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人工智能和机器学习之关联规则学习算法:H-Mine 算法的
优化策略
1 H-Mine 算法简介
1.1 1、H-Mine 算法的基本原理
H-Mine 算法是一种用于挖掘高维数据集中频繁项集的高效算法,尤其适用
于处理大规模数据集中的关联规则学习问题。与传统的 Apriori 算法相比,H-
Mine 算法通过减少候选集的生成和测试过程,显著提高了挖掘效率。
1.1.1 原理概述
H-Mine 算法的核心思想是利用哈希技术来减少频繁项集的搜索空间。它首
先通过构建哈希树来存储数据集中的项集,然后利用哈希树的特性来快速识别
频繁项集,避免了不必要的候选集生成和测试。
1.1.2 哈希树构建
哈希树是一种特殊的树形结构,其中每个节点都包含一个哈希表。在构建
哈希树时,H-Mine 算法首先对数据集进行扫描,将每个项集映射到哈希树的相
应节点中。这一过程利用了哈希函数的特性,确保相似的项集能够被存储在相
近的节点中,从而在后续的频繁项集挖掘过程中,可以快速定位到可能的频繁
项集。
1.1.3 频繁项集挖掘
在哈希树构建完成后,H-Mine 算法通过遍历哈希树来挖掘频繁项集。这一
过程利用了哈希树的结构特性,只对那些可能包含频繁项集的节点进行深入探
索,从而大大减少了搜索空间,提高了挖掘效率。
1.1.4 示例代码
以下是一个使用 Python 实现的 H-Mine 算法的简化示例,用于挖掘一个小
型数据集中的频繁项集:
#
导入必要的库
import itertools
from collections import defaultdict
#
定义数据集
dataset = [
['milk', 'bread', 'eggs'],
2
['milk', 'bread'],
['bread', 'eggs'],
['milk', 'eggs'],
['milk', 'bread', 'eggs'],
['bread', 'eggs'],
['milk', 'bread', 'eggs'],
['milk', 'bread'],
['bread', 'eggs'],
['milk', 'eggs']
]
#
定义最小支持度
min_support = 3
#
构建哈希树
def build_hash_tree(data, min_support):
hash_tree = defaultdict(int)
for transaction in data:
for itemset in itertools.combinations(transaction, 2):
hash_tree[itemset] += 1
return {k: v for k, v in hash_tree.items() if v >= min_support}
#
挖掘频繁项集
def mine_frequent_itemsets(data, min_support):
hash_tree = build_hash_tree(data, min_support)
frequent_itemsets = []
for itemset, support in hash_tree.items():
frequent_itemsets.append((itemset, support))
return frequent_itemsets
#
执行
H-Mine
算法
frequent_itemsets = mine_frequent_itemsets(dataset, min_support)
#
输出结果
print("频繁项集:")
for itemset, support in frequent_itemsets:
print(f"{itemset}: {support}")
1.1.5 代码解释
在上述代码中,我们首先定义了一个小型的数据集 dataset,以及一个最小
支持度 min_support。然后,我们定义了 build_hash_tree 函数来构建哈希树,
该函数通过遍历数据集中的每一笔交易,并对所有可能的二元组合进行计数,
来构建哈希树。接下来,我们定义了 mine_frequent_itemsets 函数来挖掘频繁项
3
集,该函数通过遍历哈希树,将支持度大于或等于最小支持度的项集筛选出来。
最后,我们执行了 H-Mine 算法,并输出了挖掘到的频繁项集。
1.2 2、H-Mine 算法在关联规则学习中的应用
关联规则学习是数据挖掘领域的一个重要分支,其目标是从大规模数据集
中发现变量之间的有趣关联或相关性。H-Mine 算法在关联规则学习中的应用主
要体现在其能够高效地挖掘出频繁项集,从而为后续的关联规则生成提供基础。
