Apriori与FP-growth与ECLAT算法比较分析
Apriori算法、FP-growth算法和Eclat算法比较分析
1、关联分析
关联分析是在大规模数据集中寻找有趣关系的任务。这些关系可以有两种形式：频繁项集、关联规则。频繁项集是经常出现在一块儿的物品的集合，关联规则暗示两种物品之间可能存在很强的关系。
下面用一个例子来说明：图1给出了某个杂货店的交易清单。
频繁项集是指那些经常出现在一起的商品集合，图中的集合{葡萄酒,尿布,豆奶}就是频繁项集的一个例子。从这个数据集中也可以找到诸如尿布->葡萄酒的关联规则，即如果有人买了尿布，那么他很可能也会买葡萄酒。
2、Apriori算法
Apriori算法使用频繁项集的先验知识，使用一种称作逐层搜索的迭代方法，k项集用于探索(k+1)项集。首先，通过扫描事务（交易）记录，找出所有的频繁1项集，该集合记做L1，然后利用L1找频繁2项集的集合L2，L2找L3，如此下去，直到不能再找到任何频繁k项集。最后再在所有的频繁集中找出强规则，即产生用户感兴趣的关联规则。
用下面的实例具体实现Apriori算法：
上图为某商场的交易记录，共有9个事务，利用Apriori算法寻找所有的频繁项集的过程如下:
详细介绍下候选3项集的集合C3的产生过程：从连接步，首先C3={{I1,I2,I3}，{I1,I2,I5}，{I1,I3,I5}，{I2,I3,I4}，{I2,I3,I5}，{I2,I4,I5}}（C3是由L2与自身连接产生）。根据Apriori性质，频繁项集的所有子集也必须频繁的，可以确定有4个候选集{I1,I3,I5}，{I2,I3,I4}，{I2,I3,I5}，{I2,I4,I5}}不可能时频繁的，因为它们存在子集不属于频繁集，因此将它们从C3中删除。注意，由于Apriori算法使用逐层搜索技术，
给定候选k项集后，只需检查它们的（k-1）个子集是否频繁。
将Apriori算法应用于Mushroom.dat数据集时：
E:/DataMiningSample/FPmining/Mushroom.dat threshold: 0.25
共用时：54015ms
共有5545项频繁模式
E:/DataMiningSample/FPmining/Mushroom.dat threshold: 0.2
共用时：991610ms
共有53663项频繁模式
由仿真实验结果可知Apriori算法对Mushroom.dat挖掘出来的频繁模式及支持度、频繁模式总数正确，但是算法速度很慢。这种算法虽然比遍历的方法要好很多，但其空间复杂度还是非常高的，尤其是L1 比较大时，L2 的数量会暴增。每次增加频繁项集的大小，Apriori算法都会重新扫描整个数据集，开销也非常大。
即便如此apriori 算法在很多场景下也足够用。在R语言中使用arules 包来实现此算法（封装的是C实现，只要装载的sparse matrix 可以载入内存，support 设置合理，速度非常快）。
3、FP-growth算法
FP-growth算法基于Apriori构建，可以不用每次都扫描全表，而是用一个简洁的数据结构（压缩之后的数据库）把整个数据库的信息都包含进去，通过对数据结构的递归就完成整个频繁模式的挖掘，只对数据库进行两次扫描。所以运算速度优于Apriori算法。这个算法因为数据结构的size 远远小于原始的数据库，所有的数据操作可以完全在内存中计算，挖掘速度就可以大大提高。
具体的算法步骤如下：
（1）、读取数据库，构造频繁1项集及FP-tree
（2）、遍历FP-tree的头表，对于每个频繁项x，累积项x的所有前缀路径形成x的条件模式库CPB
（3）、对CPB上每一条路径的节点更新计数为x的计数，根据CPB构造条件FP-tree
（4）、从条件FP-tree中找到所有长路径，对该路径上的节点找出所有组合方式，然后合并计数
（5）、将（4）中的频繁项集与x合并，得到包含x的频繁项集
（6）、循环，直到遍历头表中的所有项
使用上述步骤，对Mushroom.dat数据集做频繁模式挖掘的结果如下：
虽然FP－growth算法已经算是关联规则挖掘算法中较为高效的一种算法，但还是存在着一些不足：
（1）为满足FP－tree的构建和频繁项集的挖掘，FP－tree中节点结构需要设计大量的指针；
（2）生成的频繁项集存在过多的冗余信息；
（3）频繁项头表的遍历耗费了过多的时间。
4、Eclat算法
Eclat算法是一种深度优先算法,采用垂直数据表示形式,在概念格理论的基础上利用基于前缀的等价关系将搜索空间(概念格)划分为较小的子空间(子概念格)。
Eclat算法加入了倒排的思想，加快频繁集生成速度，其算法思想是由频繁k项集求交集，生成候选k+1项集。对候选k+1项集做裁剪，生成频繁k+1项集，再求交集生成候选k+2项集。如此迭代，直到项集归一。
具体实现算法步骤如下：
（1）、一次扫描数据库，获得初始数据。包括频繁1项集，数据库包含的所有items，事务总数（行）transNum，最小支持度minsup=limitValue*trans。
（2）、二次扫描数据库，获得频繁2项集。
（3）、按照Eclat算法，对频繁2项集迭代求交集，做裁剪，直到项集归一。
使用Eclat算法，对mushroom.dat的频繁模式挖掘结果如下：
