Giáo Án Tin Học Lớp 11: Khai Phá Dữ Liệu và Phân Cụm

Khám phá các thuật toán phân cụm trong khai phá dữ liệu qua luận văn thạc sĩ công nghệ thông tin, cung cấp kiến thức và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Trần Nguyên Hương
• Trường học: Trường THPT Phú Xuyên B
• Chuyên ngành: Tin Học
• Đề tài: Khai Phá Dữ Liệu và Phân Cụm
• Loại tài liệu: Giáo Án
• Năm xuất bản: 2007 - 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• BẢNG TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN CỤM TRONG KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.1. Khai phá dữ liệu là gì?
• 1.1.2. Quá trình khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu
• 1.2. Các kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu
• 1.2.1. Các kỹ thuật tiếp cận trong khai phá dữ liệu
• 1.2.2. Các dạng dữ liệu có thể khai phá
• 1.2.3. Ứng dụng của khai phá dữ liệu
• 1.3. Phân cụm dữ liệu và ứng dụng
• 1.3.1. Mục đích của phân cụm dữ liệu
• 1.3.2. Các bước cơ bản để phân cụm
• 1.3.3. Các loại đặc trưng
• 1.3.4. Các ứng dụng của phân cụm
• 1.4. Phân loại các thuật toán phân cụm
• 1.5. Các khái niệm và định nghĩa
• 1.5.1. Các định nghĩa phân cụm
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM TUẦN TỰ
• 2.1. Số các cách phân cụm có thể
• 2.2. Thuật toán phân cụm tuần tự - BSAS
• 2.3. Ước lượng số cụm
• 2.4. Sửa đổi thuật toán BSAS - Thuật toán MBSAS
• 2.5. Thuật toán phân cụm tuần tự hai ngưỡng - TTSAS
• 2.6. Giai đoạn tinh chế
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM PHÂN CẤP
• 3.1. Các thuật toán tích tụ - GAS
• 3.1.1. Một số định nghĩa
• 3.1.2. Một số thuật toán tích tụ dựa trên lý thuyết ma trận
• 3.1.3. Monotonicity và Crossover
• 3.1.4. Một số thuật toán tích tụ dựa trên lý thuyết đồ thị
• 3.1.5. Ảnh hưởng của ma trận gần gũi tới sơ đồ phân cụm
• 3.2. Các thuật toán phân rã - GDS
• 3.2.1. Cải tiến sơ đồ GDS
• 3.3. Lựa chọn phân cụm tốt nhất
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM QUA TỐI ƯU HOÁ
• 4.1. Tổng quan về tối ưu hoá và các khái niệm cơ bản
• 4.1.1. Một số khái niệm trong giải tích lồi
• 4.1.2. Các bài toán tối ưu
• 4.1.3. Một số phương pháp giải quyết bài toán tối ưu
• 4.2. Bài toán phân cụm theo tâm
• 4.3. Phân cụm qua quy hoạch toán học
• 4.4. Phân cụm qua tối ưu hoá D.C.
• 5. CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM
• 5.1. Mô phỏng các cụm
• 5.2. Sinh dữ liệu và khởi tạo thuật toán
• 5.3. Kết quả thử nghiệm
• 5.4. Ảnh hưởng của các tham số
• Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU DẪN
• PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Giáo Án Tin Học 11 Khai Phá Dữ Liệu Phân Cụm

Những năm 60 của thế kỷ trước, công cụ tin học bắt đầu được sử dụng để tổ chức và khai thác các CSDL. Cùng với sự phát triển của công nghệ, khả năng thu thập và lưu trữ dữ liệu cho các hệ thống tin học được nâng cao. Thống kê cho thấy, lượng thông tin trên các hệ thống tin học cứ sau 20 tháng lại tăng gấp đôi. Cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20, sự phát triển của các CSDL ở mọi quy mô đã tạo ra sự bùng nổ thông tin. John Naisbett đã cảnh báo “Chúng ta đang chìm ngập trong dữ liệu mà vẫn đói tri thức”. Lượng dữ liệu khổng lồ này là một nguồn "tài nguyên" có giá trị, giúp những người điều hành và quản lý có hiểu biết về môi trường và tiến trình hoạt động của tổ chức trước khi ra quyết định. Khai phá dữ liệu (Data Mining) là một lĩnh vực mới xuất hiện, nhằm tự động khai thác những thông tin, tri thức tiềm ẩn, hữu ích từ những CSDL lớn, từ đó thúc đẩy khả năng sản xuất, kinh doanh, cạnh tranh. Các kết quả khoa học và ứng dụng thành công cho thấy, khai phá dữ liệu là một lĩnh vực phát triển bền vững, mang lại nhiều lợi ích và có nhiều triển vọng. Hiện nay, khai phá dữ liệu đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thương mại, tài chính, y học, viễn thông, tin-sinh,…

