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1
人工智能和机器学习之关联规则学习算法:Multi-Level
Association:关联规则学习的可视化工具
1 引言
1.1 关联规则学习的基本概念
关联规则学习是数据挖掘中的一种重要技术,主要用于发现数据集中的频
繁项集以及这些项集之间的关联性。在零售业、市场篮子分析、推荐系统等领
域有着广泛的应用。其核心思想是通过分析大量交易数据,找出哪些商品经常
一起被购买,从而为商家提供商品摆放、促销策略等方面的建议。
1.1.1 示例
假设我们有以下的交易数据集:
交易 ID
商品
1
{牛奶, 面包, 黄油}
2
{牛奶, 面包}
3
{面包, 黄油}
4
{牛奶, 黄油}
5
{牛奶, 面包, 黄油}
我们可以使用关联规则学习算法,如 Apriori 算法,来找出频繁项集和关联
规则。例如,我们可能会发现“牛奶 -> 面包”的规则,表示如果顾客买了牛奶,
他们也很可能买面包。
1.2 多级关联规则学习的重要性
传统的关联规则学习通常只关注单一层次的关联性,即只考虑商品之间的
直接关联。然而,在实际应用中,商品之间的关联可能存在于多个层次,例如,
商品类别、品牌、价格区间等。多级关联规则学习能够更全面地分析这些多层
次的关联性,从而提供更深入的洞察和更精准的推荐。
1.2.1 示例
考虑以下商品分类数据:
交易 ID
商品类别
1
{乳制品, 面包制品, 奶油制品}
2
{乳制品, 面包制品}
3
{面包制品, 奶油制品}
4
{乳制品, 奶油制品}
5
{乳制品, 面包制品, 奶油制品}
通过多级关联规则学习,我们不仅能够发现“乳制品 -> 面包制品”的规则,
2
还能够进一步分析出“乳制品 -> 面包制品 -> 奶油制品”的多层次关联规则,这
表明顾客在购买乳制品后,很可能继续购买面包制品,最后购买奶油制品。
1.3 关联规则学习的可视化工具
关联规则学习的结果往往包含大量的规则,直接阅读和理解这些规则可能
非常困难。因此,使用可视化工具来展示关联规则学习的结果变得尤为重要。
这些工具能够以图形化的方式展示规则,帮助用户更直观地理解商品之间的关
联性。
1.3.1 示例
假设我们使用了 Apriori 算法对上述交易数据进行了分析,得到了以下的关
联规则:
1. 牛奶 -> 面包 (支持度: 0.6, 置信度: 0.8)
2. 牛奶 -> 黄油 (支持度: 0.6, 置信度: 0.8)
3. 面包 -> 黄油 (支持度: 0.4, 置信度: 0.66)
我们可以使用如 matplotlib 或 seaborn 这样的 Python 可视化库来创建一个
规则网络图,其中节点代表商品,边代表规则,边的宽度可以表示规则的置信
度或支持度。
import matplotlib.pyplot as plt
import networkx as nx
#
创建一个空的有向图
G = nx.DiGraph()
#
添加节点
G.add_node('牛奶')
G.add_node('面包')
G.add_node('黄油')
#
添加边,边的权重表示置信度
G.add_edge('牛奶', '面包', weight=0.8)
G.add_edge('牛奶', '黄油', weight=0.8)
G.add_edge('面包', '黄油', weight=0.66)
#
使用权重来确定边的宽度
edge_widths = [d['weight'] for (u,v,d) in G.edges(data=True)]
#
绘制图形
pos = nx.spring_layout(G)
nx.draw(G, pos, with_labels=True, node_color='lightblue', edge_color=edge_widths, width=edge
_widths, edge_cmap=plt.cm.Blues)
plt.show()
3
通过这样的可视化,我们可以清晰地看到哪些规则的置信度较高,哪些商
品之间的关联性较强,从而为决策提供更直观的依据。
2 人工智能和机器学习之关联规则学习算法:Multi-Level
Association
2.1 Multi-Level Association 算法详解
2.1.1 算法的工作原理
Multi-Level Association (MLA) 算法是一种扩展的关联规则学习算法,它在传
统的 Apriori 算法基础上,引入了多层次分析的概念,能够挖掘出不同层次、不
同粒度的关联规则。在零售业、市场篮子分析、用户行为分析等领域,数据往
往具有层次结构,例如商品可以按类别、品牌、价格等不同层次进行分类。
MLA 算法能够有效地处理这种层次结构,发现隐藏在数据中的多层次关联模式。
MLA 算法的核心在于它能够处理层次属性,通过层次属性的分解和组合,
生成多层次的频繁项集。例如,对于商品数据,可以先在最细粒度(如具体商
品)上发现频繁项集,然后在较高层次(如商品类别)上再次发现频繁项集,
最后在最高层次(如商品大类)上发现频繁项集。这种多层次的挖掘能够提供
更丰富的关联规则,帮助决策者从不同角度理解数据。
2.1.2 算例分析
假设我们有以下的交易数据集,其中商品被分为不同的层次:
交易 ID
商品(细粒
度)
商品(类
别)
商品(大
类)
1
A
Food
Groceries
1
B
Food
Groceries
1
C
Drink
Beverages
2
D
Drink
Beverages
2
E
Food
Groceries
3
F
Food
Groceries
3
G
Drink
Beverages
4
H
Electronics
Electronics
4
I
Electronics
Electronics
2.1.2.1 代码示例
我们将使用 Python 的 mlxtend 库来实现 Multi-Level Association 算法。首先,
我们需要安装 mlxtend 库:
pip install mlxtend
接下来,我们编写代码来处理上述数据集:
4
import pandas as pd
from mlxtend.preprocessing import TransactionEncoder
from mlxtend.frequent_patterns import apriori, association_rules
#
定义交易数据
transactions = [
['A', 'B', 'C'],
['D', 'E'],
['F', 'G'],
['H', 'I']
]
#
定义商品层次
item_hierarchy = {
'A': {'category': 'Food', 'department': 'Groceries'},
'B': {'category': 'Food', 'department': 'Groceries'},
'C': {'category': 'Drink', 'department': 'Beverages'},
'D': {'category': 'Drink', 'department': 'Beverages'},
'E': {'category': 'Food', 'department': 'Groceries'},
'F': {'category': 'Food', 'department': 'Groceries'},
'G': {'category': 'Drink', 'department': 'Beverages'},
'H': {'category': 'Electronics', 'department': 'Electronics'},
'I': {'category': 'Electronics', 'department': 'Electronics'}
}
#
将层次信息添加到交易数据中
expanded_transactions = []
for transaction in transactions:
expanded = []
for item in transaction:
expanded.append(item)
expanded.append(item_hierarchy[item]['category'])
expanded.append(item_hierarchy[item]['department'])
expanded_transactions.append(expanded)
#
使用
TransactionEncoder
编码交易数据
te = TransactionEncoder()
te_ary = te.fit(expanded_transactions).transform(expanded_transactions)
df = pd.DataFrame(te_ary, columns=te.columns_)
#
应用
Apriori
算法
frequent_itemsets = apriori(df, min_support=0.2, use_colnames=True)
rules = association_rules(frequent_itemsets, metric="confidence", min_threshold=0.5)
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