какая концепция положена в основу современной технологии data mining
Data Mining: что внутри
Уровни информации
Я не думаю, что открою Америку, если скажу, что не вся информация одинаково полезна. Иногда для объяснения какого-то понятия необходимо написать много текста, а иногда для объяснения сложнейших вопросов достаточно посмотреть на простую диаграмму. Для сокращения избыточности информации были придуманы математические формулы, чертежи, условные обозначения, программный код и т.д. Кроме того, важным является не только сама информация, но и ее представление. Понятно, что котировки акций более наглядно можно продемонстрировать с помощью графика, а математические формулы опишут законы Ньютона в более компактном виде.
В процессе развития информационных технологий, а также систем сбора и хранения данных — баз данных (databases), хранилищ данных (data warehousing), и с недавних пор, облачных репозиториев, возникла проблема анализа больших объемов данных, когда аналитик или управленец не в состоянии вручную обработать большие массивы данных и принять решение. Понятно, что аналитику необходимо каким-то образом представить исходную информацию в более компактном виде, с которой может справится человеческий мозг за приемлемое время.
Между уровнями нет четких граней, но такая классификация позволит нам в дальнейшем не запутаться с терминологией.
Data Mining
Осмелюсь ввести еще один термин для первого пункта — Data Extracting, который буду использовать в дальнейшем.
Information retrieval
Information retrieval используется для получения структурированных данных или репрезентативной выборки меньшего размера. По нашей классификации information retrieval оперирует данными первого уровня, а в результате выдает информацию второго уровня.
Самым простым примером information retrieval является поисковая система, которая на основании неких алгоритмов выводит часть информации из полного набора документов. Кроме того, любая система, которая работает с тестовыми данными, метаинформаций или базами данных тем или иным способом использует инструменты information retrieval. Инструментами могут выступать методы индексации, фильтрации, сортировки данных, парсеры и т.д.
Text Mining
Другие названия: text data mining, text analysis, очень близкое понятие – concern mining.
Text mining может работать как с сырыми данными, так и с частично обработанными, но в отличие от information retrieval, text mining анализирует текстовую информацию с помощью математических методов, что позволяет получать результат с элементами знания.
Задачи, которые решает text mining: нахождение шаблонов данных, получение структурированной информации, построение иерархий объектов, классификация и кластеризация данных, определение тематики или области знаний, автоматическое реферирование документов, задачи автоматической фильтрации контента, определение семантических связей и другие.
Для решения задач text mining используют статистические методы, методы интерполяции, аппроксимации и экстраполяции, нечеткие методы, методы контент-анализа.
Web Mining
Ну и наконец мы добрались к web mining – наборе подходов и техник для извлечения данных из веб-ресурсов.
Так как веб-источники, ка правило, не являются текстовыми данными, то и подходы к процессу извлечения данных отличаются в этом случае. В первую очередь необходимо помнить, что информация в вебе хранится в виде специального языка разметки HTML (хотя есть и другие форматы – RSS, Atom, SOAP, но об этом поговорим позже), веб-страницы могут иметь дополнительную метаинформацию, а также информацию о структуре (семантике) документа, каждый веб-документ находится внутри некого домена и к нему могут применяться правила поисковой оптимизации (SEO).
Это первая статья из цикла, посвященного data mining / extracting / web mining. Пожелания и аргументированная критика принимаются.
Разбираемся, в чем разница между Data Mining и Data Extraction
Что такое Data Mining?
Data mining, также называемый Обнаружение знаний в базе данных (KDD), представляет собой метод, часто используемый для анализа больших массивов данных с помощью статистических и математических методов для поиска скрытых закономерностей или тенденций и извлечения из них ценности.
Что можно сделать с помощью Data Mining?
Автоматизируя процесс, инструменты data mining могут просматривать базы данных и эффективно выявлять скрытые закономерности. Для предприятий data mining часто используется для выявления закономерностей и взаимосвязей в данных, помогающих принимать оптимальные решения в бизнесе.
