详解Python 关联规则分析-巨人网络通讯

详解Python 关联规则分析

1. 关联规则

大家可能听说过用于宣传数据挖掘的一个案例:啤酒和尿布；据说是沃尔玛超市在分析顾客的购买记录时，发现许多客户购买啤酒的同时也会购买婴儿尿布，于是超市调整了啤酒和尿布的货架摆放，让这两个品类摆放在一起；结果这两个品类的销量都有明显的增长；分析原因是很多刚生小孩的男士在购买的啤酒时，会顺手带一些婴幼儿用品。

不论这个案例是否是真实的，案例中分析顾客购买记录的方式就是关联规则分析法Association Rules。

关联规则分析也被称为购物篮分析，用于分析数据集各项之间的关联关系。

1.1 基本概念

项集：item的集合，如集合{牛奶、麦片、糖}是一个3项集，可以认为是购买记录里物品的集合。
频繁项集：顾名思义就是频繁出现的item项的集合。如何定义频繁呢？用比例来判定，关联规则中采用支持度和置信度两个概念来计算比例值
支持度：共同出现的项在整体项中的比例。以购买记录为例子，购买记录100条，如果商品A和B同时出现50条购买记录（即同时购买A和B的记录有50），那边A和B这个2项集的支持度为50%

置信度：购买A后再购买B的条件概率，根据贝叶斯公式，可如下表示：

提升度：为了判断产生规则的实际价值，即使用规则后商品出现的次数是否高于商品单独出现的评率，提升度和衡量购买X对购买Y的概率的提升作用。如下公式可见，如果X和Y相互独立那么提升度为1，提升度越大，说明X->Y的关联性越强

1.2 关联规则Apriori算法

关联规则方法的步骤如下：

发现频繁项集
找出关联规则

Apriori算法是经典的关联规则算法。Apriori算法的目标是找到最大的K项频繁集。Apriori算法从寻找1项集开始，通过最小支持度阈值进行剪枝，依次寻找2项集，3项集直到没有更过项集为止。

下面是一个案例图解：

图中有4个记录，记录项有1，2，3，4，5若干
首先先找出1项集对应的支持度（C1），可以看出4的支持度低于最小支持阈值，先剪掉（L1）。
从1项集生成2项集，并计算支持度（C2），可以看出（1，5）（1，2）支持度低于最小支持阈值，先剪掉（L2）
从2项集生成3项集，（1，2，3）（1，2，5）（2，3，5）只有（2，3，5）满足要求
没有更多的项集了，就定制迭代

2. mlxtend实战关联规则

关联规则目前在scikit-learn中并没有实现。这里介绍另一个python库mlxtend。

2.1 安装

pip install mlxtend

2.2 简单的例子

来看下数据集：

import pandas as pd

item_list = [['牛奶','面包'],
    ['面包','尿布','啤酒','土豆'],
    ['牛奶','尿布','啤酒','可乐'],
    ['面包','牛奶','尿布','啤酒'],
    ['面包','牛奶','尿布','可乐']]

item_df = pd.DataFrame(item_list)

数据格式处理，传入模型的数据需要满足bool值的格式

from mlxtend.preprocessing import TransactionEncode

te = TransactionEncoder()
df_tf = te.fit_transform(item_list)
df = pd.DataFrame(df_tf,columns=te.columns_)

计算频繁项集

from mlxtend.frequent_patterns import apriori

# use_colnames=True表示使用元素名字，默认的False使用列名代表元素, 设置最小支持度min_support
frequent_itemsets = apriori(df, min_support=0.05, use_colnames=True)

frequent_itemsets.sort_values(by='support', ascending=False, inplace=True)

# 选择2频繁项集
print(frequent_itemsets[frequent_itemsets.itemsets.apply(lambda x: len(x)) == 2])

计算关联规则

from mlxtend.frequent_patterns import association_rules

# metric可以有很多的度量选项，返回的表列名都可以作为参数
association_rule = association_rules(frequent_itemsets,metric='confidence',min_threshold=0.9)

#关联规则可以提升度排序
association_rule.sort_values(by='lift',ascending=False,inplace=True)    
association_rule
# 规则是：antecedents->consequents