LÝ THUYẾT TẬP THÔ & ỨNG DỤNG TÌM MA TRẬN PHÂN BIỆT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG ________oOo________ BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC KHAI PHÁ DỮ LIỆU & KHO DỮ LIỆU LÝ THUYẾT TẬP THÔ & ỨNG DỤNG TÌM MA TRẬN PHÂN BIỆT PGS. TS.: ĐỖ PHÚC HỌC VIÊN: NGUYỄN HOÀNG HUY MSHV: CH1101090 < 2012 > KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC MỤC LỤC BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 2 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC A. LÝ THUYẾT TẬP THÔ 1. Tổng quan Lý thuyết tập thô được Z. Pawlak phát triển vào đầu thập niên 1980. Lý thuyết tập thô rất hiệu quả trong khai thác dữ liệu (KTDL), tìm kiếm thông tin, hỗ trợ quyết định, máy học, các hệ cơ sở tri thức. Rất nhiều ứng dụng sử dụng ý tưởng của lý thuyết tập thô như phân tích dữ liệu y khoa, lượng giá điều phối hang không, xử lý ảnh, nhận dạng… Hầu hết cơ sở dữ liệu (CSDL) được sử dụng cho việc KTDL đều không hoàn thiện về dữ liệu. Lý thuyết tập thô là công cụ nhằm giải quyết sự gần đúng và các trường hợp không chắc chắn. Một ưu điểm của lý thuyết tập thô đối với hướng tiếp cận xác suất Bayes là không cần giả định về sự độc lập của các thuộc tính cũng như không cần bất kỳ kiến thức nền nào về dữ liệu. 2. Các hệ thong tin a. Hệ thông tin Hệ thông tin là tập hợp dữ liệu được biểu diễn dưới dạng bảng, trong đó mỗi dòng biểu diễn một trường hợp, một sự kiện, một khác hang… hoặc là một đối tượng. Mỗi cột biểu diễn một thuộc tính và có thể đo đạc được với từng đối tượng. Một cách hình thức, hệ thông tin là cặp A = (U, A). Trong đó U là tập hữu hạn khác rỗng các đối tượng (tập phổ quát) và A là tập hữu hạn khác rỗng các thuộc tính sao cho a : U → V a với mỗi thuộc tính a ∈ A. Tập V a được gọi là tập giá trị của thuộc tính a. Ví dụ 2.a: Cho bảng thể hiện một hệ thông tin như sau: Độ_tuổi Số_buổi x 1 16-30 50 x 2 16-30 0 x 3 31-45 1-25 x 4 31-45 1-25 x 5 46-60 26-49 x 6 16-30 26-49 x 7 46-60 26-49 Bảng gồm bảy đối tượng (x 1 → x 7 ) và hai thuộc tính (Độ_tuổi, Số_buổi) Ta thấy các bộ x 3 và x 4 cũng như x 5 và x 7 có cùng giá trị của thuộc tính Độ_tuổi. Các bộ này – theo từng cặp – là bất khả phân biệt với thuộc tính Độ_tuổi. BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 3 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC b. Hệ quyết định Ta thấy có sự phân loại kết quả trong nhiều ứng dụng – đó là sự mô tả tri thức bởi một thuộc tính đặc trưng phân biệt được gọi là thuộc tính quyết định. Hệ thống này là một hình thức học có giám sát. Các hệ thông tin theo loại này được gọi là các hệ quyết định. Một hệ quyết định là một hệ thông tin có dạng (U ; A ∪ {d}). Trong đó d ∉ A là thuộc tính quyết định. Các thành phần thuộc tính của A được gọi là các thuộc tính điều kiện hoặc gọi đơn giản là các thuộc tính. Thuộc tính quyết định có thể có nhiều hơn hai giá trị mặc dù thường gặp là thuộc tính nhị phân. Ví dụ 2.b: Cho bảng quyết định đơn giản như sau: Độ_tuổi Số_buổi Thi_đậu x 1 16-30 50 Có x 2 16-30 0 Không x 3 31-45 1-25 Không x 4 31-45 1-25 Có x 5 46-60 26-49 Không x 6 16-30 26-49 Có x 7 46-60 26-49 Không Bảng này có them thuộc tính quyết định là Thi_đậu với hai khả năng kết quả. Có thể nhận thấy các