Luận văn Nghiên cứu các luật kết hợp song song trong khai phá dữ liệu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
GIANG THỊ THU HUYỀN
NGHIÊN CỨU CÁC LUẬT KẾT HỢP SONG SONG
TRONG KHAI PHÁ DỮ LIỆU
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60 48 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Đoàn Văn Ban
Hà Nội – 2010
LỜI CẢM ƠN
Để có được kết quả như ngày hôm nay, tôi luôn ghi nhớ công ơn của các thầy
cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình, những người đã dạy bảo và ủng hộ tôi trong suốt
quá trình học tập.
Trước hết, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trường Đại học Công
Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã quan tâm tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy
khoá cao học của chúng tôi. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo
hướng dẫn PGS.TS Đoàn Văn Ban, người đã tận tình chỉ bảo và góp ý về mặt chuyên
môn cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Nếu không có sự giúp đỡ của thầy thì
tôi khó có thể hoàn thành được luận văn này.
Cũng qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Khoa Hệ thống thông
tin Kinh tế thuộc Học viện Ngân hàng, nơi tôi đang công tác, đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong thời gian hoàn thành các môn học cũng như trong suốt quá
trình làm luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, chồng và các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
ủng hộ, động viên để tôi yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Trong suốt quá trình làm luận văn, bản thân tôi đã cố gắng tập trung tìm hiểu,
nghiên cứu và tham khảo thêm nhiều tài liệu liên quan. Tuy nhiên, do bản thân mới bắt
đầu trên con đường nghiên cứu khoa học, chắc chắn bản luận văn vẫn còn nhiều thiếu
sót. Tôi rất mong được nhận sự chỉ bảo của các Thầy Cô giáo và các góp ý của bạn bè,
đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, tháng 04 năm 2010
Giang Thị Thu Huyền
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu các luật kết hợp song song trong khai
phá dữ liệu” là kết quả của tự bản thân tôi tìm hiểu, nghiên cứu. Các tài liệu tham
khảo được trích dẫn và chú thích đầy đủ. Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của
mình.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU.............................................3
1. 1. Khai phá dữ liệu...............................................................................................3
1. 1. 1. Khái niệm Khai phá dữ liệu ......................................................................3
1. 1. 2. Kiến trúc của một hệ thống khai phá dữ liệu .............................................5
1. 1. 3. Một số kỹ thuật khai phá dữ liệu ...............................................................6
1. 1. 4. Lựa chọn phương pháp khai phá dữ liệu....................................................8
1. 2. Ứng dụng của khai phá dữ liệu.........................................................................9
1. 3. Một số khó khăn trong khai phá dữ liệu..........................................................10
1. 4. Kết luận chương 1 ..........................................................................................11
CHƯƠNG 2 KHAI PHÁ CÁC LUẬT KẾT HỢP SONG SONG.............................12
2. 1. Luật kết hợp trong khai phá dữ liệu.................................................................12
2. 1. 1. Một số hướng tiếp cận trong khai phá luật kết hợp..................................12
2. 1. 2. Các tính chất của luật kết hợp .................................................................13
2. 1. 3. Bài toán khai phá luật kết hợp.................................................................17
2. 1. 4. Một số thuật toán khai phá luật kết hợp...................................................17
2. 2. Các thuật toán song song phát hiện luật kết hợp .............................................26
2. 2. 1. Thuật toán song song ..............................................................................27
2. 2. 2. Khai phá các luật kết hợp song song .......................................................30
2. 3. Kết luận chương 2 ..........................................................................................49
CHƯƠNG 3 CÀI ĐẶT THUẬT TOÁN KHAI PHÁ CÁC LUẬT KẾT HỢP SONG
SONG TRONG KHAI PHÁ DỮ LIỆU......................................................................50
3. 1. Cài đặt thuật toán khai phá các luật kết hợp song song ...................................50
3. 1. 1. Môi trường cài đặt chương trình thử nghiệm...........................................50
3. 1. 2. Mô tả dữ liệu của bài toán.......................................................................51
3. 1. 3. Giao diện chương trình ...........................................................................52
3. 2. Đánh giá kết quả.............................................................................................58
3. 2. 1. Phương pháp đánh giá các chương trình song song .................................58
3. 2. 2. Kết quả cài đặt chương trình thử nghiệm.................................................59
KẾT LUẬN...............................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................62
PHỤ LỤC..................................................................................................................64
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên viết tắt
Ck
Diễn giải
Tập các k-itemset ứng viên (Candidate sets)
Độ tin cậy (Confidence)
Conf
D
Cơ sở dữ liệu giao dịch
Di
Phần thứ i của cơ sở dữ liệu D
Mục
Item
Itemset
k-itemset
Lk
Tập mục
Tập mục gồm k mục
Tập các k-itemset phổ biến
MPI
Truyền thông điệp (Message Passing Interface)
Ngưỡng tin cậy tối thiểu (minimum confidence)
Ngưỡng hỗ trợ tối thiểu (minimum support)
Số đếm hỗ trợ (Support count)
Độ hỗ trợ (Support)
minconf
minsup
SC
Sup
T
Giao dịch (Transaction)
TID
Định danh của giao dịch (Unique Transaction Identifer)
Danh sách các định danh của giao dịch
Luật kết hợp (Với X là tiền đề, Y là hệ quả)
Tid-List
X Y
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 2. 1. Một số ký hiệu dùng trong thuật toán Apriori .............................18
Bảng 2. 2. Ký hiệu dùng trong các thuật toán song song ..............................31
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
Trang
Hình 1. 1. Quá trình khai phá dữ liệu ............................................................................ 4
Hình 1. 2. Kiến trúc của một hệ thống khai phá dữ liệu ................................................ 6
Hình 1. 3. Mô tả luật kết hợp......................................................................................... 8
Hình 2. 1. Tập chứa tập mục không phổ biến là không phổ biến ................................. 15
Hình 2. 2. Minh hoạ thuật toán Apriori tìm tập mục phổ biến ..................................... 22
Hình 2. 3. Sinh luật từ tập mục phổ biến ..................................................................... 25
Hình 2. 4. Tính toán tuần tự ........................................................................................ 27
Hình 2. 5. Tính toán song song.................................................................................... 27
Hình 2. 6. Kiến trúc bộ nhớ chia sẻ ............................................................................. 29
Hình 2. 7. Kiến trúc bộ nhớ phân tán........................................................................... 29
Hình 2. 8. Kiến trúc bộ nhớ lai.................................................................................... 30
Hình 2. 9. Giải thuật Count Distribution...................................................................... 32
Hình 2. 10. Cơ sở dữ liệu D và các tập mục phổ biến.................................................. 33
Hình 2. 11. Tìm tập mục phổ biến theo thuật toán song song Count Distribution ........ 33
Hình 2. 12. Tìm tập mục phổ biến theo thuật toán song song Data Distribution........... 36
Hình 2. 13. Tổ chức dữ liệu theo chiều ngang và theo chiều dọc ................................. 37
Hình 2. 14. Chuyển đổi dữ liệu ................................................................................... 40
Hình 2. 15. Thuật toán song song Eclat....................................................................... 41
Hình 2. 16. Khai phá tập mục phổ biến sử dụng thuật toán song song Eclat ................ 42
Hình 2. 17. Cấu trúc FP-tree cục bộ được xây dựng từ các phân hoạch cơ sở dữ liệu .. 46
Hình 2. 18. Khai phá tập mục phổ biến sử dụng thuật toán song song FP-Growth....... 46
Hình 3. 1. Giao diện nhập dữ liệu đầu vào................................................................... 56
Hình 3. 2. Giao diện thực hiện theo thuật toán Apriori ................................................ 56
Hình 3. 3. Giao diện thực hiện theo thuật toán song song Count Distribution.............. 57
Hình 3. 4. Giao diện thực hiện theo thuật toán song song Eclat ................................... 57
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, con người đang sở hữu kho dữ liệu phong phú, đa dạng và khổng lồ.