1.1. Định Nghĩa Chi Tiết về Khai Phá Dữ Liệu

Khai phá dữ liệu là một hướng nghiên cứu mới ra đời, các kỹ thuật chính được áp dụng trong lĩnh vực này phần lớn được thừa kế từ lĩnh vực CSDL, học máy, trí tuệ nhân tạo, lý thuyết thông tin, xác suất thống kê, và tính toán hiệu năng cao. Do sự phát triển nhanh của khai phá dữ liệu về phạm vi áp dụng và các phương pháp tìm kiếm tri thức, nên đã có nhiều quan điểm khác nhau về khai phá dữ liệu. Tuy nhiên, ở một mức trừu tượng nhất định, có thể định nghĩa khai phá dữ liệu là một quá trình tìm kiếm, phát hiện các tri thức mới, tiềm ẩn, hữu dụng trong CSDL lớn. Khai phá tri thức trong CSDL (Knowledge Discovery in Databases - KDD) là mục tiêu chính của khai phá dữ liệu, do vậy hai khái niệm khai phá dữ liệu và KDD được xem là tương đương với nhau.

1.2. Các Bước Chính trong Quá Trình Khai Phá Tri Thức

Khai phá tri thức trong CSDL (KDD) liên quan đến các ngành như thống kê, học máy, CSDL, thuật toán, trực quan hóa dữ liệu, tính toán song song và hiệu năng cao. Quá trình KDD có thể phân thành các giai đoạn sau: trích chọn dữ liệu, tiền xử lý dữ liệu (làm sạch, rút gọn, rời rạc hóa), biến đổi dữ liệu (chuẩn hóa, làm mịn), khai phá dữ liệu (áp dụng kỹ thuật phân tích), đánh giá và biểu diễn tri thức (chuyển dạng và biểu diễn ở dạng gần gũi với người sử dụng). Bước khai phá dữ liệu được xem là quan trọng và tốn nhiều thời gian nhất của toàn quá trình KDD, đòi hỏi áp dụng những kỹ thuật của học máy nhằm khai thác dữ liệu và trích chọn những mối liên hệ đặc biệt trong dữ liệu.

1.3. Các Kỹ Thuật Tiếp Cận Trong Khai Phá Dữ Liệu

Khai phá dữ liệu là một lĩnh vực liên ngành, bao gồm: Tổ chức dữ liệu, học máy, trí tuệ nhân tạo và các khoa học khác. Nếu theo quan điểm của học máy (Machine Learning), thì các kỹ thuật trong khai phá dữ liệu, bao gồm: Học có giám sát (Supervised learning), Học không có giám sát (Unsupervised learning) và Học nửa giám sát (Semi - Supervised learning). Nếu căn cứ vào lớp các bài toán cần giải quyết, thì khai phá dữ liệu bao gồm các kỹ thuật áp dụng sau: Phân lớp và dự đoán (classification and prediction), Luật kết hợp (association rules), Phân tích chuỗi theo thời gian (sequential/ temporal patterns), Phân cụm (clustering/ segmentation) và Mô tả khái niệm (concept description and summarization).

