2.关联分析

序言

你可能早早就听说过这个故事：

在一家超市里，有一个有趣的现象：尿布和啤酒赫然摆在一起出售。但是这个奇怪的举措却使尿布和啤酒的销量双双增加了。这不是一个笑话，而是发生在美国沃尔玛连锁店超市的真实案例，并一直为商家所津津乐道。沃尔玛拥有世界上最大的数据仓库系统，为了能够准确了解顾客在其门店的购买习惯，沃尔玛对其顾客的购物行为进行购物篮分析，想知道顾客经常一起购买的商品有哪些。沃尔玛数据仓库里集中了其各门店的详细原始交易数据。在这些原始交易数据的基础上，沃尔玛利用数据挖掘方法对这些数据进行分析和挖掘。一个意外的发现是："跟尿布一起购买最多的商品竟是啤酒！经过大量实际调查和分析，揭示了一个隐藏在"尿布与啤酒"背后的美国人的一种行为模式：在美国，一些年轻的父亲下班后经常要到超市去买婴儿尿布，而他们中有30%～40%的人同时也为自己买一些啤酒。产生这一现象的原因是：美国的太太们常叮嘱她们的丈夫下班后为小孩买尿布，而丈夫们在买尿布后又随手带回了他们喜欢的啤酒。

这背后的知识，简单来说，就是下面要讲的内容~

正文

从大规模数据集中寻找物品间的隐含关系被称作关联分析（association analysis）或者关联规则学习（association rule learning）。这里的主要问题在于，寻找物品的不同组合是一项十分耗时的任务，所需的计算代价很高，蛮力搜索方法并不能解决这个问题，所以需要用更智能的方法在合理的时间范围内找到频繁项集。

关联分析是在大规模数据集中寻找有趣关系的任务。这些关系可以有两种形式：

• 频繁项集
• 关联规则

频繁项集（frequent item sets）是经常出现在一块儿的物品的集合，
关联规则（association rules）暗示两种物品之间可能存在很强的关系。

借用一个《机器学习实战》里的例子：

比如说 {尿布，豆奶} 就是一个频繁项集，因为这个组合在例子中经常出现；
然后我们从这个频繁项集出发分析，是不是买尿布的人就经常也买豆奶呢？
就得出了一个： 尿布 \(\rightarrow\) 豆奶 这样一个关联规则，或者
豆奶 \(\rightarrow\) 尿布， 但是两者不等价，后面会说

再来两个概念 支持度（support) 和 可信度（confidence)
支持度：数据集中包含该项集的记录所占的比例
可信度：比如有两个集合 P,H; 则关联规则P \(\rightarrow\) H 的可信度为： \(\frac{support(P \cup H)}{support(P)}\)

举几个简单的例子：

• {尿布，豆奶} 的 support 为 3/5，因为在 5 个交易中，{尿布，豆奶} 的组合出现了 3 次
• 那如果我们求 尿布 \(\rightarrow\) 豆奶 的 confidence 就是 \(\frac{support(\{尿布，豆奶\})}{support(\{尿布\})}=\frac{3/5}{4/5}=\frac{3}{4}\)
• 那么豆奶 \(\rightarrow\) 尿布 的 confidence 就是 \(\frac{support(\{尿布，豆奶\})}{support(\{豆奶\})}=\frac{3/5}{4/5}=\frac{3}{4}\) ，...还是 3/4 ，很不幸的巧合，但是我们还是可以看出来，其实计算过程是不一样的

Apriori原理

频繁项集

支持度和可信度是用来量化关联分析是否成功的方法，假设想找到支持度大于 0.8 的所有项集，应该如何去做？一个办法是生成一个物品所有可能组合的清单，然后对每一种组合统计它出现的频繁程度，但是当物品数量成千上万时，上述做法非常慢

我们可以这么想：
如果一个项集是频繁的， 那么它的所有子集也都是频繁的；
接着：如果一个项集是非频繁的，那么它的所有超集也都是非频繁的。

这条结论就在于，之前我们说，列出所有可能的组合很麻烦，有了这个结论，我们如果找到一些非频繁项集，那么他们的超集就可以全部不用考虑了，这样就简化了很大一部分计算；这就是 Apriori原理

基于这样的思想，我们可以设计一个这样的算法，目标就是找到 support 大于等于一个阈值的所有频繁项集；
那么
Input: 最小support, 数据集
Output: 满足条件的所有频繁项集
主体思想就是：我们先算比较小的集合的support（最小就是单个元素的集合）, 把计算过程中不满足support的集合去掉，以留下来的集合和元素组合成新的集合，然后继续筛选，直到留下的项集都满足最小support，返回结果。

所以我们可以看到核心部分就是，如何在一轮迭代之后生成新的数据集；因为每次迭代，我们的频繁项集的元素个数都只加1，那么，我们生成新的候选的频繁项集的方法就是：用上一轮的项集中只相差1个元素的集合的并集作为新一轮候选的频繁项集。

关联规则

根据上述内容，规则就是出现一些物品，能够依此推出另一些物品出现的可能性。也即上述内容中所说的confidence(可信度）
那么其实挖掘关联规则也就是找到confidence 大于等于一个阈值的所有关联规则；
在这里也借助Apriori算法的思想：如果某条规则并不满足最小可信度要求，那么该规则的所有子集也不会满足最小可信度要求。

那么在上面的那句话中，怎么理解一条规则的子集？
假设项集为 {0，1，2，3}，假设 0，1，2 -> 3 的 confidence 不满足最小可信度的要求，那么任意前件（条件）为 {0，1，2} 的子集，后件（结果）包含 3 的关联规则的 confidence 都不满足要求；就比如 0，1 -> 3 和 1，2 -> 0，3 都不会满足要求；

基于上面的思想，我们可以这样生成关联规则：
初始有 \(n\) 个元素，我们可以生成 \(n\) 个初始关联规则（分离出一个元素做后件，其余做前件）；
然后对每个关联规则一次算confidence, 筛去不符合条件的规则；
然后对留下的关联规则再次分离元素做后件，生成新的一轮的规则，再进行筛选。
这样呢，每次只让后件的元素个数加 1，可以有效快速的剪枝
我们可以看如下这幅图：

假设图中深色的关联规则为不符合要求的，那么我们在第二轮发现了一个不符合要求的规则，那么我们就可以把它的所有子节点（子孙节点）全部标为深色不用再考虑，意思就是，我们就不用在下一轮考虑这个结点生成的子节点了，这样就省掉了好多计算量。

这样一来，就得到了所有满足阈值的关联规则了~
(这里的话，阈值是一个人为设定的门限值，也就是我们只保留confidence大于这个门限值的关联规则）

我们可能会问，那频繁项集和关联规则有什么用呢？

可以举一个金融的例子:

比如在变化无常的股市中，如果一个行业的突然兴起，我们可以看到这个行业大部分相关的股票都会随之上涨。比如最近很火的区块链概念，有关股票在短时间内都相继上涨；如果我们能够通过挖掘关联规则，发现了一些股票经常同时上涨或者同时下跌，那么这对我们的分析决策将会大大帮助。

例如，金融高频数据包含了证券交易过程中更多的实时信息，能够更加准确地捕捉到证券市场发生的每一个细小的变化过程，所以利用高频数据研究股票价格比采用低频数据具有很多的优势。 如果将 Apriori 算法应用到实际的金融高频数据中，可以采用证券市场上几支具有代表性的股票数据，其频率包括五分钟、十五分钟、三十分钟、六十分钟和每日等。通过发现频繁项集，最终生成这几支股票之间的关联规则。它可以更清楚地挖掘出几支股票同涨同跌的相似性。

简单来说呢，就如上表中的4支股票，红色代表上涨，绿色代表下跌；
不难发现，在4个交易区间中，股票a 和 股票c 有三个交易区间都表现为同涨同跌。
所以对于同涨同跌这个问题： {股票a，股票c} 的支持度为 0.75；
{股票a，股票c} 对于 股票a 的可信度也为\(\frac{support(\{股票a，股票c\})}{support(\{股票a\})}=\frac{3/4}{4/4}=\frac{3}{4}\)

那么如果我们看到一顿区间内 股票a 的变动，就有0.75的把握断定 股票c 与股票a 同涨同跌~

总结来说，关联规则就是通过统计规律，发现数据之间的内在联系；
关联规则分析在零售、快消、电商、金融、搜索引擎、智能推荐等领域大有所为，如超市捆绑营销、银行客户交叉销售分析、搜索词推荐或者识别异常、基于兴趣的实时新闻推荐等。
如果能够挖掘到可信度较高的关联规则，加以利用，就能够产生很大的价值。

参考文献：

1. https://baike.baidu.com/item/%E5%85%B3%E8%81%94%E8%A7%84%E5%88%99
2. 《机器学习实战》人民邮电出版社， Peter Harrington
3. 股市K线组合的关联规则挖掘，成都大学学报 第28卷 第三期，王伟钧等