数据挖掘实验报告:Apriori算法实现

数据挖掘实验报告

实验一:Apriori算法实现

一、Apriori算法简介

​ 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。

二、基本概念

  • 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) (kitemset)

  • 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 AB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(AB)=P(AB)
    其中 P ( A ∪ B ) P(A \cup B) P(AB)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(AB)=P(BA)=support(A)support(AB)=support_count(A)support_count(AB)

  • 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。

三、实现步骤

​ 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。

1.挖掘频繁项集

1)相关定义
  • 连接步骤:频繁 k − 1 k-1 k1项集 L k − 1 L_{k-1} Lk1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} Lk1中某两个的元素(项集) i t e m s e t 1 itemset_1 itemset1 i t e m s e t 2 itemset_2 itemset2的前 k − 2 k-2 k2个项是相同的,则称 i t e m s e t 1 itemset_1 itemset1 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 i t e m s e t 2 itemset_2 itemset2连接产生的结果项集是{$itemset_1[1], i t e m s e t 1 [ 2 ] itemset_1[2] itemset1[2], …, i t e m s e t 1 [ k − 1 ] itemset_1[k-1] itemset1[k1],$ 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 k1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 k − 1 k-1 k1项子集不在 L k − 1 L_{k-1} Lk1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。

2)步骤

(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} Lk1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。

2.由频繁项集产生关联规则

​ 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:

  • 对于每个频繁项集itemset,产生itemset的所有非空子集(这些非空子集一定是频繁项集)。
  • 对于itemset的每个非空子集 s s s,如果 s u p p o r t _ c o u n t ( l ) s u p p o r t _ c o u n t ( s ) ≥ m i n _ c o n f \frac{support\_count(l)}{support\_count(s)}\geq min\_conf support_count(s)support_count(l)min_conf,则输出 s ⇒ ( l − s ) s \Rightarrow (l-s) s(ls),其中 m i n _ c o n f min\_conf min_conf是最小置信度阈值。

四、Python实现代码

数据挖掘实验报告:Apriori算法实现_第1张图片
​ 《数据挖掘:概念与技术》(第三版)中挖掘频繁项集的样例图解。本实验基于该样例的数据编写Python代码实现Apriori算法。
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]

五、实验结果

​ 代码运行结果如下图:

数据挖掘实验报告:Apriori算法实现_第2张图片

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