Luận văn thạc sĩ về khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm trong công nghệ thông tin

Luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu sử dụng phân cụm. Nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ thông tin (mã ngành 1.01.10). Tải luận văn miễn phí.

• Tác giả: Jiawei Han
• Trường học: Simon Fraser University
• Chuyên ngành: Database Systems
• Đề tài: Data Mining: Concepts and Techniques
• Loại tài liệu: Book
• Năm xuất bản: 2000
• Địa điểm: Burnaby

Tóm tắt

I. Toàn cảnh về khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm

Luận văn thạc sĩ về chủ đề khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành Công nghệ thông tin. Sự bùng nổ của dữ liệu đã tạo ra một tình huống được mô tả là “giàu dữ liệu nhưng nghèo thông tin”. Các tổ chức thu thập khối lượng dữ liệu khổng lồ, nhưng chúng thường trở thành “nghĩa địa dữ liệu” (data tombs) – những kho lưu trữ ít khi được xem lại. Chính nhu cầu cấp thiết biến những dữ liệu thô này thành tri thức hữu ích đã thúc đẩy sự phát triển của khai phá dữ liệu. Theo định nghĩa của Han và Kamber, khai phá dữ liệu là quá trình khám phá các mẫu hình thú vị và tri thức tiềm ẩn từ lượng lớn dữ liệu. Quá trình này không đơn thuần là một bước mà là một chu trình gồm nhiều giai đoạn, thường được gọi là Khám phá tri thức trong cơ sở dữ liệu (KDD). Phương pháp phân cụm, một trong những kỹ thuật cốt lõi của khai phá dữ liệu, đóng vai trò then chốt trong việc tự động nhóm các đối tượng tương tự lại với nhau mà không cần gán nhãn trước. Điều này mở ra khả năng phân tích và hiểu sâu hơn về cấu trúc bên trong của dữ liệu, từ đó phục vụ cho các ứng dụng từ phân tích thị trường đến nhận dạng mẫu.

1.1. Khái niệm khai phá dữ liệu Data Mining là gì

Khai phá dữ liệu, hay Data Mining, là quá trình trích xuất hoặc "khai thác" tri thức từ một lượng lớn dữ liệu. Đây là một lĩnh vực đa ngành, tích hợp các kỹ thuật từ công nghệ cơ sở dữ liệu, thống kê, học máy (machine learning), và nhận dạng mẫu (pattern recognition). Mục tiêu không phải là truy xuất dữ liệu đơn thuần, mà là tìm ra các quy luật, xu hướng, và các mẫu hình có ý nghĩa mà trước đây chưa được biết đến. Trong bối cảnh công nghệ cơ sở dữ liệu đã phát triển từ xử lý tệp thô sơ đến các hệ thống quản trị phức tạp, khai phá dữ liệu được xem là bước tiến hóa tự nhiên tiếp theo. Nó giúp chuyển đổi các kho dữ liệu khổng lồ thành những "thỏi vàng tri thức" (golden nuggets), hỗ trợ đắc lực cho việc ra quyết định chiến lược trong kinh doanh, khoa học và nhiều lĩnh vực khác. Một luận văn thạc sĩ về chủ đề này cần làm rõ sự khác biệt giữa khai phá dữ liệu và các công cụ phân tích truyền thống.

1.2. Vai trò của phương pháp phân cụm trong khai phá dữ liệu

Phân cụm (Clustering) là một trong những chức năng chính của khai phá dữ liệu, thuộc nhóm khai phá mô tả (descriptive mining). Khác với phân loại (Classification), phân tích phân cụm thực hiện trên dữ liệu không có nhãn. Mục tiêu là nhóm các đối tượng dữ liệu dựa trên nguyên tắc tối đa hóa sự tương đồng trong cùng một cụm (intraclass similarity) và tối thiểu hóa sự tương đồng giữa các cụm khác nhau (interclass similarity). Mỗi cụm được hình thành có thể xem như một lớp đối tượng, từ đó có thể rút ra các quy tắc hoặc mô tả đặc trưng. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích khi cần khám phá cấu trúc tự nhiên của dữ liệu. Ví dụ, trong kinh doanh, phân cụm có thể giúp xác định các phân khúc khách hàng khác nhau để xây dựng chiến lược marketing mục tiêu. Trong một luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu, việc lựa chọn và áp dụng đúng đắn phương pháp phân cụm là yếu tố quyết định thành công của nghiên cứu.