bộ x 3 và x 4 cũng như x 5 và x 7 có cùng giá trị của thuộc tính Độ_tuổi và Số_buổi. Nhưng cặp x 3 , x 4 có kết quả Thi_đậu khác nhau trong khi cặp x 5 , x 7 có cùng kết quả Thi_đậu. Có thể rút từ bảng quyết định này ra luật sau: “Nếu Độ_tuổi là 16-30 và Số_buổi là 50 thì Thi_đậu là Có”. Trong tiến trình tạo tập luật sau này cần lưu ý đến việc rút gọn vế trái của luật. 3. Quan hệ bất khả phân biệt Một hệ quyết định (bảng quyết định) biểu diễn tất cả các tri thức về mô hình. Bảng này có thể có kích thước lớn một cách không cần thiết vì bảng này là dư thừa ít nhất ở hai mặt. Các đối tượng giống nhau hoặc bất khả phân biệt có thể được biểu diễn nhiều lần hoặc thừa. Một quan hệ nhị phân R ⊆ X × X là có tính phản xạ (một đối tượng sẽ có quan hệ với chính nó xRx), phản xứng (nếu xRy thì yRx) và bắc cầu (nếu xRy và yRz thì xRz) được gọi là một quan hệ tương đương. Lớp tương đương của một phần tử x ∈ X bao gồm tất cả các đối tượng y ∈ X sao cho xRy. BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 4 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC Cho một hệ thông tin S = (U; A), với tập thuộc tính B ⊆ A có quan hệ tương đương tương ứng IND S (B): IND S (B) = {(u; v) ∈ U 2 | ∀a ∈ B, a(u) = a(v)} IND S (B) được gọi là quan hệ bất khả phân biệt theo B. Nếu (u, v) ∈ IND S (B) thì các đối tượng u và v là không thể phân biệt lẫn nhau qua tập thuộc tính B. Các lớp tương đương của quan hệ bất khả phân biệt theo B được ký hiệu là [x] B (ký hiệu S trong quan hệ bất khả phân biệt thường được lược bỏ vì ta xác định được hệ thông tin nào đang khảo sát). Ví dụ 3: Quan hệ bất khả phân biệt được định nghĩa với bảng quyết định Độ_tuổi Số_buổi Thi_đậu x 1 16-30 50 Có x 2 16-30 0 Không x 3 31-45 1-25 Không x 4 31-45 1-25 Có x 5 46-60 26-49 Không x 6 16-30 26-49 Có x 7 46-60 26-49 Không Các tập con khác rỗng của các thuộc tính điều kiện là {Độ_tuổi}, {Số_buổi} và {Độ_tuổi, Số_buổi}. Với tập {Số_buổi}, các bộ x 3 và x 4 thuộc cùng một lớp tương đương và bất khả phân biệt. Tương tự cho các bộ x 5 , x 6 và x 7 thuộc vào các lớp tương đương. Quan hệ tương đương IND trên các tập thuộc tính {Độ_tuổi}, {Số_buổi} và {Độ_tuổi, Số_buổi} cho ta các phân hoạch tập U như sau: IND({Độ_tuổi}) = {{x 1 ; x 2 ; x 6 }; {x 3 ; x 4 }; {x 5 ; x 7 }} IND({Số_buổi}) = {{x 1 }; {x 2 }; {x 3 ; x 4 }; {x 5 ; x 6 ; x 7 }} IND({Độ_tuổi, Số_buổi}) = {{x 2 }; {x 2 }; {x 3 ; x 4 }; {x 5 ; x 7 }; {x 6 }} 4. Xấp xỉ tập hợp Một quan hệ tương đương dẫn đến một phân hoạch tập phổ quát U (tập các bộ trong hệ thông tin). Có thể dùng phép phân hoạch để tạo các tập con mới của tập phổ quát. Các tập con thường được quan tâm là các tập con có cùng giá trị của thuộc tính quyết định. Tuy nhiên không thể phân định rõ ràng một số khái niệm. Ví dụ không thể định nghĩa một cách rõ ràng tập các khách hàng có trị dương cho thuộc tính quyết định (Thi_đậu = Có) bằng các thuộc tính khác trong bảng quyết định ở ví dụ 3. Những khách hàng “gặp khó khăn” là các bộ x 3 và x 4 . Nói cách khác, không BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 5 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC thể có một định nghĩa chính xác với những khách hàng như vậy từ bảng này. Từ đây phát sinh khái