các hướng tiếp cận của bài toán phân cụm dữ liệu

i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới GS.TS Vũ Đức Thi, Viện trưởng Viện công nghệ thông tin đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, định hướng, đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin, Phòng Đào tạo Sau đại học - Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa học này. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người luôn khuyến khích và giúp đỡ tôi trong mọi hoàn cảnh khó khăn. Tôi xin cảm ơn cơ quan và các đồng nghiệp đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn này. Hà Nội, ngày 10 tháng 04 năm 2011 Học viên Nguyễn Thị Huế ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kiến thức trình bày trong luận văn này là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu của tôi. Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó. Phần lớn những kiến thức tôi trình bày trong luận văn này chưa được trình bày hoàn chỉnh trong bất cứ tài liệu nào. Hà Nội, ngày 10 tháng 04 năm 2011 Học viên Nguyễn Thị Huế iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1 3 TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ TRI THỨC VÀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU 3 1.1. Giới thiệu chung 3 1.2. Khai phá tri thức và quá trình khai phá tri thức 3 1.2.1. Khai phá tri thức 3 1.2.2. Quá trình khai phá tri thức 4 1.3. Khai phá dữ liệu 5 1.3.1. Khai phá dữ liệu 5 1.3.2. Mục tiêu của khai phá dữ liệu 6 1.3.3. Quá trình khai phá dữ liệu 6 1.3.4. Các hướng tiếp cận cơ bản và kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu 7 1.3.5. Thách thức – khó khăn trong khai phá tri thức và khai phá dữ liệu 13 1.3.6. Ứng dụng của khai phá dữ liệu 13 1.3.7. Kết luận 14 Chương 2. PHÂN CỤM DỮ LIỆU VÀ CÁC THUẬT TOÁN TRONG 15 PHÂN CỤM DỮ LIỆU 15 2.1. Giới thiệu 15 2.2. Các ứng dụng của phân cụm 16 2.3. Các yêu cầu về thuật toán phân cụm dữ liệu 17 2.4. Các kiểu dữ liệu trong phân cụm 18 2.5. Phép đo độ tương tự và khoảng cách đối với các kiểu dữ liệu 21 2.6. Các hướng tiếp cận của bài toán phân cụm dữ liệu 28 2.6.1. Phương pháp phân hoạch (Partitioning Methods) 28 2.6.2.Phương pháp phân cấp (Hierarchical Methods) 36 2.6.3. Phương pháp dựa trên mật độ (Density-Based Methods) 44 2.6.4. Phương pháp dựa trên lưới (Gird-Based Methods) 51 2.6.5. Kết luận 55 Chương 3: ỨNG DỤNG 58 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 68 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Từ hoặc cụm từ Từ viết tắt Từ tiếng Anh Cơ sở dữ liệu CSDL DataBase Khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu KDD Knowledge Discovery in Databases Khai phá dữ liệu KPDL Data Mining Phân cụm dữ liệu PCDL Data Clustering Khai phá tri thức KPTT Knowledge Discovery v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.2: Quá trình khai phá tri thức 4 Hình 1.3: Qúa trình khai phá dữ liệu 7 Hình 2.1: Mô hình về phân cụm dựa trên tiêu chuẩn thu nhập và số nợ 15 Hình 2.2: Khoảng cách Euclidean 24 Hình 2.3: Bảng tham số 26 Hình 2.4: Ví dụ quá trình phân hoạch với k=3 29 Hình 2.6: Ví dụ về một số hình dạng cụm dữ liệu được khám phá bởi K-means 32 Hình 2.7: Các chiến lược phân cụm phân cấp 37 Hình 2.8: Ví dụ về kết quả phân cụm bằng thuật toán BIRCH 38 Hình 2.9. Khái quát thuật toán CURE 40 Hình 2.10. Các cụm dữ liệu được khám phá bởi CURE 41 Hình 2.11. Ví dụ thực hiện phân cụm bằng thuật toán CURE 43 Hình 2.12: Các bước thuật toán CHAMELEON 43 Hình 2.13: Hình dạng các cụm được khám phá bởi DBSCAN 45 Hình 2.14: Mật độ - đến