II. Các thách thức chính khi khai phá dữ liệu bằng phân cụm

Việc thực hiện một luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm phải đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Những thách thức này không chỉ đến từ bản chất phức tạp của dữ liệu mà còn từ các yêu cầu về hiệu quả và khả năng mở rộng của thuật toán. Một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng xử lý các loại dữ liệu đa dạng. Dữ liệu trong thực tế không chỉ giới hạn ở dạng số mà còn bao gồm dữ liệu văn bản, hình ảnh, chuỗi thời gian và không gian. Mỗi loại dữ liệu đòi hỏi một phương pháp đo lường độ tương đồng riêng và các thuật toán phân cụm phù hợp. Bên cạnh đó, khả năng mở rộng (scalability) là một yêu cầu tối quan trọng. Các thuật toán phải hoạt động hiệu quả trên các cơ sở dữ liệu lớn với hàng triệu, thậm chí hàng tỷ bản ghi. Các thuật toán có độ phức tạp tính toán cao sẽ không thực tế. Hơn nữa, việc xử lý dữ liệu nhiều chiều (high dimensionality) và dữ liệu nhiễu (outlier) cũng là những bài toán khó, có thể làm giảm chất lượng của kết quả phân cụm. Việc lựa chọn số cụm tối ưu cũng là một vấn đề mở, đòi hỏi các phương pháp đánh giá hiệu quả.

2.1. Vấn đề về hiệu năng và khả năng mở rộng của thuật toán

Để khai thác thông tin hiệu quả từ lượng lớn dữ liệu, các thuật toán phân cụm phải có hiệu năng và khả năng mở rộng tốt. Thời gian chạy của thuật toán phải có thể dự đoán và chấp nhận được trên các cơ sở dữ liệu lớn. Theo Han và Kamber, các thuật toán có độ phức tạp theo hàm mũ hoặc thậm chí đa thức bậc trung bình sẽ không có tính ứng dụng thực tế. Do đó, các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các thuật toán phân cụm song song, phân tán hoặc cập nhật tăng dần (incremental). Các thuật toán này chia dữ liệu thành các phân vùng, xử lý song song và sau đó hợp nhất kết quả. Các thuật toán tăng dần cho phép cập nhật mô hình phân cụm khi có dữ liệu mới mà không cần phải chạy lại từ đầu trên toàn bộ tập dữ liệu, giúp tiết kiệm chi phí tính toán đáng kể.

2.2. Xử lý dữ liệu phức tạp nhiễu không đầy đủ và đa chiều

Dữ liệu thực tế thường chứa nhiễu, các trường hợp ngoại lệ (outliers) hoặc các đối tượng dữ liệu không đầy đủ. Những đối tượng này có thể làm sai lệch quá trình phân tích và khiến mô hình tri thức được xây dựng bị quá khớp (overfitting), dẫn đến độ chính xác thấp. Các phương pháp làm sạch dữ liệu (data cleaning) và các kỹ thuật phân tích có khả năng xử lý nhiễu là rất cần thiết. Hơn nữa, dữ liệu đa chiều (với số lượng thuộc tính lớn) cũng là một thách thức. Trong không gian nhiều chiều, khái niệm về khoảng cách và mật độ trở nên khó xác định, ảnh hưởng đến hiệu quả của nhiều thuật toán phân cụm truyền thống. Một luận văn thạc sĩ chất lượng cần đề xuất các giải pháp cho những vấn đề này, chẳng hạn như sử dụng các kỹ thuật giảm chiều dữ liệu hoặc các thuật toán phân cụm có khả năng chống nhiễu.