Đặc biệt sự phát triển của công nghệ thông tin và việc ứng dụng công nghệ thông tin
trong nhiều lĩnh vực đã làm cho kho dữ liệu ấy tăng lên nhanh chóng. Sự bùng nổ này
đã dẫn tới một yêu cầu cấp thiết là cần có những kỹ thuật và công cụ mới để tự động
chuyển đổi lượng dữ liệu khổng lồ kia thành các tri thức có ích. Mặt khác, trong môi
trường cạnh tranh thì người ta ngày càng cần có thông tin với tốc độ nhanh để giúp cho
việc ra quyết định và ngày càng có nhiều câu hỏi mang tính chất định tính cần phải trả
lời dựa trên khối lượng dữ liệu khổng lồ đã có. Tiến hành các công việc như vậy chính
là quá trình phát hiện tri thức trong cơ sở dữ liệu, trong đó kỹ thuật khai phá dữ liệu
cho phép phát hiện tri thức tiềm ẩn ấy. Từ đó, các kỹ thuật khai phá dữ liệu đã trở
thành một lĩnh vực thời sự của nền Công nghệ thông tin thế giới hiện nay nói chung và
Việt Nam nói riêng. Rất nhiều tổ chức và công ty lớn trên thế giới đã áp dụng kỹ thuật
khai phá dữ liệu vào các hoạt động sản xuất kinh doanh của mình và thu được những
lợi ích to lớn.
Các kỹ thuật phát hiện tri thức và khai phá dữ liệu được thực hiện qua nhiều
giai đoạn và sử dụng nhiều kỹ thuật: phân lớp (classification), phân cụm (clustering),
phân tích sự tương tự (similarity analysis), tổng hợp (summarization), luật kết hợp
(association rules), … Một trong những nội dung cơ bản và phổ biến trong khai phá dữ
liệu là phát hiện các luật kết hợp. Phương pháp này nhằm tìm ra các tập thuộc tính
thường xuất hiện đồng thời trong cơ sở dữ liệu và rút ra các luật về ảnh hưởng của một
tập thuộc tính dẫn đến sự xuất hiện của một hoặc nhiều tập thuộc tính khác như thế
nào? Do đó việc phát hiện ra các luật kết hợp là một bước rất quan trọng trong khai
phá dữ liệu.
Mặt khác, hiện nay nhu cầu song song hóa và xử lý phân tán là rất cần thiết bởi
kích thước dữ liệu lưu trữ ngày càng lớn nên đòi hỏi tốc độ xử lý cũng như dung lượng
bộ nhớ hệ thống phải đảm bảo. Vì vậy, yêu cầu cần có những thuật toán song song
hiệu quả cho việc phát hiện các luật kết hợp trong khai phá dữ liệu là rất cần thiết, góp
phần thúc đẩy khả năng ứng dụng của việc phát hiện tri thức, hỗ trợ ra quyết định vào
trong hoạt động thực tiễn.
Từ những vấn đề nêu trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu các luật kết hợp song
song trong khai phá dữ liệu” để làm luận văn tốt nghiệp.
2. Mục tiêu của luận văn
Tìm hiểu khái quát về khai phá dữ liệu trong đó đi sâu về các luật kết hợp.
Tìm hiểu một số mô hình tính toán song song.
2
Nghiên cứu xây dựng các thuật toán luật kết hợp song song trong khai phá dữ
liệu.
Cài đặt một số thuật toán song song khai phá dữ liệu và phát hiện luật kết hợp.
3. Bố cục của luận văn
Luận văn chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về khai phá dữ liệu
Chương này giới thiệu quá trình khai phá dữ liệu và phát hiện tri thức, phương
pháp khai phá dữ liệu, ứng dụng và một số khó khăn trong khai phá dữ liệu.
Chương 2: Khai phá các luật kết hợp song song
Chương này trình bày tóm tắt luật kết hợp, mô hình của bài toán khai phá luật
kết hợp, các khái niệm cơ bản luật kết hợp, các phương pháp khai phá các luật kết hợp
và khai phá các luật kết hợp song song.
Chương 3: Cài đặt thuật toán khai phá các luật kết hợp song song ứng dụng cho
bài toán khai phá dữ liệu.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU
1. 1. Khai phá dữ liệu
1. 1. 1. Khái niệm Khai phá dữ liệu
Khai phá dữ liệu (Data Mining) là một khái niệm ra đời vào những năm cuối
của thập kỷ 1980. Nó là quá trình khám phá thông tin ẩn được tìm thấy trong các cơ sở
dữ liệu và có thể xem như là một bước trong quá trình khám phá tri thức. Data Mining
là giai đoạn quan trọng nhất trong tiến trình khai phá tri thức từ cơ sở dữ liệu, các tri
thức này hỗ trợ trong việc ra quyết định trong khoa học và kinh doanh, …
Giáo sư Tom Mitchell [20] đã đưa ra định nghĩa của Khai phá dữ liệu như sau:
“Khai phá dữ liệu là việc sử dụng dữ liệu lịch sử để khám phá những qui tắc và cải
thiện những quyết định trong tương lai.” Với một cách tiếp cận ứng dụng hơn, Tiến sĩ
Fayyad [21] đã phát biểu: “Khai phá dữ liệu, thường được xem là việc khám phá tri
thức trong các cơ sở dữ liệu, là một quá trình trích xuất những thông tin ẩn, trước đây
chưa biết và có khả năng hữu ích, dưới dạng các qui luật, ràng buộc, qui tắc trong cơ
sở dữ liệu.” hay nói cách khác “Khai phá dữ liệu – Data Mining là tiến trình khám phá
tri thức tiềm ẩn trong các cơ sở dữ liệu. Cụ thể hơn, đó là tiến trình trích lọc, sản sinh
những tri thức hoặc các mẫu tiềm ẩn, chưa biết nhưng hữu ích từ cơ sở dữ liệu lớn” [2].
Nói tóm lại, Khai phá dữ liệu là một quá trình học tri thức mới từ những dữ liệu
đã thu thập được [8]–[12]–[15].
Khai phá dữ liệu là tiến trình khái quát các sự kiện rời rạc trong dữ liệu thành
các tri thức mang tính khái quát, tính quy luật hỗ trợ tích cực cho các tiến trình ra
quyết định. Khai phá dữ liệu là việc trích rút tri thức một cách tự động và hiệu quả từ
một khối dữ liệu rất lớn. Tri thức đó thường ở dạng các mẫu tin có tính chất không tầm
thường, không tường minh (ẩn), chưa được biết đến và có tiềm năng mang lại lợi ích.
Để hình dung vấn đề này ta có thể sử dụng một ví dụ đơn giản như sau: Khai
phá dữ liệu được ví như tìm một cây kim trong đống cỏ khô. Trong ví dụ này, cây kim
là một mảnh nhỏ tri thức hoặc một thông tin có giá trị và đống cỏ khô là một kho cơ sở
dữ liệu rộng lớn. Như vậy, những thông tin có giá trị tiềm ẩn trong kho cơ sở dữ liệu
sẽ được chiết xuất ra và sử dụng một cách hữu ích nhờ khai phá dữ liệu.
Chức năng khai phá dữ liệu gồm có gộp nhóm phân loại, dự báo, dự đoán và
phân tích các liên kết. Năm 1989, Fayyad, Smyth và Piatestsky-Shapiro đã dùng khái
niệm Phát hiện tri thức từ cơ sở dữ liệu (Knowledge Discovery in Database-KDD).
Trong đó, khai phá dữ liệu là một giai đoạn rất đặc biệt trong toàn bộ quá trình, nó sử
dụng các kỹ thuật để tìm ra các mẫu từ dữ liệu. Có thể coi khai phá dữ liệu là cốt lõi
của quá trình phát hiện tri thức.
Quá trình khai phá dữ liệu sẽ tiến hành qua 6 giai đoạn như hình 1. 1 [7]
4
Đánh giá mẫu
Khai phá dữ liệu
Data Mining
Chuyển đổi dữ liệu
Làm sạch, Tiền xử lý
Chuẩn bị trước dữ
liệu
TRI THỨC
Lựa chọn dữ liệu
Gom dữ liệu
Internet,...
Dữ liệu
Hình 1.1. Quá trình khai phá dữ liệu
Bắt đầu của quá trình là kho dữ liệu thô và kết thúc với tri thức được chiết xuất
ra. Về lý thuyết thì có vẽ rất đơn giản nhưng thực sự đây là một quá trình rất khó khăn
gặp phải rất nhiều vướng mắc như: quản lý các tập dữ liệu, phải lặp đi lặp lại toàn bộ
quá trình, …
1. Gom dữ liệu (Gathering): Tập hợp dữ liệu là bước đầu tiên trong quá trình
khai phá dữ liệu. Đây là bước được khai thác trong một cơ sở dữ liệu, một kho
dữ liệu và thậm chí các dữ liệu từ các nguồn ứng dụng Web.
2. Trích lọc dữ liệu (Selection): Ở giai đoạn này dữ liệu được lựa chọn hoặc phân
chia theo một số tiêu chuẩn nào đó, ví dụ chọn tất cả những người có tuổi đời từ
25 – 35 và có trình độ đại học.