关联规则算法中的数据通常采用水平数据形式，而采用垂直数据表示的挖掘性能优于水平表示。Eclat算法在项集规模庞大时，交集操作消耗大量时间和系统内存。为此，结合划分思想和突出基于概率的先验约束方法,把数据库中的事务划分成多个非重叠部分,对每一部分采用Eclat算法，减少每次"交"操作时项集的规模,从而减少比较次数。通过基于概率的先验约束，减少产生的局部频繁项集数。这样的设计具有更高的效率。
5、总结
FP-growth算法是一种用于发现数据集中频繁模式的有效方法。FP-growth算法利用Apriori原则，执行更快。Apriori算法产生候选项集，然后扫描数据集来检查它们是否频繁。由于只对数据集扫描两次，因此FP-growth算法执行更快。在FP-growth算法中，数据集存储在一个称为FP树的结构中。FP树构建完成后，
可以通过查找元素项的条件基及构建条件FP树来发现频繁项集。该过程不断以更多元素作为条件重复进行，直到FP树只包含一个元素为止。
人们主要通过减少扫描数据库次数以及尽可能产生最少的候选项集对Apriori算法进行改进优化，而FP-Growth 算法的改进则主要考虑减少构建FP-growth树产生的消耗以及尽可能千方百计地节省内存，这些算法都只能挖掘单维的布尔型关联规则。虽然改进算法应用在部分传统数据集中取得了成功，但随着现在数据规模越来越大，应用环境越来越复杂，传统改进算法已经不适应时代的发展要求。
然而，传统Eclat 算法并未充分利用Apriori 先验性质，因此会产生比较多的候选项集。传统Eclat 算法通过不断地循环，逐个比较两Tidset集合中各个项（事务）的值来求交集。
这种求交集算法通俗简单，但随着事务数规模的不断扩大，Tidset 的规模也会不断扩大，导致算法的比较次数成倍增长，最终影响到Eclat 算法的挖掘效率。根据对传统算法的仔细分析，发现其存在如下的问题：
（1）、算法的大量操作消耗在Tidset 的求交集过程上，这是原有算法的主要瓶颈之一；
（2）、求交集操作所使用的Tidset 这种数据表示形式，会占用系统大量的内存空间。
依据Eclat算法存在的不足，将散列表与布尔矩阵相结合，提出了散列布尔矩阵的思想，运用这种新的求交集计算方法来改进传统关联规则Eclat算法，加快支持度计数过程，提高频繁项集挖掘效率。
附录：
I．代码
II．检查报告结果：
算法分析与设计复习题及参考答案
网络教育课程考试复习题及参考答案算法分析与设计一、名词解释：1.算法 2.程序 3.递归函数 4.子问题的重叠性质 5.队列式分支限界法 6.多机调度问题7.最小生成树二、简答题： 1.备忘录方法和动态规划算法相 比有何异同？简述之。 2.简述回溯法解题的主要步骤。 3.简述动态规划算法求解的基本要素。 4.简述回溯法的基本思想。 5.简要分析在递归算法中消除递归调用，将递归算法转化为非递归算法的方法。 6.简要分析分支限界法与回溯法的异同。7.简述算法复杂性的概念，算法复杂性度量主要指哪两个方面？8.贪心算法求解的问题主要具有哪些性质？简述之。9.分治法的基本思想是什么？合并排序的基本思想是什么？请分别简述之。10.简述分析贪心算法与动态规划 算法的异同。三、算法编写及算法应用分析题： 1.已知有3个物品： (w1,w2,w3)=(12,10,6),(p1,p2,p3)=(15,13,10),背包的容积M=20，根据0-1背包动态规划的递推式求出最优解。 2.按要求完成以下关于排序和查找的问题。①对数组A={15，29，135，18，32，1，27，25，5}，用快速排序方法将其排成递减序。②请描述递减数组进行二分搜索的基本思想，并给出非递归算法。③给出上述算法的递归算法。④使用上述算法对①所得到的结果搜索如下元素，并给出搜索过程：18，31，135。已知，=1，2，3，4，5，6，=5，=10，=3，=12，=5，=50，=6，kijr*r1234567ii1求矩阵链积A×A×A×A×A×A的最佳求积顺序（要求给出计算步骤）。1234564.根据分枝限界算法基本过程,求解0-1背包问题。已知n=3,M=20，(w1,w2,w3)=(12,10,6),(p1,p2,p3)=(15,13,10)。 5.试用贪心算法求解汽车加油问题：已知一辆汽车加满油后可行驶n公里，而旅途中有若干个加油站。试设计一个有效算法，指出应在哪些加油站停靠加油，使加油次数最少，请写出该算法。6.试用动态规划算法实现下列问题：设A和B是两个字符串。我们要用最少的字符操作，将字符串A转换为字符串B，这里所说的字符操作包括：①删除一个字符。②插入一个字符。③将一个字符改为另一个字符。请写出该算法。7.对于下图使用Dijkstra算法求由顶点a到顶点h的最短路径。be2g212ad323182cf2h 8.试写出用分治法对数组A[n]实现快速排序的算法。9.有n个活动争用一个活动室。已知活动i占用的时间区域为[s，f ]，活动i,j相容的条件是：sj≥f ii，问题的解表示为(x| x =1，2…，n,)，x表示顺序为i的活动编号活动，求一个相容的活动子集，iiii且安排的活动数目最多。xxx10.设、、是一个三角形的三条边，而且x+x+x=14。请问有多少种不同的三角形？给出解答过程。12312311.