III. Phương pháp khai phá dữ liệu theo quy trình KDD chuẩn

Để đảm bảo tính khoa học và hệ thống, một luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu cần tuân thủ một quy trình chuẩn. Quy trình Khám phá tri thức trong cơ sở dữ liệu (KDD) được công nhận rộng rãi là một khuôn khổ hiệu quả. Theo Han và Kamber, KDD là một chuỗi các bước lặp lại, trong đó khai phá dữ liệu chỉ là một bước thiết yếu. Quy trình này đảm bảo rằng dữ liệu đầu vào có chất lượng cao và kết quả đầu ra thực sự hữu ích và đáng tin cậy. Bắt đầu từ việc làm sạch và tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, quy trình KDD chuẩn bị một tập dữ liệu sẵn sàng cho phân tích. Sau đó, các bước lựa chọn và biến đổi dữ liệu giúp tập trung vào các thuộc tính liên quan và chuyển đổi chúng sang định dạng phù hợp cho việc khai phá. Giai đoạn cốt lõi là áp dụng các phương pháp thông minh, chẳng hạn như thuật toán phân cụm, để trích xuất các mẫu hình. Cuối cùng, các mẫu hình này phải được đánh giá về mức độ "thú vị" và được trình bày dưới dạng tri thức dễ hiểu cho người dùng cuối. Việc tuân thủ quy trình này giúp nghiên cứu có cấu trúc chặt chẽ và kết quả có giá trị thực tiễn.

3.1. Giai đoạn tiền xử lý dữ liệu Làm sạch và Tích hợp

Giai đoạn tiền xử lý dữ liệu (data preprocessing) là bước nền tảng quyết định chất lượng của toàn bộ quá trình khai phá. Bước này bao gồm hai nhiệm vụ chính: làm sạch dữ liệu (data cleaning) và tích hợp dữ liệu (data integration). Làm sạch dữ liệu nhằm loại bỏ nhiễu và xử lý các dữ liệu không nhất quán hoặc thiếu sót. Tích hợp dữ liệu là quá trình kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, thường là không đồng nhất, vào một kho lưu trữ duy nhất, chẳng hạn như một kho dữ liệu (data warehouse). Trong quá trình này, các vấn đề về xung đột dữ liệu, dư thừa và khác biệt về cấu trúc cần được giải quyết. Một tập dữ liệu được tiền xử lý tốt sẽ giúp các thuật toán phân cụm hoạt động hiệu quả hơn và cho ra kết quả chính xác hơn, tránh được những kết luận sai lệch do dữ liệu "bẩn" gây ra.

3.2. Áp dụng thuật toán Data Mining và Đánh giá mẫu hình

Đây là bước cốt lõi của quy trình KDD, nơi các phương pháp thông minh được áp dụng để trích xuất các mẫu hình dữ liệu. Trong bối cảnh của một luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm, bước này liên quan đến việc lựa chọn và triển khai một hoặc nhiều thuật toán phân cụm phù hợp với bài toán. Sau khi các cụm được hình thành, một bước quan trọng không kém là đánh giá mẫu hình (pattern evaluation). Một hệ thống khai phá dữ liệu có thể tạo ra hàng nghìn mẫu hình, nhưng chỉ một phần nhỏ trong số đó thực sự thú vị và hữu ích. Các độ đo khách quan (như support, confidence) và chủ quan (dựa trên niềm tin của người dùng) được sử dụng để xác định các mẫu hình thực sự đại diện cho tri thức. Mẫu hình được coi là thú vị nếu nó dễ hiểu, hợp lệ trên dữ liệu mới, có tiềm năng hữu ích và mới lạ.

3.3. Trình bày tri thức Trực quan hóa và Báo cáo kết quả

Bước cuối cùng của quy trình KDD là trình bày tri thức (knowledge presentation). Tri thức được khám phá cần được biểu diễn bằng các ngôn ngữ cấp cao, các phương tiện trực quan hóa dữ liệu (data visualization), hoặc các hình thức biểu đạt khác để con người có thể dễ dàng hiểu và sử dụng trực tiếp. Đối với phân tích phân cụm, việc trực quan hóa kết quả thông qua biểu đồ phân tán (scatter plot), bản đồ nhiệt (heatmap) hoặc các kỹ thuật giảm chiều như PCA, t-SNE là rất quan trọng. Nó giúp người nghiên cứu và người đọc luận văn có cái nhìn trực quan về cấu trúc các cụm đã được hình thành. Việc trình bày kết quả một cách rõ ràng, súc tích, và có minh chứng cụ thể là yếu tố then chốt để chứng minh giá trị của nghiên cứu, biến những phát hiện từ dữ liệu thành tri thức có thể hành động được.

