資料探勘中分類演算法總結

資料倉儲，資料庫或者其它資訊庫中隱藏著許多可以為商業、科研等活動的決策提供所需要的知識。分類與預測是兩種資料分析形式，它們可以用來抽取能夠描述重要資料集合或預測未來資料趨勢的模型。分類方法（Classification）用於預測資料物件的離散類別（Categorical Label）；預測方法（Prediction ）用於預測資料物件的連續取值。

 

分類技術在很多領域都有應用，例如可以通過客戶分類構造一個分類模型來對銀行貸款進行風險評估；當前的市場營銷中很重要的一個特點是強調客戶細分。客戶類別分析的功能也在於此，採用資料探勘中的分類技術，可以將客戶分成不同的類別，比如呼叫中心設計時可以分為：呼叫頻繁的客戶、偶然大量呼叫的客戶、穩定呼叫的客戶、其他，幫助呼叫中心尋找出這些不同種類客戶之間的特徵，這樣的分類模型可以讓使用者瞭解不同行為類別客戶的分佈特徵；其他分類應用如文獻檢索和搜尋引擎中的自動文字分類技術；安全領域有基於分類技術的入侵檢測等等。機器學習、專家系統、統計學和神經網路等領域的研究人員已經提出了許多具體的分類預測方法。下面對分類流程作個簡要描述：

 

訓練：訓練集——>特徵選取——>訓練——>分類器

分類：新樣本——>特徵選取——>分類——>判決

 

最初的資料探勘分類應用大多都是在這些方法及基於記憶體基礎上所構造的演算法。目前資料探勘方法都要求具有基於外存以處理大規模資料集合能力且具有可擴充套件能力。下面對幾種主要的分類方法做個簡要介紹：

 

（1）決策樹

 

決策樹歸納是經典的分類演算法。它採用自頂向下遞迴的各個擊破方式構造決策樹。樹的每一個結點上使用資訊增益度量選擇測試屬性。可以從生成的決策樹中提取規則。

 

(2) KNN法(K-Nearest Neighbor)

    KNN 法即K最近鄰法，最初由Cover和Hart於1968年提出的，是一個理論上比較成熟的方法。該方法的思路非常簡單直觀：如果一個樣本在特徵空間中的k 個最相似(即特徵空間中最鄰近)的樣本中的大多數屬於某一個類別，則該樣本也屬於這個類別。該方法在定類決策上只依據最鄰近的一個或者幾個樣本的類別來決定待分樣本所屬的類別。

    KNN 方法雖然從原理上也依賴於極限定理，但在類別決策時，只與極少量的相鄰樣本有關。因此，採用這種方法可以較好地避免樣本的不平衡問題。另外，由於KNN方法主要靠周圍有限的鄰近的樣本，而不是靠判別類域的方法來確定所屬類別的，因此對於類域的交叉或重疊較多的待分樣本集來說，KNN方法較其他方法更為適合。

    該方法的不足之處是計算量較大，因為對每一個待分類的文字都要計算它到全體已知樣本的距離，才能求得它的K個最近鄰點。目前常用的解決方法是事先對已知樣本點進行剪輯，事先去除對分類作用不大的樣本。另外還有一種Reverse KNN法，能降低KNN演算法的計算複雜度，提高分類的效率。

    該演算法比較適用於樣本容量比較大的類域的自動分類，而那些樣本容量較小的類域採用這種演算法比較容易產生誤分。

 

 (3) SVM法

    SVM法即支援向量機(Support Vector Machine)法，由Vapnik等人於1995年提出，具有相對優良的效能指標。該方法是建立在統計學習理論基礎上的機器學習方法。通過學習演算法，SVM可以自動尋找出那些對分類有較好區分能力的支援向量，由此構造出的分類器可以最大化類與類的間隔，因而有較好的適應能力和較高的分準率。該方法只需要由各類域的邊界樣本的類別來決定最後的分類結果。