3. Làm sạch, tiền xử lý và chuẩn bị trước dữ liệu (Cleaning, Pre-processing
and Preparation): Giai đoan thứ ba này là giai đoạn hay bị sao lãng, nhưng
thực tế nó là một bước rất quan trọng trong quá trình khai phá dữ liệu. Một số
5
lỗi thường mắc phải trong khi gom dữ liệu là tính không đủ chặt chẽ, logíc. Vì
vậy, dữ liệu thường chứa các giá trị vô nghĩa và không có khả năng kết nối dữ
liệu. Ví dụ: tuổi = 273. Giai đoạn này sẽ tiến hành xử lý những dạng dữ liệu
không chặt chẽ nói trên. Những dữ liệu dạng này được xem như thông tin dư
thừa, không có giá trị. Bởi vậy, đây là một quá trình rất quan trọng vì dữ liệu
này nếu không được “làm sạch - tiền xử lý - chuẩn bị trước” thì sẽ gây nên
những kết quả sai lệch nghiêm trọng.
4. Chuyển đổi dữ liệu (Transformation): Tiếp theo là giai đoạn chuyển đổi dữ
liệu, dữ liệu đưa ra có thể sử dụng và điều khiển được bởi việc tổ chức lại nó.
Dữ liệu đã được chuyển đổi phù hợp với mục đích khai thác.
5. Phát hiện và trích mẫu dữ liệu (Pattern Extraction and Discovery): Đây là
bước mang tính tư duy trong khai phá dữ liệu. Ở giai đoạn này nhiều thuật toán
khác nhau đã được sử dụng để trích ra các mẫu từ dữ liệu. Thuật toán thường
dùng là nguyên tắc phân loại, nguyên tắc kết hợp hoặc các mô hình dữ liệu tuần
tự, …
6. Đánh giá kết quả mẫu (Evaluation of Result): Đây là giai đoạn cuối trong quá
trình khai phá dữ liệu. Ở giai đoạn này, các mẫu dữ liệu được chiết xuất ra bởi
phần mềm khai phá dữ liệu. Không phải bất cứ mẫu dữ liệu nào cũng đều hữu
ích, đôi khi nó còn bị sai lệch. Vì vậy, cần phải ưu tiên những tiêu chuẩn đánh
giá để chiết xuất ra các tri thức (Knowledge).
Trên đây là 6 giai đoạn trong quá trình khai phá dữ liệu, trong đó giai đoạn 5 là
giai đoạn được quan tâm nhiều nhất, đó là khai phá dữ liệu.
1. 1. 2. Kiến trúc của một hệ thống khai phá dữ liệu
Máy chủ cơ sở dữ liệu hay máy chủ kho dữ liệu (Database or warehouse
server): Máy chủ này có trách nhiệm lấy dữ liệu thích hợp dựa trên những yêu
cầu khai phá của người dùng.
Cơ sở tri thức (Knowledge base): Đây là miền tri thức được dùng để tìm kiếm
hay đánh giá độ quan trọng của các hình mẫu kết quả.
Máy khai phá dữ liệu (Data mining engine): Một hệ thống khai phá dữ liệu cần
phải có một tập các modun chức năng để thực hiện công việc, chẳng hạn như
đặc trưng hóa, kết hợp, phân lớp, phân cụm, phân tích sự tiến hoá…
Modun đánh giá mẫu (Pattern evaluation): Bộ phận này tương tác với các
modun khai phá dữ liệu để tập trung vào việc duyệt tìm các mẫu đáng được
quan tâm. Cũng có thể modun đánh giá mâu được tích hợp vào modun khai
phá tuỳ theo sự cài đặt của phương pháp khai phá được dùng.
Giao diện đồ họa cho người dùng (Graphical user interface): Thông qua giao
diện này, người dùng tương tác với hệ thống bằng cách đặc tả một yêu cầu
6
khai phá hay một nhiệm vụ, cung cấp thông tin trợ giúp cho việc tìm kiếm và
thực hiện khai phá thăm dò trên các kết quả khai phá trung gian.
Giao diện đồ họa cho người dùng
Đánh giá mẫu
Cơ sở tri thức
Máy khai phá dữ liệu
Máy chủ cơ sở dữ liệu hay kho dữ liệu
Làm sạch và tích hợp dữ liệu
Lọc
Kho dữ liệu
CSDL
CSDL
Hình 1.2. Kiến trúc của một hệ thống khai phá dữ liệu
1. 1. 3. Một số kỹ thuật khai phá dữ liệu
Các kĩ thuật khai phá dữ liệu thường được chia thành 2 nhóm chính [12]:
Kĩ thuật khai phá dữ liệu mô tả: có nhiệm vụ mô tả về các tính chất hoặc các
đặc tính chung của dữ liệu trong CSDL hiện có. Các kĩ thuật này gồm có: phân
cụm (clustering), tóm tắt (summarization), trực quan hóa (visualization), phân
tích sự phát triển và độ lệch (Evolution and deviation analysis), phát hiện luật
kết hợp (association rules), ...
Kĩ thuật khai phá dữ liệu dự đoán: có nhiệm vụ đưa ra các dự đoán dựa vào
các suy diễn trên dữ liệu hiện thời. Các kĩ thuật này gồm có: phân lớp
(classification), hồi quy (regression), ...
Tuy nhiên, do khuôn khổ có hạn nên tôi chỉ giới thiệu 3 phương pháp thông
dụng nhất là: phân lớp dữ liệu, phân cụm dữ liệu và khai phá luật kết hợp.
1. 1. 3. 1. Phân lớp
Phân lớp dữ liệu (Classification) là chia các đối tượng dữ liệu thành các lớp dựa
trên các đặc trưng của tập dữ liệu. Với một tập các dữ liệu huấn luyện cho trước và sự
huấn luyện của con người, các giải thuật phân loại sẽ học ra bộ phân loại (classifier)
dùng để phân các dữ liệu mới vào một trong những lớp (còn gọi là loại) đã được xác
định trước. Phương pháp này rất có ích trong giai đoạn đầu của quá trình nghiên cứu
khi ta biết rất ít về đối tượng cần nghiên cứu, nó là tiền đề để tiến hành các phương
7
pháp phát hiện tri thức. Có nhiều phương pháp phân lớp: phân lớp dựa trên cây quyết
định, phân lớp Bayesian, … Quá trình phân lớp dữ liệu thường gồm hai bước [12]:
Bước 1: Xây dựng mô hình dựa trên việc phân tích các mẫu dữ liệu có sẵn.
Mỗi mẫu tương ứng với một lớp, được quyết định bởi một thuộc tính gọi là
thuộc tính phân lớp. Các mẫu dữ liệu này còn được gọi là tập dữ liệu huấn
luyện (training dataset). Nhãn lớp của tập dữ liệu huấn luyện phải được xác
định trước khi xây dựng mô hình, vì vậy phương pháp này còn được gọi là học
có giám sát (supervised learning).
Bước 2: Sử dụng mô hình để phân lớp dữ liệu. Chúng ta phải tính độ chính
xác của mô hình, nếu độ chính xác là chấp nhận được thì mô hình sẽ được sử
dụng để dự đoán lớp cho các mẫu dữ liệu khác trong tương lai.
1. 1. 3. 2. Phân cụm
Phân cụm (Clustering) là việc nhóm các đối tượng dữ liệu thành các lớp đối
tượng có sự tương tự nhau dựa trên các thuộc tính của chúng. Mỗi lớp đối tượng được
gọi là một cụm (cluster). Một cụm bao gồm các đối tượng mà giữa bản thân chúng có
sự ràng buộc lẫn nhau và khác biệt so với các lớp đối tượng khác. Phân cụm dữ liệu là
một ví dụ của phương pháp học không có giám sát (unsupervised learning). Phân cụm
dữ liệu không đòi hỏi phải định nghĩa trước các mẫu dữ liệu huấn luyện. Vì thế, có thể
coi phân cụm dữ liệu là một cách học bằng quan sát (learning by observation), trong
khi phân lớp dữ liệu là học qua ví dụ (learning by example). Trong phương pháp này
ta không thể biết kết quả các cụm thu được sẽ như thế nào khi bắt đầu quá trình. Các
cụm có thể tách riêng hay phân cấp hoặc gối lên nhau, có nghĩa là một mục dữ liệu có
thể vừa thuộc cụm này vừa thuộc cụm kia. Vì vậy, thông thường cần có một chuyên
gia về lĩnh vực đó để đánh giá các cụm thu được.
Phân cụm dữ liệu được sử dụng nhiều trong các ứng dụng về phân loại thị
trường, phân loại khách hàng, nhận dạng mẫu, phân loại trang Web, … Ngoài ra, phân
cụm còn được sử dụng như một bước tiền xử lý cho các thuật toán khai phá dữ liệu
khác.