IV. Top thuật toán phân cụm hiệu quả cho luận văn thạc sĩ

Việc lựa chọn thuật toán phù hợp là một trong những quyết định quan trọng nhất trong một luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm. Không có một thuật toán nào là tốt nhất cho mọi loại dữ liệu và mọi bài toán. Sự lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc dữ liệu, kích thước tập dữ liệu, và mục tiêu của phân tích. Các thuật toán phân cụm có thể được phân loại thành nhiều nhóm chính, trong đó hai nhóm phổ biến nhất là phân cụm dựa trên phân hoạch (partition-based clustering) và phân cụm phân cấp (hierarchical clustering). Các thuật toán phân hoạch như K-Means cố gắng chia dữ liệu thành K cụm không giao nhau, trong khi các thuật toán phân cấp xây dựng một cây các cụm. Ngoài ra, còn có các phương pháp dựa trên mật độ (density-based) như DBSCAN, rất hiệu quả trong việc tìm ra các cụm có hình dạng bất kỳ và xử lý nhiễu. Một luận văn xuất sắc thường không chỉ áp dụng một thuật toán duy nhất mà còn so sánh hiệu quả của nhiều thuật toán khác nhau trên cùng một tập dữ liệu để đưa ra kết luận toàn diện nhất.

4.1. Phương pháp phân cụm phân hoạch K Means và biến thể

Các thuật toán phân cụm phân hoạch là một trong những lựa chọn phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả. Nổi bật nhất là thuật toán K-Means. Thuật toán này phân chia một tập dữ liệu gồm n đối tượng thành k cụm, sao cho tổng bình phương sai số giữa các điểm dữ liệu và tâm cụm tương ứng là nhỏ nhất. K-Means có độ phức tạp tính toán thấp và hoạt động tốt trên các cụm có dạng hình cầu và kích thước tương đương. Tuy nhiên, nó nhạy cảm với việc chọn tâm ban đầu và giá trị k, đồng thời khó xử lý các cụm có hình dạng phi cầu và dữ liệu nhiễu. Các biến thể như K-Medoids (sử dụng medoid thay vì mean) giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu. Việc hiểu rõ ưu và nhược điểm của K-Means là cần thiết để áp dụng và biện luận kết quả trong luận văn.

4.2. Phương pháp phân cụm phân cấp AGNES và DIANA

Phương pháp phân cụm phân cấp xây dựng một cấu trúc phân cấp của các cụm, thường được biểu diễn dưới dạng một cây (dendrogram). Có hai cách tiếp cận chính: gộp (agglomerative) và chia (divisive). AGNES (Agglomerative Nesting) là một ví dụ điển hình của phương pháp gộp, bắt đầu với mỗi đối tượng là một cụm riêng và gộp dần các cụm gần nhau nhất cho đến khi chỉ còn một cụm. Ngược lại, DIANA (Divisive Analysis) bắt đầu với tất cả các đối tượng trong một cụm và thực hiện chia dần. Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu xác định trước số lượng cụm và cung cấp một cái nhìn đa cấp về cấu trúc dữ liệu. Tuy nhiên, chúng thường có độ phức tạp tính toán cao hơn so với các phương pháp phân hoạch, đặc biệt là trên các tập dữ liệu lớn.

4.3. Phương pháp phân cụm dựa trên mật độ DBSCAN

Các phương pháp phân cụm dựa trên mật độ (density-based) có khả năng khám phá các cụm có hình dạng tùy ý và xử lý nhiễu một cách hiệu quả. Thuật toán tiêu biểu là DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise). DBSCAN định nghĩa cụm là một vùng có mật độ điểm dữ liệu cao, được ngăn cách với các vùng khác bởi các khu vực có mật độ thấp. Nó không yêu cầu người dùng chỉ định trước số lượng cụm và có thể xác định các điểm nhiễu (outliers). Điều này làm cho DBSCAN trở thành một công cụ mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng thực tế, nơi dữ liệu thường không có cấu trúc rõ ràng và chứa nhiều ngoại lệ. Đây là một lựa chọn thuật toán nâng cao và có giá trị cho một luận văn thạc sĩ muốn giải quyết các bài toán phân cụm phức tạp.