II. Thách Thức Khi Dạy Giáo Án Tin Học Phân Cụm Dữ Liệu

Phân loại là một trong những hành vi cơ bản của con người nhằm nắm giữ lượng thông tin khổng lồ họ nhận được hằng ngày. Phân cụm dữ liệu nhằm mục đích chính là khai phá cấu trúc của mẫu dữ liệu để thành lập các nhóm dữ liệu từ tập dữ liệu lớn, theo đó, cho phép người ta đi sâu vào phân tích và nghiên cứu cho từng cụm dữ liệu này nhằm khai phá và tìm kiếm các thông tin tiềm ẩn, hữu ích phục vụ cho ra quyết định. Ví dụ, xác định các cụm ảnh như ảnh của các loài động vật trong tập CSDL ảnh về động vật nhằm phục vụ cho việc tìm kiếm ảnh. Như vậy, phân cụm dữ liệu là một phương pháp xử lý thông tin quan trọng và phổ biến, nó nhằm khám phá mỗi liên hệ giữa các mẫu dữ liệu bằng cách tổ chức chúng thành các cụm tương tự. Các dạng dữ liệu được biểu diễn bởi khái niệm đặc trưng, các đặc trưng hình thành nên vector đặc trưng ℓ - chiều. Phân cụm dữ liệu được hiểu là phân cụm dữ...

2.1. Mục Đích Của Phân Cụm Dữ Liệu Trong Thực Tế

Phân cụm dữ liệu hướng đến việc khai phá cấu trúc ẩn chứa trong các tập dữ liệu lớn, qua đó tạo ra các nhóm dữ liệu (cụm) có tính tương đồng cao. Mục tiêu là hỗ trợ người dùng đi sâu vào phân tích từng cụm, khám phá thông tin tiềm ẩn và đưa ra quyết định dựa trên tri thức khai phá được. Ví dụ: khám phá các vị trí địa lý thuận lợi cho việc xây dựng kho hàng của một công ty thương mại, xác định các nhóm người bệnh để phân phối thuốc điều trị hiệu quả hơn, hoặc xác định nhóm khách hàng có vốn đầu tư bất động sản cao trong CSDL ngân hàng. Phân cụm dữ liệu là một phương pháp xử lý thông tin quan trọng, giúp khám phá mối liên hệ giữa các mẫu dữ liệu bằng cách tổ chức chúng thành các cụm có tính tương đồng.

2.2. Ứng Dụng Tiêu Biểu Của Phân Cụm Dữ Liệu Trong Tin Học

Phân cụm dữ liệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong tin học. Ví dụ, trong lĩnh vực nhận dạng ảnh, phân cụm dữ liệu có thể được sử dụng để xác định các cụm ảnh tương tự nhau, chẳng hạn như ảnh của các loài động vật khác nhau. Trong lĩnh vực xử lý ngôn ngữ tự nhiên, phân cụm dữ liệu có thể được sử dụng để phân nhóm các văn bản có nội dung tương tự nhau. Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, phân cụm dữ liệu có thể được sử dụng để phát hiện các hoạt động bất thường trong mạng máy tính. Các ứng dụng này chứng minh tính linh hoạt và hữu ích của phân cụm dữ liệu trong việc giải quyết các vấn đề thực tế.

III. Phương Pháp Giáo Án Tin Học Thuật Toán Phân Cụm Tuần Tự

Thuật toán phân cụm tuần tự là một phương pháp tiếp cận cơ bản trong khai phá dữ liệu và phân cụm dữ liệu. Các thuật toán này hoạt động bằng cách xử lý dữ liệu theo trình tự, mỗi điểm dữ liệu được gán vào một cụm hiện có hoặc tạo một cụm mới. Thuật toán BSAS (Basic Sequential Algorithmic Scheme) là một ví dụ điển hình, nó ước lượng số cụm dựa trên các tham số đầu vào. Các biến thể như MBSAS (Modified Basic Sequential Algorithmic Scheme) và TTSAS (Two-Threshold Sequential Algorithmic Scheme) cải tiến hiệu suất và độ chính xác. Ưu điểm của thuật toán phân cụm tuần tự là đơn giản và dễ thực hiện, nhưng nhược điểm là kết quả phụ thuộc vào thứ tự dữ liệu và khó khăn trong việc xử lý dữ liệu nhiễu.