1. 1. 3. 3. Luật kết hợp
Phương pháp phát hiện các luật kết hợp (Association Rules) nhằm phát hiện ra
các luật kết hợp giữa các thành phần dữ liệu trong cơ sở dữ liệu [4]. Các giải thuật Tìm
luật liên kết tìm kiếm các mối liên kết giữa các phần tử dữ liệu, ví dụ như nhóm các
món hàng thường được mua kèm với nhau trong siêu thị. Đầu ra của thuật toán là tập
luật kết hợp tìm được. Cho trước một tập các giao tác, trong đó mỗi giao tác là một tập
các mục, tìm sự tương quan giữa các mục như là một luật và kết quả của giải thuật
khai phá dữ liệu là tập luật kết hợp tìm được. Luật kết hợp thường có dạng X Y.
Trong đó: X là tiền đề, Y là hệ quả (X, Y là hai tập của mục). Ý nghĩa trực quan của
8
luật là các giao tác của cơ sở dữ liệu mà trong đó nội dung X có khuynh hướng đến nội
dung Y.
Có hai thông số quan trọng của luật kết hợp là độ hỗ trợ (support) và độ tin cậy
(confidence). Độ hỗ trợ và độ tin cậy là hai độ đo của sự đáng quan tâm của luật.
Chúng tương ứng phản ánh sự hữu ích và sự chắc chắn của luật đã khám phá. Khai phá
các luật kết hợp từ cơ sở dữ liệu là việc tìm các luật có độ hỗ trợ và độ tin cậy lớn hơn
ngưỡng mà người dùng xác định trước.
Ví dụ: Phân tích giỏ hàng của người mua hàng trong một siêu thị ta thu được
luật: “68% khách hàng mua sữa thì cũng mua bánh mỳ, 21% mua cả hai thứ. Trong ví
dụ trên thì 68% là độ tin cậy của luật (số phần trăm giao dịch thỏa mãn vế trái thì thỏa
mãn vế phải), 21% là độ hỗ trợ (số phần trăm giao dịch thỏa mãn cả hai vế trái và
phải).
Hình 1.3. Mô tả luật kết hợp
Luật kết hợp mang lại những thông tin vô cùng quan trọng, nó hỗ trợ không nhỏ
trong quá trình ra quyết định. Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh
vực như marketing có chủ đích, phân tích thị trường, quản lý kinh doanh, ... Khai phá
luật kết hợp được thực hiện qua hai bước:
Bước 1: Tìm tất cả các tập mục phổ biến, một tập mục phổ biến được xác định
thông qua việc tính độ hỗ trợ và thỏa mãn độ hỗ trợ cực tiểu.
Bước 2: Sinh ra các luật kết hợp mạnh từ tập mục phổ biến, các luật này phải
thỏa mãn độ hỗ trợ cực tiểu và độ tin cậy cực tiểu.
Phương pháp này được sử dụng rất hiệu quả trong các lĩnh vực như marketing
có chủ đích, phân tích quyết định, quản lí kinh doanh, phân tích thị trường, …
1. 1. 4. Lựa chọn phương pháp khai phá dữ liệu
Cấu trúc của thuật toán khai phá dữ liệu có ba thành phần chính sau: Biểu diễn
mô hình, đánh giá mô hình và phương pháp tìm kiếm.
Biểu diễn mô hình: Mô hình được biểu diễn bằng ngôn ngữ L nào đó để mô tả
các mẫu có thể khai phá được. Nếu việc biểu diễn mô hình hạn chế thì không
có thời gian học tập hoặc không có các mẫu để tạo ra mô hình chính xác cho
dữ liệu. Người phân tích dữ liệu cần phải hiểu đầy đủ các giả thiết mô tả,
9
người thiết kế thuật toán phải diễn tả được giả thiết mô tả nào được tạo ra bởi
thuật toán nào một cách rõ ràng.
Đánh giá mô hình: Đánh giá xem mẫu có đáp ứng được các tiêu chuẩn của
quá trình phát hiện tri thức hay không. Đánh giá độ chính xác dự đoán dựa
trên đánh giá chéo.
Phương pháp tìm kiếm:
o Tìm kiếm tham số: Các thuật toán tìm kiếm các tham số để tối ưu hoá
các tiêu chuẩn đánh giá mô hình với dữ liệu quan sát được và với một
biểu diễn mô hình đã định.
o Tìm kiếm mô hình: Giống như một vòng lặp qua phương pháp tìm kiếm
tham số, biểu diễn mô hình bị thay đổi tạo nên họ các mô hình. Với một
biểu diễn mô hình, phương pháp tìm kiếm tham số được áp dụng để đánh
giá chất lượng mô hình.
Hiện nay, người ta chưa đưa ra được một tiêu chuẩn nào trong việc quyết định
sử dụng phương pháp nào vào trong trường hợp nào thì có hiệu quả, có nhiều kỹ thuật
và mỗi kỹ thuật được sử dụng cho nhiều bài toán khác nhau. Các thuật toán khai phá
dữ liệu tự động chỉ đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, các kỹ thuật khai phá dữ liệu
còn mới với lĩnh vực kinh doanh. Rõ ràng là để trả lời câu hỏi “khai phá dữ liệu dùng
kỹ thuật nào là tốt?” thật không đơn giản vì mỗi phương pháp thì có điểm mạnh và
điểm yếu riêng, thậm chí chúng ta còn phải kết hợp các phương pháp trong quá trình
khai phá.
1. 2. Ứng dụng của khai phá dữ liệu
Khai phá dữ liệu được vận dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm khai thác
nguồn dữ liệu phong phú được lưu trữ trong các hệ thống thông tin. Tùy theo bản chất
của từng lĩnh vực, việc vận dụng khai phá dữ liệu có những cách tiếp cận khác nhau.
Ngân hàng: Xây dựng mô hình dự báo rủi ro tín dụng. Tìm kiếm tri thức, quy
luật của thị trường chứng khoán và đầu tư bất động sản.
Thương mại điện tử: Tìm hiểu, định hướng thúc đẩy, giao tiếp với khách hàng.
Phân tích hành vi mua sắm trên mạng và cho biết thông tin tiếp thị phù hợp với nhiều
loại khách hàng.
Marketing: Phân tích nhu cầu khách hàng dựa trên mẫu dữ liệu mua bán hàng
từ đó xác định chiến lược kinh doanh, quảng cáo, kế hoạch sản xuất, …
Khai phá dữ liệu cũng được vận dụng hiệu quả để giải quyết các bài toán phức
tạp trong các ngành đòi hỏi kỹ thuật cao [11], như tìm kiếm mỏ dầu từ ảnh viễn thám,
cảnh báo hỏng hóc trong các hệ thống sản xuất, … Các kỹ thuật Khai phá dữ liệu đã
được áp dụng thành công trong việc dự đoán tải sử dụng điện năng cho các công ty
cung cấp điện, lưu lượng viễn thông cho các công ty điện thoại, mức độ tiêu thụ sản
10
phẩm cho các nhà sản xuất, giá trị của sản phẩm trên thị trường cho các công ty tài
chính, …
Ngoài ra, Khai phá dữ liệu còn được áp dụng cho các vấn đề xã hội như phân
tích các kết quả phòng chống và điều trị một số loại bệnh, phân tích tác hại của ma tuý,
phát hiện tội phạm hay tăng cường an ninh xã hội, ... Việc vận dụng thành công đã
mang lại những hiệu quả thiết thực cho các hoạt động diễn ra hàng ngày trong đời
sống.
1. 3. Một số khó khăn trong khai phá dữ liệu
- Cơ sở dữ liệu lớn: Các tập dữ liệu cần xử lý trong khai phá dữ liệu thường có
kích thước cực kỳ lớn về cả số lượng các bản ghi và số lượng các thuộc tính. Trong
thực tế, kích thước của các tập dữ liệu trong khai phá dữ liệu thường ở mức tera-byte
(hàng ngàn giga-byte). Với kích thước như thế, thời gian xử lý thường cực kỳ dài. Mặc
dù kích thước bộ nhớ trong của máy tính đã gia tăng đáng kể trong thời gian gần đây,
việc gia tăng này cũng không thể đáp ứng kịp với việc tăng kích thước dữ liệu. Vì vậy,
việc vận dụng các kỹ thuật xác suất, lấy mẫu, đệm, song song, …vào các giải thuật để
tạo ra các phiên bản phù hợp với yêu cầu của khai phá dữ liệu trở nên ngày càng quan
trọng.