V. Các ứng dụng thực tiễn của khai phá dữ liệu phân cụm

Khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm có vô số ứng dụng thực tiễn, biến nó thành một chủ đề luận văn thạc sĩ hấp dẫn và có giá trị. Khả năng tự động nhóm các đối tượng tương tự mà không cần giám sát đã mở ra nhiều cơ hội trong các lĩnh vực khác nhau. Trong kinh doanh và marketing, phân tích phân cụm được sử dụng rộng rãi để phân khúc thị trường. Bằng cách nhóm khách hàng dựa trên hành vi mua sắm, nhân khẩu học hoặc sở thích, các công ty có thể tạo ra các chiến dịch quảng cáo được cá nhân hóa, tăng hiệu quả và tối ưu hóa lợi nhuận. Trong lĩnh vực sinh học, phân cụm được dùng để phân loại gen, tế bào hoặc protein dựa trên các mẫu biểu hiện của chúng, góp phần vào việc khám phá các loại bệnh mới và phát triển thuốc. Trong lĩnh vực xử lý hình ảnh, kỹ thuật này giúp phân đoạn hình ảnh, nhận dạng đối tượng. Đối với các hệ thống web và thương mại điện tử, phân cụm giúp nhóm người dùng có hành vi tương tự để xây dựng các hệ thống gợi ý sản phẩm hoặc nội dung hiệu quả. Những ứng dụng này cho thấy tiềm năng to lớn của việc nghiên cứu và làm chủ các kỹ thuật phân cụm.

5.1. Phân khúc khách hàng và phân tích giỏ hàng trong kinh doanh

Một trong những ứng dụng kinh điển nhất của phương pháp phân cụm là phân khúc khách hàng. Các doanh nghiệp như AllElectronics trong ví dụ của Han và Kamber có thể phân cụm dữ liệu khách hàng để xác định các nhóm đồng nhất. Các cụm này có thể đại diện cho các nhóm mục tiêu riêng biệt cho hoạt động marketing. Ví dụ, một cụm có thể là "sinh viên đam mê công nghệ", trong khi cụm khác là "gia đình có thu nhập cao". Ngoài ra, phân cụm còn có thể áp dụng trong phân tích giỏ hàng (market basket analysis), bằng cách nhóm các giao dịch mua sắm tương tự lại với nhau để tìm ra các sản phẩm thường được mua cùng nhau, từ đó hỗ trợ chiến lược sắp xếp sản phẩm và bán chéo (cross-selling).

5.2. Ứng dụng trong phân loại tài liệu và tin tức trên web

Trong bối cảnh bùng nổ thông tin từ World Wide Web, phân cụm tài liệu là một ứng dụng quan trọng. Kỹ thuật này có thể tự động nhóm các bài báo, tin tức, hoặc các trang web có cùng chủ đề lại với nhau mà không cần sự can thiệp của con người. Ví dụ, một công cụ tổng hợp tin tức có thể sử dụng phân cụm để nhóm các bài viết về "thể thao", "chính trị", "kinh tế" từ hàng nghìn nguồn khác nhau. Điều này giúp người dùng dễ dàng điều hướng và tìm kiếm thông tin liên quan. Luận văn thạc sĩ có thể tập trung vào việc áp dụng các thuật toán phân cụm trên dữ liệu văn bản, sử dụng các kỹ thuật như TF-IDF để biểu diễn tài liệu và các độ đo tương đồng như Cosine similarity để so sánh chúng.

