CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU VÀ PHÂN CỤM DỮ LIỆU 1. Tổng quan về khai phá dữ liệu 1. Khái niệm Có nhiều định nghĩa về Khai phá dữ liệu (Data Mining) được đưa ra, nhìn chung, có thể hiểu khai phá dữ liệu là quá trình tìm ra các quy luật, các mối quan hệ và các thông tin có ích tiềm ẩn giữa các mẫu dữ liệu trong một cơ sở dữ liệu. Các thông tin có ích này không hoặc khó có thể được tìm ra bởi các hệ cơ sở dữ liệu giao dịch truyền thống.
Các tri thức mà khai phá dữ liệu mang lại là công cụ hữu hiệu đối với tổ chức trong việc hoạch định chiến lược và ra quyết định kinh doanh. Khác với các câu hỏi mà hệ cơ sở dữ liệu truyền thống có thể trả lời như: Hãy hiển thị số tiền ông Smith trong ngày 5 tháng Giêng ?: thu nhận thông tin riêng lẻ do xử lý giao dịch trực tuyến (on-line transaction processing – OLTP). Có bao nhiêu nhà đầu tư nước ngoài mua cổ phiếu X trong tháng trước?: thu nhận thông tin thống kê do hệ thống hỗ trợ quyết định thống kê (stastical decision suppport system - DSS). Hiển thị mọi cổ phiếu trong CSDL với mệnh giá tăng ? thu nhận dữ liệu đa chiều do xử lý phân tích trực tuyến (on-line analytic processing - OLAP).
Khai phá dữ liệu giúp trả lời các câu hỏi mang tính trừu tượng, tổng quát hơn như: Các cổ phiếu tăng giá có đặc trưng gì ? Tỷ giá US$ - DMark có đặc trưng gì ? Hy vọng gì về cổ phiếu X trong tuần tiếp theo ? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Trong tháng tiếp theo, sẽ có bao nhiêu đoàn viên công đoàn không trả được nợ của họ ? Những người mua sản phẩm Y thường mua những sản phẩm nào nữa ? Khai phá dữ liệu là sự kết hợp của nhiều chuyên ngành như cơ sở dữ liệu, học máy, trí tuệ nhân tạo, lý thuyết thông tin, xác suất thống kê, tính toán hiệu năng cao và các phương pháp tính toán mềm… 1. Tiến trình khai phá dữ liệu Một số nhà khoa học xem khai phá dữ liệu (KPDL) là một cách gọi khác của một thuật ngữ rất thông dụng: Khám phá tri thức từ cơ sở dữ liệu (Knowledge Discovery in Database- KDD). Mặt khác, khi chia các bước trong quá trình khám phá tri thức, một số nhà nghiên cứu lại cho rằng, KPDL chỉ là một bước trong quá trình khám phá tri thức [5]. Như vậy, khi xét ở mức tổng quan thì hai thuật ngữ này là tương đương nhau, nhưng khi xét cụ thể thì KPDL được xem là một bước trong quá trình khám phá tri thức.
Nhìn chung, khai phá dữ liệu hay khám phá tri thức từ cơ sở dữ liệu bao gồm các bước sau [4]: Hình 1.1: Tiến trình khám phá tri thức từ cơ sở dữ liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Trích chọn dữ liệu: Là quá trình trích lọc một lượng dữ liệu phù hợp, cần thiết từ tập dữ liệu lớn (cơ sở dữ liệu tác nghiệp, kho dữ liệu)… Tiền xử lý dữ liệu: Là bước làm sạch dữ liệu (xử lý dữ liệu không đầy đủ, dữ liệu nhiễu, ngoại lai, dữ liệu không nhất quán…), rút gọn dữ liệu (lấy mẫu dữ liệu, lượng tử hóa…), rời rạc hóa dữ liệu. Kết quả sau bước này là dữ liệu có tính nhất quán, đầy đủ, được rút gọn và được rời rạc hóa. Chuyển đổi dữ liệu: Là bước chuẩn hóa khuôn dạng và làm mịn dữ liệu, nhằm đưa dữ liệu về dạng thuận lợi nhất để phục vụ cho việc áp dụng các giải thuật khai phá dữ liệu ở bước sau. Khai phá dữ liệu: Sử dụng các phương pháp, kỹ thuật, các thuật toán để trích lọc ra mẫu có ý nghĩa cùng với các tri thức, quy luật, biểu thức mô tả mối quan hệ của dữ liệu trong một khía cạnh nào đó.
Đây là bước quan trọng và tốn nhiều thời gian nhất của toàn bộ tiến trình KDD. Đánh giá và biểu diễn tri thức: Trình bày các tri thức, quy luật, biểu thức có ý nghĩa đã tìm được ở bước trước dưới các dạng thức gần gũi, dễ hiểu đối với người sử dụng như đồ thị, biểu đồ, cây, bảng biểu, luật…Đồng thời đưa ra những đánh giá về tri thức khám phá được theo những tiêu chí nhất định. Trong giai đoạn khai phá dữ liệu, có thể cần sự tương tác của con người để điều chỉnh cách thức và kỹ thuật sử dụng trong khai phá, nhằm thu được tri thức phù hợp nhất. Dựa trên các bước của quá trình khai phá dữ liệu như trên, kiến trúc điển hình của một hệ khai phá dữ liệu có thể bao gồm các thành phần như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Kiến trúc điển hình của một hệ khai phá dữ liệu [4] 1.