Примеры применения
После того, как в 1990-х годах data mining получил широкое распространение, компании в широком спектре отраслей, включая розничную торговлю, финансы, здравоохранение, транспорт, телекоммуникации, электронную коммерцию и т.д., начали использовать методы data mining для получения информации на основе данных. Data mining может помочь сегментировать клиентов, выявить мошенничество, прогнозировать продажи и многое другое.
Этапы Data Mining
Data mining — это целостный процесс сбора, отбора, очистки, преобразования и извлечения данных для оценки закономерностей и, в конечном итоге, для извлечения ценности.
Как правило, весь процесс добычи данных можно обобщить до 7 этапов:
Недостатки Data Mining
Выше приведено краткое введение в data mining. Как я уже упоминала, data mining содержит процесс сбора и интеграции данных, который включает в себя процесс извлечения данных (data extraction). В этом случае можно с уверенностью сказать, что data extraction может быть частью длительного процесса data mining.
Что такое Data Extraction?
Также известное как «извлечение веб-данных» и «веб-скрепинг», этот процесс представляет собой акт извлечения данных из (обычно неструктурированных или плохо структурированных) источников данных в централизованные места и централизацию в одном месте для хранения или дальнейшей обработки. В частности, к неструктурированным источникам данных относятся веб-страницы, электронная почта, документы, файлы PDF, отсканированный текст, отчеты мейнфреймов, катушечные файлы, объявления и т.д. Централизованные хранилища могут быть локальными, облачными или гибридными. Важно помнить, что извлечение данных не включает в себя обработку или другой анализ, который может произойти позже.
Что можно сделать с помощью Data Extraction?
В основном цели извлечения данных делятся на 3 категории.
Некоторые примеры применения Data Extraction
Подобно data mining, извлечение данных широко используется в различных отраслях промышленности. Помимо мониторинга цен в электронной коммерции, извлечение данных может помочь в собственном исследовании, агрегировании новостей, маркетинге, в работе с недвижимостью, путешествиях и туризме, в консалтинге, финансах и во многом другом.
Шаги Data Extraction
Извлечение данных — первый этап ETL (аббревиатура Extract, Transform, Load: извлечение, преобразование, загрузка) и ELT (извлечение, загрузка и преобразование). ETL и ELT сами по себе являются частью завершенной стратегии интеграции данных. Другими словами, извлечение данных может быть частью их добычи.
Извлечение, преобразование, загрузка
В то время как data mining — это получение информации из больших массивов данных, data extraction — это гораздо более короткий и простой процесс. Его можно свести к трем этапам:
Недостатки Data Extraction
Ключевые различия между Data Mining и Data Extraction
Data Mining – технология добычи данных
1. Что такое Data Mining?
Data Mining переводится как “добыча” или “раскопка данных”. Нередко рядом с Data Mining встречаются слова “обнаружение знаний в базах данных” (knowledge discovery in databases) и “интеллектуальный анализ данных”. Их можно считать синонимами Data Mining. Возникновение всех указанных терминов связано с новым витком в развитии средств и методов обработки данных.
До начала 90-х годов, людям, не имевшем представления о распознавании образов и факторном анализе, казалось, не было особой нужды переосмысливать ситуацию в этой области. Все шло своим чередом в рамках направления, называемого прикладной статистикой (см. например, [1]). Теоретики проводили конференции и семинары, писали внушительные статьи и монографии, изобиловавшие аналитическими выкладками.
Вместе с тем, практики всегда знали, что попытки применить теоретические экзерсисы для решения реальных задач в большинстве случаев оказываются бесплодными. Но на озабоченность практиков до поры до времени можно было не обращать особого внимания — они решали главным образом свои частные проблемы обработки небольших локальных баз данных.