VI. Xu hướng và tương lai của ngành khai phá dữ liệu phân cụm

Lĩnh vực khai phá dữ liệu bằng phương pháp phân cụm vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ với nhiều hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn. Đây là một lĩnh vực năng động, được thúc đẩy bởi sự gia tăng của dữ liệu lớn (Big Data) và sự tiến bộ của trí tuệ nhân tạo. Một trong những xu hướng chính là phát triển các thuật toán phân cụm có khả năng xử lý dữ liệu phức tạp hơn, chẳng hạn như dữ liệu đồ thị (graph data), dữ liệu dòng (streaming data) và dữ liệu không đồng nhất (heterogeneous data). Việc tích hợp các kỹ thuật học sâu (Deep Learning) vào phân cụm, hay còn gọi là Deep Clustering, đang mở ra những khả năng mới để học các biểu diễn dữ liệu (data representation) tốt hơn, từ đó cải thiện đáng kể chất lượng phân cụm, đặc biệt trên dữ liệu phi cấu trúc như hình ảnh và văn bản. Hơn nữa, các vấn đề về tính diễn giải (interpretability) và công bằng (fairness) trong phân cụm cũng đang nhận được nhiều sự quan tâm, đảm bảo rằng các quyết định dựa trên kết quả phân cụm là minh bạch và không thiên vị. Một luận văn thạc sĩ có thể đóng góp vào những hướng đi mới này.

6.1. Tích hợp học sâu Deep Learning vào các thuật toán phân cụm

Xu hướng nổi bật hiện nay là sự kết hợp giữa học sâu và phân tích phân cụm. Các mô hình học sâu, như Autoencoders, có khả năng học các biểu diễn đặc trưng ẩn (latent feature representations) của dữ liệu một cách hiệu quả. Bằng cách áp dụng các thuật toán phân cụm trên không gian đặc trưng này thay vì trên không gian dữ liệu gốc, chất lượng phân cụm có thể được cải thiện đáng kể. Hướng tiếp cận này đặc biệt mạnh mẽ đối với dữ liệu có chiều cao và phức tạp như hình ảnh, nơi các thuật toán phân cụm truyền thống thường gặp khó khăn. Nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể tập trung vào việc thiết kế các kiến trúc mạng nơ-ron mới hoặc các hàm mất mát (loss function) đồng thời tối ưu hóa cả việc học biểu diễn và phân cụm.

6.2. Các hướng nghiên cứu mới Phân cụm trên dữ liệu dòng và đồ thị

Phân cụm trên dữ liệu dòng (streaming data) là một thách thức lớn, nơi dữ liệu đến liên tục và các thuật toán phải cập nhật các cụm một cách nhanh chóng với bộ nhớ hạn chế. Các ứng dụng bao gồm phát hiện bất thường trong giao dịch mạng hoặc theo dõi các chủ đề nóng trên mạng xã hội. Một hướng đi khác là phân cụm trên dữ liệu đồ thị, dùng để tìm kiếm các cộng đồng (community detection) trong mạng xã hội, phân nhóm các phân tử trong hóa sinh, hoặc phân tích mạng lưới tương tác. Các hướng nghiên cứu này đòi hỏi sự phát triển của các thuật toán hoàn toàn mới, có khả năng thích ứng với bản chất động và cấu trúc phức tạp của dữ liệu, mở ra nhiều đề tài tiềm năng cho các luận văn thạc sĩ khai phá dữ liệu trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Data Mining: Concepts and Techniques Jiawei Han and Micheline Kamber Simon Fraser University Note: This manuscript is based on a forthcoming book by Jiawei Han and Micheline Kamber, c 2000 (c) Morgan Kaufmann Publishers. All rights reserved. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Preface Our capabilities of both generating and collecting data have been increasing rapidly in the last several decades. Contributing factors include the widespread use of bar codes for most commercial products, the computerization of many business, scienti c and government transactions and managements, and advances in data collection tools ranging from scanned texture and image platforms, to on-line instrumentation in manufacturing and shopping, and to satellite remote sensing systems.

In addition, popular use of the World Wide Web as a global information system has ooded us with a tremendous amount of data and information. This explosive growth in stored data has generated an urgent need for new techniques and automated tools that can intelligently assist us in transforming the vast amounts of data into useful information and knowledge. This book explores the concepts and techniques of data mining, a promising and ourishing frontier in database systems and new database applications. Data mining, also popularly referred to as knowledge discovery in databases (KDD), is the automated or convenient extraction of patterns representing knowledge implicitly stored in large databases, data warehouses, and other massive information repositories.