được trực tiếp 46 Hình 2.15: Mật độ - đến được 46 Hình 2.16: Mật độ - liên thông 47 Hình 2.17: Cụm và nhiễu 47 Hình 2.18: Mô hình cấu trúc dữ liệu lưới 52 Hình 2.19: Mô hình thuật toán STING 53 Hình 3.1: Kết quả phân cụm với Minpt = 3, Epxilon = 200000000 60 Hình 3.2: Kết quả phân cụm trên dữ liệu thuộc tính và trên bản đồ 61 Hình 3.3: Màu của các cụm thể hiện trên bản đồ 61 Hình 3.4: Giao diện chương trình Phân cụm dữ liệu bằng thuật toán DBSCAN 68 Hình 3.5: Giao diện chương trình sau khi thực hiên phân cụm 69 Hình 3.6: Kết quả phân cụm 70 1 MỞ ĐẦU Sự phát triển của công nghệ thông tin và việc ứng dụng công nghệ thông tin trong các lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội trong nhiều năm qua cũng đồng nghĩa với lượng dữ liệu đã được các cơ quan thu thập và lưu trữ ngày một tích lũy nhiều lên. Hơn nữa, các công nghệ lưu trữ và phục hồi dữ liệu phát triển một cách nhanh chóng vì thế cơ sở dữ liệu ở các cơ quan, doanh nghiệp, đơn vị ngày càng nhiều thông tin tiềm ẩn phong phú và đa dạng. Mặt khác, trong môi trường cạnh tranh, người ta ngày càng cần có nhiều thông tin với tốc độ nhanh để trợ giúp việc ra quyết định và ngày càng có nhiều câu hỏi mang tính chất định tính cần phải trả lời dựa trên một khối lượng dữ liệu khổng lồ đã có. Với những lý do như vậy, các phương pháp quản trị và khai thác cơ sở dữ liệu truyền thống ngày càng không đáp ứng được thực tế đã làm phát triển một khuynh hướng kỹ thuật mới đó là Kỹ thuật khai phá tri thức và khai phá dữ liệu (KDD - Knowledge Discovery and Data Mining). Khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu có thể được coi như quá trình tìm tri thức có ích, cần thiết, tiềm ẩn và chưa được biết trước trong cơ sở dữ liệu lớn (discovery of interesting, implicit, and previously unknown knowledge from large databases)[5] Kỹ thuật khai phá tri thức và khai phá dữ liệu đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở các nước trên thế giới, tại Việt Nam kỹ thuật này tương đối còn mới mẻ tuy nhiên cũng đang được nghiên cứu và dần đưa vào ứng dụng trong những năm gần đây. Những vấn đề được quan tâm là phân lớp nhận dạng mẫu, luật kết hợp, phân cụm dữ liệu, phần tử dị biệt,… Phân cụm cơ sở dữ liệu là một trong những phương pháp quan trọng trong quá trình tìm kiếm tri thức. Phân cụm là phương pháp học từ quan sát (learning from obversation) hay còn gọi là học không thầy (unupervised learning or automatic classfication) trong trí tuệ nhân tạo. Phân cụm đặc biệt hiệu quả khi ta không biết về thông tin của các cụm, hoặc khi ta quan tâm tới những thuộc tính của cụm mà chưa biết hoặc biết rất ít về những thông tin đó. Phân cụm được coi như một công cụ độc lập để xem xét phân bố dữ liệu, làm bước tiền xử lý cho các thuật toán khác. Việc phân cụm dữ liệu có rất nhiều ứng dụng như trong tiếp thị, sử dụng đất, bảo hiểm, hoạch định thành phố … Hiện nay, phân cụm dữ liệu là một hướng được nghiên cứu rất nhiều trong Tin học. Chính vì lý do đó mà em chọn đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật phân cụm dữ liệu và Ứng dụng” là hướng nghiên cứu chính cho luận văn của mình. 2 Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về khai phá tri thức và khai phá dữ liệu. Trong chương này trình bày tổng quan về khai phá tri thức, khai phá dữ liệu; qui trình khai phá tri thức, khai phá dữ liệu; … Chương 2: Phân cụm và các kỹ thuật phân cụm. Trong chương này trình bày tổng quan về phân cụm dữ liệu, một số phương pháp phân cụm dữ liệu dữ liệu phổ biến như phân cụm phân hoạch, phân