3.1. Ước Lượng Số Cụm Trong Thuật Toán Phân Cụm

Trong các thuật toán phân cụm, việc ước lượng số cụm là một bước quan trọng. Các phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để ước lượng số cụm, bao gồm sử dụng các độ đo như Silhouette score, Davies-Bouldin index, hoặc elbow method. Thuật toán BSAS (Basic Sequential Algorithmic Scheme) cũng cung cấp một cách tiếp cận để ước lượng số cụm. Việc ước lượng chính xác số cụm có thể cải thiện hiệu quả và độ chính xác của thuật toán phân cụm.

3.2. Cải Tiến Thuật Toán BSAS MBSAS và TTSAS

Thuật toán BSAS (Basic Sequential Algorithmic Scheme) có thể được cải tiến để cải thiện hiệu suất và độ chính xác. MBSAS (Modified Basic Sequential Algorithmic Scheme) là một biến thể của BSAS, nó thực hiện một số sửa đổi để giảm sự phụ thuộc vào thứ tự dữ liệu và tăng khả năng xử lý dữ liệu nhiễu. TTSAS (Two-Threshold Sequential Algorithmic Scheme) là một biến thể khác, nó sử dụng hai ngưỡng khác nhau để xác định xem một điểm dữ liệu có nên được gán vào một cụm hiện có hay tạo một cụm mới. Các cải tiến này có thể giúp thuật toán phân cụm tuần tự trở nên hiệu quả hơn trong thực tế.

IV. Giáo Án Tin Học 11 Thuật Toán Phân Cụm Phân Cấp Ứng Dụng

Thuật toán phân cụm phân cấp là một phương pháp tiếp cận quan trọng khác trong khai phá dữ liệu và phân cụm dữ liệu. Các thuật toán này xây dựng một hệ thống phân cấp các cụm, từ các cụm nhỏ chứa từng điểm dữ liệu riêng lẻ đến các cụm lớn chứa toàn bộ tập dữ liệu. Có hai loại thuật toán phân cụm phân cấp chính: thuật toán tích tụ (GAS - Generalized Agglomerative Scheme) và thuật toán phân rã (GDS - Generalized Divisive Scheme). Thuật toán tích tụ bắt đầu với mỗi điểm dữ liệu là một cụm riêng lẻ và hợp nhất các cụm lại với nhau cho đến khi chỉ còn một cụm duy nhất. Thuật toán phân rã bắt đầu với toàn bộ tập dữ liệu là một cụm và chia cụm này thành các cụm nhỏ hơn cho đến khi mỗi điểm dữ liệu là một cụm riêng lẻ.

4.1. Các Thuật Toán Tích Tụ GAS Trong Phân Cụm Dữ Liệu

Các thuật toán tích tụ (GAS - Generalized Agglomerative Scheme) là một loại thuật toán phân cụm phân cấp. GAS bắt đầu với mỗi điểm dữ liệu là một cụm riêng lẻ và hợp nhất các cụm lại với nhau dựa trên một độ đo khoảng cách hoặc độ tương tự cho đến khi chỉ còn một cụm duy nhất. Các thuật toán GAS khác nhau sử dụng các độ đo khác nhau để xác định các cụm nào nên được hợp nhất, chẳng hạn như liên kết đơn, liên kết đầy đủ, liên kết trung bình nhóm không trọng số (UPGMA), và liên kết trung bình nhóm trọng số (WPGMA). GAS được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sinh học, kinh tế và xã hội học.

4.2. Các Thuật Toán Phân Rã GDS và Cách Cải Tiến

Các thuật toán phân rã (GDS - Generalized Divisive Scheme) là một loại thuật toán phân cụm phân cấp khác. GDS bắt đầu với toàn bộ tập dữ liệu là một cụm và chia cụm này thành các cụm nhỏ hơn dựa trên một độ đo khoảng cách hoặc độ tương tự. Quá trình này tiếp tục cho đến khi mỗi điểm dữ liệu là một cụm riêng lẻ. GDS có thể được cải tiến bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau để lựa chọn các điểm dữ liệu nào nên được sử dụng để chia cụm, chẳng hạn như sử dụng eigenvector centrality hoặc betweenness centrality. Một cách tiếp cận để cải tiến thuật toán GDS là lựa chọn phân cụm tốt nhất bằng cách so sánh nhiều phương pháp.