И вот прозвенел звонок. В связи с совершенствованием технологий записи и хранения данных на людей обрушились колоссальные потоки информационной руды в самых различных областях. Деятельность любого предприятия (коммерческого, производственного, медицинского, научного и т.д.) теперь сопровождается регистрацией и записью всех подробностей его деятельности. Что делать с этой информацией? Стало ясно, что без продуктивной переработки потоки сырых данных образуют никому не нужную свалку.
Специфика современных требований к такой переработке следующие:
Традиционная математическая статистика, долгое время претендовавшая на роль основного инструмента анализа данных, откровенно спасовала перед лицом возникших проблем. Главная причина — концепция усреднения по выборке, приводящая к операциям над фиктивными величинами (типа средней температуры пациентов по больнице, средней высоты дома на улице, состоящей из дворцов и лачуг и т.п.). Методы математической статистики оказались полезными главным образом для проверки заранее сформулированных гипотез (verification-driven data mining) и для “грубого” разведочного анализа, составляющего основу оперативной аналитической обработки данных (online analytical processing, OLAP).
В основу современной технологии Data Mining (discovery-driven data mining) положена концепция шаблонов (паттернов), отражающих фрагменты многоаспектных взаимоотношений в данных. Эти шаблоны представляют собой закономерности, свойственные подвыборкам данных, которые могут быть компактно выражены в понятной человеку форме. Поиск шаблонов производится методами, не ограниченными рамками априорных предположений о структуре выборке и виде распределений значений анализируемых показателей. Примеры заданий на такой поиск при использовании Data Mining приведены в табл. 1.
Таблица 1. Примеры формулировок задач при использовании методов OLAP и Data Mining
Каковы средние показатели травматизма для курящих и некурящих?
Встречаются ли точные шаблоны в описаниях людей, подверженных повышенному травматизму?
Каковы средние размеры телефонных счетов существующих клиентов в сравнении со счетами бывших клиентов (отказавшихся от услуг телефонной компании)?
Имеются ли характерные портреты клиентов, которые, по всей вероятности, собираются отказаться от услуг телефонной компании?
Какова средняя величина ежедневных покупок по украденной и не украденной кредитной карточке?
Существуют ли стереотипные схемы покупок для случаев мошенничества с кредитными карточками?
Рисунок 1. Уровни знаний, извлекаемых из данных
Определение Data Mining
В целом технологию Data Mining достаточно точно определяет Григорий Пиатецкий-Шапиро — один из основателей этого направления:
Основные понятия
Объект описывается как набор атрибутов. Объект также известен как запись, случай, пример, строка таблицы и т.д.
Однако переменная изначально не является зависимой или независимой. Она становится таковой после формулировки конкретной гипотезы. Зависимая переменная в одной гипотезе может быть независимой в другой.
В процессе подготовки данных измеряется не сам объект, а его характеристики.
Задачи анализа данных
Последовательность (Sequence), или последовательная ассоциация (sequential association) Последовательность позволяет найти временные закономерности между транзакциями. Задача последовательности подобна ассоциации, но ее целью является установление закономерностей не между одновременно наступающими событиями, а между событиями, связанными во времени (т.е. происходящими с некоторым определенным интервалом во времени). Другими словами, последовательность определяется высокой вероятностью цепочки связанных во времени событий. Фактически, ассоциация является частным случаем последовательности с временным лагом, равным нулю. Эту задачу Data Mining также называют задачей нахождения последовательных шаблонов (sequential pattern). Правило последовательности: после события X через определенное время произойдет событие Y. Пример. После покупки квартиры жильцы в 60% случаев в течение двух недель приобретают холодильник, а в течение двух месяцев в 50% случаев приобретается телевизор. Решение данной задачи широко применяется в маркетинге и менеджменте, например, при управлении циклом работы с клиентом (Customer Lifecycle Management).
Прогнозирование (Forecasting) В результате решения задачи прогнозирования на основе особенностей исторических данных оцениваются пропущенные или же будущие значения целевых численных показателей. Для решения таких задач широко применяются методы математической статистики, нейронные сети и др.
