Luật kết hợp mờ và ứng dụng đối với một số bài toán dự báo

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 BÙI VĂN THẮNG LUẬT KẾT HỢP MỜ VÀ ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI MỘT SỐ BÀI TOÁN DỰ BÁO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2014 i 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 BÙI VĂN THẮNG LUẬT KẾT HỢP MỜ VÀ ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI MỘT SỐ BÀI TOÁN DỰ BÁO Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ VINH QUANG THÁI NGUYÊN - 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS. Vũ Vinh Quang. Mọi trích dẫn sử dụng trong báo cáo này đều được ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo theo đúng qui định. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày27tháng8năm 2014 Tác giả Bùi Văn Thắng iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU 3 1.1. Khái niệm cơ bản về khai phá dữ liệu 3 1.1.1. Giới thiệu 3 1.1.2. Khái niệm khai phá dữ liệu 4 1.2. Một số hƣớng nghiên cứu trong khai phá dữ liệu 5 1.2.1. Một số hướng nghiên cứu 5 1.2.2. Các dạng dữ liệu có thể khai phá 8 1.3. Nhiệm vụ chính của khai phá dữ liệu 8 1.3.1. Phân lớp (Classification) 9 1.3.2. Hồi quy (Regression) 9 1.3.3. Khai phá luật kết hợp (Association rule) 9 1.3.4. Gom nhóm (Clustering) 9 1.3.5. Tổng hợp (Summarization) 10 1.3.6. Mô hình ràng buộc (Dependency modeling) 10 1.3.7. Dò tìm biến đổi và độ lệch (Change and Deviation Dectection) 10 1.4. Bài toán khai phá luật kết hợp 10 1.4.1. Bài toán 10 1.4.2. Một số thuật toán cơ bản 15 1.5. Logic mờ 23 1.5.1. Định nghĩa tập mờ 23 1.5.2. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 25 1.5.3. Các phép toán logic trên tập mờ 26 1.5.4. Biến ngôn ngữ và giá trị của nó 27 1.6. Kết luận 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 2. KHAI PHÁ LUẬT KẾT HỢP MỜ 30 2.1. Rời rạc hóa thuộc tính dựa vào tập mờ 30 2.1.1. Luật kết hợp với thuộc tính số 30 2.1.2. Các phương pháp rời rạc hóa 30 2.2. Luật kết hợp mờ 33 2.2.1. Rời rạc hóa thuộc tính mờ 33 2.2.2. Luật kết hợp mờ 35 2.3. Thuật toán khai phá luật kết hợp mờ dựa trên thuật toán Apriori 37 2.4. Khai phá luật kết hợp mờ dựa trên thuật toán Fp-Growth 40 2.4.1. Thuật toán xây dựng cây CUFP-Tree 40 2.4.2. Thuật toán tìm tập phổ biến FP-Growth dựa trên cậy CUFP-Tree 41 2.5. Ví dụ thử nghiệm 42 2.5.1. Xây dựng cây CUFP-Tree 42 2.5.2. Thuật toán tìm tập phổ biến 45 2.6. Kết luận 46 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG KHAI PHÁ DỮ LIỆU TRONG MÔ HÌNH DỰ BÁO 48 3.1. Mô hình một số bài toán dự báo 48 3.1.1. Giới thiệu 48 3.1.2. Một mô hình dự báo là gì? 49 3.1.3. Các kỹ thuật mô hình hóa dự báo phổ biến 51 3.2. Xây dựng các luật kết hợp mờ trong mô hình dự báo 55 3.3. Một số kết quả thực nghiệm 55 3.3.1. Môi trường thử nghiệm 55 3.3.2. Kết quả thử nghiệm với CSDL gồm 20 giao dịch 60 3.3.3. Kết quả thử nghiệm 61 PHẦN KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CNTT Công nghệ thông tin CSDL Cơ sở dữ liệu KPDL Khai phá dữ liệu KDD Knowledge Discovery in Databases ItemSet Tập mục Item Mục iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Cơ sở dữ liệu giao tác 11 Bảng 1.2: Kết quả thuật toán Apriori 16 Bảng 1.3: Những biến đổi dữ liệu của FP-Growth 19 Bảng 2.1: CSDL thống kế dân số của 10 gia đình [21] 31 Bảng 2.2: Rời rạc