Khai phá tập mục lợi ích cao sử dụng cấu trúc cây tiền tố

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN HỒNG SÂM KHAI PHÁ TẬP MỤC LỢI ÍCH CAO SỬ DỤNG CẤU TRÚC CÂY TIỀN TỐ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN HUY ĐỨC Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Huy Đức – Trường Cao đẳng Sư phạm Trung ương, người đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn sự dạy bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện và khuyến khích tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu của các thầy cô giáo của Viện Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên. Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè – những người luôn ở bên tôi những lúc khó khăn nhất, luôn động viên tôi, khuyến khích tôi trong cuộc sống và trong công việc. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 12 tháng 03 năm 2014 Tác giả Nguyễn Hồng Sâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn “Khai phá tập mục lợi ích cao sử dụng cấu trúc cây tiền tố” được thực hiện theo đúng mục tiêu đề ra dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Huy Đức. Trong toàn bộ luận văn, những điều được trình bày là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các loại tài liệu đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của mình. Thái Nguyên, ngày 12 tháng 03 năm 2014 Tác giả Nguyễn Hồng Sâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHAI PHÁ TẬP MỤC THƢỜNG XUYÊN 3 1.1. Khái niệm về khai phá tri thức và khai phá dữ liệu 3 1.2. Kiến trúc của hệ thống khai phá dữ liệu 4 1.3. Quá trình khai phá dữ liệu 5 1.4. Một số kỹ thuật khai phá dữ liệu 6 1.5. Các cơ sở dữ liệu phục vụ cho khai phá dữ liệu 9 1.6. Một số ứng dụng của khai phá dữ liệu 11 1.7. Khai phá tập mục thường xuyên 12 1.7.1. Các khái niệm cơ bản 12 1.7.1.1. Cơ sở dữ liệu giao tác 12 1.7.1.2. Tập mục thường xuyên và luật kết hợp 14 1.7.1.3. Bài toán khai phá luật kết hợp 15 1.7.2. Cách tiếp cận khai phá tập mục thường xuyên 16 1.7.3. Một số thuật toán điển hình tìm tập mục thường xuyên 17 1.7.3.1. Thuật toán Apriori 17 1.7.3.2. Thuật toán COFI-tree 21 1.7.4. Mở rộng bài toán khai phá tập mục thường xuyên 26 1.8. Kết luận chương 1 27 CHƢƠNG 2: KHAI PHÁ TẬP MỤC LỢI ÍCH CAO SỬ DỤNG CẤU TRÚC CÂY TIỀN TỐ 28 2.1. Mở đầu 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.2. Bài toán khai phá tập mục lợi ích cao 29 2.3. Khai phá tập mục lợi ích cao sử dụng cấu trúc cây tiền tố 33 2.3.1. Thuật toán COUI-Mine 33 2.3.1.1. Xây dựng cây TWUI-tree 34 2.3.1.2. Khai phá cây TWUI-tree 39 2.3.1.3. Nhận xét và đánh giá thuật toán COUI-Mine 45 2.3.1.4. Khai phá tương tác với cây TWUI-tree 47 2.3.2. Các cấu trúc cây tiền tố cho khai phá lợi ích cao 48 2.3.3. Thuật toán UP-Growth 51 2.4. Kết luận chương 2 54 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHAI PHÁ TẬP MỤC LỢI ÍCH CAO 56 3.1. Bài toán phát hiện nhóm các mặt hàng có lợi nhuận cao 56 3.2. Mô tả dữ liệu 56 3.3. Xây dựng chương trình 60 3.4. Thực nghiệm khai phá tìm tập mục lợi ích cao 60 3.5. Kết quả thực nghiệm 61 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Tiếng Việt 63 Tiếng Anh 63 PHỤ LỤC 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Trong luận văn này, dùng thống nhất các ký hiệu và chữ viết tắt sau: Các ký hiệu: I = {i 1 , i 2 ,…, i n }: Tập n mục dữ liệu. DB = {T 1 , T 2 ,…, T m }: Cơ sở dữ liệu có m giao tác. Db: cơ sở dữ liệu giao tác con của DB, db DB. I p : Mục dữ liệu thứ p. T q : Giao tác thứ q. n: Số mục dữ liệu một cơ sở dữ liệu giao tác. m: Số giao tác một cơ sở dữ liệu giao tác. A, B, C,…: Tên các mục dữ liệu trong cơ sở dữ liệu giao tác ví dụ. X, Y,…: Tập con của tập mục dữ liệu I, X, Y I. X = ABC thay cho X = {A, B, C} trong các cơ sở dữ liệu giao tác ví dụ. Nếu X Y thì X gọi là tập con của tập Y, Y gọi là tập cha của tập X. minsup: Ngưỡng độ hỗ trợ tối thiểu. minutil: Giá trị lợi ích tối thiểu. X : Số phần tử của tập hợp X. Viết tắt: KPDL: Khai phá dữ liệu CSDL: Cơ sở dữ liệu. CNTT: Công nghệ thông tin. CNTT và TT: Công nghệ Thông tin và Truyền thông. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Biểu diễn ngang của cơ sở dữ liệu giao tác. 13 Bảng 1.2: Biểu diễn dọc của cơ sở dữ liệu giao tác. 13 Bảng 1.3: Ma trận giao tác của cơ sở dữ liệu cho ở bảng 1.1. 14 Bảng 1.4: Cơ sở dữ liệu giao tác minh họa thực hiện thuật toán Apriori. 20 Bảng 1.5: Cơ sở dữ liệu giao tác minh họa thực hiện thuật toán COFI-tree. 22 Bảng 1.6: Các mục dữ liệu và độ hỗ trợ 23 Bảng 1.7: Các mục dữ liệu thường xuyên đã sắp thứ tự. 23 Bảng 1.8: Các mục dữ liệu trong giao tác sắp xếp giảm dần theo độ hỗ trợ. 23 Bảng 2.1: Cơ sở dữ liệu giao tác. 30 Bảng 2.2: Bảng lợi ích. 30 Bảng 2.3: Lợi ích các giao tác của cơ sở dữ liệu bảng 2.1 và bảng 2.2. 36 Bảng 2.4: Lợi ích TWU của các mục dữ liệu 36 Bảng 2.5: Các mục dữ liệu có lợi ích TWU c . 36 Bảng 2.6: Các mục dữ liệu trong giao tác sắp giảm dần theo lợi ích TWU. 37 Bảng 2.7: Lợi ích các tập mục ứng viên 43 Bảng 2.8: Cơ sở dữ liệu ví dụ cho thuật toán UP-Growth 52 Bảng 2.9: Bảng lợi ích của CSDL bảng 2.8 53 Bảng 2.10: Các giao tác được sắp lại các mục dữ liệu theo TWU giảm dần 53 Bảng 3.1: Dữ liệu đã trích chọn để khai phá 57 Bảng 3.2: Bảng lợi ích các mặt hàng 58 Bảng 3.3: Mã hóa các mặt hàng 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình phát hiện tri thức 4 Hình 1.2: Kiến trúc của một hệ thống khai phá dữ liệu 5 Hình 1.3: Quá trình KPDL 6 Hình 1.4: Cây quyết định 7 Hình 1.5: Mẫu kết quả của nhiệm vụ phân cụm dữ liệu 8 Hình 1.6: Mẫu kết quả của nhiệm vụ hồi quy 8 Hình 1.7: Phân loại các thuật toán khai phá tập mục thường xuyên. 17 Hình 1.8: Cây FP-tree của CSDL bảng 1.5. 24 Hình 1.9: Cây COFI-tree của mục D. 24 Hình 1.10: Các bước khai phá cây D-COFI-tree. 25 Hình 2.1: Cây TWUI-tree sau khi lưu giao tác T1. 37 Hình 2.2: Cây TWUI-tree sau khi lưu giao tác T1 và T2. 38 Hình 2.3: Cây TWUI-tree của cơ sở dữ liệu bảng 2.1 và bảng 2.2. 38 Hình 2.4: Cây C-COUI-tree sau khi lưu mẫu CBE. 40 Hình 2.5: Cây C-COUI-tree sau khi lưu mẫu CBE và CE. 40 Hình 2.6: Cây C-COUI-tree sau khi xây dựng xong. 40 Hình 2.7: Cây D-COUI-tree. 41 Hình 2.8: Cây B-COUI-tree. 41 Hình 2.9: Các bước khai phá cây D-COUI-Tree. 42 Hình 2.10: Cây TWUI-tree có các mục dữ liệu sắp tăng dần theo trật tự từ điển của cơ sở dữ liệu bảng 2.1 và bảng 2.2. 49 Hình 2.11: Cây TWUI-tree có các mục dữ liệu sắp giảm dần theo số lần xuất hiện của chúng trong cơ sở dữ liệu bảng 2.1 và bảng 2.2. 49 Hình 2.12: Cây TWUI-tree có các mục dữ liệu sắp giảm dần theo TWU của chúng trong cơ sở dữ liệu bảng 2.1 và bảng 2.2. 50 Hình 2.13: Cây TWUI-tree của CSDL bảng 2.8 với minutil = 40 54 Hình 2.14: Cây UP-tree của CSDL bảng 2.8 với minutil = 40 54 Hình 3.1: Dữ liệu đã mã hóa chuẩn bị cho khai phá 59 Hình 3.2: Dữ liệu mã hóa của bảng 3.2 59 Hình 3.3: Giao diện chương trình 60 Hình 3.4: Giao diện kết quả khai phá 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 LỜI MỞ ĐẦU Khai phá tập mục thường xuyên đóng vai trò quan trọng trong nhiều nhiệm vụ khai phá dữ liệu. Khai phá tập mục thường xuyên xuất hiện như là bài toán con của nhiều lĩnh vực khai phá dữ liệu như khám phá luật