Оценивание (Estimation) Задача оценивания сводится к предсказанию непрерывных значений признака.
Категория обучение с учителем представлена следующими задачами Data Mining: классификация, оценка, прогнозирование.
Категория обучение без учителя представлена задачей кластеризации.
В категорию другие входят задачи, не включенные в предыдущие две стратегии.
2. Кому это нужно?
Сфера применения Data Mining ничем не ограничена — она везде, где имеются какие-либо данные. Но в первую очередь методы Data Mining сегодня, мягко говоря, заинтриговали коммерческие предприятия, развертывающие проекты на основе информационных хранилищ данных (Data Warehousing). Опыт многих таких предприятий показывает, что отдача от использования Data Mining может достигать 1000%. Например, известны сообщения об экономическом эффекте, в 10–70 раз превысившем первоначальные затраты от 350 до 750 тыс. дол. [3]. Известны сведения о проекте в 20 млн. дол., который окупился всего за 4 месяца. Другой пример — годовая экономия 700 тыс. дол. за счет внедрения Data Mining в сети универсамов в Великобритании.
Data Mining представляют большую ценность для руководителей и аналитиков в их повседневной деятельности. Деловые люди осознали, что с помощью методов Data Mining они могут получить ощутимые преимущества в конкурентной борьбе. Кратко охарактеризуем некоторые возможные бизнес-приложения Data Mining [2].
2.1. Некоторые бизнес-приложения Data Mining
Розничная торговля
Предприятия розничной торговли сегодня собирают подробную информацию о каждой отдельной покупке, используя кредитные карточки с маркой магазина и компьютеризованные системы контроля. Вот типичные задачи, которые можно решать с помощью Data Mining в сфере розничной торговли :
Банковское дело
Достижения технологии Data Mining используются в банковском деле для решения следующих распространенных задач:
Телекоммуникации
В области телекоммуникаций методы Data Mining помогают компаниям более энергично продвигать свои программы маркетинга и ценообразования, чтобы удерживать существующих клиентов и привлекать новых. Среди типичных мероприятий отметим следующие:
Страхование
Страховые компании в течение ряда лет накапливают большие объемы данных. Здесь обширное поле деятельности для методов Data Mining:
Другие приложения в бизнесе
Data Mining может применяться во множестве других областей:
2.2. Специальные приложения
Медицина
Известно много экспертных систем для постановки медицинских диагнозов. Они построены главным образом на основе правил, описывающих сочетания различных симптомов различных заболеваний. С помощью таких правил узнают не только, чем болен пациент, но и как нужно его лечить. Правила помогают выбирать средства медикаментозного воздействия, определять показания — противопоказания, ориентироваться в лечебных процедурах, создавать условия наиболее эффективного лечения, предсказывать исходы назначенного курса лечения и т. п. Технологии Data Mining позволяют обнаруживать в медицинских данных шаблоны, составляющие основу указанных правил.
Молекулярная генетика и генная инженерия
Пожалуй, наиболее остро и вместе с тем четко задача обнаружения закономерностей в экспериментальных данных стоит в молекулярной генетике и генной инженерии. Здесь она формулируется как определение так называемых маркеров, под которыми понимают генетические коды, контролирующие те или иные фенотипические признаки живого организма. Такие коды могут содержать сотни, тысячи и более связанных элементов.
На развитие генетических исследований выделяются большие средства. В последнее время в данной области возник особый интерес к применению методов Data Mining. Известно несколько крупных фирм, специализирующихся на применении этих методов для расшифровки генома человека и растений.
Прикладная химия
Методы Data Mining находят широкое применение в прикладной химии (органической и неорганической). Здесь нередко возникает вопрос о выяснении особенностей химического строения тех или иных соединений, определяющих их свойства. Особенно актуальна такая задача при анализе сложных химических соединений, описание которых включает сотни и тысячи структурных элементов и их связей.