hóa thuộc tính số rời rạc hữu hạn hoặc thuộc tính hạng mục 31 Bảng 2.3: Rời rạc hóa thuộc tính số“Tuổi" 32 Bảng 2.4: Bảng các ký hiệu sử dụng trong thuật toán khai phá luật kết hợp mờ 38 Bảng 2.5: Bảng các ký hiệu sử dụng trong thuật toán 40 Bảng 2.6: Cơ sở dữ liệu mờ 42 Bảng 2.7: Kết quả sau khi thực hiện Bước 1 42 Bảng 2.8: Header_Table 43 Bảng 2.9: CSDL mờ sau khi đã cập nhật 43 Bảng 2.10: Tập phổ biến 46 Bảng 3.1: Giao tác ví dụ trong CSDL FAM95 56 Bảng 3.2: CSDL giao tác Bảng 3.1 sau khi mờ hóa 57 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình khai phá tri thức trong CSDL 3 Hình 1.2: FP-tree của dữ liệu Bảng 1.1 20 Hình 1.3: Thành phần của FP-tree 21 Hình 1.4: Hàm thuộc của tập kinh điển A 23 Hình 1.5: Hàm thuộc của tập mờ B 24 Hình 1.6: Hàm thuộc của tập mờ C 24 Hình 1.7: Hàm thuộc F(x) có mức chuyển đổi tuyến tính 25 Hình 1.8: Mô tả giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ 27 Hình 2.1: Hàm thuộc của các tập mờ“Tuổi_trẻ”,“Tuổi_trung_niên”, và“Tuổi_già" 33 Hình 2.2: Kết quả xử lý giao dịch đầu tiên 44 Hình 2.3: Kết quả xử lý giao dịch đầu tiên 45 Hình 2.4: Cây CUFP-TREE 45 Hình 3.1: Hai khách hàng và các đặc tính đầu vào của họ. 50 Hình 3.2: Dữ liệu khách hàng gồm các đặc tính đầu vào và kết quả đầu ra được cung cấp cho một mô hình dự báo trong quá trình huấn luyện 50 Hình 3.3: Khung nhìn hai chiều của một siêu phẳng tối ưu chia tách dữ liệu và các vec tơ hỗ trợ 52 Hình 3.4: Khung nhìn hai chiều về kết quả của việc phân cụm một tập dữ liệu đầu vào thành hai cụm: các hình tam giác màu xanh lá cây và các hình vuông màu đỏ 53 Hình 3.5: Mạng nơ-ron hướng thuận với tầng đầu vào, tầng ẩn và tầng đầu ra 54 Hình 3.6: Giao diện chương trình, 20 giao dịch mờ 60 Hình 3.7: Các tập phổ biến tìm được 60 Hình 3.8: Luật kết hợp khai phá 61 Hình 3.9: Kết quả thử nghiệm với hai thuật toán Apriori mờ và thuật toán CUFP 61 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Khai phá dữ liệu là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong lý thuyết về cơ sở dữ liệu, có nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội. Mục đích chính là nhằm phát hiện những thông tin mới, các luật mới từ cơ sở dữ liệu đã có hay một cách tổng quát hơn là từ các kho dữ liệu. Rất nhiều lĩnh vực ứng dụng trong thực tiễn đều sử dụng công cụ khai phát dữ liệu và tìm kiếm tri thức. Trong lý thuyết về khai phá dữ liệu, khai phá luật kết hợp đang được quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới. Một số hướng nghiên cứu đã và đang được các chuyên gia công nghệ thông tin tập chung nghiên cứu là: nghiên cứu thiết kế các hệ mờ cho các ứng dụng cụ thể như hệ trợ giúp quyết định, hệ điều khiển dựa trên hệ tri thức luật, hệ phân loại dựa trên hệ tri thức luật, hệ phân loại dựa trên lập luận dựa trên hệ luật ứng dụng trong các lĩnh vực như: kinh doanh, thị trường chứng khoán và dự đoán thị trường, công nghệ sinh học, giáo dục và đào tạo,… Một số hƣớng nghiên cứu trong khai phá dữ liệu - Luật kết hợp nhị phân: Đây là hướng nghiên cứu đầu tiên của luật kết hợp. Thuật toán tiêu biểu là Apriori. - Luật kết hợp có thuộc tính số và thuộc tính hạng mục: Nghiên cứu các hệ CSDL có thuộc tính số hoặc thuộc tính hạng mục bằng cách rời rạc hóa dữ liệu cho thuộc tính số để chuyển chúng về thuộc tính nhị phân. - Luật kết hợp mờ: Phương pháp rời rạc hóa dữ liệu có thuộc tính số và thuộc tính hạng mục gặp phải vấn đề“điểm biên gãy”. Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng lý thuyết tập mờ và xây dựng các luật kết hợp dạng mờ. - Luật kết hợp có trọng số: Sử dụng phương pháp tính độ hỗ trợ cho các tập mục dựa trên trọng số của các tập mục. Ngoài ra, còn một số hướng nghiên cứu: khai phá luật kết hợp song song, khai phá luật kết hợp nhiều mức, luật kết hợp tiếp cận theo hướng tập thô,… Luận văn tập trung nghiên cứu vào khai phá Luật kết hợp mờ và ứng dụng đối với bài toán dự báo. 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2. Hƣớng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lý thuyết tập mờ. - Nghiên cứu khai phá dữ liệu và khai phá dữ liệu mờ trên CSDL. Tìm hiểu một số thuật toán trong khai phá dữ liệu: Apriori mờ, thuật toán FP Growth, thuật toán biểu diễn dữ liệu giao dịch mờ dựa trên cây FP-Tree. - Cài đặt thử nghiệm một số thuật toán khai phá dữ liệu mờ và thử nghiệm trên một số bộ dữ liệu.Đánh giá kết quả sau khi thử nghiệm. 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp luận cho phép phát hiện tri thức dạng luật mờ, như luật kết hợp mờ, luật mờ với thuộc tính có trọng số,… từ các kho dữ liệu. - Cơ sở lý thuyết của việc nghiên cứu lập luận xấp xỉ dựa trên lý thuyết tập mờ, phương pháp tính toán các thông tin mờ, đánh giá các phương pháp để lấy quyết định. - Ứng dụng luật kết hợp mờ đối với một số bài toán dự báo. 4. Kết quả đạt đƣợc - Tìm hiểu thuật toán nén dữ liệu giao dịch mờ dựa trên cây FP Tree, khai phá tập phổ biến dựa trên cây đã xây dựng. Đây là hướng nghiên cứu mới, giúp làm giảm thời gian khai phá tập phổ biến rất nhiều so với thuật toán Apriori mờ. - Cài đặt thử nghiệm thuật toán Apriori mờ và thuật toán khai phá luật kết hợp mờ dựa trên thuật toán Fp-Growth. - Thử nghiệm hai thuật toán trên với một số bộ dữ liệu, so sánh các kết quả đã thu được sau khi thử nghiệm. 5. Bố cục của luận văn Phần mở đầu Chương 1: Một số kiến thức cơ bản về khai phá dữ liệu Chương 2: Khai phá luật kết hợp mờ Chương 3: Ứng dụng khai phá dữ liệu trong mô hình dự báo Kết luận Tài liệu tham khảo [...]... có thể áp dụng các thuật toán đã có[16] - Luật kết hợp mờ (fuzzy association rule): Với những hạn chế còn gặp phải trong quá trình rời rạc hóa các thuộc tính số (quantitative attributes), các nhà nghiên cứu đã đề xuất luật kết hợp mờ nhằm khắc phục những hạn chếtrên và chuyển luật kết hợp về một dạng tự nhiên hơn, gần gũi hơn với người sử dụng Một ví dụ về dạng luật này:“Ho khan = 'yes' AND sốt cao AND... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 đề xuất nhằm vào cải tiến tốc độ thuật toán, có những đề xuất nhằm tìm kiếm luật có ý nghĩa hơn, … Sau đây là một số hướng chính - Luật kết hợp nhị phân (binary association rule hoặc Boolean association rule): 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 mục (thuộc... nhiễm SARS = 'yes', với độ hỗ trợ 4% và độ tin cậy 85%” Trong luật trên, điều kiện sốt cao ở vế trái của luật là một thuộc tính đã được mờ hóa - Luật kết hợp nhiều mức (multi-level association rules): Ngoài các dạng luật trên, các nhà nghiên cứu còn đề xuất một hướng nghiên cứu nữa về luật kết hợp là luật kết hợp nhiều mức Với cách tiếp cận này, người ta sẽ tìm kiếm thêm những luật có dạng“Mua máy... thuật