数据挖掘——关联算法

一、概念

关联（Association）

关联就是把两个或两个以上在意义上有密切联系的项组合在一起。

关联规则（AR，Assocaition Rules）

用于从大量数据中挖掘出有价值的数据项之间的相关关系。（购物篮分析）

协同过滤（CF，Collaborative Filtering）

协同过滤常常被用于分辨某位特定顾客可能感兴趣的东西，这些结论来自于对其他相似顾客对哪些产品感兴趣的分析。（推荐系统）

二、关联规则

1、相关数据指标

两个不相交的非空集合X、Y，如果X -> Y，就说X -> Y是一条关联规则。

强度：支持度（Support）：support（{X -> Y}） = 集合X与集合Y中的项在一条记录中同时出现的次数 / 数据记录的个数

　　　自信度（Confidence）：confidence（{X -> Y}）集合X与集合Y中的项在一条记录中同时出现的次数 / 集合X出现的次数

效度：提升度（Lift）：度量规则是否可用的指标，描述的是相对于不用规则，使用规则可以提高多少，提升度大于1，规则有效

　　　　　　　　　　lift（{X -> Y}） = confidence（{X -> Y}） / support（{X -> Y}）

2、计算步骤

扫描数据集，统计一级候选集出现的次数
清除不满足条件的候选项集，得到一级项集
从一级项集中国，组合二级候选项集，统计数据集中它们出现的次数
清除不满足条件的候选项集，得到二级项集
从二级项集中，组合三级候选项集，统计数据集中他们出现的次数
……
将得到的项集作为结果返回

大致过程如下：

3、使用python实现关联算法（apriori算法）

！apriori 包不支持DataFrame的数据格式，需要将数据转化为array数组

#导入如下格式的数据

#变换数据格式，然后通过apriori方法进行处理

transform = data.groupby(by='交易ID').apply(lambda x: list(x.购买商品)).values

result = list(apriori(transform))

输出result并观察，发现如下规律

#该数据格式包含各种项集和所对应的支持度、自信度、提升度
'''RelationRecord(
items=frozenset({'可乐'}), 
support=0.4, 
ordered_statistics=[OrderedStatistic(
items_base=frozenset(), 
items_add=frozenset({'可乐'}), 
confidence=0.4, 
lift=1.0
)
]
)'''
#items = items_base + items_add

#遍历result，得到每个项集（X 与 Y ，并得到相对应的支持度、自信度和提升度

supports = []
confidences = []
lifts = []
bases = []
adds = []

for i in result:
    supports.append(i.support)
    confidences.append(i.ordered_statistics[0].confidence)
    lifts.append(i.ordered_statistics[0].lift)
    bases.append(list(i.ordered_statistics[0].items_base))
    adds.append(list(i.ordered_statistics[0].items_add))
    
#将结果转化为容易处理的数据框
get_result = pd.DataFrame({
        'base': bases,
        'add': adds,
        'support': supports,
        'confidence': confidences,
        'lift': lifts})

#得到如下的数据框，其中有不同项集及其对应结果，可通过关联规则得到符合的关联项

三、协同过滤

1、相关数据指标

协同过滤简单来说就是利用某兴趣相投、拥有共同经验的群体的喜好来推荐用户感兴趣的信息。

协同过滤主要收集每个用户对使用过的物品的评价（打分或星级等）。

通过用户对各种商品评分的高低，得到用户的喜好并，根据相似喜好的用户历史数据，从而推荐一些信息

优点：

能够过滤机器难以自动分析的信息，如艺术品、音乐等
共用其他人的讲演，避免了内容分析的不完全或不精确，能够基于一些复杂的，难以表述的概念（如个人品味）进行过滤
有推荐新信息的能力，可以发现用户潜在的但自己尚未发现的兴趣偏好
推荐个性化、自动化程度高，能够有效的利用其他相似用户的回馈信息，加快个性化学习的速度

缺点：

新用户在开始时推荐质量较差
新项目的推荐难度大，因为推荐质量取决于历史数据集

2、计算步骤

收集用户信息，必须数据基础：用户、商品、评分
根据以上数据得到用户评分向量和商品评分向量（用户评分尽量使用标准化评分，消除用户因打分习惯而导致的差异）
根据用户评分向量计算距离（如欧式距离）
计算用户相似度
两种方法计算相似邻居
- A）固定数量的邻居（K-neighborhoods）
- 不考虑邻居的距离差异，只取当前点最近的 K 个点作为其邻居
- B）基于相似度门槛的邻居（Threshold-based neighborhoods）
- 以当前点为中心，距离为 K 的区域内的所有点作为当前点的邻居

3、使用python实现协同过滤算法

#导入如下数据，含用户ID，商品ID，用户评分

#通过交叉表及变换形式得到用户评分矩阵

userrate = data.pivot_table(index='UserID',
                            columns='ItemID',
                            aggfunc=sum,
                            fill_value=0)

#将透视表转为数据框，优化列名
userrate.columns = userrate.columns.droplevel(0)
del userrate.columns.name

#计算每个用户之间的距离和相似度

#计算每个用户之间的距离
dist = pd.DataFrame(euclidean_distances(userrate))
dist.index = userrate.index
dist.columns = userrate.index

#计算每个用户之间的相似度
sim = 1/(1+dist)

#设置参数，获取相似用户

#设置邻居个数为3  用户ID为1
k = 3
userId = 1

#获取3个相似用户并得到其相似度
simUserIds = sim.sort_values(userId, ascending=False)[userId].index[1:k+1]
simUser = sim.ix[simUserIds, userId]

#根据相似用户得到商品的推荐排序

#根据相似用户，计算出每个物品的评分
score = pd.DataFrame(np.dot(simUser,  userrate.ix[simUserIds]))

#对结果排序，得到最终的结果
result = userrate.columns[score.sort_values(0, ascending=False).index.values]