niệm tập thô. Mặc dù ta không thể xác định khách hàng một cách chính xác nhưng có thể chỉ ra các khách hàng nào chắc chắn có trị dương cho thuộc tính quyết định, các khách hàng nào chắc chắn không có kết quả dương cho thuộc tính quyết định và cuối cùng là các khách hàng nào thuộc vào vùng biên giữa các trường hợp chắc chắn. Nếu vùng biên này là khác rỗng, tập đang xét là tập thô. Các khái niệm trên được biểu diễn một cách hình thức như sau: Cho hệ thông tin IS = (U; A) và cho B ⊆ A và X ⊆ U. Ta có thể xấp xỉ tập đối tượng X chỉ với thông tin chứa trong tậo thuộc tính B bằng cách xây dựng các xấp xỉ B-dưới và B-trên của tập X, ký hiệu tương ứng là và , trong đó: = {x | [x] B ⊆ X} và = {x | [x] B ∩ X ≠ ∅} Các đối tượng trong có thể chắc chắn được phân lớp như là các thành viên của tập X theo tập thuộc tính B, trong khi các đối tượng trong chỉ có thể phân lớp là các thành viên có kết quả dương tính của tập X theo tập thuộc tính B. Tập BN B (X) = - được gọi là cùng B-biên của tập X và chứa các đối tượng mà ta không thể phân lớp chắc chắn vào X dựa theo tập thuộc tính B. Tập U - được gọi là vùng B-ngoài của X và chứa các đối tượng phấn lớp chắc chắn là không thuộc về tập X dựa theo tập thuộc tính B. Một tập hợp được gọi là thô nếu vùng biên là khác rỗng. Ngược lại, một tập hợp được gọi là rõ nếu vùng biên là rỗng. Ví dụ 4: Gọi tập đối tượng W = {x | Thi_đậu(x) = Có} = {x 1 , x 4 , x 6 } và B = {Độ_tuổi, Số_buổi} theo ví dụ 3. Ta có các vùng xấp xỉ: = {x 1 ; x 6 } = {x 1 ; x 3 ; x 4 ; x 6 } BN B (W) = {x 3 ; x 4 } và U - = {x 2 ; x 5 ; x 7 } Như vậy lớp quyết định Thi_đậu là thô vì vùng biên khác rỗng BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 6 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC Xấp xỉ tập các khách hàng có thuộc tính quyết định Thi_đậu qua hai thuộc tính điều kiện là Độ_tuổi và Số_buổi. Các lớp tương đương được trình bày theo các vùng tương ứng. Có thể chứng minh các tính chất sau của các tập xấp xỉ tập hợp: (1) (X) ⊆ X ⊆ (X) (2) (∅) = (∅) = ∅, (U) = (U) = U (3) (X ∪ Y) = (X) ∪ (Y) (4) (X ∩ Y) = (X) ∩ (Y) (5) X ⊆ Y ⇒ (X) ⊆ (Y) và (X) ⊆ (Y) (6) (X ∪ Y) ⊇ (X) ∪ (Y) (7) (X ∩ Y) ⊆ (X) ∩ (Y) (8) (U – X) = – (X) (9) (U – X) = – (X) (10) ((X)) = ((X)) = (X) (11) ((X)) = ((X)) = (X) Có thể định nghĩa bốn lớp cơn bản của tập thô ứng với bốn loại mập mờ như sau: 1. X là có thể xác định thô theo B nếu và chỉ nếu (X) ≠ ∅ và (X) ≠ U; 2. X là không thể xác định phía trong theo B nếu và chỉ nếu (X) = ∅ và (X) ≠ U; 3. X là không thể xác định phía ngoài theo B nếu và chỉ nếu (X) ≠ ∅ và (X) = U; 4. X là hoàn toàn không thể xác định theo B nếu và chỉ nếu (X) = ∅ và (X) = U; Độ chính xác của xấp xỉ: Tập thô còn có thể đặc trưng hóa dưới hình thức số bằng hệ số phản ánh độ chính xác của xấp xỉ: Trong đó |X| biểu diễn lực lượng của tập X ≠ ∅ Và ta có 0 ≤ (X) ≤ 1 Nếu (X) = 1, X là rõ theo B (X là chính xác theo B). Nếu (X) < 1, X là thô theo B (X là gần đúng theo B). 