V. Tối Ưu Hóa Trong Giáo Án Bài Toán Phân Cụm Theo Tâm

Bài toán phân cụm theo tâm là một vấn đề quan trọng trong khai phá dữ liệu và phân cụm dữ liệu. Mục tiêu của bài toán này là tìm các tâm cụm sao cho tổng khoảng cách từ các điểm dữ liệu đến tâm cụm gần nhất là nhỏ nhất. Các phương pháp tiếp cận khác nhau có thể được sử dụng để giải quyết bài toán phân cụm theo tâm, bao gồm sử dụng quy hoạch toán học và tối ưu hóa D.C (Difference of two Convex functions). Tối ưu hóa D.C là một phương pháp tiếp cận mạnh mẽ có thể được sử dụng để tìm các nghiệm tối ưu cục bộ cho các bài toán không lồi.

5.1. Phân Cụm Qua Quy Hoạch Toán Học Hướng Tiếp Cận

Phân cụm qua quy hoạch toán học là một phương pháp tiếp cận để giải quyết bài toán phân cụm theo tâm. Phương pháp này xây dựng một mô hình quy hoạch toán học để biểu diễn bài toán phân cụm và sử dụng các thuật toán quy hoạch toán học để tìm nghiệm tối ưu. Các loại quy hoạch toán học khác nhau có thể được sử dụng, bao gồm quy hoạch tuyến tính, quy hoạch song tuyến tính (BiLinear Programming - BLP) và quy hoạch số nguyên. Cách tiếp cận này cho phép tận dụng các công cụ và thuật toán mạnh mẽ từ lĩnh vực quy hoạch toán học để giải quyết bài toán phân cụm một cách hiệu quả.

5.2. Phân Cụm Qua Tối Ưu Hóa D.C Giải Pháp Nâng Cao

Phân cụm qua tối ưu hóa D.C (Difference of two Convex functions) là một phương pháp tiếp cận khác để giải quyết bài toán phân cụm theo tâm. Tối ưu hóa D.C là một phương pháp tiếp cận mạnh mẽ có thể được sử dụng để tìm các nghiệm tối ưu cục bộ cho các bài toán không lồi. Phương pháp này biểu diễn bài toán phân cụm như là hiệu của hai hàm lồi và sử dụng các thuật toán tối ưu hóa D.C để tìm nghiệm tối ưu. Các kết quả thí nghiệm phân cụm các bệnh nhân ung thư vú trong cơ sở dữ liệu của đại học Wisconsin đã chứng minh hiệu quả của cách tiếp cận này. Đây là các công trình nghiên cứu của GS. TSKH Hoàng Tuỵ (viện Toán học Việt Nam) , GS. Mangasarian (đại học Wisconsin, Madison) và các cộng sự.

VI. Thực Hành Giáo Án Tin Học Phân Tích Cài Đặt Thử Nghiệm Phân Cụm

Phân tích và cài đặt thử nghiệm phân cụm tập dữ liệu là một bước quan trọng để đánh giá và so sánh hiệu quả của các thuật toán phân cụm. Các thí nghiệm có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các tập dữ liệu mô phỏng hoặc các tập dữ liệu thực tế. Các thuật toán tiêu biểu như MBSAS, TTSAS, GAS, GDS được cài đặt và so sánh về hiệu suất, độ chính xác và khả năng xử lý dữ liệu nhiễu. Kết quả thử nghiệm giúp xác định các tham số phù hợp cho các thuật toán và đánh giá ảnh hưởng của các tham số đến kết quả phân cụm.

6.1. Mô Phỏng Các Cụm Sinh Dữ Liệu và Khởi Tạo Thuật Toán

Để thực hiện các thí nghiệm phân cụm, cần phải có các tập dữ liệu. Các tập dữ liệu có thể được sinh ra bằng cách sử dụng các phương pháp mô phỏng, chẳng hạn như sinh các điểm dữ liệu theo phân phối Gaussian hoặc phân phối đồng đều. Các thuật toán phân cụm sau đó được khởi tạo và áp dụng cho các tập dữ liệu này. Việc sinh dữ liệu và khởi tạo thuật toán đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy của các kết quả thí nghiệm.

6.2. Kết Quả Thử Nghiệm và Ảnh Hưởng của Các Tham Số

Kết quả thử nghiệm phân cụm được đánh giá bằng cách sử dụng các độ đo như độ chính xác, độ tinh khiết và F-measure. Các kết quả này cho phép so sánh hiệu quả của các thuật toán phân cụm khác nhau. Ảnh hưởng của các tham số đến kết quả phân cụm cũng được nghiên cứu. Việc chọn tham số đúng đắn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chính xác của các thuật toán phân cụm. Ví dụ, việc chọn đúng số cụm tạo ra có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng của kết quả phân cụm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Trình bày tổng quan về khai phá dữ liệu, phân cụm, các thuật toán phân cụm và phân loại trong khai phá dữ liệu đồng thời trình bày các khái niệm cơ bản về một số độ đo tương tự, không tương tự…. Chương 2 và chương 3: Trình bày về các thuật toán phân cụm truyền thống gồm họ các thuật toán phân cụm tuần tự và thuật toán phân cụm phân cấp điển hình và chỉ ra các ưu điểm, nhược điểm của chúng. Chương 4: Tập trung nghiên cứu và giải quyết bài toán cụm theo tâm dựa vào tối ưu hoá. Có hai cách tiếp cận được đưa ra là phân cụm qua quy hoạch toán học và phân cụm qua tối ưu hoá d.

Để khẳng định tính hiệu quả của cách tiếp cận, luận văn trình bày lại các kết quả thí nghiệm phân cụm các bệnh nhân ung thư vú trong cơ sở dữ liệu của đại học Wisconsin. Đây là các công trình nghiên cứu của GS. TSKH Hoàng Tuỵ (viện Toán học Việt Nam), GS. Mangasarian (đại học Wisconsin, Madison) và các cộng sự.

Chương 5: Phân tích và cài đặt thử nghiệm phân cụm tập dữ liệu là các vector trong không gian ba chiều sử dụng một số thuật toán tiêu biểu như MBSAS, TTSAS, GAS, GDS. Chúng ta đưa ra cách cài đặt và các kết quả đạt được. Phần kết luận trình bày tóm tắt về các nội dung thực hiện trong luận văn, đồng thời đưa ra các vấn đề nghiên cứu tiếp cho tương lai. Phần phụ lục trình bày một số modul chương trình cài đặt cho các thuật toán MBSAS, TTSAS, GAS, GDS.

Do thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn, luận văn không tránh khỏi có những hạn chế và thiếu sót. Tôi xin được tiếp thu ý kiến, đánh giá, chỉ bảo của các thầy giáo cũng như các bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, tháng 10 năm 2007 Học viên Trần Nguyên Hƣơng (LUAN.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

TỔNG QUAN VỀ PHÂN CỤM TRONG KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Giới thiệu chung Những năm 60 của thế kỷ trước, người ta đã bắt đầu sử dụng các công cụ tin học để tổ chức và khai thác các CSDL. Cùng với sự phát triển vượt bậc của các công nghệ điện tử và truyền thông, khả năng thu thập và lưu trữ và xử lý dữ liệu cho các hệ thống tin học không ngừng được nâng cao, theo đó, lượng thông tin được lưu trữ trên các thiết bị nhớ không ngừng tăng lên. Thống kê sơ bộ cho thấy, lượng thông tin trên các hệ thống tin học cứ sau 20 tháng lại tăng gấp đôi [3].

Cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20, sự phát triển rộng khắp của các CSDL ở mọi quy mô đã tạo ra sự bùng nổ thông tin trên toàn cầu. Vào thời gian này, người ta bắt đầu đề cập đến khái niệm khủng hoảng phân tích dữ liệu tác nghiệp để cung cấp thông tin với yêu cầu chất lượng ngày càng cao cho người làm quyết định trong các tổ chức tài chính, thương mại, khoa học,… Đúng như John Naisbett đã cảnh báo “Chúng ta đang chìm ngập trong dữ liệu mà vẫn đói tri thức”. Lượng dữ liệu khổng lồ này thực sự là một nguồn “tài nguyên” có nhiều giá trị bởi thông tin là yếu tố then chốt trong mọi hoạt động quản lý, kinh doanh, phát triển sản xuất và dịch vụ, … nó giúp những người điều hành và quản lý có hiểu biết về môi trường và tiến trình hoạt động của tổ chức mình trước khi ra quyết định để tác động đến quá trình hoạt động nhằm đạt được các mục tiêu một cách hiệu quả và bền vững. Khai phá dữ liệu (Data Mining) là một lĩnh vực mới xuất hiện, nhằm tự động khai thác những thông tin, những tri thức có tính tiềm ẩn, hữu ích từ những CSDL lớn cho các đơn vị, tổ chức, doanh nghiệp,….