Можно привести еще много примеров различных областей знания, где методы Data Mining играют ведущую роль. Особенность этих областей заключается в их сложной системной организации. Они относятся главным образом к надкибернетическому уровню организации систем [4], закономерности которого не могут быть достаточно точно описаны на языке статистических или иных аналитических математических моделей [5]. Данные в указанных областях неоднородны, гетерогенны, нестационарны и часто отличаются высокой размерностью.
3. Типы закономерностей
Выделяют пять стандартных типов закономерностей, которые позволяют выявлять методы Data Mining: ассоциация, последовательность, классификация, кластеризация и прогнозирование (рис. 2).
Рисунок 2. Типы закономерностей, выявляемых методами Data Mining
Ассоциация имеет место в том случае, если несколько событий связаны друг с другом. Например, исследование, проведенное в супермаркете, может показать, что 65% купивших кукурузные чипсы берут также и “кока-колу”, а при наличии скидки за такой комплект “колу” приобретают в 85% случаев. Располагая сведениями о подобной ассоциации, менеджерам легко оценить, насколько действенна предоставляемая скидка.
Если существует цепочка связанных во времени событий, то говорят о последовательности. Так, например, после покупки дома в 45% случаев в течение месяца приобретается и новая кухонная плита, а в пределах двух недель 60% новоселов обзаводятся холодильником.
С помощью классификации выявляются признаки, характеризующие группу, к которой принадлежит тот или иной объект. Это делается посредством анализа уже классифицированных объектов и формулирования некоторого набора правил.
Кластеризация отличается от классификации тем, что сами группы заранее не заданы. С помощью кластеризации средства Data Mining самостоятельно выделяют различные однородные группы данных.
Основой для всевозможных систем прогнозирования служит историческая информация, хранящаяся в БД в виде временных рядов. Если удается построить найти шаблоны, адекватно отражающие динамику поведения целевых показателей, есть вероятность, что с их помощью можно предсказать и поведение системы в будущем.
4. Классы систем Data Mining
Data Mining является мультидисциплинарной областью, возникшей и развивающейся на базе достижений прикладной статистики, распознавания образов, методов искусственного интеллекта, теории баз данных и др. (рис. 3). Отсюда обилие методов и алгоритмов, реализованных в различных действующих системах Data Mining. Многие из таких систем интегрируют в себе сразу несколько подходов. Тем не менее, как правило, в каждой системе имеется какая-то ключевая компонента, на которую делается главная ставка. Ниже приводится классификация указанных ключевых компонент на основе работы [6]. Выделенным классам дается краткая характеристика.
Рисунок 3. Data Mining — мультидисциплинарная область
Рисунок 4. Популярные продукты для Data Mining
4.1. Предметно-ориентированные аналитические системы
4.2. Статистические пакеты
Последние версии почти всех известных статистических пакетов включают наряду с традиционными статистическими методами также элементы Data Mining. Но основное внимание в них уделяется все же классическим методикам — корреляционному, регрессионному, факторному анализу и другим. Самый свежий детальный обзор пакетов для статистического анализа приведен на страницах Центрального экономико-математического института.
Есть еще более серьезный принципиальный недостаток статистических пакетов, ограничивающий их применение в Data Mining. Большинство методов, входящих в состав пакетов опираются на статистическую парадигму, в которой главными фигурантами служат усредненные характеристики выборки. А эти характеристики, как указывалось выше, при исследовании реальных сложных жизненных феноменов часто являются фиктивными величинами.
В качестве примеров наиболее мощных и распространенных статистических пакетов можно назвать SAS (компания SAS Institute), SPSS (SPSS), STATGRAPICS (Manugistics), STATISTICA, STADIA и другие.