5. Rút gọn a. Định nghĩa Một rút gọn của hệ thông tin IS là một tập tối tiểu các thuộc tính B ⊆ A sao cho IND S (B) = IND S (A). BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 7 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC Nói cách khác, một rút gọn là một tập tối tiểu các thuộc tính từ tập thuộc tính A, mà rút gọn này bảo toàn việc phân hoạch tập phổ quát U và vì thế bảo toàn khả năng phân lớp thay vì phải thực hiện với toàn bộ tập thuộc tính A. Ví dụ 5.a: Cho bảng quyết định : Bằng_cấp Kinh_nghiệ m Tiếng_An h Giới_thiệu Tuyển_dụn g X 1 MBA Vừa Tốt Xuất_sắc Chấp_nhận X 2 MBA Thấp Tốt Trung_bìn h Từ_chối X 3 MCE Thấp Tốt Tốt Từ_chối X 4 MSC Nhiều Tốt Trung_bìn h Chấp_nhận X 5 MSC Vừa Tốt Trung_bìn h Từ_chối X 6 MSC Nhiều Tốt Xuất_sắc Chấp_nhận X 7 MBA Nhiều Không Tốt Chấp_nhận X 8 MCE Thấp Không Xuất_sắc Từ_chối Ta có: S’ = (U;{Bằng_cấp, Kinh_nghiệm, Tiếng_Anh, Giới_thiệu}∪{Tuyển_dụng}) Nếu chỉ xem xét các thuộc tính điều kiện nghĩa là với hệ thông tin: S = (U;{Bằng_cấp, Kinh_nghiệm, Tiếng_Anh, Giới_thiệu}) Để đơn giản, mỗi lớp tương đương chỉ chứa một phần tử. Theo quan sát cho thấy tồn tại một tập tối tiểu các thuộc tính là {Kinh_nghiệm, Giới_thiệu} cho phép phân biệt các đối tượng như là toàn bộ tập thuộc tính của các đối tượng đang xét. Ngoài ra cũng có thể kiểm chứng là quan hệ tương đương với toàn bộ tập thuộc tính và quan hệ tương đương với tập {Kinh_nghiệm, Giới_thiệu} là như nhau. b. Ma trận phân biệt Với S là một hệ thông tin có n đối tượng, ma trận phân biệt của S là một ma trận đối xứng n × n với các giá trị c ij được định nghĩa như sau : c ij = {a ∈ A | a(x i ) ≠ a(x j )} với i, j = 1 n Mỗi dòng bao gồm tập giá trị các thuộc tính khác nhau với các đối tượng x i , x j . Ví dụ 5.b: Từ ví dụ 5.a, ta sắp lại thứ tự của bảng quyết định theo thuộc tính Tuyển_dụng như sau: Bằng_cấp (d) Kinh_nghiệ m (e) Tiếng_An h (f) Giới_thiệu (r) Tuyển_dụn g BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 8 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC X 1 MBA Vừa Tốt Xuất_sắc Chấp_nhận X 4 MSC Nhiều Tốt Trung_bìn h Chấp_nhận X 6 MSC Nhiều Tốt Xuất_sắc Chấp_nhận X 7 MBA Nhiều Không Tốt Chấp_nhận X 2 MBA Thấp Tốt Trung_bìn h Từ_chối X 3 MCE Thấp Tốt Tốt Từ_chối X 5 MSC Vừa Tốt Trung_bìn h Từ_chối X 8 MCE Thấp Không Xuất_sắc Từ_chối Ta có ma trận phân biệt tương ứng là đối xứng và có đường chéo rỗng: [x 1 ] [x 4 ] [x 6 ] [x 7 ] [x 2 ] [x 3 ] [x 5 ] x 8 ] [x 1 ] ∅ [x 4 ] ∅ ∅ [x 6 ] ∅ ∅ ∅ [x 7 ] ∅ ∅ ∅ ∅ [x 2 ] e, r d, e d, e, r e, f, r ∅ [x 3 ] d, e, r d, e, r d, e, r d, e, f ∅ ∅ [x 5 ] d, r e e, r d, e, f, r ∅ ∅ ∅ [x 8 ] d, e, f d, e, f, r d, e, f d, e, r ∅ ∅ ∅ ∅ c. Hàm phân biệt Hàm phân biệt f S của hệ thông tin S là một hàm bool của m biến bool a * 1 ; …;a * m (ứng với các thuộc tính a 1 ;…;a m ) và được định nghĩa như sau : f IS (a * 1 ;…;a * m ) = ∧{∨ | 1 ≤ j ≤ i ≤ n, c ij ≠ ∅} trong đó = {a * | a ∈ c ij } Tập các đơn thức của f IS xác định tập các rút gọn của IS. Ví dụ 5.c: Từ ví dụ 5.b, ta có hàm phân biệt liên quan đến quyết định là Từ định nghĩa của ma trận phân biệt liên quan đến quyết định, tiến hành chọn một cột của ma trận bất khả phân biệt (ví dụ như tương ứng với [x 1 ]) và đơn giản hóa nó cho hàm tối tiểu phân biệt [x 1 ] với các đối tượng thuộc vào các lớp quyết định tương ứng từ các đối tượng thuộc về các lớp quyết định khác (ví dụ như cột thứ nhất cho hàm bool là (e∨r)(d∨e∨r)(d∨r)(d∨e∨f), ta đơn giản hóa trở thành ed∨rd∨re∨rf. Ta thấy các