大数据和智能数据应用架构系列教程之：大数据挖掘与机器学习

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

1.1 论文背景

随着互联网的普及、移动互联网的爆炸性增长以及电子商务的兴起，传统的基于数据库的数据分析已不能满足当前信息社会对海量数据的处理需求。如何有效地进行大数据分析已经成为众多行业面临的共同难题。而数据挖掘和机器学习（Machine Learning）技术在处理海量数据方面的作用也越来越重要。

近年来，随着云计算、大数据技术的迅速发展，大数据研究的热潮逐渐升温。本文从大数据、数据挖掘和机器学习三个方面对相关概念、理论以及相关工具和方法进行系统阐述，并结合实际案例，给出建议。希望能够对读者有所帮助。

2 相关概念和技术概述

2.1 数据集与数据挖掘

2.1.1 数据集

数据集（dataset）是指存储在计算机中的记录或信息集合。可以是结构化的数据，如关系型数据库中存储的表格数据；也可以是非结构化的数据，如文本文档、图片、音频文件等。数据集是用于训练模型的基础，在机器学习过程中通过对数据集的分析提取有价值的信息，并据此改进模型。数据集具有多个维度的特征和属性，其中包括数据的内容（如文本、图像、音频、视频），形式（如表格、序列），及其关联方式（如键值对）。数据集通常有固定的存储格式和结构，可用于机器学习的不同阶段，如数据预处理、数据建模和数据评估。

2.1.2 数据挖掘

数据挖掘（Data Mining）是指根据数据集发现模式、规则和规律，从数据中提取有用信息，并运用这些信息做出预测、决策或指导其他活动的一门学科。数据挖掘可以分成数据收集、数据清洗、数据转换、数据挖掘算法、数据可视化四个阶段。它包括两个过程：

1. 数据收集：从各种来源（如网站、应用、日志、设备、系统等）获取数据，经过数据清洗、转换、归一化等处理后，形成一个大的、结构完整的数据集。
2. 数据挖掘算法：利用数据挖掘的方法和手段，对数据集进行分析，发现有意义的模式、规则和规律。最常用的算法有聚类、分类、关联、异常检测、降维等。

数据挖掘方法的分类：

1. 监督学习：假定存在正确的标签，对未知数据进行分类或回归。如KNN、Naive Bayes、SVM、Logistic Regression、Decision Tree等。
2. 无监督学习：不知道正确的标签，只需要数据的聚类、自动标记等。如K-means、DBSCAN、HCA等。
3. 半监督学习：存在少量的正确标签，大部分数据的标签都是未知的，通过某种策略将他们加入训练。如EM算法等。
4. 强化学习：利用环境（环境包括智能体、任务、奖励、折扣等）中提供的反馈，调整策略以获得最大的收益。如Q-Learning、Policy Gradient等。

数据挖掘的应用场景：

1. 风险管理：识别异常或恶性事件，减小损失。
2. 情报分析：收集、整理、分析大量数据，发现有价值的模式、规律。
3. 广告推送：对用户行为及偏好进行分析，为用户提供更精准的广告。
4. 商品推荐：基于用户历史购买记录、浏览、搜索等行为，推荐候选物品。
5. 用户画像：通过分析用户行为习惯、偏好、兴趣，构建用户画像模型。

2.2 向量空间模型

向量空间模型（Vector Space Model，VSM）是一个数学模型，用来描述和比较词汇的相似度，并且允许我们表达词汇之间的距离。VSM 是基于词袋模型（Bag of Words Model）的延伸，属于信息检索和文本挖掘领域的基本技术。词袋模型把文本看作是由单词构成的集合，每个单词都作为一个元素出现在文本中。但这种简单粗暴的方式忽略了单词的上下文和语法关系，因此无法反映文档的含义。因此，VSM 提供一种计算相似度的方法，使得两个词语在文本中表示的意思可以较为精确地映射到数学空间内的某个向量。

基于 VSM 的词相似度计算有多种方法：欧氏距离法、余弦相似度法、皮尔森相关系数法、Jaccard 相似系数法、编辑距离法、基于 tf/idf 权重的 TF-IDF 法等。这些方法对文档中的词语按照先后顺序排列，然后取各个词语的向量值，再将这些向量做运算得到最终的相似度值。