4.3. Нейронные сети
Это большой класс систем, архитектура которых имеет аналогию (как теперь известно, довольно слабую) с построением нервной ткани из нейронов. В одной из наиболее распространенных архитектур, многослойном перцептроне с обратным распространением ошибки, имитируется работа нейронов в составе иерархической сети, где каждый нейрон более высокого уровня соединен своими входами с выходами нейронов нижележащего слоя. На нейроны самого нижнего слоя подаются значения входных параметров, на основе которых нужно принимать какие-то решения, прогнозировать развитие ситуации и т. д. Эти значения рассматриваются как сигналы, передающиеся в следующий слой, ослабляясь или усиливаясь в зависимости от числовых значений (весов ), приписываемых межнейронным связям. В результате на выходе нейрона самого верхнего слоя вырабатывается некоторое значение, которое рассматривается как ответ — реакция всей сети на введенные значения входных параметров. Для того чтобы сеть можно было применять в дальнейшем, ее прежде надо “натренировать” на полученных ранее данных, для которых известны и значения входных параметров, и правильные ответы на них. Тренировка состоит в подборе весов межнейронных связей, обеспечивающих наибольшую близость ответов сети к известным правильным ответам.
Основным недостатком нейросетевой парадигмы является необходимость иметь очень большой объем обучающей выборки. Другой существенный недостаток заключается в том, что даже натренированная нейронная сеть представляет собой черный ящик. Знания, зафиксированные как веса нескольких сотен межнейронных связей, совершенно не поддаются анализу и интерпретации человеком (известные попытки дать интерпретацию структуре настроенной нейросети выглядят неубедительными – система “KINOsuite-PR”).
Рисунок 5. Полиномиальная нейросеть
4.4. Системы рассуждений на основе аналогичных случаев
Идея систем case based reasoning — CBR — на первый взгляд крайне проста. Для того чтобы сделать прогноз на будущее или выбрать правильное решение, эти системы находят в прошлом близкие аналоги наличной ситуации и выбирают тот же ответ, который был для них правильным. Поэтому этот метод еще называют методом “ближайшего соседа” (nearest neighbour). В последнее время распространение получил также термин memory based reasoning, который акцентирует внимание, что решение принимается на основании всей информации, накопленной в памяти.
Системы CBR показывают неплохие результаты в самых разнообразных задачах. Главным их минусом считают то, что они вообще не создают каких-либо моделей или правил, обобщающих предыдущий опыт, — в выборе решения они основываются на всем массиве доступных исторических данных, поэтому невозможно сказать, на основе каких конкретно факторов CBR системы строят свои ответы.
Другой минус заключается в произволе, который допускают системы CBR при выборе меры “близости”. От этой меры самым решительным образом зависит объем множества прецедентов, которые нужно хранить в памяти для достижения удовлетворительной классификации или прогноза [7].
Примеры систем, использующих CBR, — KATE tools (Acknosoft, Франция), Pattern Recognition Workbench (Unica, США).
4.5. Деревья решений (decision trees)
Деревья решения являются одним из наиболее популярных подходов к решению задач Data Mining. Они создают иерархическую структуру классифицирующих правил типа “ЕСЛИ. ТО. ” (if-then), имеющую вид дерева. Для принятия решения, к какому классу отнести некоторый объект или ситуацию, требуется ответить на вопросы, стоящие в узлах этого дерева, начиная с его корня. Вопросы имеют вид “значение параметра A больше x?”. Если ответ положительный, осуществляется переход к правому узлу следующего уровня, если отрицательный — то к левому узлу; затем снова следует вопрос, связанный с соответствующим узлом.
Рисунок 6. Система KnowledgeSeeker обрабатывает банковскую информацию
Популярность подхода связана как бы с наглядностью и понятностью. Но деревья решений принципиально не способны находить “лучшие” (наиболее полные и точные) правила в данных. Они реализуют наивный принцип последовательного просмотра признаков и “цепляют” фактически осколки настоящих закономерностей, создавая лишь иллюзию логического вывода.
