关联规则概述

Posted 2022-09-23 马如林

     关联规则是数据挖掘的重要方面。我概述如下：

概论

数据关联是数据库中存在的一类重要的可被发现的知识。若两个或多个变量的取值之间存在某种规律性，就称为关联。关联可分为简单关联、时序关联、因果关联。关联分析的目的是找出数据库中隐藏的关联网。有时并不知道数据库中数据的关联函数，即使知道也是不确定的，因此关联分析生成的规则带有可信度。 关联规则挖掘发现大量数据中项集之间有趣的关联或相关联系。它在数据挖掘中是一个重要的课题，最近几年已被业界所广泛研究。关联规则挖掘的一个典型例子是购物篮分析。关联规则研究有助于发现交易数据库中不同商品（项）之间的联系，找出顾客购买行为模式，如购买了某一商品对购买其他商品的影响。分析结果可以应用于商品货架布局、货存安排以及根据购买模式对用户进行分类。 Agrawal等于 1993年首先提出了挖掘顾客交易数据库中项集间的关联规则问题^[20]，以后诸多的研究人员对关联规则的挖掘问题进行了大量的研究。他们的工作包括对原有的算法进行优化，如引入随机采样、并行的思想等，以提高算法挖掘规则的效率；对关联规则的应用进行推广。 最近也有独立于 Agrawal的频集方法的工作，以避免频集方法的一些缺陷，探索挖掘关联规则的新方法。也有一些工作注重于对挖掘到的模式的价值进行评估，他们提出的模型建议了一些值得考虑的研究方向。  

基本概念

在1993年，R.Agrawal等人首次提出了关联规则的概念。支持度（support）和置信度（confidence）两个阈值是描述关联规则的两个重要概念，支持度反映关联规则在数据库中的重要性，置信度衡量关联规则的可信程度。如果某条规则同时满足最小支持度（min-support）和最小置信度（min-confidence），则称它为强关联规则。

关联规则种类

我们将关联规则按不同的情况进行分类： (1) 基于规则中处理的变量的类别，关联规则可以分为布尔型和数值型。布尔型关联规则处理的值都是离散的、种类化的，它显示了这些变量之间的关系；而数值型关联规则可以和多维关联或多层关联规则结合起来，对数值型字段进行处理，将其进行动态的分割，或者直接对原始的数据进行处理，当然数值型关联规则中也可以包含种类变量。例如：性别=“女”=>职业=“秘书” ，是布尔型关联规则；性别=“女”=>avg（收入）=2300，涉及的收入是数值类型，所以是一个数值型关联规则。 (2) 基于规则中数据的抽象层次，可以分为单层关联规则和多层关联规则。在单层的关联规则中，所有的变量都没有考虑到现实的数据是具有多个不同的层次的；而在多层的关联规则中，对数据的多层性已经进行了充分的考虑。例如：IBM台式机=>Sony打印机，是一个细节数据上的单层关联规则；台式机=>Sony打印机，是一个较高层次和细节层次之间的多层关联规则。 (3) 基于规则中涉及到的数据的维数，关联规则可以分为单维的和多维的。在单维的关联规则中，我们只涉及到数据的一个维，如用户购买的物品；而在多维的关联规则中，要处理的数据将会涉及多个维。换成另一句话，单维关联规则是处理单个属性中的一些关系；多维关联规则是处理各个属性之间的某些关系。例如：啤酒=>尿布，这条规则只涉及到用户的购买的物品；性别=“女”=>职业=“秘书”，这条规则就涉及到两个字段的信息，是两个维上的一条关联规则。 关联规则挖掘的算法
(1) 经典频集方法
    Agrawal等于1993年首先提出了挖掘顾客交易数据库中项集间的关联规则问题，其核心方法是基于频集理论的递推方法。以后诸多的研究人员对关联规则的挖掘问题进行了大量的研究。他们的工作包括对原有的算法进行优化，如引入随机采样、并行的思想等，以提高算法挖掘规则的效率；提出各种变体，如泛化的关联规则、周期关联规则等，对关联规则的应用进行推广。 (2) 核心算法 Agrawal等在 1993年设计了一个基本算法，提出了挖掘关联规则的一个重要方法 — 这是一个基于两阶段频集思想的方法，将关联规则挖掘算法的设计可以分解为两个子问题： (1)找到所有支持度大于最小支持度的项集（ Itemset），这些项集称为频集（Frequent Itemset）。 (2)使用第 1步找到的频集产生期望的规则。这里的第2步相对简单一点。如给定了一个频集Y=I1I2...Ik，k³2，Ij∈I，产生只包含集合I1，I2，...，Ik中的项的所有规则(最多k条)，其中每一条规则的右部只有一项，(即形如[Y-Ii]ÞIi，"1£i£k)，这里采用的是中规则的定义。一旦这些规则被生成，那么只有那些大于用户给定的最小可信度的规则才被留下来。为了生成所有频集，使用了递推的方法。其核心思想如下： (1)     L1 = large 1-itemsets; (2)     for (k=2; Lk-1¹F; k++) do begin (3)       Ck=Apriori-gen(Lk-1);   //新的候选集 (4)       for all transactions tÎD do begin (5)           Ct=subset(Ck,t);    //事务 t中包含的候选集 (6)           for all candidates cÎ Ct  do (7)           c.count++; (8)       end (9)        Lk=cÎ Ck |c.count³minsup (10)    end (11)    Answer=ÈkLk; 首先产生频繁 1-项集L1，然后是频繁2-项集L2，直到有某个r值使得Lr为空，这时算法停止。这里在第k次循环中，过程先产生候选k-项集的集合Ck，Ck中的每一个项集是对两个只有一个项不同的属于Lk-1的频集做一个(k-2)-连接来产生的。Ck中的项集是用来产生频集的候选集，最后的频集Lk必须是Ck的一个子集。Ck中的每个元素需在交易数据库中进行验证来决定其是否加入Lk，这里的验证过程是算法性能的一个瓶颈。这个方法要求多次扫描可能很大的交易数据库，即如果频集最多包含10个项，那么就需要扫描交易数据库10遍，这需要很大的I/O负载。 在论文中， Agrawal等引入了修剪技术（Pruning）来减小候选集Ck的大小，由此可以显著地改进生成所有频集算法的性能。算法中引入的修剪策略基于这样一个性质：一个项集是频集当且仅当它的所有子集都是频集。那么，如果Ck中某个候选项集有一个(k-1)-子集不属于Lk-1，则这个项集可以被修剪掉不再被考虑，这个修剪过程可以降低计算所有的候选集的支持度的代价。文[6]中，还引入杂凑树（Hash Tree）方法来有效地计算每个项集的支持度。