    支援向量機演算法的目的在於尋找一個超平面H(d),該超平面可以將訓練集中的資料分開，且與類域邊界的沿垂直於該超平面方向的距離最大，故SVM法亦被稱為最大邊緣(maximum margin)演算法。待分樣本集中的大部分樣本不是支援向量，移去或者減少這些樣本對分類結果沒有影響，SVM法對小樣本情況下的自動分類有著較好的分類結果。

 

(4) VSM法

    VSM法即向量空間模型(Vector Space Model)法，由Salton等人於60年代末提出。這是最早也是最出名的資訊檢索方面的數學模型。其基本思想是將文件表示為加權的特徵向量：D=D(T1，W1；T2，W2；…；Tn，Wn)，然後通過計算文字相似度的方法來確定待分樣本的類別。當文字被表示為空間向量模型的時候，文字的相似度就可以藉助特徵向量之間的內積來表示。

    在實際應用中，VSM法一般事先依據語料庫中的訓練樣本和分類體系建立類別向量空間。當需要對一篇待分樣本進行分類的時候，只需要計算待分樣本和每一個類別向量的相似度即內積，然後選取相似度最大的類別作為該待分樣本所對應的類別。

    由於VSM法中需要事先計算類別的空間向量，而該空間向量的建立又很大程度的依賴於該類別向量中所包含的特徵項。根據研究發現，類別中所包含的非零特徵項越多，其包含的每個特徵項對於類別的表達能力越弱。因此，VSM法相對其他分類方法而言，更適合於專業文獻的分類。

 

(5) Bayes法

    Bayes法是一種在已知先驗概率與類條件概率的情況下的模式分類方法，待分樣本的分類結果取決於各類域中樣本的全體。

    設訓練樣本集分為M類，記為C=｛c1，…，ci，…cM}，每類的先驗概率為P(ci)，i=1，2，…，M。當樣本集非常大時，可以認為 P(ci)=ci類樣本數/總樣本數。對於一個待分樣本X，其歸於cj類的類條件概率是P(X/ci)，則根據Bayes定理，可得到cj類的後驗概率 P(ci/X)：

    P(ci/x)=P(x/ci)·P(ci)/P(x)(1)

    若P(ci/X)=MaxjP(cj/X)，i=1，2，…，M，j=1，2，…，M，則有x∈ci(2)

    式(2)是最大後驗概率判決準則，將式(1)代入式(2)，則有：

    若P(x/ci)P(ci)=Maxj［P(x/cj)P(cj)］，i=1，2，…，M，j=1，2，…，M，則x∈ci

    這就是常用到的Bayes分類判決準則。經過長期的研究，Bayes分類方法在理論上論證得比較充分，在應用上也是非常廣泛的。

Bayes 方法的薄弱環節在於實際情況下，類別總體的概率分佈和各類樣本的概率分佈函式(或密度函式)常常是不知道的。為了獲得它們，就要求樣本足夠大。另外，Bayes法要求表達文字的主題詞相互獨立，這樣的條件在實際文字中一般很難滿足，因此該方法往往在效果上難以達到理論上的最大值。

 

（6）神經網路

神經網路分類演算法的重點是構造閾值邏輯單元，一個值邏輯單元是一個物件，它可以輸入一組加權係數的量，對它們進行求和，如果這個和達到或者超過了某個閾值，輸出一個量。如有輸入值X1, X2, ..., Xn 和它們的權係數：W1, W2, ..., Wn，求和計算出的 Xi*Wi ，產生了激發層 a = (X1 * W1)+(X2 * W2)+...+(Xi * Wi)+...+ (Xn * Wn)，其中Xi 是各條記錄出現頻率或其他引數，Wi是實時特徵評估模型中得到的權係數。神經網路是基於經驗風險最小化原則的學習演算法，有一些固有的缺陷，比如層數和神經元個數難以確定，容易陷入區域性極小，還有過學習現象，這些本身的缺陷在SVM演算法中可以得到很好的解決。