Вместе с тем, большинство систем используют именно этот метод. Самыми известными являются See5/С5.0 (RuleQuest, Австралия), Clementine (Integral Solutions, Великобритания), SIPINA (University of Lyon, Франция), IDIS (Information Discovery, США), KnowledgeSeeker (ANGOSS, Канада). Стоимость этих систем варьируется от 1 до 10 тыс. долл.
4.6. Эволюционное программирование
Проиллюстрируем современное состояние данного подхода на примере системы PolyAnalyst — отечественной разработке, получившей сегодня общее признание на рынке Data Mining. В данной системе гипотезы о виде зависимости целевой переменной от других переменных формулируются в виде программ на некотором внутреннем языке программирования. Процесс построения программ строится как эволюция в мире программ (этим подход немного похож на генетические алгоритмы). Когда система находит программу, более или менее удовлетворительно выражающую искомую зависимость, она начинает вносить в нее небольшие модификации и отбирает среди построенных дочерних программ те, которые повышают точность. Таким образом система “выращивает” несколько генетических линий программ, которые конкурируют между собой в точности выражения искомой зависимости. Специальный модуль системы PolyAnalyst переводит найденные зависимости с внутреннего языка системы на понятный пользователю язык (математические формулы, таблицы и пр.).
Другое направление эволюционного программирования связано с поиском зависимости целевых переменных от остальных в форме функций какого-то определенного вида. Например, в одном из наиболее удачных алгоритмов этого типа — методе группового учета аргументов (МГУА) зависимость ищут в форме полиномов. В настоящее время из продающихся в России систем МГУА реализован в системе NeuroShell компании Ward Systems Group.
4.7. Генетические алгоритмы
Data Mining не основная область применения генетических алгоритмов. Их нужно рассматривать скорее как мощное средство решения разнообразных комбинаторных задач и задач оптимизации. Тем не менее генетические алгоритмы вошли сейчас в стандартный инструментарий методов Data Mining, поэтому они и включены в данный обзор.
Первый шаг при построении генетических алгоритмов — это кодировка исходных логических закономерностей в базе данных, которые именуют хромосомами, а весь набор таких закономерностей называют популяцией хромосом. Далее для реализации концепции отбора вводится способ сопоставления различных хромосом. Популяция обрабатывается с помощью процедур репродукции, изменчивости (мутаций), генетической композиции. Эти процедуры имитируют биологические процессы. Наиболее важные среди них: случайные мутации данных в индивидуальных хромосомах, переходы (кроссинговер) и рекомбинация генетического материала, содержащегося в индивидуальных родительских хромосомах (аналогично гетеросексуальной репродукции), и миграции генов. В ходе работы процедур на каждой стадии эволюции получаются популяции со все более совершенными индивидуумами.
Генетические алгоритмы удобны тем, что их легко распараллеливать. Например, можно разбить поколение на несколько групп и работать с каждой из них независимо, обмениваясь время от времени несколькими хромосомами. Существуют также и другие методы распараллеливания генетических алгоритмов.
Генетические алгоритмы имеют ряд недостатков. Критерий отбора хромосом и используемые процедуры являются эвристическими и далеко не гарантируют нахождения “лучшего” решения. Как и в реальной жизни, эволюцию может “заклинить” на какой-либо непродуктивной ветви. И, наоборот, можно привести примеры, как два неперспективных родителя, которые будут исключены из эволюции генетическим алгоритмом, оказываются способными произвести высокоэффективного потомка. Это особенно становится заметно при решении высокоразмерных задач со сложными внутренними связями.
4.8. Алгоритмы ограниченного перебора
Алгоритмы ограниченного перебора были предложены в середине 60-х годов М.М. Бонгардом для поиска логических закономерностей в данных. С тех пор они продемонстрировали свою эффективность при решении множества задач из самых различных областей.