算法分析与设计总结
第一章算法概述 1.算法：解决问题的一种方法或过程；由若干条指令组成的有穷指令。 2.算法的性质： 1)输入：有零个或多个输入 2)输出：有至少一个输出 3)确定性：每条指令是清晰的、无歧义的 4)有限性：每条指令的执行次数和时间都是有限的 3.算法与程序的区别 程序是算法用某种程序设计语言的具体实现 程序可以不满足算法的有限性 4.算法复杂性分析 1)算法的复杂性是算法运行所需要的计算机资源的量，需要时间资源的量称为时间复 杂性，需要空间资源的量称为空间复杂性 2)三种时间复杂性：最坏情况、最好情况、平均情况 3)可操作性最好且最有实际价值的是最坏情况下的时间复杂性 第二章递归与分支策略 1.递归概念：直接或间接调用自身的算法 2.递归函数：用函数自身给出定义的函数 3.递归要素：边界条件、递归方程 4.递归的应用 ?汉诺塔问题 void Hanuo(int n,int a,int b,int c) { if(n==1) return; Hanuo(n-1,a,c,b); move(a,b) Hanuo(n-1,c,b,a); } ?全排列问题 void Perm(Type list[],int k,int m) { //产生list[k,m]的所有排列 if(k == m) { for(int i = 0;I <= m;i++) cout< Apriori算法改进及其实现 内容摘要 信息技术的不断推广应用，将企业带入了一个信息爆炸的时代。如何充分利用这些数据信息为企业决策者提供决策支持成为一个十分迫切的又棘手的问题，人们除了利用现有的关系数据库标准查询语句得到一般的直观的信息以外，必须挖掘其内含的、未知的却又实际存在的数据关系。著名的Apriori算法是一种挖掘关联规则的算法。 本文通过对参与候选集的元素计数的方法来减少产生候选集的组合和减少数据库的扫描次数来达到要求。这有利于提高挖掘的速度和减少数据库的I/O 操作时间的开销。 关键字：数据挖掘，关联规则，Apriori算法 Apriori Algorithm And Improved Apriori Algorithm Abstract：An information burst age is coming with the various application of Information technology. How to maximize the information is a very important problem for the decision-maker of the companies. Besides getting the regular information from the Database by SQL-query, people still need to mine the data relation which is unclear but really exists.Association rules is one of the data mining methods, the famous algorithm Apriori is a method, which can be used to solute those problems. This article analyzes and studies the improved algorithm Apriori based on the algorithm of mining association rules Apriori. The main idea is to decrease the number of candidate items and to decrease the times of Database scanning. The solution is available. It upgrades the speed of data mining and decreases computer's I/O operation. It's proved to be more efficient than the traditional Key words: Datamining, association rules, Apriori algorithm, 一。选择题 1、二分搜索算法是利用（ A ）实现的算法。 A、分治策略 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 2、下列不是动态规划算法基本步骤的是（ B ）。 A、找出最优解的性质 B、构造最优解 C、算出最优解 D、定义最优解 3、最大效益优先是（ A ）的一搜索方式。 A、分支界限法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 4、在下列算法中有时找不到问题解的是（ B ）。 A、蒙特卡罗算法 B、拉斯维加斯算法 C、舍伍德算法 D、数值概率算法 5. 回溯法解旅行售货员问题时的解空间树是（ B ）。 A、子集树 B、排列树 C、深度优先生成树 D、广度优先生成树6．下列算法中通常以自底向上的方式求解最优解的是（ B ）。 A、备忘录法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 7、衡量一个算法好坏的标准是（C ）。 A 运行速度快 B 占用空间少 C 时间复杂度低 D 代码短 8、以下不可以使用分治法求解的是（D ）。 A 棋盘覆盖问题 B 选择问题 C 归并排序 D 0/1背包问题 9. 实现循环赛日程表利用的算法是（ A ）。 A、分治策略 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 10、下列随机算法中运行时有时候成功有时候失败的是（C ） A 数值概率算法 B 舍伍德算法 C 拉斯维加斯算法 D 蒙特卡罗算法 11．