大数据分析与挖掘_大数据挖掘

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第一章 绪论

大数据分析与挖掘简介

大数据的四个特点(4v)：容量(Volume)、多样性(Variety)、速度(Velocity)和价值

　　概念：数据分析是用适当的统计分析方法，对收集来的大量数据进行分析，提取有用信息和形成结论并对数据加以详细研究和概括总结的过程。数据分析可以分为三个层次，即描述分析、预测分析和规范分析。

　　数据挖掘：是指从数据集合中提取人们感兴趣的知识，这些知识是隐含的、实现未知的、潜在有用的信息。提取出来的知识一般可表示为概念、规则、规律、模式等形式。

大数据分析与挖掘主要技术

大数据分析与挖掘的过程一般分为如下几个步骤：

1. 任务目标的确定
         这一步骤主要是进行应用的需求分析，特别是要明确分析的目标，了 解与应用有关的先验知识和应用的最终目标。
2. 目标数据集的提取
         这一步骤是要根据分析和挖掘的目标，从应用相关的所有数据中抽取数据集，并选择全部数据属性中与目标最相关的属性子集。
3. 数据预处理
         这一步聚用来提高数据挖掘过程中所需数据的质量，同时也能够提高挖掘的效率。数据预处理过程包括数据清洗、 数据转换、数据集成、数据约减等操作。
4. 建立适当的数据分析与挖掘模型
         这一步骤包含了大量的分析与挖掘功能，如统计分析、分类和回归、聚类分析、关联规则挖掘、异常检测等。
5. 模型的解释与评估
         这一步骤主要见对挖掘出的模型进行解释，可以用可视化的方式来展示它们以利于人们的理解。 对模型的评估可以采用自动或半自动方式来进行，目的是找出用户真正感兴趣或有用的模型。
6. 知识的应用
         将挖掘出的知识以及确立的模型部署在用户的应用中。但这并不代表数据挖掘过程的结束，还需要一个不断反馈和迭代的过程，使模型和挖掘出的知识更加完善。

数据挖掘主要包括如下的功能

1. 对数据的统计分析与特征描述
2. 关联规则挖掘和相关性性分析
3. 分类和回归
         例如决策树、贝叶斯分类器、KNN分类器、组合分类算法等，回归则是对数值型的函数进行建模，常用于数值预测。
4. 聚类分析
         聚类的主要目标是使聚类内数据的相似性最大，聚类间数据的相似性最小
5. 异常检测

第二章 数据特征分析与预处理

数据类型

2.1.1数据集类型

1. 结构化数据
         即行数据，存储在数据库里，可以用二维表结构来逻辑表达实现的数据，所有的数据都具有相同的模式。
2. 半结构化数据
         半结构化数据也具有一定的结构，但是没有像关系数据库中那样严格的模式定义。
         常见的半结构化数据主要有XML文档和JSON数据
3. 非结构化数据
         非结构化数据没有预定义的数据了模型，涵盖各种文档、文本、图片、报表、图像、音频、视频

数据属性的类型

1. 标称属性
         标称属性类似于标签，其中的数字或字符只是用来对物体进行识别和分类，不具有顺序关系，也不存在比较关系。
         对标称属性不能做加减乘除运算，可以分析各个属性值出现的次数
         当标称属性类别或状态数为两个的时候，称为二元属性，也被称为布尔属性，如果二元属性的两种状态具有相同的重要程度，则称为对称的。
2. 序数属性
         这种属性值之间可以有顺序关系，例如：学生成绩可以分为优秀、良好、中等、及格和不及格；产品质量可以分为优秀、合格和不合格。这样的属性称为序数属性，在统计学中也称为定序变量
         标称、二元和序数属性的取值都是定性的，它们只描述对象的特征，如高、低等定性信息，并不给出实际的大小。可以用来比较大小，但还不能反应不同等级间的差异程度，不能进行加减乘除等数学运算
3. 数值属性
         数值属性是可以度量的，通常用实数来表示。
         数值属性可以分为区间标度属性和比率标度属性。
         （1）区间标度属性不能进行比率运算，例如20℃不能说是10℃的两倍，类似区间标度属性的还有日历日期、华氏温度、智商、用户满意度打分等。这些区间标度属性共同的特点是：用相等的单位尺度度量，属性的值有序，可以为正、负或零。相等的数字距离代表所测量相等的数量差值，在统计学上也称为定距变量。
         （2）比率标度属性由于存在绝对零点，因此可以进行比率的计算，即它可进行加减乘除运算。这一类数值属性称为比率标度属性，在统计学中称为定比变量，是应用最广泛的一类数值属性

属性类型总结

数据的描述性特征

描述数据几种趋势的度量

1. 算术平均数 一个包含n个数值型数据的集合，其算术平均数的定义是：

$$\bar{x}=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{x}_i$$

(1)一个集合中的各个数据与算术平均数离差之和等于零，即：${\sum }_{i=1}^n(x_i-\bar{x})=0$ 这个性质在数据的规范化中会被用到
(2)一个集合中的各个数据与算术平均数的离差平方之和是最小的。

