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人工智能和机器学习之关联规则学习算法:Sequence
Mining:关联规则学习基础理论
1 绪论
1.1 关联规则学习的定义
关联规则学习是一种在大数据集中发现有趣的关系或关联模式的机器学习
方法。这种方法主要用于市场篮子分析、推荐系统、以及任何需要理解不同项
目之间关系的场景。关联规则学习的目标是从交易数据库中找出所有可能的关
联规则,这些规则能够描述数据集中不同项目之间的统计相关性。
1.2 关联规则学习的应用场景
1.2.1 市场篮子分析
在零售业中,通过分析顾客的购买行为,可以发现哪些商品经常一起被购
买,从而优化商品布局,设计更有效的促销策略。
1.2.2 推荐系统
关联规则学习可以用于推荐系统,通过分析用户的历史行为,预测用户可
能感兴趣的产品或服务,提高用户满意度和转化率。
1.2.3 医疗诊断
在医疗领域,关联规则学习可以帮助识别疾病与症状之间的关联,辅助医
生进行更准确的诊断。
1.2.4 网络安全
在网络安全中,关联规则学习可以用于检测异常行为模式,帮助识别潜在
的网络攻击。
1.3 序列挖掘在关联规则学习中的重要性
序列挖掘是关联规则学习的一个分支,专注于发现事件序列中的模式。与
传统的关联规则学习不同,序列挖掘考虑了事件发生的顺序和时间。在许多领
域,如用户行为分析、生物信息学、时间序列预测等,事件的顺序和时间是至
关重要的信息。序列挖掘能够揭示这些顺序依赖性,从而提供更深入的洞察和
更准确的预测。
2
1.3.1 示例:市场篮子分析中的序列挖掘
假设我们有一个超市的交易数据集,记录了顾客的购买顺序。数据集如下:
交易 ID
商品序列
1
[牛奶, 面包, 黄油]
2
[面包, 黄油, 牛奶]
3
[黄油, 牛奶]
4
[面包, 牛奶]
5
[牛奶, 面包, 黄油, 鸡蛋]
在这个数据集中,我们想要找出顾客购买商品的常见序列。例如,我们可
能发现“顾客在购买牛奶后,往往会接着购买面包和黄油”。
1.3.2 Python 代码示例
使用 mlxtend 库进行序列挖掘:
from mlxtend.preprocessing import TransactionEncoder
from mlxtend.frequent_patterns import apriori, association_rules
from mlxtend.frequent_patterns import fpgrowth
from mlxtend.sequence_pattern_mining import frequent_sequence_mining
#
原始交易数据
dataset = [['牛奶', '面包', '黄油'],
['面包', '黄油', '牛奶'],
['黄油', '牛奶'],
['面包', '牛奶'],
['牛奶', '面包', '黄油', '鸡蛋']]
#
使用
TransactionEncoder
进行数据预处理
te = TransactionEncoder()
te_ary = te.fit(dataset).transform(dataset)
df = pd.DataFrame(te_ary, columns=te.columns_)
#
应用
Apriori
算法找出频繁项集
frequent_itemsets = apriori(df, min_support=0.4, use_colnames=True)
print(frequent_itemsets)
#
从频繁项集中生成关联规则
rules = association_rules(frequent_itemsets, metric="confidence", min_threshold=0.7)
print(rules)
#
使用
frequent_sequence_mining
进行序列挖掘
sequences = frequent_sequence_mining(df, min_support=0.4)
print(sequences)
在这个例子中,我们首先使用 TransactionEncoder 将商品序列转换为适合算
3
法处理的格式。然后,我们应用 Apriori 算法找出频繁项集,再从这些频繁项集
中生成关联规则。最后,我们使用 frequent_sequence_mining 函数进行序列挖
掘,找出频繁的商品购买序列。
通过序列挖掘,我们可以更深入地理解顾客的购买行为,为超市提供更有
效的商品布局和促销策略建议。
2 关联规则学习基础
关联规则学习是数据挖掘中的一种重要方法,用于发现数据集中项之间的
有趣关联或相关性。在零售、市场篮子分析、推荐系统等领域有着广泛的应用。
下面,我们将深入探讨关联规则学习的基础概念,包括频繁项集、支持度与置
信度的定义,以及 Apriori 算法的原理与步骤。
2.1 频繁项集的概念
2.1.1 定义
频繁项集是指在数据集中出现频率不低于某个最小支持度阈值的项集。这
里的“项”可以是商品、事件、特征等,而“项集”则是这些项的集合。
2.1.2 示例
假设我们有以下交易数据集:
交易 ID
商品
T1
{A, B, C}
T2
{A, B}
T3
{A, C}
T4
{B, C}
T5
{A, B, C}
如果设定最小支持度为 3/5,那么频繁项集包括:{A}, {B}, {C}, {A, B}, {A, C},
{B, C}, {A, B, C}。
2.2 支持度与置信度的定义
2.2.1 支持度
支持度(Support)是衡量一个项集在数据集中出现频率的指标,定义为包
含该项集的交易数占总交易数的比例。
2.2.2 置信度
置信度(Confidence)是衡量关联规则强度的指标,定义为规则前件出现时
后件出现的概率。具体计算公式为:置信度 = 支持度(前件+后件) / 支持度(前件)。
4
2.2.3 示例
继续使用上述数据集,考虑规则{A} -> {B}:
� 支持度({A}) = 4/5
� 支持度({A, B}) = 3/5
� 置信度({A} -> {B}) = 支持度({A, B}) / 支持度({A}) = (3/5) / (4/5) = 0.75
2.3 Apriori 算法的原理与步骤
Apriori 算法是一种用于挖掘频繁项集和关联规则的算法,其核心思想是利
用频繁项集的特性,即如果一个项集是频繁的,那么它的所有子集也应该是频
繁的。
2.3.1 步骤
1. 初始化:从单个项开始,计算所有单个项的支持度。
2. 生成候选集:基于频繁项集生成候选频繁项集。
3. 剪枝:根据候选集的支持度,去除不满足最小支持度的项集。
4. 迭代:重复步骤 2 和 3,直到无法生成新的频繁项集为止。
2.3.2 示例代码
下面是一个使用 Python 实现 Apriori 算法的示例代码:
#
导入所需库
from itertools import combinations
#
定义
Apriori
算法
def apriori(transactions, min_support):
#
初始化频繁项集
frequent_items = {}
for transaction in transactions:
for item in transaction:
if item in frequent_items:
frequent_items[item] += 1
else:
frequent_items[item] = 1
#
计算支持度
total_transactions = len(transactions)
frequent_items = {item: support for item, support in frequent_items.items() if support / total_
transactions >= min_support}
#
生成候选集
def generate_candidates(frequent_items):
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