Apriori算法是经典的挖掘频繁项集和关联规则的数据挖掘算法。A priori在拉丁语中指"来自以前"。当定义问题时,通常会使用先验知识或者假设,这被称作"一个先验"(a priori)。Apriori算法的名字正是基于这样的事实:算法使用频繁项集性质的先验性质,即频繁项集的所有非空子集也一定是频繁的。Apriori算法使用一种称为逐层搜索的迭代方法,其中k项集用于探索 ( k + 1 ) (k+1) (k+1)项集。首先,通过扫描数据库,累计每个项的计数,并收集满足最小支持度的项,找出频繁1项集的集合。该集合记为 L 1 L_1 L1。然后,使用 L 1 L_1 L1找出频繁2项集的集合 L 2 L_2 L2,使用 L 2 L_2 L2找出 L 3 L_3 L3,如此下去,直到不能再找到频繁k项集。每找出一个 L k L_k Lk需要一次数据库的完整扫描。Apriori算法使用频繁项集的先验性质来压缩搜索空间。
项与项集:设 i t e m s e t = i t e m 1 , i t e m 2 , … , i t e m m itemset={item_1, item_2, …, item_m} itemset=item1,item2,…,itemm是所有项的集合,其中, i t e m k , ( k = 1 , 2 , … , m ) item_k,(k=1,2,…,m) itemk,(k=1,2,…,m)称为项。项的集合称为项集 ( i t e m s e t ) (itemset) (itemset),包含k个项的项集称为k项集 ( k − i t e m s e t ) (k-itemset) (k−itemset)。
事务与事务集:一个事务T是一个项集,它是itemset的一个子集,每个事务均与一个唯一标识符Tid相联系。不同的事务一起组成了事务集D,它构成了关联规则发现的事务数据库。
关联规则:关联规则是形如 A ⇒ B A\Rightarrow B A⇒B的蕴涵式,其中A、B均为 i t e m s e t itemset itemset的子集且均不为空集,而A交B为空。
支持度(support):关联规则的支持度定义为
s u p p o r t ( A ⇒ B ) = P ( A ∪ B ) support(A\Rightarrow B)=P(A \cup B) support(A⇒B)=P(A∪B)
其中 P ( A ∪ B ) P(A \cup B) P(A∪B)表示事务包含集合A和B的并的概率。
置信度(confidence):关联规则的置信度定义为:
c o n f i d e n c e ( A ⇒ B ) = P ( B ∣ A ) = s u p p o r t ( A ∪ B ) s u p p o r t ( A ) = s u p p o r t _ c o u n t ( A ∪ B ) s u p p o r t _ c o u n t ( A ) confidence(A\Rightarrow B)=P(B|A)=\frac{support(A\cup B)}{support(A)}=\frac{support\_count(A\cup B)}{support\_count(A)} confidence(A⇒B)=P(B∣A)=support(A)support(A∪B)=support_count(A)support_count(A∪B)
项集的出现频度(support count):包含项集的事务数,简称为项集的频度、支持度计数或计数。
频繁项集(frequent itemset):如果项集 I I I的相对支持度满足事先定义好的最小支持度阈值(即 I I I的出现频度大于相应的最小出现频度(支持度计数)阈值),则 I I I是频繁项集。
强关联规则:满足最小支持度和最小置信度的关联规则,即待挖掘的关联规则。
一般而言,关联规则的挖掘是一个两步过程:1.找出所有的频繁项集。2.由频繁项集产生强关联规则。
连接步骤:频繁 k − 1 k-1 k−1项集 L k − 1 L_{k-1} Lk−1的自身连接产生候选k项集 C k C_k Ck
Apriori算法假定项集中的项按照字典序排序。如果 L k − 1 L_{k-1} Lk−1中某两个的元素(项集) i t e m s e t 1 itemset_1 itemset1和 i t e m s e t 2 itemset_2 itemset2的前 k − 2 k-2 k−2个项是相同的,则称 i t e m s e t 1 itemset_1 itemset1和 i t e m s e t 2 itemset_2 itemset2是可连接的。所以 i t e m s e t 1 itemset_1 itemset1与 i t e m s e t 2 itemset_2 itemset2连接产生的结果项集是{$itemset_1[1], i t e m s e t 1 [ 2 ] itemset_1[2] itemset1[2], …, i t e m s e t 1 [ k − 1 ] itemset_1[k-1] itemset1[k−1],$ itemset_2[k-1]$}。连接步骤包含在下文代码中的create_Ck函数中。