kết hợp, khám phá mẫu tuần tự,… Bài toán khai phá luật kết hợp do Agrawal, T.Imielinski và A. N. Swami đề xuất và nghiên cứu lần đầu vào năm 1993 với mục tiêu là phát hiện các tập mục thường xuyên, từ đó tạo các luật kết hợp. Trong mô hình của bài toán này, giá trị của mỗi mục dữ liệu trong một giao tác là 0 hoặc 1, tức là chỉ quan tâm mục dữ liệu có xuất hiện trong giao tác hay không. Bài toán cơ bản này có nhiều ứng dụng, tuy vậy, do tập mục thường xuyên chỉ mang ngữ nghĩa thống . Nhằm khắc phục hạn chế của bài toán cơ bản khai phá luật kết hợp, nhiều nhà nghiên cứu đã mở rộng bài toán theo nhiều hướng khác nhau. Năm 1997, Hilderman và các cộng sự đề xuất bài toán khai phá , giá trị của mục dữ liệu trong giao tác là một số. Năm 2004, nhóm các nhà nghiên cứu H. Yao, Hamilton và Butz, mở rộng tiếp bài toán, đề xuất mô hình khai phá tập mục lợi ích cao. Trong mô hình khai phá tập mục lợi ích cao, giá trị của mục dữ liệu trong giao tác là một số (như số lượng đã bán của mặt hàng, gọi là giá trị khách quan), ngoài ra còn có bảng lợi ích cho biết lợi ích mang lại khi bán một đơn vị hàng đó (gọi là giá trị chủ quan). Lợi ích của tập mục là số đo lợi nhuận mà tập mục đó mang lại. Khai phá tập mục lợi ích cao là khám phá tất cả các tập mục có lợi ích không nhỏ hơn ngưỡng lợi ích tối thiểu của người sử dụng. Trong những năm gần đây, bài toán này đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Đã có một số thuật toán phát hiện tập mục lợi ích cao được đề xuất. Các thuật toán này có thể phân thành hai loại: - Thuật toán kiểu Apriori (Apriori-like), sinh ra các tập mục ứng viên, duyệt theo chiều rộng. - Thuật toán không sinh ứng viên, chuyển đổi cơ sở dữ liệu thành cấu trúc cây, duyệt theo chiều sâu để phát hiện các tập mục lợi ích cao. Các thuật toán loại này hiệu quả hơn và tránh được khối lượng tính toán lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Với ý nghĩa đó và mục đích tìm hiểu bài toán tìm tập mục lợi ích cao và các thuật toán khai phá sử dụng cấu trúc cây tiền tố, em đã quyết định lựa chọn đề tài luận văn: “ KHAI PHÁ TẬP MỤC LỢI ÍCH CAO SỬ DỤNG CẤU TRÚC CÂY TIỀN TỐ” Nội dung luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về khai phá dữ liệu và khai phá tập mục thường xuyên. Chương 2: Khai phá tập mục lợi ích cao sử dụng cấu trúc cây tiền tố. Chương 3: Chương trình thực nghiệm và ứng dụng. [...]... xuyên Trong chương 2 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản về tập mục lợi ích cao, cấu trúc cây tiền tố và các thuật toán khai phá tập mục lợi ích cao sử dụng cấu trúc cây tiền tố Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 28 CHƢƠNG 2: KHAI PHÁ TẬP MỤC LỢI ÍCH CAO SỬ DỤNG CẤU TRÚC CÂY TIỀN TỐ 2.1 Mở đầu Bài toán truyền thống khai phá luật kết hợp do R Agrawal, T Imielinski và A N Swami đề... dữ liệu của cơ sở dữ liệu; khai phá tập mục lợi ích cao, đánh giá lợi ích mà tập mục mang lại trong cơ sở dữ liệu Trong [11], [12], [13], các tác giả đề xuất mô hình khai phá tập mục lợi ích cao và các thuật toán UMining, UMining-H để khai phá 1.8 Kết luận chƣơng 1 Chương 1 trình bày chi tiết các khái niệm cơ bản, kiến trúc, quá trình khai phá dữ liệu, bài toán khai phá tập mục thường xuyên và hai thuật... các mục thành viên Giá trị khách quan của một mục là số đơn vị mục bán được, dữ liệu này có sẵn trong cơ sở dữ liệu Giá trị chủ quan của một mục là giá trị lợi nhuận mà mỗi đơn vị mục có thể đem lại, theo đánh giá của nhà kinh doanh Khai phá tập mục lợi ích cao là khám phá tất cả tập mục X đem lại lợi ích u ( X ) , trong đó là ngưỡng quy định bởi