cụm phân cấp, phân cụm dựa trên mật độ, phân cụm dựa trên lưới; trình bày một số giải thuật điển hình của mỗi phương pháp phân cụm; … Chương 3: Ứng dụng, triển khai bài toán với giải thuật DBSCAN Phần kết luận trình bày tóm tắt về các nội dung thực hiện trong luận văn, đồng thời đưa ra các vấn đề nghiên cứu tiếp cho tương lai. Phần phụ lục trình bày một số modul chương trình cài đặt bằng thuật toán DBSCAN. Do thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn, luận văn không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy thầy/ cô giáo cũng như bạn bè và đồng nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ TRI THỨC VÀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU 1.1. Giới thiệu chung Cách mạng khoa học kỹ thuật tạo ra bước nhảy vọt trong tất cả các lĩnh vực của đời sống kinh tế, xã hội, … Một thành công không thể không kể đến của cuộc cách mạng này là sự bùng nổ thông tin, khiến cho khối lượng thông tin mà con người thu thập và lưu trữ ngày một khổng lồ, kích thước của CSDL tăng một cách nhanh chóng. Trong những CSDL đó tiềm ẩn nhiều rất nhiều tri thức mà con người chưa khám phá ra được. Đứng trước núi dữ liệu khổng lồ thu thập được, việc khám phá tri thức và thông tin trở nên rất khó khăn. Chính vì lý do đó nhu cầu tìm kiếm tri thức trong khối CSDL đã nảy sinh, nhu cầu này ngày một cấp thiết và dẫn tới sự hình thành của một lĩnh vực mới – lĩnh vực khai phá dữ liệu (Data Mining) hay khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu (Knowledge Discovery in databases - KDD). Khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu có thể được coi như quá trình tìm tri thức có ích, cần thiết, tiềm ẩn và chưa được biết trước trong cơ sở dữ liệu lớn (discovery of interesting, implicit, and previously unknown knowledge from large databases) Tuy mới ra đời nhưng khai phá tri thức và khai phá dữ liệu đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở các nước trên thế giới, tại Việt Nam kỹ thuật này tương đối còn mới mẻ tuy nhiên cũng đang được nghiên cứu và dần đưa vào ứng dụng trong những năm gần đây. Những vấn đề được quan tâm là phân lớp nhận dạng mẫu, luật kết hợp, phân cụm dữ liệu, phần tử dị biệt,… 1.2. Khai phá tri thức và quá trình khai phá tri thức 1.2.1. Khai phá tri thức Khai phá hay phát hiện tri thức trong các cơ sở dữ liệu là một quy trình nhận biết các mẫu hoặc các mô hình trong dữ liệu với các tính năng: Phân tích, tổng hợp, hợp thức, khả ích, và có thể hiểu được. Còn khám phá dữ liệu là một bước trong qui trình khám phá tri thức gồm có các thuật toán khai thác dữ liệu chuyên dùng dưới một số qui định về hiệu quả tính toán chấp nhận được để tìm ra các mẫu hoặc các 4 mô hình trong dữ liệu. Nói một cách khác, mục đích của phát hiện tri thức và khai phá dữ liệu chính là tìm ra các mẫu và/hoặc các mô hình đang tồn tại trong các cơ sở dữ liệu nhưng nhưng vẫn còn bị che khuất bởi hàng núi dữ liệu. 1.2.2. Quá trình khai phá tri thức Việc khai phá tri thức thông thường có thể mô tả bằng sơ đồ các quy trình sau [4]: Hình 1.2: Quá trình khai phá tri thức Trong đó, mỗi bước là một quy trình có vai trò riêng và nhiệm vụ khác nhau, bao gồm: Bước thứ nhất: tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng và hình thành bài toán, bước này sẽ quyết định cho việc rút ra được các tri thức hữu ích và cho phép chọn các phương pháp khai phá dữ liệu thích hợp với mục đích ứng dụng và bản chất của dữ liệu. Bước thứ hai: thu thập và xử lý dữ liệu thô, còn được gọi là tiền xử lý dữ liệu nhằm loại