下面不是分支界限法搜索方式的是（ D ）。 A、广度优先 B、最小耗费优先 C、最大效益优先 D、深度优先12．下列算法中通常以深度优先方式系统搜索问题解的是（ D ）。 A、备忘录法 B、动态规划法 C、贪心法 D、回溯法 13.备忘录方法是那种算法的变形。（ B ） 研究生课程论文 关联规则挖掘基本概念和算法 课程名称：数据仓库与数据挖掘 学院：交通运输 专业：交通运输规划与管理 年级：硕1003班 姓名：张令杰 学号：10121084 指导教师：徐维祥 摘要 (Ⅰ) 一、引言 (1) 二、关联规则的基本描述 (1) 三、经典频繁项集挖掘的Apriori算法 (3) 四、提高Apriori算法的效率 (6) 五、由频繁项集产生关联规则 (8) 六、总结 (9) 参考文献 (9) 目前，数据挖掘已经成为一个研究热点。关联规则数据挖掘是数据挖掘的一个主要研究内容，关联规则是数据中存在的一类重要的可被发现的知识。其核心问题是如何提高挖掘算法的效率。本文介绍了经典的关联规则挖掘算法Apriori并分析了其优缺点。针对该算法的局限性，结合Apriori性质，本文对Apriori中连接的步骤进行了改进。通过该方法，可以有效地减少连接步产生的大量无用项集并减少判断项集子集是否是频繁项集的次数。 关键词：Apriori算法；关联规则；频繁项集；候选集 一、 引言 关联规则挖掘发现大量数据中项集之间有趣的关联或相关联系。如果两项或多项属性之间存在关联，那么其中一项的属性就可以依据其他属性值进行预测。它在数据挖掘中是一个重要的课题，最近几年已被业界所广泛研究。 关联规则挖掘的一个典型例子是购物篮分析[1] 。关联规则研究有助于发现交易数据库中不同商品（项）之间的联系，找出顾客购买行为模式，如购买了某一商品对购买其他商品的影响。分析结果可以应用于商品货架布局、货存安排以及根据购买模式对用户进行分类。 最著名的关联规则发现方法是R. Agrawal 提出的Apriori 算法。关联规则挖掘问题可以分为两个子问题：第一步是找出事务数据库中所有大于等于用户指定的最小支持度的数据项集；第二步是利用频繁项集生成所需要的关联规则，根据用户设定的最小置信度进行取舍，最后得到强关联规则。识别或发现所有频繁项目集市关联规则发现算法的核心。 二、关联规则的基本描述 定义1. 项与项集 数据库中不可分割的最小单位信息，称为项目，用符号i 表示。项的集合称为项集。设集合{}k i i i I ,,,21 =是项集，I 中项目的个数为k ，则集合I 称为k -项集。例如，集合{啤 酒，尿布，牛奶}是一个3-项集。 定义2. 事务 设{}k i i i I ,,,21 =是由数据库中所有项目构成的集合，一次处理所含项目的集合用T 表示，{}n t t t T ,,,21 =。每一个i t 包含的的项集都是I 子集。 例如，如果顾客在商场里同一次购买多种商品，这些购物信息在数据库中有一个唯一的标识，用以表示这些商品是同一顾客同一次购买的。我们称该用户的本次购物活动对应一个数据库事务。 定义3. 项集的频数（支持度计数） 包括项集的事务数称为项集的频数（支持度计数）。 定义4. 关联规则 关联规则是形如Y X ?的蕴含式，其中X ，Y 分别是I 的真子集，并且φ=?Y X 。 X 称为规则的前提，Y 称为规则的结果。关联规则反映X 中的项目出现时，Y 中的项目也 跟着出现的规律 【程序5-1】分治法 SolutionType DandC(ProblemType P) { ProblemType P1，P2， ，P k。 if (Small(P)) return S(P)。//子问题P足够小，用S(P)直接求解 else { Divide(P，P1，P2， ，P k)。//将问题P分解成子问题P1, P2, …,P k Return Combine(DandC(P1)，DandC(P2)，…，DandC(P k))。//求解子问题，并合并解 } } 【程序5-2】一分为二的分治法 SolutionType DandC(int left，int right) { if (Small(left，right)) return S(left，right)。 else { int m=Divide(left，right)。//以m为界将问题分解成两个子问题Return Combine(DandC(left，m)，DandC(m+1，right))。//分别求解子问题，并合并解 } } 【程序5-3】可排序表类 template 1 Apriori介绍 Apriori算法使用频繁项集的先验知识，使用一种称作逐层搜索的迭代方法，k项集用于探索(k+1)项集。首先，通过扫描事务（交易）记录，找出所有的频繁1项集，该集合记做L1，然后利用L1找频繁2项集的集合L2，L2找L3，如此下去，直到不能再找到任何频繁k项集。最后再在所有的频繁集中找出强规则，即产生用户感兴趣的关联规则。 其中，Apriori算法具有这样一条性质：任一频繁项集的所有非空子集也必须是频繁的。因为假如P(I)< 最小支持度阈值，当有元素A添加到I中时，结果项集（A∩I）不可能比I 出现次数更多。因此A∩I也不是频繁的。 2连接步和剪枝步 在上述的关联规则挖掘过程的两个步骤中，第一步往往是总体性能的瓶颈。Apriori算法采用连接步和剪枝步两种方式来找出所有的频繁项集。 1）连接步 为找出L k（所有的频繁k项集的集合），通过将L k-1（所有的频繁k-1项集的集合）与自身连接产生候选k项集的集合。候选集合记作C k。设l1和l2是L k-1中的成员。记l i[j]表示l i中的第j项。