数学建模教学：常用算法 --- Apriori-关联规则挖掘算法

0 前言

本人计算机研二，专业带队数学建模，长期更新建模教学，有需要的同学欢迎讨论～
本篇文章，本系列学长讲解一部分数学建模常用算法，会陆续更新每个算法的详细实现和使用教程

1 啤酒和尿布

Apriori算法是一种用于挖掘数据集内部关联规则的算法，“apriori”在拉丁语中翻译为“来自以前”，听意思你应该就能猜到了，这个算法是用先验知识来预测数据的关联规则的。

说到关联规则，有一个很有名的案例——啤酒与尿布。说，美国一家连锁店发现很多男性会在周四购买尿布和啤酒，这两种看似不相干的商品之间显现出强相关性，于是商家可以将啤酒货架放在尿布货架旁边以增加收益。

那么，啤酒与尿布的关系是如何被发现的呢？当然是通过关联算法，我们从Apriori算法开始吧，利用Apriori进行关联分析。

2 Apriori原理

先介绍两个概念

• 支持度support：数据集中包含该项集的数据所占数据集的比例，度量一个集合在原始数据中出现的频率
• 置信度confidence：是针对一条关联规则来定义的，a->b的置信度=支持度{a|b}/支持度{a}，a|b表示ab的并集

关联分析有两个目标：

• 发现频繁项集（频繁项集是满足最小支持度要求的项集，它给出经常在一起出现的元素项）
• 发现关联规则（关联规则意味着元素项之间“如果…那么…”的关系）

Apriori原理

如果某个项集是频繁的，那么它的所有子集也是频繁的
如果某个项集是非频繁的，那么它的所有超集也是非频繁的
基于此，Apriori算法从单元素项集开始，通过组合满足最小支持度的项集来形成更大的集合
其实Apriori就是通过排除法来选择频繁项集和关联规则，下面我们根据这样的原理用python实现算法。

3 Apriori代码实现

3.1 挖掘频繁项集

挖掘频繁项集的逻辑如下图

#加载数据集
def loadDataSet():
    return [[1,3,4],[2,3,5],[1,2,3,5],[2,5]]

#选取数据集的非重复元素组成候选集的集合C1
def createC1(dataSet):
    C1=[]
    for transaction in dataSet: #对数据集中的每条购买记录
        for item in transaction: #对购买记录中的每个元素
            if [item] not in C1: #注意，item外要加上[]，便于与C1中的[item]对比
                C1.append([item])
    C1.sort()
    return list(map(frozenset,C1)) #将C1各元素转换为frozenset格式，注意frozenset作用对象为可迭代对象

#由Ck产生Lk：扫描数据集D，计算候选集Ck各元素在D中的支持度，选取支持度大于设定值的元素进入Lk
def scanD(D,Ck,minSupport):
    ssCnt={
     }
    for tid in D: #对数据集中的每条购买记录
        for can in Ck: #遍历Ck所有候选集
            if can.issubset(tid): #如果候选集包含在购买记录中，计数+1
                ssCnt[can]=ssCnt.get(can,0)+1
    numItems=float(len(D)) #购买记录数
    retList=[] #用于存放支持度大于设定值的项集
    supportData={
     } #用于记录各项集对应的支持度
    for key in ssCnt.keys():
        support=ssCnt[key]/numItems
        if support>=minSupport:
            retList.insert(0,key)
        supportData[key]=support
    return retList,supportData

#由Lk产生Ck+1
def aprioriGen(Lk,k): #Lk的k和参数k不是同一个概念，Lk的k比参数k小1
    retList=[]
    lenLk=len(Lk)
    for i in range(lenLk):
        for j in range(i+1,lenLk): #比较Lk中的每一个元素与其他元素
            L1=list(Lk[i])[:k-2];L2=list(Lk[j])[:k-2]
            L1.sort();L2.sort()
            if L1==L2: #若前k-2项相同，则合并这两项
                retList.append(Lk[i]|Lk[j])
    return retList

#Apriori算法主函数
def apriori(dataSet,minSupport=0.5):
    C1=createC1(dataSet)
    D=list(map(set,dataSet))
    L1,supportData=scanD(D,C1,minSupport)
    L=[L1]
    k=2
    while len(L[k-2])>0: #当L[k]为空时，停止迭代
        Ck=aprioriGen(L[k-2],k) #L[k-2]对应的值是Lk-1
        Lk,supK=scanD(D,Ck,minSupport)
        supportData.update(supK)
        L.append(Lk)
        k+=1
    return L,supportData

我们来测试一下

dataset=loadDataSet()
C1=createC1(dataset)
D=list(map(set,dataset))
L1,supportData0=scanD(D,C1,0.5)
L,supportData=apriori(dataset,minSupport=0.5)

可以看到，频繁项集如上图，{1,2,3,5,{2,3},{3,5},{2,5},{1,3},{2,3,5}}都是频繁项集。得到了频繁项集，接下来我们看看频繁项集之间的关联规则。

3.2 从频繁项集挖掘关联规则

挖掘关联规则原理如下：若某条规则不满足最小置信度要求，则该规则的所有子集也不满足最小置信度要求

# 主函数，由频繁项集以及对应的支持度，得到各条规则的置信度，选择置信度满足要求的规则为关联规则
# 为了避免将所有数据都对比一遍，采用与上述相同的逻辑减少计算量——一层一层计算筛选
def generateRules(L,supportData,minConf=0.7):
    bigRuleList=[]
    for i in range(1,len(L)):
        for freqSet in L[i]:
            H1=[frozenset([item]) for item in freqSet] # H1是频繁项集单元素列表，是关联规则中a->b的b项
            if i>1:
                rulesFromConseq(freqSet,H1,supportData,bigRuleList,minConf)
            else:
                calConf(freqSet,H1,supportData,bigRuleList,minConf)
    return bigRuleList

# 置信度计算函数
def calConf(freqSet,H,supportData,brl,minConf=0.7):
    prunedH=[] # 用于存放置信度满足要求的关联规则的b项，即“提纯后的H”
    for conseq in H:
        conf=supportData[freqSet]/supportData[freqSet-conseq]
        if conf>=minConf:
            print (freqSet-conseq,'-->',conseq,'conf:',conf)
            brl.append([freqSet-conseq,conseq,conf])
            prunedH.append(conseq)
    return prunedH

# 关联规则合并函数
def rulesFromConseq(freqSet,H,supportData,brl,minConf=0.7):
    m=len(H[0])
    if len(freqSet)>(m+1): #查看频繁项集freqSet是否大到可以移除大小为m的子集
        Hmp1=aprioriGen(H,m+1) # 从Hm合并Hm+1
        Hmp1=calConf(freqSet,Hmp1,supportData,brl,minConf)
        if len(Hmp1)>1: #若合并后的Hm+1的元素大于1个，则继续合并
            rulesFromConseq(freqSet,Hmp1,supportData,brl,minConf)

可以看到，如果有5那么必定有2，如果有3，那么66.7%的可能性有2,5……

3.3 总结

本文简述关联分析算法Apriori算法的原理，然后用python3进行了实操，需要注意的是，Apriori算法的缺点——每次增加频繁项集大小时(即Ck->Lk时)，算法需要重新扫描整个数据集，当数据集很大时，算法效率很低。

解决方法是FP-Growth算法，这个算法我们下一次讲解。