Data mining is a multidisciplinary eld, drawing work from areas including database technology, arti cial in- telligence, machine learning, neural networks, statistics, pattern recognition, knowledge based systems, knowledge acquisition, information retrieval, high performance computing, and data visualization. We present the material in this book from a database perspective. That is, we focus on issues relating to the feasibility, usefulness, eciency, and scalability of techniques for the discovery of patterns hidden in large databases. As a result, this book is not intended as an introduction to database systems, machine learning, or statistics, etc., although we do provide the background necessary in these areas in order to facilitate the reader's comprehension of their respective roles in data mining.

Rather, the book is a comprehensive introduction to data mining, presented with database issues in focus. It should be useful for computing science students, application developers, and business professionals, as well as researchers involved in any of the disciplines listed above. Data mining emerged during the late 1980's, has made great strides during the 1990's, and is expected to continue to ourish into the new millennium. This book presents an overall picture of the eld from a database researcher's point of view, introducing interesting data mining techniques and systems, and discussing applications and research directions.

An important motivation for writing this book was the need to build an organized framework for the study of data mining | a challenging task owing to the extensive multidisciplinary nature of this fast developing eld. We hope that this book will encourage people with di erent backgrounds and experiences to exchange their views regarding data mining so as to contribute towards the further promotion and shaping of this exciting and dynamic eld. To the teacher This book is designed to give a broad, yet in depth overview of the eld of data mining. You will nd it useful for teaching a course on data mining at an advanced undergraduate level, or the rst-year graduate level.

In addition, individual chapters may be included as material for courses on selected topics in database systems or in arti cial intelligence. We have tried to make the chapters as self-contained as possible. For a course taught at the undergraduate level, you might use chapters 1 to 8 as the core course material. Remaining class material may be selected from among the more advanced topics described in chapters 9 and 10.

For a graduate level course, you may choose to cover the entire book in one semester. Each chapter ends with a set of exercises, suitable as assigned homework. The exercises are either short questions i TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ii that test basic mastery of the material covered, or longer questions which require analytical thinking. To the student We hope that this textbook will spark your interest in the fresh, yet evolving eld of data mining.

We have attempted to present the material in a clear manner, with careful explanation of the topics covered. Each chapter ends with a summary describing the main points. We have included many gures and illustrations throughout the text in order to make the book more enjoyable and \reader-friendly". Although this book was designed as a textbook, we have tried to organize it so that it will also be useful to you as a reference book or handbook, should you later decide to pursue a career in data mining.

What do you need to know in order to read this book?  You should have some knowledge of the concepts and terminology associated with database systems. However, we do try to provide enough background of the basics in database technology, so that if your memory is a bit rusty, you will not have trouble following the discussions in the book. You should have some knowledge of database querying, although knowledge of any speci c query language is not required.  You should have some programming experience.

In particular, you should be able to read pseudo-code, and understand simple data structures such as multidimensional arrays.  It will be helpful to have some preliminary background in statistics, machine learning, or pattern recognition. However, we will familiarize you with the basic concepts of these areas that are relevant to data mining from a database perspective. To the professional This book was designed to cover a broad range of topics in the eld of data mining.

As a result, it is a good handbook on the subject. Because each chapter is designed to be as stand-alone as possible, you can focus on the topics that most interest you. Much of the book is suited to applications programmers or information service managers like yourself who wish to learn about the key ideas of data mining on their own. The techniques and algorithms presented are of practical utility.

Rather than selecting algorithms that perform well on small \toy" databases, the algorithms described in the book are geared for the discovery of data patterns hidden in large, real databases. In Chapter 10, we brie y discuss data mining systems in commercial use, as well as promising research prototypes. Each algorithm presented in the book is illustrated in pseudo-code. The pseudo- code is similar to the C programming language, yet is designed so that it should be easy to follow by programmers unfamiliar with C or C++.

If you wish to implement any of the algorithms, you should nd the translation of our pseudo-code into the programming language of your choice to be a fairly straightforward task. Organization of the book The book is organized as follows. Chapter 1 provides an introduction to the multidisciplinary eld of data mining. It discusses the evolutionary path of database technology which led up to the need for data mining, and the importance of its application potential.

