(['2018-01-01', '2018-01-06', '2018-01-11', '2018-01-16',

'2018-01-21', '2018-01-26', '2018-01-31', '2018-02-05',

'2018-02-10', '2018-02-15', '2018-02-20', '2018-02-25',

'2018-03-02', '2018-03-07', '2018-03-12', '2018-03-17',

'2018-03-22', '2018-03-27', '2018-04-01', '2018-04-06',

'2018-04-11', '2018-04-16', '2018-04-21', '2018-04-26',

'2018-05-01', '2018-05-06', '2018-05-11', '2018-05-16',

'2018-05-21', '2018-05-26', '2018-05-31', '2018-06-05',

'2018-06-10', '2018-06-15', '2018-06-20', '2018-06-25',

'2018-06-30', '2018-07-05', '2018-07-10', '2018-07-15',

'2018-07-20', '2018-07-25', '2018-07-30', '2018-08-04',

'2018-08-09', '2018-08-14', '2018-08-19', '2018-08-24',

'2018-08-29', '2018-09-03', '2018-09-08', '2018-09-13',

'2018-09-18', '2018-09-23', '2018-09-28', '2018-10-03',

'2018-10-08', '2018-10-13', '2018-10-18', '2018-10-23',

'2018-10-28', '2018-11-02', '2018-11-07', '2018-11-12',

'2018-11-17', '2018-11-22', '2018-11-27', '2018-12-02',

'2018-12-07', '2018-12-12', '2018-12-17', '2018-12-22',

'2018-12-27'],

dtype='datetime64[ns]', freq='5D')

我們得到的返回值是DatetimeIndex類型的，我們可以創(chuàng)建一個DataFrame并以此作為索引：

# time.py

df = pd.DataFrame(np.random.randint(0, 100, this_year.size), index=this_year)

print('Jan: \n{}\n'.format(df['2018-01']))

在這段代碼中，我們創(chuàng)建了與索引數(shù)量一樣多的[0, 100)間的隨機整數(shù)，并用this_year作為索引。用DatetimeIndex作索引的好處是，我們可以直接指定某個范圍來選擇數(shù)據，例如，通過df['2018-01']選出所有1月份的數(shù)據。這段代碼輸出如下：

Jan:

2018-01-01 61

2018-01-06 85

2018-01-11 66

2018-01-16 11

2018-01-21 34

2018-01-26 2

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圖形展示

pandas的圖形展示依賴于matplotlib庫。對于這個庫，我們在后面會專門講解，因為這里僅僅提供一個簡單的代碼示例，讓大家感受一下圖形展示的樣子。代碼示例如下：

# plot.py

import matplotlib.pyplot as plt

import pandas as pd

data = pd.read_csv('data/housing.csv')

data.hist(bins=50, figsize=(15, 12))

plt.show()

這段代碼讀取了一個CSV文件，這個文件中包含了一些關于房價的信息。在讀取完之后，通過直方圖（hist）將其展示了出來。該CSV文件的內容見這里：pandas_tutorial/data/housing.csv 直方圖結果如下所示：

結束語

雖然本文的標題是“進階篇”，我們也討論了一些更深入的知識。但很顯然，這對于pandas來說，仍然是很皮毛的東西。由于篇幅所限，更多的內容在今后的時候，有機會我們再來一起探討。讀者朋友也可以根據官網上的文檔進行更深入的學習。

參考資料與推薦讀物

pandas官方網站
Python for Data Analysis

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前言

數(shù)據訪問

基礎方法：[]和.

loc與iloc

at與iat

Index對象

MultiIndex

數(shù)據整合

Concat與Append

Merge與Join

數(shù)據集合和分組操作

時間相關

圖形展示

結束語

參考資料與推薦讀物

基礎方法：`[]`和`.`