剪枝策略
由于存在先验性质:任何非频繁的 k − 1 k-1 k−1项集都不是频繁 k k k项集的子集。因此,如果一个候选 k k k项集 C k C_k Ck的 k − 1 k-1 k−1项子集不在 L k − 1 L_{k-1} Lk−1中,则该候选也不可能是频繁的,从而可以从 C k C_k Ck中删除,获得压缩后的 C k C_k Ck。下文代码中的is_apriori函数用于判断是否满足先验性质,create_Ck函数中包含剪枝步骤,即若不满足先验性质,剪枝。
删除策略
基于压缩后的 C k C_k Ck,扫描所有事务,对 C k C_k Ck中的每个项进行计数,然后删除不满足最小支持度的项,从而获得频繁 k k k项集。删除策略包含在下文代码中的generate_Lk_by_Ck函数中。
(1)每个项都是候选 1 1 1项集的集合 C 1 C_1 C1的成员。算法扫描所有的事务,获得每个项,生成 C 1 C_1 C1(见下文代码中的create_C1函数)。然后对每个项进行计数。然后根据最小支持度从 C 1 C_1 C1中删除不满足的项,从而获得频繁 1 1 1项集 L 1 L_1 L1。
(2)对 L 1 L_1 L1的自身连接生成的集合执行剪枝策略产生候选 2 2 2项集的集合 C 2 C_2 C2,然后,扫描所有事务,对 C 2 C_2 C2中每个项进行计数。同样的,根据最小支持度从 C 2 C_2 C2中删除不满足的项,从而获得频繁 2 2 2项集 L 2 L_2 L2。
(3)对 L 2 L_2 L2的自身连接生成的集合执行剪枝策略产生候选 3 3 3项集的集合 C 3 C_3 C3,然后,扫描所有事务,对 C 3 C_3 C3每个项进行计数。同样的,根据最小支持度从 C 3 C_3 C3中删除不满足的项,从而获得频繁 3 3 3项集 L 3 L_3 L3。
(4)以此类推,对 L k − 1 L_{k-1} Lk−1的自身连接生成的集合执行剪枝策略产生候选 k k k项集 C k C_k Ck,然后,扫描所有事务,对 C k C_k Ck中的每个项进行计数。然后根据最小支持度从 C k C_k Ck中删除不满足的项,从而获得频繁 k k k项集。
一旦找出了频繁项集,就可以直接由它们产生强关联规则。产生步骤如下:
def load_data_set():
"""
加载一个样本数据集(来自数据挖掘:概念和技术,第3版)
返回:
数据集:事务列表。每个事务都包含若干项。
"""
data_set = [['l1', 'l2', 'l5'], ['l2', 'l4'], ['l2', 'l3'],
['l1', 'l2', 'l4'], ['l1', 'l3'], ['l2', 'l3'],
['l1', 'l3'], ['l1', 'l2', 'l3', 'l5'], ['l1', 'l2', 'l3']]
return data_set
def create_C1(data_set):
"""
通过扫描数据集创建频繁候选1-itemset C1。
参数:
data_set:事务列表。每个事务都包含若干项。
返回:
C1:包含所有频繁候选1-项目集的集合
"""
C1 = set()
for t in data_set:
for item in t:
item_set = frozenset([item])
C1.add(item_set)
return C1
def is_apriori(Ck_item, Lksub1):
"""
判断频繁候选k-项集是否满足Apriori性质。
参数:
Ck_item: Ck中的一个频繁候选k-itemset,它包含所有的频繁项
k-itemsets候选人。
Lksub1: Lk-1,一个包含所有频繁候选(k-1)项集的集合。
返回:
真:满足Apriori性质。
错误:不满足Apriori性质。
"""
for item in Ck_item:
sub_Ck = Ck_item - frozenset([item])
if sub_Ck not in Lksub1:
return False
return True
def create_Ck(Lksub1, k):
"""
创建Ck,一个包含所有频繁候选k-itemset的集合
通过Lk-1自己的连接操作。
参数:
Lksub1: Lk-1,一个包含所有频繁候选(k-1)项集的集合。
k:频繁项目集的项目号。
返回:
Ck:包含所有频繁候选k-itemset的集合。
"""
Ck = set()
len_Lksub1 = len(Lksub1)
list_Lksub1 = list(Lksub1)
for i in range(len_Lksub1):
for j in range(1, len_Lksub1):
l1 = list(list_Lksub1[i])
l2 = list(list_Lksub1[j])
l1.sort()
l2.sort()
if l1[0:k-2] == l2[0:k-2]:
Ck_item = list_Lksub1[i] | list_Lksub1[j]