- Dữ liệu thiếu và nhiễu: Mức độ nhiễu cao trong dữ liệu điều này dẫn đến việc
dự đoán thiếu chính xác.
- Vấn đề “quá phù hợp” (Overfitting): Khi thuật toán khai phá tìm kiếm với các
tham số tốt nhất cho một mô hình đặc biệt và một giới hạn của tập dữ liệu. Mô hình đó
có thể “Quá phù hợp” trên tập dữ liệu đó nhưng lại thi hành không chính xác trên tập
dữ liệu kiểm tra.
- Sự thay đổi của dữ liệu và tri thức: Dữ liệu là không tĩnh, dữ liệu thay đổi
nhanh chóng có thể dẫn đến những tri thức đã khai phá trước đây trở nên không còn
phù hợp thậm chí là vô giá trị.
- Đánh giá các mẫu dữ liệu tìm được: Nhiều mẫu phát hiện không thực sự hữu
ích với người sử dụng và thách thức với các hệ khai phá dữ liệu.
- Làm việc với các dữ liệu quan hệ phức tạp: Do các hệ cơ sở dữ liệu quan hệ
được sử dụng rộng rãi nên vấn đề làm tốt với các hệ cơ sở dữ liệu này là vấn đề cần
quan tâm đối với các hệ khai phá dữ liệu.
- Khai phá thông tin trong các hệ cơ sở dữ liệu hỗn hợp và hệ thống thông tin
toàn cầu: Với sự ra đời của mạng máy tính, dữ liệu có thể được thu thập từ nhiều
nguồn khác nhau với định dạng khác nhau với số lượng rất lớn. Việc phát hiện tri thức
từ các dạng dữ liệu hỗn hợp này là một thách thức đối với khai phá dữ liệu.
11
1. 4. Kết luận chương 1
Khai phá dữ liệu là sự vận dụng học thuật vào các vấn đề thiết thực đang diễn ra.
Khai phá dữ liệu là tiến trình khái quát các sự kiện rời rạc trong dữ liệu thành các tri
thức mang tính khái quát, tính quy luật, hỗ trợ tích cực cho việc ra quyết định. Nghiên
cứu nhằm xây dựng và cải thiện các kỹ thuật trong khai phá dữ liệu là một lĩnh vực
hứa hẹn và phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam. Khai phá dữ liệu là một
ngành khá non trẻ, các kỹ thuật của ngành còn chưa có khả năng giải quyết hiệu quả
tốt các bài toán thực tế. Việc nghiên cứu cải thiện các giải thuật nhằm đưa ra các kỹ
thuật mới là một khả năng có thể thực hiện trong môi trường làm việc còn thiếu thốn ở
Việt Nam. Một số hướng nghiên cứu về lý thuyết trong khai phá dữ liệu đang được
nghiên cứu hiện nay: Áp dụng các chiến lược để cải thiện hiệu quả các giải thuật. Phát
triển các phiên bản mới của các giải thuật có khả năng giải quyết các tập dữ liệu lớn
bằng kỹ thuật sử dụng bộ đệm. Song song và phân bố các giải thuật trong khai phá dữ
liệu để tận dụng khả năng tính toán mạnh của tính toán lưới, ...
12
CHƯƠNG 2
KHAI PHÁ CÁC LUẬT KẾT HỢP SONG SONG
2. 1. Luật kết hợp trong khai phá dữ liệu
Luật kết hợp là một hướng quan trọng trong khai phá dữ liệu. Luật kết hợp giúp
chúng ta tìm được các mối liên hệ giữa các mục dữ liệu (items) của cơ sở dữ liệu. Luật
kết hợp là dạng khá đơn giản nhưng lại mang khá nhiều ý nghĩa. Thông tin mà dạng
luật này đem lại là rất đáng kể và hỗ trợ không nhỏ trong quá trình ra quyết định. Tìm
các luật kết hợp mang nhiều thông tin từ cơ sở dữ liệu tác nghiệp là một trong những
hướng tiếp cận chính của lĩnh vực khai phá dữ liệu [12].
2. 1. 1. Một số hướng tiếp cận trong khai phá luật kết hợp
Lĩnh vực khai phá luật kết hợp cho đến nay đã được nghiên cứu và phát triển
theo nhiều hướng khác nhau.
2. 1. 1. 1. Luật kết hợp nhị phân
Luật kết hợp nhị phân (binary association rules hoặc boolean association rules)
là hướng nghiên cứu đầu tiên của luật kết hợp. Hầu hết các nghiên cứu ở thời kỳ đầu
về luật kết hợp đều liên quan đến luật kết hợp nhị phân. Trong dạng luật kết hợp này,
các thuộc tính chỉ được quan tâm là có hay không xuất hiện trong giao tác của cơ sở
dữ liệu chứ không quan tâm về “mức độ” xuất hiện. Ví dụ như khách hàng A mua 10
sản phẩm B hay 1 sản phẩm B được xem là như nhau. Thuật toán tiêu biểu nhất khai
phá dạng luật này là thuật toán Apriori và các thuật toán thuộc họ Apriori [16]. Đây là
dạng luật đơn giản và các luật khác cũng có thể chuyển về dạng luật này nhờ một số
phương pháp như rời rạc hoá, mờ hoá,… Ví dụ về dạng luật này: “Nếu khách hàng
mua sản phẩm A thì sẽ mua sản phẩm B với độ hỗ trợ 20% và độ tin cậy 80%”.
2. 1. 1. 2. Luật kết hợp có thuộc tính số và thuộc tính danh mục
Các thuộc tính của cơ sở dữ liệu thực tế có kiểu rất đa dạng: nhị phân, số, danh
mục, ... Để phát hiện luật kết hợp có thuộc tính số và thuộc tính danh mục (quantitative
and categorial association rules), các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương pháp
rời rạc hoá nhằm chuyển dạng luật này về dạng nhị phân để có thể áp dụng các thuật
toán đã có [16]. Ví dụ về dạng luật này “Nếu là nữ và tuổi từ [30..50] thì mua thực
phẩm”, với độ hỗ trợ là 20%, và độ tin cậy là 80%.
2. 1. 1. 3. Luật kết nhiều mức
Luật kết nhiều mức (multi-level association rules), với cách tiếp cận theo luật
này sẽ tìm kiếm thêm những luật có dạng tổng quát hóa. Ví dụ ta diễn tả “áo măng tô”
là một loại “áo mặc bên ngoài”, “áo len” là một loại “áo mặc bên ngoài”. Từ thực tế
“người mua áo măng tô thì mua giày ống” và “người mua áo len thì mua giày ống”. Ta
có thể phỏng đoán một luật tổng quát hơn: “Người mua áo mặc bên ngoài thì mua giày
ống”. Như vậy dạng luật này là dạng luật tổng quát hoá của 2 luật trước. Luật “Người
13
mua áo mặc bên ngoài thì mua giày ống” là một luật có giá trị đối với nhu cầu của
người sử dụng hiện thời, còn luật “người mua áo măng tô thì mua giày ống” và “người
mua áo len thì mua giày ống” thì không có giá trị bằng luật tổng quát. Thêm vào đó,
luật tổng quát có thể ở nhiều mức khác nhau.
2. 1. 1. 4. Luật kết hợp mờ
Với những hạn chế còn gặp phải trong quá trình rời rạc hoá các thuộc tính số
(quantitative attributes), các nhà nghiên cứu đã đề xuất luật kết hợp mờ (fuzzy
association rules) [16] nhằm khắc phục các hạn chế trên và chuyển luật kết hợp về một
dạng tự nhiên hơn, gần gũi hơn với người sử dụng.
2. 1. 1. 5. Luật kết với thuộc tính được đánh trọng số
Trong thực tế, các thuộc tính trong cơ sở dữ liệu không phải lúc nào cũng có vai
trò như nhau. Có một số thuộc tính được chú trọng hơn và có mức độ quan trọng cao
hơn các thuộc tính khác. Khi đó, trong quá trình tìm kiếm luật, chúng ta có thể gán
thuộc tính này có trọng số lớn hơn thuộc tính kia. Đây là hướng nghiên cứu rất thú vị
và đã được một số nhà nghiên cứu đề xuất cách giải quyết bài toán này. Với luật kết
hợp có thuộc tính được đánh trọng số, chúng ta sẽ khai thác được những luật “hiếm”
(tức là có độ hỗ trợ thấp, nhưng có ý nghĩa đặc biệt hoặc mang rất nhiều ý nghĩa).
2. 1. 1. 6. Luật kết hợp song song
Bên cạnh khai phá luật kết hợp tuần tự, các nhà làm tin học cũng tập trung vào
nghiên cứu các thuật giải song song để phát hiện luật kết hợp, đó là Luật kết hợp song
song (parallel mining of association rules) [16]. Nhu cầu song song hoá và xử lý phân
tán là cần thiết bởi kích thước dữ liệu ngày càng lớn hơn nên đòi hỏi tốc độ xử lý cũng
như dung lượng bộ nhớ của hệ thống phải được đảm bảo. Có rất nhiều thuật toán song
song khác nhau đã đề xuất để có thể không phụ thuộc vào phần cứng. Bên cạnh những
nghiên cứu về những biến thể của luật kết hợp, các nhà nghiên cứu còn chú trọng đề
xuất những thuật toán nhằm tăng tốc quá trình tìm kiếm tập phổ biến từ cơ sở dữ liệu.
Ngoài ra, còn có một số hướng nghiên cứu khác về khai phá luật kết hợp như:
Khai phá luật kết hợp trực tuyến, khai phá luật kết hợp được kết nối trực tuyến đến các
kho dữ liệu đa chiều (Multidimensional data, data warehouse) thông qua công nghệ
OLAP (On-Line Analysis Processing), MOLAP (multidimensional OLAP), ROLAP
(Relational OLAP), …
2. 1. 2. Các tính chất của luật kết hợp
Cho D là cơ sở dữ liệu giao dịch
I ={i1, i2, …,in } là tập bao gồm n mục phân biệt (Item - còn gọi là các thuộc
tính - attribute). X I được gọi là tập mục (itemset).
T = {t1, t2, … tm} là tập gồm m giao dịch (Transaction - còn gọi là bản ghi -
record), mỗi giao dịch có một định danh duy nhất được ký hiệu là TID (Transaction
14
Identification). Mỗi giao dịch được định nghĩa như một tập con (subset) các mục trong
I (T I) và có dạng <TID, i1, i2, …,ik>
Một giao dịch T D hỗ trợ (support) cho một tập mục X; X I nếu nó có chứa
tất cả các mục của X, nghĩa là X T. Trong một số trường hợp, người ta dùng ký hiệu
T(X) để chỉ tập các giao dịch hỗ trợ cho X.
Ký hiệu support(X) (Viết gọn là sup(X)) - Độ hỗ trợ (support) của một tập mục
X – là tỷ lệ phần trăm số giao dịch trong cơ sở dữ liệu D chứa X trên tổng số các giao
dịch trong cơ sở dữ liệu D.
|{T D | X T}|
sup(X) =
(1)
| D |
Định nghĩa 1: Tập mục phổ biến: Cho một tập mục X I và ngưỡng hỗ trợ tối
thiểu (minimum support) minsup (0, 1] (minsup được xác định bởi người sử dụng).
Tập mục X được gọi là một tập phổ biến (hay Frequent Itemset hoặc Large Itemset)
theo ngưỡng minsup nếu và chỉ nếu độ hỗ trợ của nó lớn hơn hoặc bằng ngưỡng
minsup: sup(X) minsup.
Một tập mục phổ biến được sử dụng như là một tập đáng quan tâm trong các
thuật toán, các tập mục không phải là tập mục phổ biến là những tập không đáng quan
tâm. Người ta dùng cụm từ “X có độ hỗ trợ tối thiểu” hoặc “X không có độ hỗ trợ tối
thiểu” để nói lên X thoả mãn hay không thỏa mãn sup(X) minsup.
Một tập mục X được gọi là k-Itemset nếu lực lượng của X bằng k (X = k).
Tính chất liên quan đến tập mục phổ biến
Tính chất 1: Độ hỗ trợ cho các tập con (Support for Subsets)
Giả sử A, B là các tập mục, nếu A B thì sup(A) sup(B) vì tất cả các giao
dịch của D hỗ trợ B thì cũng hỗ trợ A.
Tính chất 2: Nếu một tập mục là tập mục không phổ biến thì mọi tập chứa nó
không là tập mục phổ biến (Supersets of Infrequent Sets are Infrequent).
Nếu một tập mục B không có độ hỗ trợ tối thiểu trên D, tức là sup(B) < minsup
thì mọi tập cha A của B cũng không phải là tập mục phổ biến vì sup(A) sup(B) <
minsup.
Tính chất này được áp dụng rất hiệu quả trong các thuật toán khai phá luật kết
hợp ví dụ như Apriori.
15
Hình 2.1. Tập chứa tập mục không phổ biến là không phổ biến
Tính chất 3: Tập con của tập mục phổ biến cũng là tập mục phổ biến (Subsets
of Frequent Sets are Frequent).
Nếu một tập mục B là một tập mục phổ biến trên D nghĩa là sup(B) minsup
thì mọi tập con A của B đều là tập phổ biến trên D vì sup(A) sup(B) > minsup.
Định nghĩa 2: Một luật kết hợp là một quan hệ có dạng X Y; trong đó X, Y
I là các tập mục hay còn gọi là itemset và X Y = . Trong đó X là tiền đề, Y là hệ
quả của luật. Luật kết hợp có hai thông số quan trọng là độ hỗ trợ và độ tin cậy.
Định nghĩa 3: Độ hỗ trợ (support) của luật kết hợp X Y là tỷ lệ phần trăm
giữa các giao dịch chứa X Y và tổng số các giao dịch có trong cơ sở dữ liệu, được
ký hiệu và tính theo công thức:
{T DX Y T
sup(X Y) = Pr(X Y) =
(2)
D
Khi nói độ hỗ trợ của luật bằng 6% nghĩa là có 6% tổng số giao dịch có chứa
X Y. Độ hỗ trợ mang ý nghĩa thống kê của luật kết hợp.
Định nghĩa 4: Độ tin cậy (confidence) đối với một giao dịch của X Y là tỷ
lệ phần trăm giữa các giao dịch chứa X Y và số giao dịch có chứa X, được ký hiệu
và tính theo công thức:
sup(X Y)
sup(X )
p(Y T X T)
p(X T)
conf(X Y) = p(Y I X I) =
=
(3)
Khi nói một luật có độ tin cậy conf = 80% có nghĩa là 80% các giao dịch hỗ trợ
X thì cũng hỗ trợ cho Y. Về mặt xác suất, độ tin cậy của một luật kết hợp là xác suất
(có điều kiện) xảy ra Y với điều kiện đã xảy ra X. Độ tin cậy của luật cho biết mức độ
tương quan trong tập dữ liệu giữa hai tập mục X và Y, là tiêu chuẩn đánh giá độ tin
cậy một luật.
16
Khai phá luật kết hợp từ cơ sở dữ liệu D chính là tìm tất cả các luật có độ hỗ trợ
lớn hơn ngưỡng hỗ trợ (độ hỗ trợ tối thiểu minsup) và có độ tin cậy lớn hơn ngưỡng
tin cậy (độ tin cậy tối thiểu minconf), có nghĩa là phải có sup(X Y) minsup và
conf(X Y) minconf. Nếu luật X Y thỏa mãn trên D thì cả X và Y đều là các tập
mục phổ biến trên D.
Tính chất liên quan đến luật kết hợp
Tính chất 4: Giả sử X, Y, Z I là những tập mục, sao cho X Y = . Thế
thì: conf(XY) conf(X\Z YZ).
Thật vậy, từ XY XYZ và X\Z X ta có:
sup(X Y Z)
sup(X \ Z)
sup(X Y)
sup(X )
Tính chất 5: Luật kết hợp không có tính chất hợp thành.
Tức là nếu X Z và Y Z thỏa mãn trên D thì không nhất thiết XY Z là
đúng.
Thật vậy, xét trường hợp X Y = và các giao dịch trong D có hỗ trợ cho Z
nếu và chỉ nếu chúng chỉ chứa mỗi X hoặc Y, khi đó conf(XYZ) = 0.
Tương tự ta cũng có: nếu X Y và Z Z thỏa mãn trên D thì ta cũng có thể suy ra
X Y Z.
Tính chất 6: Luật kết hợp không có tính chất tách
Nếu X Y Z thỏa mãn trên D thì không nhất thiết X Z và Y Z thỏa
mãn trên D.
Ví dụ, khi Z có mặt trong giao dịch chỉ khi cả X và Y đều có mặt trong giao
dịch đó, nghĩa là sup(X Y) = sup(Z). Nếu sup(X) sup(X Y) và sup(Y) sup(X
Y) thì hai luật trên sẽ không có độ tin cậy yêu cầu. Nhưng nếu X Y Z thỏa trên
D thì có thể suy ra X Y và X Z cũng thỏa trên D vì sup(XY) sup(XYZ) và
sup(XZ) sup(XYZ).