1.2.1 应用场景
H-Mine 算法特别适用于处理高维数据集,例如超市购物篮分析、用户行为
分析等场景。在这些场景中,数据集通常包含大量的项,而 H-Mine 算法通过哈
希树的构建,能够有效地减少搜索空间,提高挖掘效率。
1.2.2 关联规则生成
在频繁项集挖掘完成后,H-Mine 算法可以进一步生成关联规则。这一过程
通常包括计算项集之间的置信度,以及根据置信度和最小置信度阈值来筛选出
满足条件的关联规则。
1.2.3 示例代码
以下是一个使用 Python 实现的关联规则生成的简化示例,基于上一节中挖
掘到的频繁项集:
#
定义最小置信度
min_confidence = 0.7
#
生成关联规则
def generate_association_rules(frequent_itemsets, min_confidence):
rules = []
for itemset, support in frequent_itemsets:
for i in range(1, len(itemset)):
for antecedent in itertools.combinations(itemset, i):
consequent = tuple(set(itemset) - set(antecedent))
confidence = support / sum([v for k, v in hash_tree.items() if set(k).issubset(set(anteced
ent))])
if confidence >= min_confidence:
rules.append(((antecedent, consequent), confidence))
return rules
#
执行关联规则生成
association_rules = generate_association_rules(frequent_itemsets, min_confidence)
4
#
输出结果
print("关联规则:")
for rule, confidence in association_rules:
print(f"{rule[0]} -> {rule[1]}: {confidence}")
1.2.4 代码解释
在上述代码中,我们首先定义了一个最小置信度 min_confidence。然后,
我们定义了 generate_association_rules 函数来生成关联规则,该函数通过遍历
挖掘到的频繁项集,并对所有可能的前件和后件组合进行计算,来生成关联规
则。最后,我们执行了关联规则生成,并输出了生成的关联规则。
通过 H-Mine 算法的高效频繁项集挖掘,以及后续的关联规则生成,我们可
以从大规模数据集中发现变量之间的有趣关联,为商业决策、用户行为分析等
提供有力支持。
1.3 H-Mine 算法的优化背景
1.3.1 1、传统关联规则学习算法的局限性
在数据挖掘领域,关联规则学习是一种关键的技术,用于发现数据集中的
有趣关联或相关性。其中,Apriori 算法是最为著名的传统算法之一,它通过频
繁项集的生成和规则的提取来发现关联规则。然而,Apriori 算法在处理大规模
数据集时存在显著的局限性:
1. 计算复杂度高:Apriori 算法需要多次扫描数据库,每次扫描生成
的频繁项集数量可能非常庞大,导致计算资源的大量消耗。
2. 内存需求大:算法在生成频繁项集的过程中,需要在内存中存储
大量的候选项集,对于大规模数据集,这可能超出系统的内存限制。
3. 效率低下:在生成频繁项集时,Apriori 算法会生成大量的候选项
集,其中很多最终并不会成为频繁项集,这导致了计算资源的浪费。
4. 不适用于动态数据:Apriori 算法在处理动态更新的数据集时效率
低下,因为它需要重新扫描整个数据库来更新频繁项集。
1.3.2 2、H-Mine 算法优化的必要性
为了解决上述传统关联规则学习算法的局限性,H-Mine 算法被提出。H-
Mine 算法是一种基于哈希结构的优化算法,它通过减少数据库扫描次数和候选
项集的生成,显著提高了关联规则学习的效率。H-Mine 算法的优化策略主要包
括:
1. 哈希结构的利用:H-Mine 算法使用哈希结构来存储和查找频繁项
集,这可以极大地减少内存需求和提高查找速度。
2. 单次数据库扫描:与 Apriori 算法需要多次扫描数据库不同,H-
Mine 算法通过一次数据库扫描即可生成所有频繁项集,大大提高了算法
的效率。
3. 动态更新机制:H-Mine 算法设计了动态更新机制,能够有效地处
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