người sử dụng Có thể coi bài toán cơ bản khai phá tập mục. .. tìm các tập mục thường xuyên 1.7.2 Cách tiếp cận khai phá tập mục thƣờng xuyên Các nghiên cứu về khai phá tập mục thường xuyên tập trung vào tìm các thuật toán mới hoặc đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả các thuật toán đã có Phần này sẽ trình bày khái quát các kỹ thuật chính để khai phá tập mục thường xuyên Bài toán khai phá tập mục thường xuyên có thể chia thành hai bài toán nhỏ: tìm các tập mục ứng... (k-1) mục và loại bỏ tập mục ứng viên nếu nó có chứa bất kỳ một tập con nào không phải là thường xuyên Giả sử các mục dữ liệu trong mỗi giao tác được lưu theo trật tự từ điển Thuật toán sử dụng các ký hiệu sau đây : Tập k mục Chức năng Tập các k -tập mục thường xuyên (với độ hỗ trợ tối thiểu minsup) Mỗi phần tử của tập này có 2 trường : Lk i) Tập mục (itemsets) ii) Độ hỗ trợ (count) Tập các k -tập mục. .. rất ít nhưng mang lại lợi ích lớn, ngược lại có những nhóm mặt hàng thường xuyên bán được nhưng lợi ích mang lại không cao Gần đây, nhằm khắc phục hạn chế của bài toán cơ bản khai phá luật kết hợp, người ta đã mở rộng nó theo nhiều hướng khác nhau Trong [11], [12], [13], H Yao, H J Hamilton và cộng sự đã đề xuất bài toán khai phá tập mục lợi ích cao Lợi ích của một tập mục là số đo lợi nhuận mà nó có... chính của khai phá dữ liệu, được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm Khai phá dữ liệu web thông thường được chia thành ba phạm trù chính: Khai phá cách dùng web (web usage mining), khai phá cấu trúc web (web structure mining) và khai phá nội dung web (web content mining) Khai phá cách dùng web tập trung vào việc khai phá thông tin của người truy cập web Với những thông tin này người khai phá dữ liệu... thuật toán điển hình trong khai phá tập mục thường xuyên là thuật toán Apriori và COFI-tree Thuật toán Apriori tiêu biểu cho phương pháp sinh ra các tập mục ứng viên rồi duyệt cơ sở dữ liệu kiểm tra độ hỗ trợ của chúng, thuật toán COFI-tree đại diện cho phương pháp không sinh ra các tập mục ứng viên mà nén cơ sở dữ liệu lên cấu trúc cây, sau đó khai phá cây này để tìm các tập mục thường xuyên Trong chương... tương ứng với các ý nghĩa đó 1.4 Một số kỹ thuật khai phá dữ liệu Mục ích của khai phá dữ liệu là chiết xuất ra các tri thức có lợi cho kinh doanh hay cho nghiên cứu khoa học… Do đó, ta có thể xem mục ích của khai phá dữ liệu sẽ là mô tả các sự kiện và dự đoán Các mẫu khai phá dữ liệu phát hiện được nhằm vào mục ích này Dự đoán liên quan đến việc sử dụng các biến hoặc các đối tượng (bản ghi) trong... 2 -tập mục C2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 21 2 -tập mục {A, B} {A, C} {A, E} {B, C} {B, E} {C, E} L2 Count 1 2 1 2 3 2 Loại bỏ các 2 -tập mục có count < 2 2 -tập mục {A, C} {B, C} {B, E} {C, E} Count 2 2 3 2 Kết nối L2 với L2 được C3: C3 3 -tập mục {B, C, E} - Duyệt CSDL lần thứ 3: tính độ hỗ trợ cho các 3 -tập mục C3 L3 3 -tập mục Count {B, C, E} 3 -tập mục 2 Loại bỏ các 3 -tập mục . toán khai phá tập mục lợi ích cao 29 2.3. Khai phá tập mục lợi ích cao sử dụng cấu trúc cây tiền tố 33 2.3.1. Thuật toán COUI-Mine 33 2.3.1.1. Xây dựng cây TWUI-tree 34 2.3.1.2. Khai phá cây. và mục ích tìm hiểu bài toán tìm tập mục lợi ích cao và các thuật toán khai phá sử dụng cấu trúc cây tiền tố, em đã quyết định lựa chọn đề tài luận văn: “ KHAI PHÁ TẬP MỤC LỢI ÍCH CAO SỬ DỤNG. quan). Lợi ích của tập mục là số đo lợi nhuận mà tập mục đó mang lại. Khai phá tập mục lợi ích cao là khám phá tất cả các tập mục có lợi ích không nhỏ hơn ngưỡng lợi ích tối thiểu của người sử dụng.