toán song song khác nhau đã được đề xuất, chúng có thể phụ thuộc hoặc độc lập với cấu hình phần cứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 - Luật kết hợp tiếp cận theo hướng tập thô (mining association rules based on rough set): Tìm kiếm luật kết hợp dựa trên lý thuyết tập thô Ngoài ra, còn một số hướng nghiên cứu khác về khai phá luật kết hợp như: Khai phá luật kết hợp trực... Độ hỗ trợ của một luật kết hợp X Y là tỷ lệ giữa số lượng các bản ghi chứa tập hợp , so với tổng số các bản ghi trong D - Ký hiệu supp(X Y) (1.2) Khi chúng ta nói rằng độ hỗ trợ của một luật là 50%, có nghĩa là có 50% tổng số bản ghi chứa Như vậy, độ hỗ trợ mang ý nghĩa thống kê của luật Trong một số trường hợp, chúng ta chỉ quan tâm đến những luật có độ hỗ trợ cao (Ví dụ như luật kết hợp xét trong... trọng số của thuộc tính tuổi tác Đây là một 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 phá được những luật mang rất nhiều ý nghĩa, thậm chí là những luật hiếm” (tức có độ hỗ trợ thấp, nhưng mang một ý nghĩa đặc biệt) - Bên cạnh những nghiên cứu về những biến thể của luật kết hợp, ... mà hữu ích vẫn chưa được tìm ra 1.4.2 Một số thuật toán cơ bản 1.4.2.1 Thuật toán Apriori Thuật toán Apriori được Agrawal và Srikant phát biểu năm 1994[3] Apriori là thuật toán phổ biến nhất để tìm luật kết hợp, được coi là một sự cải tiến lớn trong lịch sử khai phá luật kết hợp vì đã vượt xa tầm của các thuật toán quen thuộc trong lĩnh vực này Thuật toán dựa trên một nhận xét đơn giản là bất kỳ tập... này yêu cầu số lượng và các dạng thông tin rất khác nhau nên chúng thường ảnh hưởng đến việc thiết kế và chọn thuật toán khai phá dữ liệu khác nhau Ví dụ như thuật toán tạo cây quyết định tạo ra được một mô tả phân biệt được các mẫu giữa các lớp nhưng không có các tính chất và đặc điểm của lớp 1.4 Bài toán khai phá luật kết hợp 1.4.1 Bài toán Trong lĩnh vực Data Mining, mục đích của luật kết hợp (Association... xây dựng những phép toán trên tập mờ được hiểu là việc xác định các hàm thuộc cho phép hợp (tuyển) A B, giao (hội) A B và bù (phủ định) AC, … từ những tập mờ A và B Một nguyên tắc cơ bản trong việc xây dựng các phép toán trên tập mờ là không được mâu thuẫn với những phép toán đã có trong lý thuyết tập hợp kinh điển Mặc dù không giống tập hợp kinh điển, hàm thuộc của các tập mờ A B, A B, AC … được Số. .. ghi chứa một tập con T các tính chất (có thể coi như T I), các bản ghi đều có chỉ số riêng Một luật kết hợp là một mệnh đề kéo theo có dạng X Y, trong đó X, Y I, thỏa mãn điều kiện X Y= Các tập hợp X và Y được gọi là các tập hợp tính chất (itemset) Tập X gọi là nguyên nhân, tập Y gọi là hệ quả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 Có 2 độ đo quan trọng đối với luật kết hợp: Độ . tính mờ 33 2.2.2. Luật kết hợp mờ 35 2.3. Thuật toán khai phá luật kết hợp mờ dựa trên thuật toán Apriori 37 2.4. Khai phá luật kết hợp mờ dựa trên thuật toán Fp-Growth 40 2.4.1. Thuật toán. thông tin mờ, đánh giá các phương pháp để lấy quyết định. - Ứng dụng luật kết hợp mờ đối với một số bài toán dự báo. 4. Kết quả đạt đƣợc - Tìm hiểu thuật toán nén dữ liệu giao dịch mờ dựa trên. HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÙI VĂN THẮNG LUẬT KẾT HỢP MỜ VÀ ỨNG DỤNG ĐỐI VỚI MỘT SỐ BÀI TOÁN DỰ BÁO Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 LUẬN