算术平均数的缺点：容易受到集合中极端值或离群点的影响。

2. 中位数
   中位数是按照一定顺序排列后处于中间位置上的数据，中位数比算术平均数对于离群点的敏感度要低。当数据集合的分布呈现偏斜的时候，采用中位数作为集中趋势的度量更加有效

3. 众数 （适合标称属性）
   当数据的数量较大并且集中趋势比较明显的时候，众数更适合作为描述数据代表性水平的度量。

4. k百分位数
   将一组数据从小到大排序，并计算相应的累计百分比，处于k%位置的值称为第k百分位数，用$X_{k\%}$表示。在一个集合里，有k%的数小于或等于$X_{k\%}$，有1-k%的数大于它。
   例:设有一组数据：[-35，10，20，30，40，50，60，100]，求它的25百分位数，即$X_{25\%}$
   一般有两种方法，分别是(n+1) * k%或者1+(n-1) * k%
   $X_{25\%}$所在位置是1+(8-1)* 25%=2.75，处于第二个和第三个数之间，即10与20之间。如果采用线性插值的话$X_{25\%}$=10+(20-10)* 0.75=17.5，中点：(10+20)/ 2=15

5. 四分位数
   四分位数是一种特殊的百分位数。
   （1）第一四分位数Q1，又称“较小四分位数”，即25百分位数。
   （2）第二四分位数Q2，就是中位数。
   （3）第三四分位数Q3，又称“较大四分位数”，即75百分位数。
   四分位数是比较常见的分析数据分布趋势的度量

描述数据离中趋势的度量

1. 极差
   极差是指一组数据中最大值与最小值之差，又称范围误差或全距,用R表示。
2. 四位数极差(IQR)
   四分位数极差也称内距，计算公式IQR=Q3-Q1，即第三四分位数减去第一四分位数的差，反应了数据集合中间50%数据的变动范围。
   在探索性数据分析中，IQR可用于发现离群点，约翰·图基给了一个判定方法：超过Q3+1.5 * IQR或者低于Q1-1.5 * IQR的数据可能是离群点。

3. 平均绝对离差
   计算数据结合中各个数值与平均值的距离综合，然后取其平均数。

$$MAD=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n|x_i-\bar{x}|$$

4. 方差和标准差
   ♦样本方差的计算公式：
   总体的方差：
   $${\sigma }^2=\frac{\sum {(X-\mu )}^2}{N}$$
               样本方差：
   $$s^2=\frac{1}{n-1}\sum _{i=1}^n{(x_i-\overline{x})}^2$$

            ♦标准差
            标准差=方差的算数平方根
5. 离散系数
离散系数又称变异系数，样本变异系数是样本标准差与样本平均数之比：
$${\mathrm{C}}_{\mathrm{v}}=\frac{s}{\stackrel{-}{x}}$$

数据分布形态的度量

皮尔逊偏态系数
$s{k}_1=\frac{\stackrel{-}{x}-M_0}{s}$ 或者 $s{k}_2=\frac{3(\stackrel{-}{x}-M_d)}{s}$
其中，$\mathop x\limits^ - \$ 是平均数，$\{M_0}\$是重数，$\{M_d}\$是中位数，s是样本标准差

数据的峰度及度量
峰度用于衡量数据分布的平坦度，它以标准正态分布作为比较的基准。峰度的度量使用峰度系数:

$$k=\frac{\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^n(x_i-\bar{x}{)}^4}{(\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^n(x_i-\bar{x}){)}^2}-3$$

k≈0，称为常峰态，接近于正态分布。
k<0，称为低峰态。
k>0，称为尖峰态。

数据偏度和峰度的作用
       给定一个数据集合，通过计算它的偏度和峰度，可以符集数据分布与正态分布的差异，结合前面介绍的数据集中和离中趋势度量，就能够大致判断数据分布的形状等概要性信息，增加对数据的理解程度。

箱型图

数据的相关分析

相关分析

1. 散点图
          判断两个属性之间是否有相关性，可以首先通过散点图进行直观判断。
          散点图是将两个属性的成对数据，绘制在直角坐标系中得到的一系列点，可以直观地描述属性间是否相关、相关的表现形式以及相关的密切程度。
   

2. 相关系数
   数据的各个属性之间关系密切程度的度量，主要是通过相关系数的计算与检验来完成的。
   属性X和Y之间的样本协方差的计算公式：
   $$\mathrm{cov}(X,Y)=\frac{\sum _{i=1}^n(X_i-\stackrel{-}{X})(Y_i-\stackrel{-}{Y})}{n-1}$$
               协方差的正负代表两个属性相关性的方向，而协方差的绝对值代表它们之间关系的强弱。

3. 样本相关系数，协方差的大小与属性的取值范围、量纲都有关系，构成不同的属性对之间的协方差难以进行横向比较。为了解决这个问题，把协方差归一化，就得到样本相关系数的计算公式：
   $$\r(X,Y) = \frac{{{\mathop{\rm cov}} (X,Y)}}{{{s_X}{s_Y}}}\$$
               $\{s_X}{s_Y}\$标准差
   相关系数消除了两个属性量纲的影响，它是无量纲的。相关系数的取值范围：-1<=r<=1；若0<r<=1,表示X和Y之间存在正线性相关关系；若-1<=r<0,表明X和Y之间存在负线性相关关系。若r=0，说明两者之间不存在线性相关关系，但并不排除两者之间存在非线性关系。