trường hợp x 1 và x 6 đúng với luật “Nếu Giới_thiệu là Xuất_sắc và Tiếng_Anh là Tốt thì Tuyển_dụng là Chấp_nhận”. Nếu một hàm bool như trường hợp hàm phân biệt k-tương đối được xâu dựng bằng việc giới hạn chỉ duyệt trên các cột liên quan đến các đối tượng với quyết BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 9 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS. TS. ĐỖ PHÚC định trên x k thì ta thu được hàm phân biệt (k, d) tương đối. Các luật quyết định với số lượng điều kiện ít nhất ở vế trái có thể được xây dựng từ các đơn thức của các hàm này. 6. Phụ thuộc thuộc tính Một vấn đề quan trọng khác trong phân tích dữ liệu là phát hiện sự phụ thuộc giữa các thuộc tính. Bằng trực giác, một tập thuộc tính D phụ thuộc hoàn toàn vào một tập thuộc tính C (ký hiệu C ⇒ D), nếu tất cả giá trị của các thuộc tính trong D được xác định duy nhất bởi các giá trị của C. Cho D và C là các tập thuộc tính con của A. Ta nó rằng D phụ thuộc vào C ở mức k (0 ≤ k ≤ 1), ký hiệu C ⇒ k D nếu : Trong đó: được gọi là vùng dương của phép phân hoạch U theo tập thuộc tính D. Với C là tập mọi thành phần của U có thể được phân lớp theo phép phân hoạch U/D. Hiển nhiên: Nếu k = 1 ta nói rằng D phụ thuộc hoàn toàn vào C. Nếu k < 1 ta nói rằng D phụ thuộc một phần (theo mức độ k) vào C. BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 10 [...]...KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS TS ĐỖ PHÚC B ỨNG DỤNG TÍNH MA TRẬN PHÂN BIỆT 1 Giới thiệu Chương được viết bằng ngôn ngữ C# trên bộ Microsoft Visual C# 2010 Express Input: Bản quyết định từ file Excel Output: Ma trận phân biệt 2 Cài đặt Chương trình gồm một số hàm chính như sau: public public public public static static static static... public public static static static static DataTable ReadExcelContents(string fileName) bool BangQuyetDinhHopLe(DataGridView dataGridView) void XuLyBangQuyetDinh(ref DataGridView dataGridView) void TimMaTranPhanBiet(ref DataGridView dataGridView1, ref DataGridView dataGridView2) 3 Thử nghiệm BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 11 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC PGS TS ĐỖ PHÚC Trang 12... BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC PGS TS ĐỖ PHÚC Trang 13 KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ KHO DỮ LIỆU PGS TS ĐỖ PHÚC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Giáo trình Khai thác dữ liệu – PGS TS Đỗ Phúc 2 Giáo trình bài giảng Khai thác dữ liệu & Kho dữ liệu – PGS TS Đỗ Phúc 3 Một số tài liệu tham khảo từ internet BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC Trang 14 . MÔN HỌC KHAI PHÁ DỮ LIỆU & KHO DỮ LIỆU LÝ THUYẾT TẬP THÔ & ỨNG DỤNG TÌM MA TRẬN PHÂN BIỆT PGS. TS.: ĐỖ PHÚC HỌC VIÊN: NGUYỄN HOÀNG HUY MSHV: CH1101090 < 2012 > KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ. ĐỖ PHÚC A. LÝ THUYẾT TẬP THÔ 1. Tổng quan Lý thuyết tập thô được Z. Pawlak phát triển vào đầu thập niên 1980. Lý thuyết tập thô rất hiệu quả trong khai thác dữ liệu (KTDL), tìm kiếm thông tin,. toàn bộ tập thuộc tính và quan hệ tương đương với tập {Kinh_nghiệm, Giới_thiệu} là như nhau. b. Ma trận phân biệt Với S là một hệ thông tin có n đối tượng, ma trận phân biệt của S là một ma trận