假设Apriori算法对事务或项集中的项按字典次序排序，即对于（k-1）项集l i，l i[1] Apriori算法实验报告 1背景 关联规则挖掘的研究工作主要包括：Apriori算法的扩展、数量关联规则挖掘、关联规则增量式更新、无须生成候选项目集的关联规则挖掘、最大频繁项目集挖掘、约束性关联规则挖掘以及并行及分布关联规则挖掘算法等，其中快速挖掘与更新频繁项目集是关联规则挖掘研究的重点，也是多种数据挖掘应用中的技术关键，已用于分类规则挖掘和网络入侵检测等方面的研究。研究者还对数据挖掘的理论进行了有益的探索，将概念格和粗糙集应用于关联规则挖掘中，获得了显著的效果。到目前为止，关联规则的挖掘已经取得了令人瞩目的成绩，包括：单机环境下的关联规则挖掘算法；多值属性关联规则挖掘；关联规则更新算法；基于约束条件的关联规则挖掘；关联规则并行及分布挖掘算法等。 2 算法描述 Apriori算法是一种找频繁项目集的基本算法。其基本原理是逐层搜索的迭代：频繁K项L k 集用于搜索频繁(K+1)项集L k+1，如此下去，直到不能找到维度更高的频繁项集为止。这种方法依赖连接和剪枝这两步来实现。 算法的第一次遍历仅仅计算每个项目的具体值的数量，以确定大型l项集。随后的遍历，第k 次遍历，包括两个阶段。首先，使用在第(k-1)次遍历中找到的大项集L k-1和用Aprioir-gen函数产生候选项集C k。接着扫描数据库，计算C k中候选的支持度。用Hash树可以有效地确定C k中包含在一个给定的事务t中的候选。算法如下： (1) L1 = {大项目集1项目集}; (2) for (k = 2; L k-1 != 空; k++) do begin (3) C k = apriori-gen(L k-1); //新的候选集 (4) for 所有事务t ∈D do begin (5) C t = subset ( C k，t); //t中所包含的候选 (6) for 所有候选 c ∈C t do (7) c.count++; (8) end (9) L k = {c ∈C k | c.count ≥ minsupp} (10) end (11) key = ∪L k； Apriori-gen函数： Apriori候选产生函数Apriori-gen的参数L k-1，即所有大型(k-1)项目集的集合。它返回所有大型k项目集的集合的一个超集(Superset)。首先，在Jion(连接)步骤，我们把L k-1和L k-1相连接以获得候选的最终集合的一个超集C k： 关联分析（笔记） 事物之间的关联关系包括：简单关联关系、序列关联关系。 关联关系简单关联关系 序列关联关系 简单关联规则：属于无指导学习方法，不直接用于分类预测，只揭示事物内部的结构。Spss modeler 提供了APriori、GRI、Carma等经典算法。APriori和Carma属于同类算法。 序列关联：关联具有前后顺序，通常与时间有关。 SPSS Modeler 提供了sequence算法； 数据格式如下：按照事务表存储，同事需要时间变量。 简单关联规则要分析的对象是事务 事务的储存方式有事务表和事实表两种方式。 事实表 两种表均表明，顾客1购买了AD两种物品，顾客2购买了BD两种物品，顾客三购买了AC两种物品。关联规则有效性的测度指标 1、支持度support：所有购买记录中，A、B同时被购买的比例。 2、置信度confidence：在购买A的事务中，购买B的比例。 关联规则实用性的测度指标 1、提升度lift：（在购买A的事务中，购买B的比例）/（所有事务中，购买B的比例） 2、置信差 3、置信率、正态卡方、信息差等等简单关联关系实例 例1 数据格式：事实表算法:Apriori 所有购买项目均选入前项antecedent和后项consequent。 输出结果的最低支持度是10%；本例设定的划分频繁项集的标准大于最小支持度10%。 最小置信度是80%； 前项最多项目数：5 本例中，三项以上没有超过10%的支持度，所以不能形成三项以上的频繁项集，最大的频繁项集大小是2。 结论解释： 实例：包含前项beer、cannedveg的样本有167个，在1000个样本中前项支持度为16.7%。 规则支持度：同时购买beer、cannedveg、frozenmeal三项的支持度为14.6%。 规则置信度：购买beer、cannedveg的客户中，87.425%的人有购买frozenmeal。 规则2下，购买frozenmeal的可能性比购买frozenmeal的支持度提高2.895倍。 目录 第二章递归与分治 (3) 1、用递归思想求N! (3) 2、用递归思想求Fibonacci数列 (3) 3、用递归思想求排列问题 (4) 4、用递归思想求整数划分问题 (5) 5、用递归思想求汉诺塔问题 (6) 6、用递归思想实现插入排序 (7) 7、用分治思想实现二分查找 (8) 8、用分治法求两个大整数的乘法 (9) 9、用分治思想求一个数组的最大值与最小值 (10) 10、用分法思想实现合并排序 (12) 11、用分治思想实现快速排序 (13) 12、用分治法实现线性时间选择问题 (15) 13、用分法思想实现残缺棋盘问题 (15) 第三章动态规划法 (18) 1、矩阵连乘问题 (18) 2、最长公子序列 (20) 3、最大子段和问题 (23) 4、图像压缩问题 (28) 5、电路布线问题 (31) 6、最 (31) 7、最 (31) 第四章贪心算法 (32) 1、哈夫曼编码 (32) 4、Kruskal算法求最小生成树 (35) 5、集装箱问题 (38) 6、活动安排问题 (40) 第五章回溯法 (42) 1、用回溯法求0－1背包问题 (42) 2、用回溯法求N皇后问题 (45) 3、用回溯法求旅行售货员问题 (46) 4、用回溯法求圆排列问题 (48) 5、用回溯法求符号三角形问题 (50) 6、用回溯法求批处理作业调度问题 (52) 7、用回溯法求连续邮资问题 (54) 8、用回溯法求图的m着色问题 (57) 9、用回溯法求最大团问题 (59) 第六章回溯法 (62) 1、用分支限界法求0－1背包问题 (62) 第二章递归与分治1、用递归思想求N! 