卡方检验
可以用相关系数来分析两个数值型属性之间的相关性。对于两个标称属性（分类属性），他们之间的独立性检验可以使用卡方检验来推断。
$${\chi }^2=\sum \frac{{(Observed-Expected)}^2}{Expected}$$

数据预处理

定义：对原始数据进行必要的清洗、集成、转换和归约等一系列处理，使数据达到进行只是获取所要求的规范和标准

零均值化
将每一个属性的数据都减去这个属性的均值后，形成一个新数据集合，变换后各属性的数据之和与均值都为零。各属性的方差不发生变化，各属性间的协方差也不发生变化。

z分数变换
标准分数也叫z分数，用公式表示为：
$$z=\frac{x-\stackrel{-}{x}}{s}$$
其中x为原始数据， $\mathop x\limits^ - \$为样本均值，s为样本标准差。变换后数据的均值为0，方差为1。无量纲，数据尽量满足高斯分布。
z值表示袁术数据和样本均值之间的距离，是以标准差为单位计算的。原始数据低于标准值时，z为负数，反之为正数。
**缺点：**假如原始数据并没有呈高斯分布，标准化的数据分布效果不好

最小-最大规范化
最小-最大规范化又称离差标准化，是对原始数据的线性转换，将数据按照比例缩放至一个特定区间。假设原来数据分布在区间[min,max]，要变换到区间[min’,max’]，公式如下：

$$v^{{}^{\prime }}=mi{n}^{{}^{\prime }}+\frac{v-min}{max-min}(ma{x}^{{}^{\prime }}-mi{n}^{{}^{\prime }})$$

独热编码
独热编码又称一位有效编码，用来对标称属性（分类属性）进行编码。

例，产品的颜色有{黑、白、蓝、黄}四种取值，分别用1、2、3、4来编码，假设有5个产品如下所示：

问题：各个不同颜色值之间没有顺序关系，但从上述编码来看，颜色黑和黄之间的差异为3，而蓝和黄差异为1，似乎黄色和蓝色更相似一些。因此，按照这种简单的编码方式计算对象之间的差异时，就会得到错误的结果。
在上面的例子中，可以将一个颜色标称属性扩充为4个二元属性，分别对应黑、白、蓝、黄四种取值。对于每一个产品，它在这四个属性上只能有一个取1，其余三个都为0，所以称为独热编码

数据抽样技术

不放回简单随机抽样

例：设有一组数据: [11，13，16， 19，27, 36，43, 54, 62, 75]， 现在想要从中不放回随机抽样5个数据，每个数据被抽中的概率分别为[0.1, 0.05, 0.05， 0.05， 0.05， 0.1， 0.1，0.1，0.1, 0.3]。
抽样过程如下。
(1 )根据待抽样数据的概率，计算以数组形式表示的累计分布概率edf,并规范化。
计算: cdf=[0.1，0.15，0.2，0.25，0.3， 0.4， 0.5, 0.6，0.7, 1]
规范化: cdf/=cdf[-1], 得到:[0.1，0.15，0.2，0.25， 0.3， 0.4， 0.5，0.6，0.7，1]
(2)根据还需抽样的个数，生成[0，1]的随机数数组x。
[0.04504848， 0.5299489， 0.0734825， 0.52341745， 0.17316974]
(3)将x中的随机数按照cdf值升序找到插入位置，形成索弓数组new。
[0，7，0，7，2]
(4)找出数组new中不重复的索引位置，作为本次抽样的位置索引。
[0 7 2]
(5)在概率数组p中，将已经抽样的索引位置置0。
P=[0, 0.05, 0., 0.05, 0.05, 0.1, 0.1, 0., 0.1, 0.3]
(6)重复上述步骤，知道输出指定数目的样本

水库抽样
输入：一组数据，其大小未知
输出：这组数据的K个均匀抽样

要求：

1. 仅扫描数据一次
2. 空间复杂性为O(K)【和抽样大小有关，和整个数据量无关，不可把所有数据都放在内存里进行抽样】
3. 扫描到数据的前n个数字时（n>K），保存当前已扫描数据的K个均匀抽样

针对此种需求，水库抽样法应运而生

算法步骤：

1. 申请一个长度为K的数组A保存抽样
2. 保存首先接收到的K个元素
3. 当接收到第 i 个新元素 t 时，以 K / i 的概率随机替换A中的元素（即生成 [ 1, i ]间随机数j，若 j ≤ K，则以 t 替换 A[ j ]）

算法性质：

1. 该采样是均匀的。
   即在任何时候，接收到的大于K的n个数据，选出来的数都保证是均匀采样。

证明：

1. 假设(n-1)次采样后, 缓冲区中k个样本的采样概率为
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