Các mô hình khai phá dữ liệu Mô hình khai phá dữ liệu là mô tả về phương pháp, cách thức khai phá thông tin từ dữ liệu và định hướng kiểu tri thức cần khai phá. Một mô hình khai phá dữ liệu có thể được mô tả ở 2 mức: Mức chức năng (Function level): Mô tả mô hình bằng những thuật ngữ về dự định sử dụng. Ví dụ: Phân lớp, phân cụm… Mức biểu diễn (Representation level): Biểu diễn cụ thể một mô hình. Ví dụ: Mô hình log-linear, cây phân lớp, phương pháp láng giềng gần nhất… Các mô hình khai phá dữ liệu dựa trên 2 kiểu học: có giám sát và không giám sát (đôi khi được nói đến như là học trực tiếp và không trực tiếp -directed and undirected learning) [6].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 Các hàm học có giám sát (Supervised learning functions) được sử dụng để dự đoán giá trị. Một ví dụ của thuật toán học có giám sát bao gồm Naive Bayes cho phân lớp (classification). Các hàm học không giám sát được dùng để tìm ra cấu trúc bên trong, các quan hệ hoặc tính giống nhau trong nội dung dữ liệu nhưng không có lớp hay nhãn nào được gán ưu tiên. Ví dụ của các thuật toán học không giám sát gồm phân nhóm k-mean (k-mean clustering) và các luật kết hợp Apriori.
Tương ứng có 2 loại mô hình khai phá dữ liệu: Các mô hình dự báo (học có giám sát): - Phân lớp: nhóm các đối tượng thành các lớp riêng biệt và dự đoán một đối tượng sẽ thuộc vào lớp nào. - Hồi qui (Regression): xấp xỉ hàm và dự báo các giá trị liên tục. Các mô hình mô tả (học không giám sát): - Phân cụm (Clustering): Tìm các nhóm tự nhiên trong dữ liệu. - Các mô hình kết hợp (Association models): Phân tích “giỏ hàng”.
- Trích chọn đặc trưng (Feature extraction): Tạo các thuộc tính (đặc trưng) mới như là kết hợp của các thuộc tính ban đầu. Các hướng tiếp cận và kỹ thuật sử dụng trong khai phá dữ liệu Xuất phát từ hai mô hình khai phá dữ liệu chủ yếu như đã đề cập ở trên, các bài toán (hay chức năng) khai phá dữ liệu giải quyết thường được phân chia thành các dạng sau [4]: Mô tả khái niệm (concept description & summarization):. Tổng quát, tóm tắt các đặc trưng dữ liệu, Ví dụ: tóm tắt văn bản… Phân lớp và dự đoán (classification & prediction): Xây dựng các mô hình (chức năng) để mô tả và phân biệt khái niệm cho các lớp hoặc khái Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 niệm để dự đoán trong tương lai, xếp một đối tượng vào một trong những lớp đã biết trước. Luật kết hợp (association rules): Biểu diễn mối tương quan nhân quả giữa dữ liệu và xu hướng của dữ liệu dưới dạng luật biểu diễn tri thức ở dạng khá đơn giản.
Khai phá 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 (số lượng cũng như tên của cụm chưa được biết trước. Phân cụm còn được gọi là học không giám sát (học không có thầy – unsupervised learning).
Phân tích bất thường (ngoại lai): Phát hiện sự bất thường của dữ liệu: đối tượng dữ liệu không tuân theo hành vi chung của toàn bộ dữ liệu nhằm phát hiện gian lận hoặc phân tích các sự kiện hiếm… 1. Các dạng dữ liệu có thể khai phá Khai phá dữ liệu là kết hợp của nhiều lĩnh vực khoa học, xử lý nhiều nhiều kiểu dữ liệu khác nhau [4]. Sau đây là một số kiểu dữ liệu điển hình: CSDL quan hệ (relational databases) CSDL đa chiều (multidimensional structures, data warehouses) CSDL dạng giao dịch (transactional databases) CSDL quan hệ - hướng đối tượng (object-relational databases) Dữ liệu không gian và thời gian (spatial and temporal data) Dữ liệu chuỗi thời gian (time-series data) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 CSDL đa phương tiện (multimedia databases) như âm thanh (audio), hình ảnh (image), phim ảnh (video),. Dữ liệu Text và Web (text database & www) 1.
Các ứng dụng của khai phá dữ liệu Khai phá dữ liệu được vận dụng để giải quyết các vấn đề thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Chẳng hạn như giải quyết các bài toán phức tạp trong các ngành đòi hỏi kỹ thuật cao, như tìm kiếm mỏ dầu từ ảnh viễn thám, cảnh báo hỏng hóc trong các hệ thống sản xuất; quy hoạch và phát triển các hệ thống quản lý và sản xuất trong thực tế như dự đoán tải sử dụng điện, mức độ tiêu thụ sản phẩm, phân nhóm khách hàng; áp dụng cho các vấn đề xã hội như phát hiện tội phạm, tăng cường an ninh… Có thể liệt kê ra đây một số ứng dụng điển hình như: Phân tích dữ liệu và hỗ trợ ra quyết định (data analysis & decision support) Điều trị y học (medical treatment): mối liên hệ giữa triệu chứng, chẩn đoán và phương pháp điều trị (chế độ dinh dưỡng, thuốc men, phẫu thuật, …). Text mining & Web mining: phân lớp văn bản và các trang web, tóm tắt văn bản,. Tin-sinh (bio-informatics): tìm kiếm, đối sánh các hệ gene và thông tin di truyền, mối liên hệ giữa một số hệ gene và một số bệnh di truyền, .