bỏ nhiễu, xử lý việc thiếu dữ liệu, biến đổi dữ liệu và rút gọn dữ liệu nếu cần thiết, bước này thường chiếm nhiều thời gian nhất trong toàn bộ quy trình khai phá tri thức. Bước thứ ba: khai phá dữ liệu, hay nói cách khác là trích ra các mẫu hoặc/và các mô hình ẩn dưới các dữ liệu. 5 Bước thứ tư: hiểu tri thức đã tìm được, đặc biệt là làm sáng tỏ các mô tả và dự đoán. Các bước trên có thể lặp đi lặp lại một số lần, kết quả thu được có thể được lấy trung bình trên tất cả các lần thực hiện. Bước thứ năm: sử dụng tri thức đã được khám phá vào thực tế, các tri thức phát hiện được tích hợp chặt chẽ trong hệ thống. Tuy nhiên để sử dụng được các tri thức đó đôi khi cần đến các chuyên gia trong các lĩnh vực quan tâm vì tri thức rút ra có thể chỉ mang tính chất hỗ trợ quyết định hoặc cũng có thể được sử dụng cho một quá trình khai phá tri thức khác. Mặc dù được tóm tắt thành năm bước như trên, nhưng thực chất quá trình xây dựng và thực hiện việc khám phá tri thức không chỉ phải tuân theo các bước cố định mà các quá trình này còn có thể được lặp đi lặp lại ở một hoặc một số giai đoạn, lần sau sẽ hoàn thiện hơn lần trước và giai đoạn sau dựa vào kết quả của giai đoạn trước và cứ tiếp tục như thế sẽ làm cho quá trình khai phá và tìm kiếm dữ liệu ngày càng hoàn thiện hơn. 1.3. Khai phá dữ liệu 1.3.1. Khai phá dữ liệu Khai phá dữ liệu là một giai đoạn quan trọng trong quá trình KPTT. Về bản chất nó là giai đoạn duy nhất tìm ra được thông tin mới. Việc khai phá dữ liệu còn được coi như là việc khai phá tri thức từ dữ liệu (knowlegde mining from databases), trích lọc tri thức (knowlegde extraction), phân tích dữ liệu - mẫu (data- partent analysis), khảo cứu dữ liệu (data archaeology), đào xới, nạo vét dữ liệu (data dredging). Khai phá dữ liệu (Data Mining) được định nghĩa là quá trình trích lọc các thông tin có giá trị ẩn trong lượng lớn dữ liệu được lưu trữ trong các CSDL hoặc các kho dữ liệu,… Khai phá dữ liệu cũng còn được coi là một quá trình tìm kiếm, khám phá ở nhiều góc độ để tìm ra các mối tương quan, các mối liên hệ dưới nhiều góc độ khác nhau nhằm tìm ra các mẫu hay các mô hình tồn tại bên trong cơ sở dữ liệu đang bị che khuất. Để trích rút các mẫu, mô hình tiềm ẩn có tính “tri thức” ta phải tìm và áp dụng các phương pháp, kỹ thuật khai phá sao cho các kỹ thuật và [...]... giá các cụm thu được Phân cụm dữ liệu được sử dụng nhiều trong các ứng dụng về phân đoạn thị trường, phân đoạn khách hàng, nhận dạng mẫu, phân loại trang Web… Ngoài ra, phân cụm dữ liệu còn có thể được sử dụng như một bước tiền xử lí cho các thuật toán khai phá dữ liệu khác 1.3.4.3 Phân lớp dữ liệu và hồi qui Mục tiêu của phương pháp phân lớp dữ liệu là dự đoán nhãn lớp cho các mẫu dữ liệu Quá trình phân. .. thực tế to lớn của khai phá dữ liệu Trong chương này đã trình bày một cách tổng quan về khai phá tri thức và khai phá dữ liệu 15 Chương 2 PHÂN CỤM DỮ LIỆU VÀ CÁC THUẬT TOÁN TRONG PHÂN CỤM DỮ LIỆU 2.1 Giới thiệu Phân cụm là quá trình nhóm các điểm dữ liệu trong cơ sở dữ liệu thành các cụm sao cho những điểm dữ liệu trong cùng một cụm có độ tương đồng lớn và những điểm không cùng một cụm có sự tương... dụ: phân lớp các bệnh nhân theo dữ liệu hồ sơ bệnh án, phân lớp vùng địa lý theo dữ liệu thời tiết ) Đối với hướng tiếp cận này thường sử dụng một số kỹ 8 thuật của học máy như cây quyết định (decision tree), mạng nơron nhân tạo (neural network), 1.3.4.2 Phân cụm dữ liệu Mục tiêu của phương pháp phân cụm dữ liệu là quá trình nhóm các điểm dữ liệu trong cơ sở dữ liệu