常见的 VSM 模型有：

1. Bag of Words：词袋模型是 VSM 中最简单的一种模型，把文本中的每一个单词视为一个元素，并对文本中的所有单词计数，如“hello world”中的“h”、“e”、“l”、“o”、“w”、“r”、“d”分别对应一个词项，则该文本可以表示为{“h”, “e”, “l”, “lo”, “wo”, “rld”}。这种简单但局限的模型无法反映单词之间的关系，且无法体现单词的语义信息。
2. Term Frequency-Inverse Document Frequency (TF-IDF)：TF-IDF 方法是 VSM 中最常用的模型。它首先统计每个单词出现的次数，然后计算每个单词的 TF-IDF 值，以反映该词对整个文档的重要程度。TF-IDF 值衡量了一个词在一组文档中是否重要，它的值等于词频除以词的总数乘以文档数量的倒数。
3. Latent Semantic Analysis (LSA)：LSA 方法建立词语的主题模型，试图找寻每个文档或句子的主题，即把复杂的语料库降维到一个低维度的空间，使得语料库中相似的文档或句子在低维度上彼此接近。主题模型使用 Singular Value Decomposition （SVD）算法来实现，SVD 可以计算出一个矩阵，这个矩阵的每一列代表一个主题，每一行代表文档中的词语，矩阵元素的值表示每个词语在每个主题上的重要程度。
4. Word Embedding：Word Embedding 就是基于神经网络的自然语言处理技术。它可以用神经网络训练算法来学习词向量，词向量可以理解为一个单词的上下文信息的抽象表示，词向量表示了单词的语义。词向量的训练依赖于大量的文本数据，因此往往采用深度学习的神经网络结构来实现词向量的学习。

2.3 机器学习算法

机器学习（ML）是一门涉及人工智能的科学，它借助于统计学、优化算法、数据挖掘、概率论等数学知识来实现自动学习、预测、推断的能力。常见的机器学习算法包括：

1. 回归算法：线性回归（Linear Regression）、平方误差（Squared Error）、逻辑回归（Logistic Regression）、多元回归（Multiple Linear Regression）、岭回归（Ridge Regression）、套索回归（Lasso Regression）等。
2. 分类算法：感知机（Perceptron）、支持矢量机（Support Vector Machine，SVM）、朴素贝叶斯（Naive Bayes）、K近邻（K Nearest Neighbors，KNN）、决策树（Decision Tree）、随机森林（Random Forest）、Adaboost、GBDT（Gradient Boost Decision Trees）等。
3. 聚类算法：K-means、K-medoids、Hierarchical Clustering、DBSCAN、Spectral Clustering、Gaussian Mixture Model、Agglomerative Hierarchical Clustering、EM算法等。
4. 关联算法：Apriori、FP-growth、Eclat、Co-occurrence Matrix等。
5. 降维算法：PCA、SVD、ICA、Autoencoder、T-SNE 等。
6. 决策树算法：CART（Classification And Regression Tree）、ID3、C4.5、Cart、Xgboost、GBDT、RF等。
7. 优化算法：梯度下降算法（Gradient Descent）、牛顿法（Newton Method）、BFGS（Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno algorithm）、L-BFGS（Limited memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno algorithm）、拟牛顿法（Conjugate Gradient Method）等。

2.4 Apache Hadoop

Apache Hadoop 是 Apache 基金会开发的一个开源框架，是用于分布式存储和处理大数据集的软件。Hadoop 将数据存储在独立的节点上，并提供分布式计算功能。Hadoop 有两种核心组件：HDFS（Hadoop Distributed File System）和 MapReduce（Hadoop Distributed Processing）。HDFS 是一个容错的、高可靠的分布式文件系统，它通过高容量硬盘存储大量数据，并提供高吞吐量的读取、写入能力。MapReduce 是一种编程模型和运行环境，用于轻松并行处理大量数据。MapReduce 分为 Map 和 Reduce 两个阶段。在 Map 阶段，MapReduce 将输入数据切分成许多分片，并在不同的节点上执行相同的函数，最后合并结果输出到磁盘。在 Reduce 阶段，MapReduce 从磁盘上读取分片数据，对它们进行排序和汇总，输出最终结果。Hadoop 支持多种数据类型，如文字、数字、图像、声音、视频等。

3 数据处理及预处理

3.1 数据集划分

数据集划分是数据挖掘的重要组成部分。数据集划分是指将原始数据集划分为训练集、验证集、测试集，并为每个数据集指定相应的任务。训练集用于训练模型，验证集用于选择模型，测试集用于评估模型的泛化能力。划分数据集时应当注意以下几点：

1. 测试集的数据比例要足够小。如果数据集非常大，为了防止过拟合，可以将其划分为两份，一份用于训练，另一份用于测试。但这样可能会导致偏差很大，因为训练数据和测试数据之间可能有一些重合的区域，模型可能会过度依赖这些共享的区域，而忽略掉其他的区域。
2. 每一组数据集要尽量保持同质性。也就是说，每一组数据集都应该具有相似的分布。举例来说，训练集中，只有猫和狗，验证集中，只有猫和狗，测试集中，只有猫和狗；训练集中，只有青蛙和狗，验证集中，只有青蛙和猫，测试集中，只有狗。这样的分割方式就会导致模型过于依赖具体的数据类型，而忽略掉一些共性的模式。
3. 不要同时使用训练集和测试集。由于测试集的目的只是评估模型的泛化能力，因此不要直接用来进行模型训练。否则，模型容易过拟合，因为它看到了测试集中没有出现的模式。