王晓东版——《计算机算法设计与分析（第四版）》P11页，例2－1 2、用递归思想求Fibonacci数列 王晓东版——《计算机算法设计与分析（第四版）》P12页，例2－2 关联规则算法探讨 发表时间：2010-01-08T10:11:56.840Z 来源：《企业技术开发》2009年第10期供稿作者：梁伟（中国地质大学信息工程学院，湖北武汉430074 [导读] 本文对关联规则的发展进行了简单的介绍，分析了关联规则的经典算法 作者简介：梁伟（1976-），男，广西崇左人，硕士研究生，主要研究方向：数据库技术数据挖掘。 摘要：本文对关联规则的发展进行了简单的介绍，分析了关联规则的经典算法，介绍进了一种新的关联规则算法，并对这三种算法在挖掘关联规则的特点进行了对比分析，最后对关联规则以后的发展进行了总结。 关键词：数据挖掘；关联规则；算法；探讨 1发展历史 随着信息技术的迅猛发展,许多领域搜集、积累了大量的数据,迫切需要一种新技术从海量的数据中自动、高效地提取所需的有用知识。对这些海量数据进行研究的过程中，数据挖掘技术受到越来越多的关注。我们可以使用数据挖掘技术从海量数据中发掘其中存在的潜在规律。并将这些规律进行总结，用于今后的决策。采用关联规则在大型事务数据库中进行数据挖掘是数据挖掘领域的一个重要研究内容。从大量数据中发现项之间有趣的、隐藏的关联和相关联系正是关联规则目的。 关联规则技术在不断成熟和发展，应用范围不断扩大，由最初的购物篮分析发展到计算机入侵检测、搜索引擎、警务预警、交通事故、保险业、金融业、农业专家系统、教学评估、股票分析等领域。在理论研究方面，由最简单的单维、单层、布尔关联规则逐渐向复杂形式扩展，由频繁模式挖掘不断扩展到闭合模式挖掘、扩展型关联规则、最大模式挖掘、衍生型关联规则、关联规则隐私保护、挖掘后处理、增量挖掘、规则主观兴趣度度量、相关模式、数据流等多种类型数据上的关联规则挖掘等。 2相关概念 设项的集合I = { i l ，i 2 ，…，i m }，D为数据库事务集合，每个事务T是一个项目子集，似的T I。每个事务由事务标识符TID标识。若有X I， X T，则称T包含X；如果X有k个元素，称X为k-项集。 关联规则的逻辑蕴含式为：X Y[s,c] ，其中X I ，Y I 且 X Y= 。规则X Y在事务集D中成立，并且具有支s和置信度c。支持s是指事务集X Y含的百分比：support(X Y)=P(X Y)，置信度c是指D中包含X的事务同时也包含Y的百分比confidence(X Y)=P(Y|X)。 对于一个事务集D，挖掘关联规则的问题就是找出支持度和可信度分别大于用户给定的最小支持度阀值(minsupp)和最小置信度(minconf)阀值的关联规则，这种规则成为强关联规则。 3经典算法 基于频繁集的方法是关联规则挖掘的主要方法,Aproiri算法是基于频繁集的算法最主要算法之一，在数据挖掘中具有里程碑的作用,但是Apriori算法本身存在着一些固有的无法克服的缺陷，而后出现的基于频繁集的另外一种算法FP-gorwth算法能较好地解决APriori算法存在的一些问题。下面分别介绍两种经典的算法。 3.1产生候选频繁项集 Apriori算法是Rabesh Agrawal等人在1994年提出的，该算法采用了一种宽度优先、逐层搜索的迭代方法：首先产生所有的频繁1-项集，然后在此基础上依次产生频繁2-项集、频繁3-项集……，直到频繁k-项集为空集。在此过程中，产生每个频繁项集都需要扫描一次数据库，通过对数据库D的多趟扫描来发现所有的频繁项目集。 设Ck表示候选k-项集，Lk表示Ck中出现频率大于或等于最小支持数的k-项集，即k-频繁集或者是k-大项集。该算法的基本过程如下。 ①首先计算所有的C1； ②扫描数据库，删除其中的非频繁子集，生成L1(1-频繁项集)； ③将L1与自己连接生成C2(候选2-项集)； ④扫描数据库，删除C2中的非频繁子集，生成L2(2-频繁项集)； ⑤依此类推，通过Lk-1((k-1)-频繁项集)与自己连接生成Ck(候选k-项集)，然后扫描数据库，生成Lk(频繁k-项集)，直到不再有产生频繁项集为止。 Apriori算法虽然能较有效地产生关联规则，同时也存在着不少缺点: ①数据库太大时对候选项集的支持度计算非常繁琐，当支持度、置信度阀值设置太低会产生过多的规则，致使用户难易人为地对这些规则进行出区分和判断。 ②要对数据进行多次扫描，需要很大的I/O负载，算法的效率不高。 ③当数据库D很大时，会产生庞大的候选集，导致算法的耗时太大。 3.2不产生候选频繁项集 FP-Tree算法由 Jiawei Han提出。它的基本思路是将数据集中的重要信息压缩在一个称为频繁模式树(FP-Tree)的数据结构中，然后基于FP-Tree生成数据集中所有的频繁项集。该算法对所有频繁项集的挖掘分为以下两步：①构造频繁模式树FP-Tree。在 FP-Tree中，每个结点有4个域组成结点名称、结点计数、结点链及父结点指针。另外，为方便树遍历，创建一个频繁项头表，它由两个域组成：项目名称及结点链头，其中结点链头指向 FP-Tree中与之名称相同的第一个结点；②调用FP-Growth挖掘出所有频繁项集，具体算法描述如下。 ①生成频繁模式树，首先，扫描事务数据库 D一次，产生频繁1-项集，并把它们按降序排列，放入L表中。其次，创建 FP-Tree的根结点，以“null”标记。再一次扫描D，对于D中的每个事务按 L中的次序排序，并对每个事务创建一个分枝。 ②挖掘频繁项集，首先，从FP-tree的头表开始，按照每个频繁项集的链接遍历，列出能够到达此项的所有前缀路径，得到条件模式基。其次，用条件模式基构造对应的条件FP-tree。第三，递归挖掘条件FP-tree，直到结果FP-tree为空，或者只含有唯一的一个路径(此路径上的每个子路径对应的项集都是频繁项集)。 