từ đó làm thúc đẩy khả năng sản xuất, kinh doanh, cạnh tranh cho các đơn vị, tổ chức này. Các kết quả khoa học cùng những ứng dụng thành công trong khám phá tri thức, cho thấy, khai phá dữ liệu là một lĩnh vực phát triển bền vững, mang lại nhiều lợi ích và có nhiều triển vọng, đồng thời có ưu thế hơn hẳn so với các công cụ phân tích dữ liệu truyền thống. Hiện nay, khai phá dữ liệu đã ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực như: Thương mại, tài chính, điều trị y học, viễn thông, tin – sinh,….10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Khai phá dữ liệu là gì? Khai phá dữ liệu là một hướng nghiên cứu mới ra đời hơn một thập niên trở lại đây, các kỹ thuật chính được áp dụng trong lĩnh vực này phần lớn được thừa kế từ lĩnh vực CSDL, học máy, trí tuệ nhân tạo, lý thuyết thông tin, xác suất thống kê, và tính toán hiệu năng cao.

Do sự phát triển nhanh của khai phá dữ liệu về phạm vi áp dụng và các phương pháp tìm kiếm tri thức, nên đã có nhiều quan điểm khác nhau về khai phá dữ liệu. Tuy nhiên, ở một mức trừu tượng nhất định, chúng ta định nghĩa khai phá dữ liệu như sau [10]: Định nghĩa : Khai phá dữ liệu là một quá trình tìm kiếm, phát hiện các tri thức mới, tiềm ẩn, hữu dụng trong CSDL lớn. Khai phá tri thức trong CSDL (Knowledge Discovery in Databases - KDD) là mục tiêu chính của khai phá dữ liệu, do vậy hai khái niệm khai phá dữ liệu và KDD được các nhà khoa học trên hai lĩnh vực xem là tương đương với nhau. Thế nhưng, nếu phân chia một cách chi tiết thì khai phá dữ liệu là một bước chính trong quá trình KDD.

Qúa trình khai phá tri thức trong cơ sở dữ liệu Khai phá tri thức trong CSDL, KDD, là lĩnh vực liên quan đến các ngành như : thống kê, học máy, CSDL, thuật toán, trực quan hóa dữ liệu, tính toán song song và hiệu năng cao,… Quá trình KDD có thể phân thành các giai đoạn sau [3][10]:  Trích chọn dữ liệu : là bước trích chọn những tập dữ liệu cần được khai phá từ các tập dữ liệu lớn (databases, data warehouses, data repositories) ban đầu theo một số tiêu chí nhất định.  Tiền xử lý dữ liệu : là bước làm sạch dữ liệu (xử lý với dữ liệu không đầy đủ, dữ liệu nhiễu, dữ liệu không nhất quán, .), rút gọn dữ liệu (sử dụng hàm nhóm và tính tổng, các phương pháp nén dữ liệu, sử dụng histograms, lấy mẫu, .), rời rạc hóa dữ liệu (rời rạc hóa dựa vào histograms, dựa vào entropy, dựa vào phân khoảng,. Sau bước này, dữ liệu sẽ nhất quán, đầy đủ, được rút gọn, và được rời rạc hóa.  Biến đổi dữ liệu : Đây là bước chuẩn hóa và làm mịn dữ liệu để đưa dữ liệu về dạng thuận lợi nhất nhằm phục vụ cho các kỹ thuật khai phá ở bước sau.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 - 11 -  Khai phá dữ liệu: Đây là bước áp dụng những kỹ thuật phân tích (phần nhiều là các kỹ thuật của học máy) nhằm để khai thác dữ liệu, trích chọn được những mẫu thông tin, những mối liên hệ đặc biệt trong dữ liệu.