3.2 数据清洗

数据清洗是指从原始数据中提取有用信息，并将其转换成适合数据挖掘算法使用的格式的过程。数据清洗可以分成以下几个步骤：

1. 数据导入：读取数据源，比如文本文件、数据库、Excel 文件等。
2. 数据探索：了解数据集的结构、变量、缺失值情况等。
3. 数据预处理：删除重复数据、无效数据、异常数据、噪声数据等。
4. 数据变换：数据标准化、规范化、离散化、聚类等。
5. 数据编码：将字符串转换为数字，方便数据挖掘算法处理。
6. 数据导出：保存处理完毕的数据，便于分析和可视化。

3.3 数据挖掘算法

数据挖掘算法是指基于数据集发现模式、规则和规律的有效的算法。数据挖掘算法有监督学习、无监督学习、半监督学习、强化学习等。其中，常用的算法有：

1. K-Means 聚类算法：K-Means 算法是一种无监督的聚类算法，它将数据集划分为 k 个簇，每个簇对应 k 个中心点。每个样本被分配到距离它的最近的中心点所在的簇。算法流程如下：- 初始化 k 个初始质心- 在每轮迭代中：1. 对每个样本 x ，计算它与 k 个质心的距离2. 将样本分配到距离它最近的质心所在的簇3. 更新 k 个质心，使得簇内的样本中心点尽可能均匀分布K-Means 算法的时间复杂度是 O(kn^2)，其优点是速度快、直观、易于理解。但是，K-Means 算法有两个主要缺陷：1）初始化时质心位置可能不够平均，导致聚类的效果不好；2）K-Means 算法对异常点敏感，对小样本数据不稳定。
2. DBSCAN 聚类算法：DBSCAN 算法是一种密度聚类算法，它将数据集划分为若干个簇。每个簇由一组核心样本（core samples）和其他样本（non-core samples）组成。算法流程如下：1. 设置一个阈值 epsilon，代表邻域半径2. 对于每个样本 x ，以 x 为核心点，找到所有距离 x 小于等于 epsilon 的点，称为 x 的邻域3. 如果一个样本 y 距离至少有一个 x 大于等于 eps，则 y 成为一个邻域样本，并添加到 x 的邻域中4. 把 x 的邻域中的所有样本划分为一个新的簇，称为 x 的密度聚类（density cluster）5. 以 x 为核心样本的密度聚类与其他样本的密度聚类合并，直到所有的样本被分配到一个密度聚类或者达到最大的循环次数DBSCAN 算法在最大的循环次数内将所有的样本划分到不同的密度聚类中，其优点是对异常点不敏感，对小样本数据也不太敏感。但是，DBSCAN 算法仍然会产生一些小的孤立点，并且当簇的边界比较复杂的时候，性能可能会变差。
3. Apriori 关联算法：Apriori 关联算法是一种基于频繁项集的关联分析算法。它首先扫描数据集，找出频繁项集，然后进行关联分析。算法流程如下：1. 生成候选项集：扫描数据集，找出候选项集，这些候选项集包含 n 个元素，并且满足互斥条件。例如，对于 {A，B，C} 候选项集，其含义是任意两个或两个以上元素同时出现。2. 计算支持度：对于候选项集 Ck，计算满足 Ck 的数据条目数 / 数据总数。例如，C = {AB，BC，AC}，数据集中包含 AB 和 AC 两条，则支持度为 2 / 10。3. 剔除不满足最小支持度阈值的候选项集：对于候选项集 Ck，剔除那些支持度小于阈值的子集，以避免产生冗余结果。例如，C = {AB，BC，AC}，阈值为 0.5，则删去 BC。4. 递归地生成频繁项集：对于剩下的候选项集 Ck+1，递归地进行频繁项集搜索。对于 C = {AB，BC，AC}，搜索 C’ = {ABC，AB}，C’’ = {AC}。5. 关联分析：对于频繁项集 CK，计算它们之间的置信度。置信度是指从 CK 发出的规则与其他频繁项集发生关联的可能性。例如，对于 CK = ABC，计算 P(AC | ABC)、P(BC | ABC)。6. 排序：把置信度按从高到低排序，得到关联规则列表。Apriori 关联算法的优点是快速、占用内存少、易于理解。但是，它只能用于二进制数据，而且对于规则的解释不是很直观。