FP-Growth算法是一种基于模式增长的频繁模式挖掘算法，采用了“分而治之”策略，它能够在不产生候选频繁项集的情况下挖掘全部频繁项集，直接将数据库压缩成一个频繁模式树FP-tree，只需要两次扫描数据库，相对于Apriori算法效率快一个数量级。该算法虽然可以避 Apriori ['e?pr?'?:r?] Apriori算法是一种挖掘关联规则的频繁项集算法，其核心思想是通过候选集生成和情节的向下封闭检测两个阶段来挖掘频繁项集。而且算法已经被广泛的应用到商业、网络安全等各个领域。 其核心是基于两阶段频集思想的递推算法。该关联规则在分类上属于单维、单层、布尔关联规则。在这里，所有支持度大于最小支持度的项集称为频繁项集，简称频集。 经典的关联规则数据挖掘算法Apriori 算法广泛应用于各种领域，通过对数据的关联性进行了分析和挖掘，挖掘出的这些信息在决策制定过程中具有重要的参考价值。 Apriori算法广泛应用于商业中，应用于消费市场价格分析中，它能够很快的求出各种产品之间的价格关系和它们之间的影响。通过数据挖掘，市场商人可以瞄准目标客户，采用个人股票行市、最新信息、特殊的市场推广活动或其他一些特殊的信息手段，从而极大地减少广告预算和增加收入。百货商场、超市和一些老字型大小的零售店也在进行数据挖掘，以便猜测这些年来顾客的消费习惯。 Apriori算法应用于网络安全领域，比如网络入侵检测技术中。早期中大型的电脑系统中都收集审计信息来建立跟踪档，这些审计跟踪的目的多是为了性能测试或计费，因此对攻击检测提供的有用信息比较少。它通过模式的学习和训练可以发现网络用户的异常行为模式。采用作用度的Apriori算法削弱了Apriori算法的挖掘结果规则，是网络入侵检测系统可以快速的发现用户的行为模式，能够快速的锁定攻击者，提高了基于关联规则的入侵检测系统的检测性。 Apriori算法应用于高校管理中。随着高校贫困生人数的不断增加，学校管理部门资助工作难度也越加增大。针对这一现象，提出一种基于数据挖掘算法的解决方法。将关联规则的Apriori算法应用到贫困助学体系中，并且针对经典Apriori挖掘算法存在的不足进行改进，先将事务数据库映射为一个布尔矩阵，用一种逐层递增的思想来动态的分配内存进行存储，再利用向量求"与"运算，寻找频繁项集。实验结果表明，改进后的Apriori算法在运行效率上有了很大的提升，挖掘出的规则也可以有效地辅助学校管理部门有针对性的开展贫困助学工作。 Apriori算法被广泛应用于移动通信领域。移动增值业务逐渐成为移动通信市场上最有活力、最具潜力、最受瞩目的业务。随着产业的复苏，越来越多的增值业务表现出强劲的发展势头，呈现出应用多元化、营销品牌化、管理集中化、合作纵深化的特点。针对这种趋势，在关联规则数据挖掘中广泛应用的Apriori 算法被很多公司应用。依托某电信运营商正在建设的增值业务Web数据仓库平台，对来自移动增值业务方面的调查数据进行了相关的挖掘处理，从而获得了关于用户行为特征和需求的间接反映市场动态的有用信息，这些信息在指导运营商的业务运营和辅助业务提供商的决策制定等方面具有十分重要的参考价值。 Program算法设计与分析基础中文版答案 习题 5..证明等式gcd(m,n)=gcd(n,m mod n)对每一对正整数m,n都成立. Hint: 根据除法的定义不难证明: 如果d整除u和v, 那么d一定能整除u±v; 如果d整除u,那么d也能够整除u的任何整数倍ku. 对于任意一对正整数m,n,若d能整除m和n,那么d一定能整除n和r=m mod n=m-qn；显然，若d能整除n和r，也一定能整除m=r+qn和n。 数对(m,n)和(n,r)具有相同的公约数的有限非空集，其中也包括了最大公约数。故gcd(m,n)=gcd(n,r) 6.对于第一个数小于第二个数的一对数字,欧几里得算法将会如何处理?该算法在处理这种输入的过程中,上述情况最多会发生几次? Hint: 对于任何形如0<=m 设sqrt(x)是求平方根的函数) 算法Quadratic(a,b,c) 描述将十进制整数表达为二进制整数的标准算法 a.用文字描述 b.用伪代码描述 解答： a.将十进制整数转换为二进制整数的算法 输入：一个正整数n 输出：正整数n相应的二进制数 第一步：用n除以2，余数赋给Ki(i=0,1,2...)，商赋给n 第二步：如果n=0，则到第三步，否则重复第一步 第三步：将Ki按照i从高到低的顺序输出 b.伪代码 算法 DectoBin(n) .n]中 i=1 while n!=0 do { Bin[i]=n%2; n=(int)n/2; i++; } while i!=0 do{ print Bin[i]; i--; } 9.考虑下面这个算法,它求的是数组中大小相差最小的两个元素的差.(算法略)对这个算法做尽可能多的改进. 算法 MinDistance(A[0..n-1]) 解析算法及程序实现教学设计 一、设计思想 根据《新课标》的要求，本课“解析算法”的学习目的是使学生进一步体验算法设计思想。为了让学生更易理解其算法的思想：用解析法找出数学表达式，用它来描述问题的原始数据与结果之间的关系。本堂课的设计思路：通过一元二次方程求解实例引入主题——认知主题——实践体验主题——扩展与提高这几个阶段层层深入的递进式方法使学生充分掌握解析算法。从而使学生形成解析算法的科学逻辑结构。 二、教材分析 本课的课程标准内容： 结合实例，经历分析问题、确定算法、编程求解等用计算机解决问题的基本过程，认识算法和程序设计在其中的地位和作用。掌握使用解析算法设计程序解决问题的方法基本要求：1.初步掌握解析算法。2.初步掌握解析算法的程序实现。 教材中很多例子，但是考虑到课时，具体采用了“计算1900年开始的任意一天是星期几”的问题。 三、学情分析 学生对程序的3种基本模式已有一个了解的基础，对于简单的程序段也有一定的认知意识。并且已学习了枚举算法，这对本节课的教学产生积极的作用。