关联分析 (信息技术)

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关联分析(Associative Analysis)

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什么是关联分析

  关联分析指的是在交易数据、关系数据或其他信息载体中,查找存在于项目集合或对象集合之间的频繁模式、关联、相关性或因果结构。或者说,关联分析是发现交易数据库中不同商品(项)之间的联系。

  关联分析是一种简单、实用的分析技术,就是发现存在于大量数据集中的关联性或相关性,从而描述了一个事物中某些属性同时出现的规律和模式。

  关联分析是从大量数据中发现项集之间有趣的关联和相关联系。关联分析的一个典型例子是购物篮分析。该过程通过发现顾客放人其购物篮中的不同商品之间的联系,分析顾客购买习惯。通过了解哪些商品频繁地被顾客同时购买,这种关联的发现可以帮助零售商制定营销策略。其他的应用还包括价目表设计、商品促销、商品的排放和基于购买模式的顾客划分。

  可从数据库中关联分析出形如“由于某些事件的发生而引起另外一些事件的发生”之类的规则。如“67%的顾客在购买啤酒的同时也会购买尿布”,因此通过合理的啤酒和尿布的货架摆放或捆绑销售可提高超市的服务质量效益。又如“‘C语言’课程优秀的同学,在学习‘数据结构’时为优秀的可能性达88%”,那么就可以通过强化“C语言”的学习来提高教学效果。

关联分析的方法

  Apriori算法

  Apriori算法是挖掘产生布尔关联规则所需频繁项集的基本算法,也是最著名的关联规则挖掘算法之一。Apriori算法就是根据有关频繁项集特性的先验知识而命名的。它使用一种称作逐层搜索的迭代方法,k—项集用于探索(k+1)—项集。首先,找出频繁1—项集的集合.记做L1,L1用于找出频繁2—项集的集合L2,再用于找出L3,如此下去,直到不能找到频繁k—项集。找每个Lk需要扫描一次数据库。

  为提高按层次搜索并产生相应频繁项集的处理效率,Apriori算法利用了一个重要性质,并应用Apriori性质来帮助有效缩小频繁项集的搜索空间。

  Apriori性质:一个频繁项集的任一子集也应该是频繁项集。证明根据定义,若一个项集I不满足最小支持度阈值min_sup,则I不是频繁的,即P(I)<min_sup。若增加一个项A到项集I中,则结果新项集(I∪A)也不是频繁的,在整个事务数据库中所出现的次数也不可能多于原项集I出现的次数,因此P(I∪A)<min_sup,即(I∪A)也不是频繁的。这样就可以根据逆反公理很容易地确定Apriori性质成立。

  针对Apriori算法的不足,对其进行优化:

  (1)基于划分的方法。该算法先把数据库从逻辑上分成几个互不相交的块,每次单独考虑一个分块并对它生成所有的频繁项集,然后把产生的频繁项集合并,用来生成所有可能的频繁项集,最后计算这些项集的支持度。这里分块的大小选择要使得每个分块可以被放入主存,每个阶段只需被扫描一次。而算法的正确性是由每一个可能的频繁项集至少在某一个分块中是频繁项集保证的。

  上面所讨论的算法是可以高度并行的。可以把每一分块分别分配给某一个处理器生成频繁项集。产生频繁项集的每一个循环结束后.处理器之间进行通信来产生全局的候选是一项集。通常这里的通信过程是算法执行时间的主要瓶颈。而另一方面,每个独立的处理器生成频繁项集的时间也是一个瓶颈。其他的方法还有在多处理器之间共享一个杂凑树来产生频繁项集,更多关于生成频繁项集的并行化方法可以在其中找到。

  (2)基于Hash的方法。Park等人提出了一个高效地产生频繁项集的基于杂凑(Hash)的算法。通过实验可以发现,寻找频繁项集的主要计算是在生成频繁2—项集Lk上,Park等就是利用这个性质引入杂凑技术来改进产生频繁2—项集的方法。

  (3)基于采样的方法。基于前一遍扫描得到的信息,对它详细地做组合分析,可以得到一个改进的算法,其基本思想是:先使用从数据库中抽取出来的采样得到一些在整个数据库中可能成立的规则,然后对数据库的剩余部分验证这个结果。这个算法相当简单并显著地减少了FO代价,但是一个很大的缺点就是产生的结果不精确,即存在所谓的数据扭曲(Dataskew)。分布在同一页面上的数据时常是高度相关的,不能表示整个数据库中模式的分布,由此而导致的是采样5%的交易数据所花费的代价同扫描一遍数据库相近。

  (4)减少交易个数。减少用于未来扫描事务集的大小,基本原理就是当一个事务不包含长度为志的大项集时,则必然不包含长度为走k+1的大项集。从而可以将这些事务删除,在下一遍扫描中就可以减少要进行扫描的事务集的个数。这就是AprioriTid的基本思想。

  FP-growth算法

  由于Apriori方法的固有缺陷.即使进行了优化,其效率也仍然不能令人满意。2000年,Han Jiawei等人提出了基于频繁模式树(Frequent Pattern Tree,简称为FP-tree)的发现频繁模式的算法FP-growth。在FP-growth算法中,通过两次扫描事务数据库,把每个事务所包含的频繁项目按其支持度降序压缩存储到FP—tree中。在以后发现频繁模式的过程中,不需要再扫描事务数据库,而仅在FP-Tree中进行查找即可,并通过递归调用FP-growth的方法来直接产生频繁模式,因此在整个发现过程中也不需产生候选模式。该算法克服了Apriori算法中存在的问颢.在执行效率上也明显好于Apriori算法。

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