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人工智能和机器学习之关联规则学习算法:Sequence
Mining 教程
1 序言
1.1 1 什么是 Sequence Mining
Sequence Mining,即序列挖掘,是数据挖掘领域中的一种重要技术,用于
发现事件序列中的模式。与传统的关联规则学习不同,序列挖掘关注的是时间
顺序上的关联性,即在一系列事件中,哪些事件倾向于按照特定的顺序发生。
这种技术在多种场景下都有应用,如顾客购买行为分析、网页浏览模式识别、
生物序列分析等。
1.1.1 原理
序列挖掘的核心在于识别出频繁出现的事件序列,即在数据集中出现频率
超过一定阈值的序列。这些序列可以是顾客在超市购物时的购买顺序,网页用
户访问的页面顺序,或者生物信息学中的 DNA 序列。算法通过扫描数据集,构
建候选序列,然后计算每个序列的频率,最终筛选出频繁序列。
1.1.2 内容
� 序列的定义:序列是由一系列事件组成的有序集合,每个事件在
序列中都有一个时间戳。
� 频繁序列:在数据集中出现频率超过预设阈值的序列。
� 序列挖掘算法:包括 AprioriAll、GSP、PrefixSpan 等,这些算法各
有特点,适用于不同类型的数据和需求。
1.2 2 Sequence Mining 在现实世界中的应用
序列挖掘在现实世界中有广泛的应用,以下是一些典型场景:
1.2.1 顾客购买行为分析
在零售业,通过分析顾客的购买历史,可以发现顾客倾向于先购买哪些商
品,再购买哪些商品。例如,顾客在购买面包后,很可能接着购买牛奶。这种
信息对于商品摆放、促销策略制定等都有重要价值。
1.2.2 网页浏览模式识别
在互联网领域,序列挖掘可以用于分析用户的网页浏览行为,识别出用户
访问网页的常见模式。这对于优化网站结构、提高用户体验、个性化推荐等都
2
有帮助。
1.2.3 生物信息学
在生物信息学中,序列挖掘用于分析 DNA 或蛋白质序列,识别出可能具有
生物学意义的序列模式,如基因调控区域的识别。
1.2.4 示例:使用 Python 进行序列挖掘
假设我们有一组顾客的购买记录数据,如下所示:
#
购买记录数据
transactions = [
['牛奶', '面包', '黄油'],
['面包', '果酱'],
['牛奶', '面包', '果酱'],
['面包', '黄油'],
['牛奶', '面包', '黄油', '果酱']
]
我们可以使用 mlxtend 库中的 apriori 和 association_rules 函数来挖掘序列模
式:
import pandas as pd
from mlxtend.preprocessing import TransactionEncoder
from mlxtend.frequent_patterns import apriori, association_rules
#
将交易数据转换为
one-hot
编码
te = TransactionEncoder()
te_ary = te.fit(transactions).transform(transactions)
df = pd.DataFrame(te_ary, columns=te.columns_)
#
使用
Apriori
算法挖掘频繁项集
frequent_itemsets = apriori(df, min_support=0.6, use_colnames=True)
#
生成关联规则
rules = association_rules(frequent_itemsets, metric="confidence", min_threshold=0.7)
print(rules)
这段代码首先将交易数据转换为 one-hot 编码,然后使用 Apriori 算法挖掘
频繁项集,最后生成关联规则。通过调整 min_support 和 min_threshold 参数,
可以控制挖掘出的模式的最小支持度和最小置信度。
1.2.5 结论
Sequence Mining 是一种强大的数据挖掘技术,能够揭示事件序列中的隐藏
模式,对于商业决策、用户行为分析、生物信息学研究等领域都有重要应用。
通过实际操作和应用,我们可以更深入地理解其原理和价值。
3
1.3 基础知识
1.3.1 1 关联规则学习简介
关联规则学习是数据挖掘中的一种重要方法,主要用于发现数据集中的频
繁模式、关联或因果结构。在零售业、市场篮子分析、医疗诊断、网络日志分
析等领域有着广泛的应用。其核心是找出数据集中项之间的有趣关系,这些关
系可以用于预测或推荐。
1.3.1.1 示例:Apriori 算法
Apriori 算法是关联规则学习中最著名的算法之一,它基于频繁项集的性质,
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。算法通过迭代
地生成候选集并计算其支持度来找出所有频繁项集。
#
导入所需库
from mlxtend.preprocessing import TransactionEncoder
from mlxtend.frequent_patterns import apriori
#
示例数据
dataset = [['Milk', 'Eggs', 'Bread'],
['Milk', 'Eggs'],
['Bread', 'Butter', 'Eggs'],
['Milk', 'Butter'],
['Milk', 'Bread', 'Butter', 'Eggs']]
#
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
frequent_itemsets = apriori(df, min_support=0.4, use_colnames=True)
print(frequent_itemsets)
1.3.2 2 序列模式挖掘原理
序列模式挖掘是关联规则学习的一个扩展,它不仅考虑项集的频繁出现,
还考虑项集出现的顺序。在序列模式挖掘中,我们寻找的是频繁序列,即在数
据集中频繁出现的项的有序集合。
4
1.3.2.1 示例:SPADE 算法
SPADE 算法(Sequences of PAtterns Discovery using Equivalence classes)是
一种高效的序列模式挖掘算法,它通过构建一个基于等价类的压缩数据结构来
减少计算量。
#
导入所需库
from spade import spade
#
示例数据
sequences = [
['Milk', 'Eggs', 'Bread'],
['Milk', 'Eggs'],
['Bread', 'Butter', 'Eggs'],
['Milk', 'Butter'],
['Milk', 'Bread', 'Butter', 'Eggs']
]
#
应用
SPADE
算法
prules = spade(sequences, support=0.4)
for rule in prules:
print(rule)
1.3.3 3 频繁项集与支持度
频繁项集是指在数据集中出现频率超过给定阈值的项集。支持度是衡量频
繁项集的重要指标,它定义为数据集中包含该项集的交易数占总交易数的比例。
1.3.3.1 示例:计算支持度
#
导入所需库
from mlxtend.preprocessing import TransactionEncoder
from mlxtend.frequent_patterns import association_rules
#
示例数据
dataset = [['Milk', 'Eggs', 'Bread'],
['Milk', 'Eggs'],
['Bread', 'Butter', 'Eggs'],
['Milk', 'Butter'],
['Milk', 'Bread', 'Butter', 'Eggs']]
#
数据预处理
te = TransactionEncoder()
te_ary = te.fit(dataset).transform(dataset)
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