但学生还是会觉得算法设计比较难掌握，困难之处在于，如何将题目的设计思想转化为流程图，根据流程图写出相应的代码并通过自己编制程序上机实践来体验。因此在课堂分析过程中，学生应当从听课认识——分析理解——实践探究这些过程中全面掌握解析算法的设计思想，并能用此算法来解决日常生活问题及与其他学科有所关联的一些简单问题。 四、教学目标 知识与技能：理解解析算法的概念和特点，通过分析了解解析算法的解题结构，初步掌握对解析算法的程序实现。 过程与方法：通过具体问题分析，归纳解析算法的基本思想和方法，确定解题步骤。让学生理解如何用3步法来解决实际问题（提出问题——分析问题——解决问题）； 情感态度与价值观：通过小组合作，增进学生间的学习交流，培养合作能力，激发学生学习能动性；感受解析算法的魅力，养成始终坚持、不断积累才能获得成功的意志品质。 五、重点与难点 重点：通过计算1900年开始的任意一天是星期几，让学生理解解析算法的思想，初步 /* 这个程序是数据挖掘中的Apriori算法*/ #include 关联规则基本算法及其应用 1．关联规则挖掘 1.1 关联规则提出背景 1993年，Agrawal 等人在首先提出关联规则概念，同时给出了相应的挖掘算法AIS ，但是性能较差。1994年，他们建立了项目集格空间理论，并依据上述两个定理，提出了著名的Apriori 算法，至今Apriori 仍然作为关联规则挖掘的经典算法被广泛讨论，以后诸多的研究人员对关联规则的挖掘问题进行了大量的研究。关联规则挖掘在数据挖掘中是一个重要的课题，最近几年已被业界所广泛研究。 关联规则最初提出的动机是针对购物篮分析(Market Basket Analysis)问题提出的。假设分店经理想更多的了解顾客的购物习惯（如下图）。特别是，想知道哪些商品顾客可能会在一次购物时同时购买？为回答该问题，可以对商店的顾客事物零售数量进行购物篮分析。该过程通过发现顾客放入“购物篮”中的不同商品之间的关联，分析顾客的购物习惯。这种关联的发现可以帮助零售商了解哪些商品频繁的被顾客同时购买，从而帮助他们开发更好的营销策略。 1.2 关联规则的基本概念 关联规则定义为：假设12{,,...}m I i i i =是项的集合，给定一个交易数据库 12D ={t ,t ,...,t }m ， 其中每个事务(Transaction)t 是I 的非空子集，即t I ∈，每一个交易都与 一个唯一的标识符TID(Transaction ID)对应。关联规则是形如X Y ?的蕴涵式， 其中X ,Y I ∈且X Y φ?=， X 和Y 分别称为关联规则的先导(antecedent 或left-hand-side, LHS)和后继(consequent 或right-hand-side, RHS)。关联规则X Y ?在D 中的支持度(support)是D 中事务包含X Y ?的百分比，即概率()P X Y ?；置信度(confidence)是包含X 的事务中同时包含Y 的百分比，即条件概率(|)P Y X 。如果满足最小支持度阈值和最小置信度阈值，则称关联规则是有趣的。这些阈值由用户或者专家设定。 算法分析与设计复习题及答案一、单选题 1．D 2．B 3．C 4．D 5．D 6．D 7．C 8．D 9．B 10．C 11．D 12．B 13．D 14．C 15．C 16．D 17．D 18．D 19．D 20．C 1．与算法英文单词algorithm具有相同来源的单词是（）。 A logarithm B algiros C arithmos D algebra 2．根据执行算法的计算机指令体系结构，算法可以分为（）。 Ａ精确算法与近似算法Ｂ串行算法语并行算法 Ｃ稳定算法与不稳定算法Ｄ３２位算法与６４位算法 3．具有１0个节点的完全二叉树的高度是（）。 Ａ６Ｂ５Ｃ3Ｄ 2 4．下列函数关系随着输入量增大增加最快的是（）。 Ａlog2n B n2 C 2n D n! 5．下列程序段的S执行的次数为( )。 for i ←0 to n-1 do for j ←0 to i-1 do s //某种基本操作 A.n2 B n2/2 C n*(n+1) D n(n+1)/2 6．Fibonacci数列的第十项为( )。 A 3 B 13 C 21 D 34 7．4个盘子的汉诺塔，至少要执行移动操作的次数为( )。 A 11次 B 13次 C 15次 D 17次 8．下列序列不是堆的是（）。 A 99，85，98，77，80，60，82，40，22，10，66 B 99，98，85，82，80，77，66，60，40，22，10 C 10，22，40，60，66，77，80，82，85，98，99 D 99，85，40，77，80，60，66，98，82，10，22 9．Strassen矩阵乘法的算法复杂度为（）。 ＡΘ(n3)ＢΘ(n2.807) ＣΘ(n2) ＤΘ(n) 10．集合A的幂集是（）。 A．A中所有元素的集合 B. A的子集合 C． A 的所有子集合的集合 D. 空集 11．与算法英文单词algorithm具有相同来源的单词是（）。 A logarithm B algiros C arithmos D algebra 12．从排序过程是否完全在内存中显示，排序问题可以分为（）。 Ａ稳定排序与不稳定排序Ｂ内排序与外排序 Ｃ直接排序与间接排序Ｄ主排序与辅助排序 13．下列（）不是衡量算法的标准。 Ａ时间效率Ｂ空间效率 Ｃ问题难度Ｄ适应能力 14．对于根树，出度为零的节点为（）。 Ａ０节点Ｂ根节点Ｃ叶节点Ｄ分支节点 15．对完全二叉树自顶向下，从左向右给节点编号，节点编号为１0的父节点编号为（）。 Ａ０Ｂ２Ｃ４Ｄ６ 16．下列程序段的算法时间的复杂度为（）。 for i ←0 to n do for j ←0 to m doApriori算法
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