Đây được xem là bước quan trọng và tốn nhiều thời gian nhất của toàn quá trình KDD.  Đánh giá và biểu diễn tri thức: những mẫu thông tin và mối liên hệ trong dữ liệu đã được khai phá ở bước trên được chuyển dạng và biểu diễn ở một dạng gần gũi với người sử dụng như đồ thị, cây, bảng biểu, luật,. Đồng thời bước này cũng đánh giá những tri thức khai phá được theo những tiêu chí nhất định. Các giai đoạn trong KDD được thể hiện trực quan như hình 1.1 dưới đây: Dữ liệu Tiền xử lý dữ Dữ liệu Biến đổi dữ Trích chọn dữ Dữ liệu liệu thô liệu Tiền xử lý liệu Biểu diễn tri thức Các mẫu Khai phá dữ Tri thức Đánh giá và liệu giải thích Hình 1-1.

Các bƣớc thực hiện trong quá trình khai phá tri thức 1. Các kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu 1. Các kỹ thuật tiếp cận trong khai phá dữ liệu Khai phá tri thức trong CSDL là một lĩnh vực liên ngành, bao gồm: Tổ chức dữ liệu, học máy, trí tuệ nhân tạo và các khoa học khác. Nếu theo quan điểm của học máy (Machine Learning), thì các kỹ thuật trong khai phá dữ liệu, bao gồm :  Học có giám sát (Supervised learning) : Là quá trình gán nhãn lớp cho các phần tử trong CSDL dựa trên một tập các ví dụ huấn luyện và các thông tin về nhãn lớp đã biết.

 Học không có giám sát (Unsupervised learning) : Là quá trình phân chia một tập dữ liệu thành các lớp hay là cụm (clustering) dữ liệu tương tự nhau mà chưa biết trước các thông tin về lớp hay tập các ví dụ huấn luyện.10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10 - 12 -  Học nửa giám sát (Semi - Supervised learning) : Là quá trình phân chia một tập dữ liệu thành các lớp dựa trên một tập nhỏ các ví dụ huấn luyện và một số các thông tin về một số nhãn lớp đã biết trước. Nếu căn cứ vào lớp các bài toán cần giải quyết, thì khai phá dữ liệu bao gồm các kỹ thuật áp dụng sau [10]:  Phân lớp và dự đoán (classification and prediction): xếp một đối tượng vào một trong những lớp đã biết trước. Ví dụ: phân lớp các dữ liệu bệnh nhân trong hồ sơ bệnh án. Hướng tiếp cận này thường sử dụng một số kỹ thuật của học máy như cây quyết định (decision tree), mạng nơ ron nhân tạo (neural network),.

Phân lớp và dự đoán còn được gọi là học có giám sát.  Luật kết hợp (association rules): là dạng luật biểu diễn tri thức ở dạng khá đơn giản. Ví dụ: “60 % nữ giới vào siêu thị mua phấn thì có tới 80% trong số họ sẽ mua thêm son”. Luật kết hợp được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực kinh doanh, y học, tin-sinh, tài chính và thị trường chứng khoán,.

 Phân tích chuỗi theo thời gian (sequential/ temporal patterns): tương tự như khai phá luật kết hợp nhưng có thêm tính thứ tự và tính thời gian. Hướng tiếp cận này được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực tài chính và thị trường chứng khoán vì nó có tính dự báo cao.  Phân cụm (clustering/ segmentation): xếp các đối tượng theo từng cụm dữ liệu tự nhiên. Phân cụm còn được gọi là học không giám sát (unsupervised learning).

 Mô tả khái niệm (concept description and summarization): thiên về mô tả, tổng hợp và tóm tắt khái niệm. Ví dụ: tóm tắt văn bản. Các dạng dữ liệu có thể khai phá Do khai phá dữ liệu được ứng dụng rộng rãi nên nó có thể làm việc với rất nhiều kiểu dữ liệu khác nhau.