Tính chất 7: Luật kết hợp không có tính bắc cầu.
Có nghĩa là, nếu X Y và Y Z thỏa mãn trên D thì không thể khẳng định là
X Z cũng thỏa mãn trên D.
Giả sử T(X) T(Y) T(Z) và conf(X Y) = conf(Y Z) = minconf.
Khi đó, conf(X Z) = minconf2 < minconf (vì 0 < minconf < 1), suy ra luật X
Z không có độ tin cậy tối thiểu, tức là X Z không thỏa trên D.
17
Tính chất 8: Nếu luật A (L – A) không có độ tin cậy tối thiểu thì cũng
không có luật nào trong các luật B (L – B) có độ tin cậy tối thiểu, với L, A, B là các
tập mục và B A.
Thật vậy, sử dụng tính chất 1 ta có sup(B) sup(A) (vì B A) và theo định
nghĩa của độ tin cậy, ta có:
sup(L)
sup(B)
sup(L)
sup(A)
conf(B (L - B)) =
minconf
Tương tự, nếu luật (L – C) C thỏa trên D, thì các luật (L – K) K với
K C, K cũng thoả trên D.
2. 1. 3. Bài toán khai phá luật kết hợp
Cho trước một tập các mục I, một cơ sở dữ liệu D, ngưỡng hỗ trợ minsup và
ngưỡng tin cậy minconf. Tìm tất cả các tập luật kết hợp X Y trên D thỏa mãn:
sup(X Y) minsup và conf(X Y) minconf
Bài toán có thể phát biểu như sau:
Dữ liệu vào: I, D, minsup, minconf.
Dữ liệu ra: Các luật kết hợp thỏa mãn minsup và minconf.
Thuật toán thực hiện qua hai pha:
Pha 1: Tìm tất cả các tập mục phổ biến từ cơ sở dữ liệu D tức là tìm tất
cả các tập mục có độ hỗ trợ lớn hơn hoặc bằng minsup.
Pha 2: Sinh các luật kết hợp từ các tập phổ biến đã tìm thấy ở pha 1 sao
cho độ tin cậy của luật lớn hơn hoặc bằng minconf.
2. 1. 4. Một số thuật toán khai phá luật kết hợp
2. 1. 4. 1. Tìm tập mục phổ biến (Pha 1)
Phát hiện tập mục phổ biến là bước quan trọng và mất nhiều thời gian nhất
trong quá trình khai phá luật kết hợp trong cơ sở dữ liệu.
2. 1. 4. 1. 1. Thuật toán Apriori
Apriori là thuật toán được Rakesh Agrawal, Tomasz Imielinski, Arun Swami đề
xuất lần đầu vào năm 1993 [5].
Ký hiệu
k-itemset
Lk
Ý nghĩa
Tập mục có k mục
Tập các k-mục phổ biến (large k-itemset) (tức tập các itemset có
độ hỗ trợ lớn hơn hoặc bằng minsup và có lực lượng bằng k). Mỗi
18
phần tử của tập này có hai trường:
- Tập mục (itemset).
- Độ hỗ trợ tương ứng (support-count (SC)).
Ck
Tập các tập k-itemset ứng cử viên (gọi là tập các tập phổ biến tiềm
năng). Mỗi phần tử của tập này có hai trường:
- Tập mục (itemset).
- Đỗ hỗ trợ tương ứng (support-count (SC)).
Bảng 2. 1. Một số ký hiệu dùng trong thuật toán Apriori
Nội dung thuật toán Apriori được trình bày như sau:
Dữ liệu vào: Tập các giao dịch D, ngưỡng support tối thiểu minsup
Dữ liệu ra: L- tập mục phổ biến trong D
Phương pháp:
L1={large 1-itemset} //tìm tất cả các tập mục phổ biến: nhận được L1
for (k=2; Lk-1 ; k++) do
begin
Ck=apriori-gen(Lk-1); //sinh ra tập ứng cử viên từ Lk-1
for (mỗi một giao dịch TD) do
begin
CT = subset(Ck, T); //lấy tập con của T là ứng cử viên trong Ck
for (mỗi một ứng cử viên c CT) do
c.count++; //tăng bộ đếm tần xuất 1 đơn vị
end
Lk = {c Ck| c.count minsup*|D|};
end
return kLk;
Trong thuật toán này, giai đoạn đầu đơn giản chỉ là việc đếm support-count cho
các item. Để xác định tập 1-item phổ biến (L1), người ta chỉ giữ lại các item mà độ hỗ
trợ của nó lớn hơn hoặc bằng minsup.
Trong mỗi giai đoạn tiếp theo, người ta bắt đầu với tập các tập phổ biến đã tìm
được trong giai đoạn trước để lại sinh ra tập các tập mục có khả năng là phổ biến mới
(gọi là tập các ứng cử viên - candidate itemset) và thực hiện đếm support-count cho
mỗi tập các ứng cử viên trong tập này bằng một phép duyệt trên cơ sở dữ liệu. Tại
19
điểm kết của mỗi giai đoạn, người ta xác định xem trong các tập ứng viên này, tập nào
là phổ biến và lập thành tập các tập phổ biến cho giai đoạn tiếp theo. Cụ thể là, trong
các giai đoạn thứ k sau đó (k>1), mỗi giai đoạn gồm có 2 pha. Trước hết các (k-1)-
itemset trong tập Lk-1 được sử dụng để sinh ra các ứng viên Ck, bằng cách thực hiện
hàm apriori_gen. Tiếp theo cơ sở dữ liệu D sẽ được quét để tính độ hỗ trợ cho mỗi ứng
viên trong Ck. Để việc đếm được nhanh, cần phải có một giải pháp hiệu quả để xác
định các ứng viên trong Ck là có mặt trong một giao dịch T cho trước. Tiến trình này
sẽ được tiếp tục cho đến khi không tìm được một tập phổ biến nào mới hơn nữa.
Để tìm hiểu các thuật toán, ta giả sử rằng, các item trong mỗi giao dịch đã được
sắp xếp theo thứ tự từ điển (người ta sử dụng khái niệm từ điển ở đây để diễn đạt một
thứ tự quy ước nào đó trên các item của cơ sở dữ liệu). Mỗi bản ghi - record của cơ sở
dữ liệu D có thể coi như là một cặp <TID, itemset> trong đó TID là định danh cho
giao dịch. Các item trong một itemset cũng được lưu theo thứ tự từ điển, nghĩa là nếu
kí hiệu k item cử một k-itemset c là c[1], c[2], …, c[k], thì c[1] < c[2] < … < c[k]. Nếu
c = X.Y và Y là một m-itemset thì Y cũng được gọi là m-extension (mở rộng) của X.
Trong lưu trữ, mỗi itemset có một trường support-count tương ứng, đây là trường chứa
số đếm độ hỗ trợ cho tập mục này.
Vấn đề sinh tập ứng viên (candidate) của Apriori dùng hàm apriori_gen:
Hàm apriori_gen với đối số là Lk-1 (tập các large(k-1)-itemset) sẽ cho lại kết quả
là một siêu tập - superset, tức là tập của tất cả các large k–itemset. Sơ đồ sau là thuật
toán cho hàm này.
Dữ liệu vào: tập mục phổ biến Lk-1 có kích thước (k-1)
Dữ liệu ra: tập ứng cử viên Ck
Phương pháp:
function apriori-gen(Lk-1: tập mục phổ biến có kích thước k-1)
begin
// bước nối
for (mỗi L1 Lk-1) do
for (mỗi L2 Lk-1) do
begin
if ((L1[1]=L2[1]) (L1[2]=L2[2]) ... (L1[k-2]=L2[k-2])
(L1[k-1]=L2[k-1])) then
c = L1 L2; // kết nối L1 với L2 sinh ra ứng cử viên c
if has_infrequent_subset(c, Lk-1) then
remove (c); // bước tỉa (xoá ứng cử viên c)
20
else Ck = Ck {c}; //kết tập c vào Ck
end
return Ck;
end
Hàm has_infrequent_subset kiểm tra tập con (k-1)-item của ứng cử viên k-item
không là tập phổ biến:
function has_infrequent_subset(c: ứng viên k-item; Lk-1 tập phổ biến (k-1)-item)
begin
//sử dụng tập mục phổ biến trước
for (mỗi tập con (k-1)-item s c) do
if s Lk-1 then return TRUE;
end
Có thể mô tả hàm apriori_gen gồm 2 bước sau:
Bước nối (join step): tìm Lk là tập k-item ứng viên được sinh ra bởi việc kết
nối Lk-1 với chính nó cho kết quả là Ck. Giả sử L1, L2 thuộc Lk-1. Ký hiệu Lij là mục
thứ j trong Li. Điều kiện là các tập mục hay các mục trong giao dịch có thứ tự. Bước
kết nối như sau: Các thành phần Lk-1 kết nối (nếu có chung (k-2)-item đầu tiên) tức là:
(L1[1]=L2[1]) (L1[2]=L2[2]) ... (L1[k-2]=L2[k-2]) (L1[k-1]=L2[k-1]).