# pruning
if is_apriori(Ck_item, Lksub1):
Ck.add(Ck_item)
return Ck
def generate_Lk_by_Ck(data_set, Ck, min_support, support_data):
"""
通过从Ck执行删除策略来生成Lk。
参数:
data_set:事务列表。每个事务都包含若干项。
Ck:包含所有频繁候选k-itemset的集合。
min_support:最小支持度。
support_data:一个字典。关键字为“frequent itemset”,取值为“support”。
返回:
Lk:包含所有频繁k-itemset的集合。
"""
Lk = set()
item_count = {}
for t in data_set:
for item in Ck:
if item.issubset(t):
if item not in item_count:
item_count[item] = 1
else:
item_count[item] += 1
t_num = float(len(data_set))
for item in item_count:
if (item_count[item] / t_num) >= min_support:
Lk.add(item)
support_data[item] = item_count[item] / t_num
return Lk
def generate_L(data_set, k, min_support):
"""
生成所有频繁项集。
参数:
data_set:事务列表。每个事务都包含若干项。
k:所有频繁项目集的最大项目数量。
min_support:最小支持度。
返回:
L: Lk的名单。
support_data:一个字典。关键字为“frequent itemset”,取值为“support”。
"""
support_data = {}
C1 = create_C1(data_set)
L1 = generate_Lk_by_Ck(data_set, C1, min_support, support_data)
Lksub1 = L1.copy()
L = []
L.append(Lksub1)
for i in range(2, k+1):
Ci = create_Ck(Lksub1, i)
Li = generate_Lk_by_Ck(data_set, Ci, min_support, support_data)
Lksub1 = Li.copy()
L.append(Lksub1)
return L, support_data
def generate_big_rules(L, support_data, min_conf):
"""
从频繁项目集生成强规则。
参数:
L: Lk的名单。
support_data:一本字典。关键字为“frequent itemset”,取值为“support”。
min_conf:最小的置信度。
返回:
big_rule_list:包含所有大规则的列表。每个大规则都表示为一个3元组。
"""
big_rule_list = []
sub_set_list = []
for i in range(0, len(L)):
for freq_set in L[i]:
for sub_set in sub_set_list:
if sub_set.issubset(freq_set):
conf = support_data[freq_set] / support_data[freq_set - sub_set]
big_rule = (freq_set - sub_set, sub_set, conf)
if conf >= min_conf and big_rule not in big_rule_list:
big_rule_list.append(big_rule)
sub_set_list.append(freq_set)
return big_rule_list
if __name__ == "__main__":
"""
Test
"""
data_set = load_data_set()
L, support_data = generate_L(data_set, k=3, min_support=0.2)
big_rules_list = generate_big_rules(L, support_data, min_conf=0.7)
for Lk in L:
print "="*50
print "frequent " + str(len(list(Lk)[0])) + "-itemsets\t\tsupport"
print "="*50
for freq_set in Lk:
print freq_set, support_data[freq_set]
print
print "Big Rules"
for item in big_rules_list:
print item[0], "=>", item[1], "conf: ", item[2]
代码运行结果如下图: