关联规则挖掘 - Apriori 算法 - 发现频繁项集与规则

关联规则挖掘 - Apriori 算法 - 发现频繁项集与规则

一、引言

在当今信息爆炸的时代，海量的数据蕴含着丰富的价值。关联规则挖掘作为数据挖掘的一个重要分支，旨在从数据中发现不同项目之间的关联关系。例如，在超市购物数据中，我们可能会发现购买面包的顾客往往也会购买牛奶，这种关联关系可以帮助商家进行商品陈列、促销活动等决策。Apriori 算法是关联规则挖掘中经典且常用的算法，下面我们将详细介绍该算法的原理、实现步骤，并通过实际例子和 R 语言代码进行演示。

二、Apriori 算法原理

2.1 基本概念

• 项集（Itemset）：由一个或多个项组成的集合，例如在超市购物数据中，{面包，牛奶} 就是一个项集。
• 支持度（Support）：项集在数据集中出现的频率。对于项集 $X$，其支持度 $supp(X)$ 定义为包含 $X$ 的事务数与总事务数的比值。
• 频繁项集（Frequent Itemset）：支持度大于等于用户设定的最小支持度阈值（min_sup）的项集。
• 置信度（Confidence）：对于关联规则 $X \rightarrow Y$，其置信度 $conf(X \rightarrow Y)$ 定义为 $supp(X \cup Y) / supp(X)$，表示在包含 $X$ 的事务中，同时包含 $Y$ 的比例。
• 强关联规则（Strong Association Rule）：支持度和置信度都分别大于等于最小支持度阈值和最小置信度阈值（min_conf）的关联规则。

2.2 Apriori 算法核心思想

Apriori 算法基于“先验原理”，即如果一个项集是频繁的，那么它的所有子集也必须是频繁的；反之，如果一个项集是非频繁的，那么它的所有超集也一定是非频繁的。该算法通过逐层搜索的迭代方法，从单个项集开始，不断生成更大的项集，同时利用先验原理剪枝，减少不必要的计算。

2.3 算法步骤

1. 生成 1 - 项集（$C_1$）：扫描数据集，统计每个项的出现次数，生成候选 1 - 项集。
2. 生成频繁 1 - 项集（$L_1$）：根据最小支持度阈值，从候选 1 - 项集中筛选出频繁 1 - 项集。
3. 连接步：由频繁 $k$ - 项集 $Lk$ 生成候选 $k + 1$ - 项集 $C{k+1}$。
4. 剪枝步：利用先验原理，从候选 $k + 1$ - 项集 $C_{k+1}$ 中删除包含非频繁 $k$ - 项集的候选项集。
5. 生成频繁 $k + 1$ - 项集（$L_{k+1}$）：扫描数据集，统计候选 $k + 1$ - 项集的支持度，根据最小支持度阈值筛选出频繁 $k + 1$ - 项集。
6. 重复步骤 3 - 5，直到无法生成更大的频繁项集为止。
7. 生成关联规则：从频繁项集中生成满足最小置信度阈值的关联规则。

三、R 语言实现

3.1 安装和加载必要的包

# 安装 arules 包
if (!require(arules)) {
  install.packages("arules")
  library(arules)
}

3.2 准备数据集

我们使用 arules 包中自带的 Groceries 数据集，该数据集包含了超市的购物记录。

# 加载 Groceries 数据集
data("Groceries")
# 查看数据集基本信息
summary(Groceries)

3.3 挖掘频繁项集

# 设置最小支持度和最小置信度
min_sup <- 0.005
min_conf <- 0.5
# 挖掘频繁项集
frequent_itemsets <- apriori(Groceries, parameter = list(support = min_sup, target = "frequent itemsets"))
# 查看频繁项集结果
inspect(head(sort(frequent_itemsets, by = "support"), 10))

3.4 生成关联规则

# 生成关联规则
rules <- apriori(Groceries, parameter = list(support = min_sup, confidence = min_conf))
# 查看关联规则结果
inspect(head(sort(rules, by = "confidence"), 10))

3.5 结果可视化

# 安装 arulesViz 包用于可视化
if (!require(arulesViz)) {
  install.packages("arulesViz")
  library(arulesViz)
}
# 绘制关联规则的散点图
plot(rules, method = "scatterplot")

四、代码解释

4.1 数据集准备

data("Groceries") 用于加载 arules 包中自带的 Groceries 数据集。summary(Groceries) 可以查看数据集的基本信息，如事务数、项数等。

4.2 挖掘频繁项集

apriori() 函数是 Apriori 算法的核心函数，通过设置 parameter 参数来指定最小支持度和挖掘目标。target = "frequent itemsets" 表示挖掘频繁项集。inspect() 函数用于查看挖掘结果，sort() 函数按支持度对频繁项集进行排序，head() 函数取前 10 个结果。

4.3 生成关联规则

同样使用 apriori() 函数，通过设置 parameter 参数指定最小支持度和最小置信度，target 参数默认为 "rules"，表示生成关联规则。

4.4 结果可视化

arulesViz 包提供了多种可视化方法，plot(rules, method = "scatterplot") 绘制关联规则的散点图，横轴为支持度，纵轴为置信度，点的大小表示提升度。

五、总结

Apriori 算法通过逐层搜索和剪枝的策略，有效地挖掘出数据集中的频繁项集和关联规则。R 语言的 arules 包提供了方便的函数和工具，使得 Apriori 算法的实现变得简单高效。通过实际例子的演示，我们可以看到该算法在商业智能、推荐系统等领域有着广泛的应用前景。

希望本文能帮助你理解 Apriori 算法的原理和实现，你可以根据自己的需求调整最小支持度和最小置信度阈值，挖掘出更有价值的关联规则。