Bước tỉa (prune step): Ck là tập chứa Lk (có thể là tập phổ biến hoặc không)
nhưng tất cả tập k-item phổ biến được chứa trong Ck. Bước này, duyệt lần hai cơ sở
dữ liệu để tính độ hỗ trợ cho mỗi ứng cử trong Ck sẽ nhận được Lk. Tuy nhiên để khác
phục khó khăn, giải thuật Apriori sử dụng các tính chất:
1 - Tất cả các tập con khác rỗng của một tập mục phổ biến là phổ biến;
2 - Nếu L là tập mục không phổ biến thì mọi tập chứa nó không phổ biến.
Trong bước này, ta cần loại bỏ tất cả các k-itemset c Ck mà chúng tồn tại một
(k-1)-itemset không có mặt trong Lk-1. Giải thích điều này như sau: giả sử s là một
(k-1)-itemset của c mà không có mặt trong Lk-1. Khi đó, sup(s) < minsup. Mặt khác,
c s nên sup(c)< sup(s) < minsup. Vậy c không thể là một tập phổ biến, nó cần phải
loại bỏ khỏi Ck. Việc kiểm tra các tập con (k-1)-itemset có thể được thực hiện một
cách nhanh chóng bằng cách duy trì một cây băm của tất cả các tập mục phổ biến tìm
thấy.
Ví dụ: L3 = {abc, abd, acd, ace, bcd}
Bước nối: L3*L3 ta có: abcd từ abc và abd; acde từ acd và ace
Bước tỉa: acde bị tỉa vì ade không có trong L3. Vậy C4={abcd}
21
Hàm subset(Ck, T)
Hàm subset(Ck, T) tìm tất cả các tập mục ứng viên trong Ck có chứa trong giao
dịch T. Để tìm tập mục ứng viên ta bắt đầu từ nút gốc: nếu nút gốc là nút lá thì ta xem
các tập mục trong nút lá đó có chứa trong giao dịch T không. Trường hợp là nút trong
và là kết quả của việc áp dụng hàm băm cho mục thứ i của giao dịch T thì ta tiếp tục
thực hiện hàm băm cho mục thứ i + 1 của giao dịch T cho đến khi gặp một nút lá. Thủ
tục này được thực hiện đệ quy.
Nhận thấy, thuật toán Apriori với n là độ dài lớn nhất của tập mục được sinh ra,
thuật toán sẽ duyệt toàn bộ cơ sở dữ liệu n + 1 lần. Vì thế, nếu bỏ qua thời gian so sánh
để tìm sự xuất hiện của một tập mục trong một giao dịch thì độ phức tạp của thuật toán
là O(n*L), trong đó L là kích thước cơ sở dữ liệu. Ngoài ra, nếu độ hỗ trợ tối thiểu
minsup thay đổi thì thuật toán lại phải thực hiện lại từ đầu nên rất mất nhiều thời gian.
Ví dụ : Giả sử tập các item I = {A, B, C, D, E} và cơ sở dữ liệu giao dịch:
D = {<1, {A, C, D}>, <2,{B, C, E}>, <3, {A, B, C, E}>, <4, {B, E}>}.
Với minsup = 0.5 (tức tương đương 2 giao dịch). Khi thực hiện thuật toán
Apriori trên ta có hình 2. 2:
C1
22
Cơ sở dữ liệu D
TID Các mục
{A, C, D}
1-itemset support-count
{A}
{B}
{C}
{D}
{E}
2 - 50%
3 – 75%
3 – 75%
1 - 25%
3 - 75%
1
2
3
4
{B, C, E}
{A, B, C, E}
{B, E}
Quét toàn bộ D
Xóa bỏ mục có
support < minsup
C2
C2
2 - itemset
{A, B}
2-itemset
{A, B}
{A, C}
{A, E}
{B, C}
{B, E}
{C, E}
L1
1 - itemset support-count
{A, C}
{A, E}
{B, C}
{B, E}
{C, E}
{A}
{B}
{C}
{E}
2 - 50%
3 – 75%
3 – 75%
3 - 75%
Tỉa
Kết nối
L1 & L1
Quét toàn bộ D
C2
L2
2 - itemset support-count
2 - itemset support-count
{A, B}
{A, C}
{A, E}
{B, C}
{B, E}
{C, E}
1 – 25%
2 – 50%
1 – 25%
2 – 50%
3 – 75%
2 – 50%
{A, C}
{B, C}
{B, E}
{C, E}
2 – 50%
2 – 50%
3 – 75%
2 – 50%
Xóa bỏ mục có
support < minsup
Kết nối
L2 & L2
Quét toàn bộ D
Tỉa
C3
3 - itemset
{B, C, E}
3 - itemset
{B, C, E}
support-count
3 - itemset
{B, C, E}
2 - 50%
Xóa bỏ mục có
support < minsup
3 - itemset
{B, C, E}
support-count
2 - 50%
Hình 2. 2. Minh hoạ thuật toán Apriori tìm tập mục phổ biến
2. 1. 4. 1. 2. Các thuật toán thuộc họ Apriori
Một số thuật toán thuộc họ Apriori được đề xuất để tìm tập mục phổ biến.
Thuật toán AprioriTID [5] – [6]
Thuật toán AprioriTID là phần mở rộng theo hướng tiếp cận cơ bản của giải
thuật Apriori. Thay vì dựa vào cơ sở dữ liệu thô giải thuật AprioriTID biểu diễn bên
trong mỗi giao tác bởi các ứng viên hiện hành.
23
L1= {Large 1-itemset};
C’1 = Database D;
for (k=2; Lk-1 ; k++) do
begin
Ck = apriori_gen(Lk-1);
C’k = ;
for tất cả t C’k-1 do
begin
// xác định tập ứng viên trong Ck chứa trong giao dịch với định
//danh t. Tid (Transaction Code)
Ct = c Ck | (c-c[k]) t.Set_of_ItemSets ^ (c-c[k-1]
t.Set_of_ItemSets
for những ứng viên c Ct do c.count ++;
if (Ct) then C’k+= < t.Tid, Ct >
end
Lk = c Ck | c.count minsup;
end
return = kLk;
Thuật toán này cũng sử dụng hàm apriori_gen để sinh ra các tập ứng cử viên
cho mỗi giai đoạn. Nhưng thuật toán này không dùng cơ sở dữ liệu D để đếm các
support-count với các giai đoạn k > 1 mà sử dụng tập C’k. Mỗi phần tử của C’k có
dạng <Tid, {Xk}>, trong đó mỗi Xk là một tập phổ biến k_itemset tiềm năng trong giao
dịch Tid. Khi k = 1, C’k tương ứng với D, trong đó mỗi item i được coi là một itemset
{i}. Với k>1, C’k được sinh ra bởi C’k = < t.Tid, Ct >. Phần tử của C’k tương ứng với
giao dịch t là <t.Tid, {c | c chứa trong t}>. Nếu một giao dịch không chứa bất kỳ tập
ứng viên k_itemset nào thì C’k sẽ không có một điểm vào nào cho giao dịch này. Do
đó, số lượng điểm vào trong C’k có thể nhỏ hơn số giao dịch trong cơ sở dữ liệu, đặc
biệt với k lớn. Hơn nữa, với các giá trị k khá lớn, mỗi điểm vào có thể nhỏ hơn giao
dịch tương ứng vì một số ứng viên đã được chứa trong giao dịch. Tuy nhiên, với các
giá trị k nhỏ, mỗi điểm vào có thể lớn hơn giao dịch tương ứng vì một một điểm vào
trong C’k bao gồm tất cả các ứng viên k-itemset được chứa trong giao dịch. Đã có
nhiều thí nghiệm chứng minh thuật toán Apriori cần ít thời gian hơn thuật toán
AprioriTID trong giai đoạn đầu nhưng mất nhiều thời gian cho các giai đoạn sau.
Tải về để xem bản đầy đủ
73 trang
16/04/2025
100
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu các luật kết hợp song song trong khai phá dữ liệu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_cac_luat_ket_hop_song_song_trong_khai_ph.pdf