The basic architecture of data mining systems is described, and a brief introduction to the concepts of database systems and data warehouses is given. A detailed classi cation of data mining tasks is presented, based on the di erent kinds of knowledge to be mined. A classi cation of data mining systems is presented, and major challenges in the eld are discussed. Chapter 2 is an introduction to data warehouses and OLAP (On-Line Analytical Processing).

Topics include the concept of data warehouses and multidimensional databases, the construction of data cubes, the implementation of on-line analytical processing, and the relationship between data warehousing and data mining. Chapter 3 describes techniques for preprocessing the data prior to mining. Methods of data cleaning, data integration and transformation, and data reduction are discussed, including the use of concept hierarchies for dynamic and static discretization. The automatic generation of concept hierarchies is also described.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] iii Chapter 4 introduces the primitives of data mining which de ne the speci cation of a data mining task. It describes a data mining query language (DMQL), and provides examples of data mining queries. Other topics include the construction of graphical user interfaces, and the speci cation and manipulation of concept hierarchies. Chapter 5 describes techniques for concept description, including characterization and discrimination.

An attribute-oriented generalization technique is introduced, as well as its di erent implementations including a gener- alized relation technique and a multidimensional data cube technique. Several forms of knowledge presentation and visualization are illustrated. Relevance analysis is discussed. Methods for class comparison at multiple abstraction levels, and methods for the extraction of characteristic rules and discriminant rules with interestingness measurements are presented.

In addition, statistical measures for descriptive mining are discussed. Chapter 6 presents methods for mining association rules in transaction databases as well as relational databases and data warehouses. It includes a classi cation of association rules, a presentation of the basic Apriori algorithm and its variations, and techniques for mining multiple-level association rules, multidimensional association rules, quantitative association rules, and correlation rules. Strategies for nding interesting rules by constraint-based mining and the use of interestingness measures to focus the rule search are also described.

Chapter 7 describes methods for data classi cation and predictive modeling. Major methods of classi cation and prediction are explained, including decision tree induction, Bayesian classi cation, the neural network technique of backpropagation, k-nearest neighbor classi ers, case-based reasoning, genetic algorithms, rough set theory, and fuzzy set approaches. Association-based classi cation, which applies association rule mining to the problem of classi cation, is presented. Methods of regression are introduced, and issues regarding classi er accuracy are discussed.

Chapter 8 describes methods of clustering analysis. It rst introduces the concept of data clustering and then presents several major data clustering approaches, including partition-based clustering, hierarchical clustering, and model-based clustering. Methods for clustering continuous data, discrete data, and data in multidimensional data cubes are presented. The scalability of clustering algorithms is discussed in detail.

Chapter 9 discusses methods for data mining in advanced database systems. It includes data mining in object- oriented databases, spatial databases, text databases, multimedia databases, active databases, temporal databases, heterogeneous and legacy databases, and resource and knowledge discovery in the Internet information base. Finally, in Chapter 10, we summarize the concepts presented in this book and discuss applications of data mining and some challenging research issues. Errors It is likely that this book may contain typos, errors, or omissions.

If you notice any errors, have suggestions regarding additional exercises or have other constructive criticism, we would be very happy to hear from you. We welcome and appreciate your suggestions. You can send your comments to: Data Mining: Concept and Techniques Intelligent Database Systems Research Laboratory Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia Canada V5A 1S6 Fax: [phone] Alternatively, you can use electronic mails to submit bug reports, request a list of known errors, or make con- structive suggestions. To receive instructions, send email to with \Subject: help" in the message header.ca We regret that we cannot personally respond to all e-mails.

The errata of the book and other updated information related to the book can be found by referencing the Web address: http://db. Acknowledgements We would like to express our sincere thanks to all the members of the data mining research group who have been working with us at Simon Fraser University on data mining related research, and to all the members of the DBMiner system development team, who have been working on an exciting data mining project, , and have made DBMiner it a real success. The data mining research team currently consists of the following active members: Julia Gitline, TIEU LUAN MOI download : [e-mail] iv Kan Hu, Jean Hou, Pei Jian, Micheline Kamber, Eddie Kim, Jin Li, Xuebin Lu, Behzad Mortazav-Asl, Helen Pinto, Yiwen Yin, Zhaoxia Wang, and Hua Zhu.