Эти алгоритмы вычисляют частоты комбинаций простых логических событий в подгруппах данных. Примеры простых логических событий: X = a; X a; a
Рисунок 7. Система WizWhy обнаружила правила, объясняющие низкую урожайность некоторых сельскохозяйственных участков
Автор WizWhy утверждает, что его система обнаруживает ВСЕ логические if-then правила в данных. На самом деле это, конечно, не так. Во-первых, максимальная длина комбинации в if-then правиле в системе WizWhy равна 6, и, во-вторых, с самого начала работы алгоритма производится эвристический поиск простых логических событий, на которых потом строится весь дальнейший анализ. Поняв эти особенности WizWhy, нетрудно было предложить простейшую тестовую задачу, которую система не смогла вообще решить. Другой момент — система выдает решение за приемлемое время только для сравнительно небольшой размерности данных.
4.9. Системы для визуализации многомерных данных
В той или иной мере средства для графического отображения данных поддерживаются всеми системами Data Mining. Вместе с тем, весьма внушительную долю рынка занимают системы, специализирующиеся исключительно на этой функции. Примером здесь может служить программа DataMiner 3D словацкой фирмы Dimension5 (5-е измерение).
В подобных системах основное внимание сконцентрировано на дружелюбности пользовательского интерфейса, позволяющего ассоциировать с анализируемыми показателями различные параметры диаграммы рассеивания объектов (записей) базы данных. К таким параметрам относятся цвет, форма, ориентация относительно собственной оси, размеры и другие свойства графических элементов изображения. Кроме того, системы визуализации данных снабжены удобными средствами для масштабирования и вращения изображений. Стоимость систем визуализации может достигать нескольких сотен долларов.
Рисунок 8. Визуализация данных системой DataMiner 3D
5. Резюме
1. Рынок систем Data Mining экспоненциально развивается. В этом развитии принимают участие практически все крупнейшие корпорации (см. например http://www.kdnuggets.com). В частности, Microsoft непосредственно руководит большим сектором данного рынка (издает специальный журнал, проводит конференции, разрабатывает собственные продукты).
3. Несмотря на обилие методов Data Mining, приоритет постепенно все более смещается в сторону логических алгоритмов поиска в данных if-then правил. С их помощью решаются задачи прогнозирования, классификации, распознавания образов, сегментации БД, извлечения из данных “скрытых” знаний, интерпретации данных, установления ассоциаций в БД и др. Результаты таких алгоритмов эффективны и легко интерпретируются.
4. Вместе с тем, главной проблемой логических методов обнаружения закономерностей является проблема перебора вариантов за приемлемое время. Известные методы либо искусственно ограничивают такой перебор (алгоритмы КОРА, WizWhy), либо строят деревья решений (алгоритмы CART, CHAID, ID3, See5, Sipina и др.), имеющих принципиальные ограничения эффективности поиска if-then правил. Другие проблемы связаны с тем, что известные методы поиска логических правил не поддерживают функцию обобщения найденных правил и функцию поиска оптимальной композиции таких правил. Удачное решение указанных проблем может составить предмет новых конкурентоспособных разработок.
В заключение отметим очередное симптоматичное событие. Компания Microsoft официально объявила об усилении своей активности в области Data Mining. Специальная исследовательская группа Microsoft, возглавляемая Усамой Файядом, и пять приглашенных партнеров (Ang oss, Datasage, E.piphany, SAS, Silicon Graphics, SPSS) готовят совместный проект по разработке стандарта обмена данными и средств для интеграции инструментов Data Mining с базами и хранилищами данных.
В дополнение к приведенному краткому обзору по теме Data Mining для заинтересовавшихся читателей сообщаю, что более подробные сведения можно будет почерпнуть из моей новой книги “Искусственный интеллект: извлечение скрытых знаний”.
Литература
В.А. Дюк, Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН
200 тыс км/с в стекле и
3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью “Температура эфира и красные смещения”), разную скорость для разных частот (см. статью “О скорости ЭМ-волн”)
3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.
4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те “подтверждающие теорию Эйнштейна факты”, которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.