thành các cụm sao cho những điểm dữ. .. vực khai phá dữ liệu [15] Phân cụm không thứ bậc hoặc phân cụm theo phân hoạch (nonhierarchy or partition clustering) chia cơ sở dữ liệu bằng cách xác định trước các đối tượng đại diện (đối tượng nhân) của các cụm Kế tiếp mỗi đối tượng dữ liệu sẽ được đưa vào cụm mà khoảng cách từ đối 29 tượng dữ liệu đến đối tượng đại diện của cụm là nhỏ nhất Sau mỗi bước thì đối tượng đại diện của mỗi cụm có thể được... dụng cách thức này Tóm lại, tùy từng trường hợp dữ liệu cụ thể mà có thể sử dụng các mô hình tính độ tương tự khác nhau Việc xác định độ tương đồng dữ liệu thích hợp, chính xác đảm bảo khách quan là rất quan trọng, góp phần xây dựng thuật toán PCDL có hiệu quả cao trong việc đảm bảo chất lượng cũng như chi phí tính toán 2.6 Các hướng tiếp cận của bài toán phân cụm dữ liệu Các phương pháp phân cụm dữ liệu. .. định các tham số đầu vào Do các giá trị đầu vào thường ảnh hưởng rất lớn đến thuật toán phân cụm và rất phức tạp để xác định các giá trị vào thích hợp đối với các CSDL lớn • Thuật toán phải thực hiện với mọi thứ tự đầu vào dữ liệu Nói cách khác kết quả của thuật toán nên độc lập với dữ liệu đầu vào (Cùng một tập dữ liệu, khi đưa vào xử lý cho thuật toán PCDL với các thứ tự vào của các đối tượng dữ liệu. .. cây quyết định tương ứng với ý nghĩa của nó 1.3.4 Các hướng tiếp cận cơ bản và kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu Vấn đề khai phá dữ liệu có thể được phân chia theo lớp các hướng tiếp cận chính sau: 1.3.4.1 Phân lớp và dự đoán Hướng tiếp cận này làm nhiệm vụ đưa ra các dự đoán dựa vào các suy diễn trên dữ liệu hiện thời Kỹ thuật này gồm có: phân lớp (classification), hồi quy (regression) Là... niệm các kiểu dữ liệu và các kiểu thuộc tính dữ liệu được xem là tương đương với nhau) Các thuộc tính này là các tham số 19 để giải quyết vấn đề phân cụm và sự lựa chọn chúng có tác động đáng kể đến kết quả phân cụm Phân loại các kiểu thuộc tính khác nhau là vấn đề cần giải quyết đối với hầu hết các tập dữ liệu nhằm cung cấp các phương tiện thuận lợi để nhận dạng sự khác nhau của các phần tử dữ liệu. .. về dữ liệu khác nhau và đòi hỏi những thuật toán phân cụm khác nhau Một trong những câu hỏi lớn đặt ra trong bài toán phân cụm là đo độ tương đồng không gian giữa các đối tượng dữ liệu (spatial similarity) Trong dữ liệu không gian thì độ đo tương đồng được xem như sự quan hệ về vị trí không gian giữa các đối tượng dữ liệu Nói cách khác thì hai đối tượng dữ liệu được gọi là tương đồng nếu “khoảng cách... − x bi   i =1  1/ 2 (3) Cách tiếp cận khác để khoảng cách giữa phần tử gần nhất hoặc phần tử xa nhất Cách tiếp này sử dụng các thuật toán phân cụm phân cấp chẳng hạn như liên kết đơn và liên kết đầy đủ Vấn đề chính với hai cách tiếp cận này giống nhau là không cảm nhận được mâu thuẫn định lượng và không tính toán cho các yếu tố của các phần tử trong một nhóm Cách tiếp cận khác, là trung bình nhóm, . 16 2.3. Các yêu cầu về thuật toán phân cụm dữ liệu 17 2.4. Các kiểu dữ liệu trong phân cụm 18 2.5. Phép đo độ tương tự và khoảng cách đối với các kiểu dữ liệu 21 2.6. Các hướng tiếp cận của bài toán. và khai phá dữ liệu. 15 Chương 2. PHÂN CỤM DỮ LIỆU VÀ CÁC THUẬT TOÁN TRONG PHÂN CỤM DỮ LIỆU 2.1. Giới thiệu Phân cụm là quá trình nhóm các điểm dữ liệu trong cơ sở dữ liệu thành các cụm sao cho. 1.3.4.2. Phân cụm dữ liệu Mục tiêu của phương pháp phân cụm dữ liệu là quá trình nhóm các điểm dữ liệu trong cơ sở dữ liệu thành các cụm sao cho những điểm dữ liệu trong cùng một cụm có độ tương