Luận Văn Thạc Sĩ: Đề Xuất Cải Tiến Thuật Toán K Phần Tử Gần Nhất Trong Khai Phá Dữ Liệu Lớn Với Mô Hình MapReduce

• Tác giả: Nguyễn Quang Quyền
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Cải Tiến Thuật Toán K Phần Tử Gần Nhất Trong Khai Phá Dữ Liệu Lớn Với MapReduce
• Loại tài liệu: luận văn

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng nghiên cứu
• 0.4. Phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KHAI PHÁ DỮ LIỆU LỚN
• 1.1. Big Data
• 1.2. Quá trình khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu
• 1.3. Các kỹ thuật tiếp cận trong khai phá dữ liệu
• 1.4. Kiến trúc của hệ thống khai phá dữ liệu
• 1.5. Ứng dụng của khai phá dữ liệu
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN K-NEAREST NEIGHBORS
• 2.1. Thuật toán K – phần tử gần nhất
• 2.2. Phương thức làm việc của K phần tử gần nhất
• 2.3. Phương pháp chọn K
• 2.4. Khoảng cách trong không gian vectơ
• 2.5. Ứng dụng của K phần tử gần nhất
• 2.6. Ưu và nhược điểm của K phần tử gần nhất
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN TRONG MÔ HÌNH MAPREDUCE
• 3.1. Môi trường xử lý song song
• 3.2. Thuật toán Secondary Sorting (sắp xếp thứ cấp)
• 3.3. Kết hợp K phần tử gần nhất trên Spark và sắp xếp dữ liệu đầu vào
• 4. CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

I. Tổng quan về khai phá dữ liệu lớn

Khai phá dữ liệu lớn là một quá trình quan trọng trong việc tìm kiếm và phát hiện các thông tin có giá trị từ các tập dữ liệu khổng lồ. Với sự bùng nổ của dữ liệu trong thời đại công nghệ số, việc khai phá dữ liệu lớn trở thành nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật như phân tích dữ liệu, tìm kiếm gần nhất, và xử lý dữ liệu lớn được áp dụng để giải quyết các bài toán phức tạp. MapReduce là một mô hình xử lý song song hiệu quả, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu lớn.

1.1. Khái niệm và đặc trưng của Big Data

Big Data được định nghĩa bởi các đặc trưng như Volume (khối lượng dữ liệu), Variety (đa dạng kiểu dữ liệu), Velocity (tốc độ xử lý), Variability (độ chính xác), và Value (giá trị thông tin). Những đặc trưng này đặt ra thách thức lớn trong việc xử lý dữ liệu lớn và yêu cầu các giải pháp công nghệ tiên tiến như MapReduce để tối ưu hóa hiệu suất.

1.2. Ứng dụng của khai phá dữ liệu lớn

Khai phá dữ liệu lớn có nhiều ứng dụng thực tiễn, từ phân tích dữ liệu trong tài chính, y tế, đến tối ưu hóa hiệu suất trong các hệ thống công nghệ. Ví dụ, trong lĩnh vực y tế, Big Data giúp phân tích DNA và cải thiện phương pháp điều trị. Trong kinh doanh, nó hỗ trợ dự đoán hành vi khách hàng và tối ưu hóa quy trình.

II. Thuật toán K phần tử gần nhất K NN

Thuật toán K phần tử gần nhất (K-NN) là một phương pháp phân loại dữ liệu phổ biến, dựa trên việc tìm kiếm các điểm dữ liệu gần nhất trong không gian đa chiều. Mặc dù đơn giản và hiệu quả, K-NN truyền thống gặp hạn chế khi áp dụng trong khai phá dữ liệu lớn do yêu cầu tính toán cao và tốn bộ nhớ. Để khắc phục, các giải pháp cải tiến như tối ưu hóa thuật toán và tích hợp với MapReduce được đề xuất.

2.1. Nguyên lý hoạt động của K NN

K-NN hoạt động bằng cách tính toán khoảng cách giữa các điểm dữ liệu và chọn K điểm gần nhất để phân loại. Các phương pháp tính khoảng cách như Euclidean, Manhattan được sử dụng để tìm kiếm gần nhất. Tuy nhiên, với dữ liệu lớn, việc tính toán trở nên phức tạp, đòi hỏi các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất.

2.2. Ưu điểm và hạn chế của K NN

K-NN có ưu điểm là dễ triển khai và không cần huấn luyện mô hình phức tạp. Tuy nhiên, nó đòi hỏi bộ nhớ lớn và thời gian tính toán cao, đặc biệt khi áp dụng trong xử lý dữ liệu lớn. Các giải pháp cải tiến như lập chỉ mục ngữ nghĩa và phân tán dữ liệu được đề xuất để tăng hiệu suất.

III. Cải tiến thuật toán K NN với MapReduce

Để áp dụng thuật toán K phần tử gần nhất trong khai phá dữ liệu lớn, mô hình MapReduce được sử dụng để phân tán và xử lý song song dữ liệu. Các cải tiến như Secondary Sorting và tích hợp với Apache Spark giúp tối ưu hóa quá trình tính toán và giảm thời gian xử lý.

3.1. Mô hình MapReduce và xử lý song song

MapReduce chia nhỏ dữ liệu thành các phần và xử lý song song trên nhiều node, giúp tăng tốc độ xử lý. Các hàm Map và Reduce được thiết kế để tối ưu hóa thuật toán K-NN, đặc biệt trong việc tính toán khoảng cách và phân loại dữ liệu.

3.2. Kết hợp K NN với Apache Spark

Apache Spark là một framework xử lý dữ liệu lớn hiệu quả, hỗ trợ xử lý dữ liệu lớn và tối ưu hóa hiệu suất. Việc tích hợp K-NN với Spark giúp giảm thời gian tính toán và tăng khả năng mở rộng, phù hợp với các ứng dụng thực tế.

IV. Thử nghiệm và đánh giá

Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu quả của thuật toán K phần tử gần nhất cải tiến trong môi trường MapReduce. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về thời gian xử lý và hiệu suất so với phương pháp truyền thống.

4.1. Thiết lập thử nghiệm

Các bộ dữ liệu lớn như Iris được sử dụng để thử nghiệm. Quá trình phân tích dữ liệu và tìm kiếm gần nhất được thực hiện trên môi trường MapReduce và Apache Spark để so sánh hiệu suất.

4.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán K phần tử gần nhất cải tiến giảm thời gian xử lý đáng kể và tăng khả năng mở rộng. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của việc tối ưu hóa thuật toán trong khai phá dữ liệu lớn.