KHAI PHÁ DỮ LIỆU WEB BẰNG KỸ THUẬT PHÂN CỤM

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

MỤC LỤC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

MỤC LỤC ...................................................................................................... i
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................ v
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ............................................................... vi
CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT..........................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU .................................. 3

Hoàng Văn Dũng

1.1. Khai phá dữ liệu và phát hiện tri thức ......................................................... 3
1.1.1. Khai phá dữ liệu .................................................................................... 3
1.1.2. Quá trình khám phá tri thức .................................................................. 4
1.1.3. Khai phá dữ liệu và các lĩnh vực liên quan .......................................... 5
1.1.4. Các kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu ........................................ 5
1.1.5. Những chức năng chính của khai phá dữ liệu ...................................... 7
1.1.6. Ứng dụng của khai phá dữ liệu ............................................................. 9
1.2. Kỹ thuật phân cụm trong khai phá dữ liệu ................................................ 10
1.2.1. Tổng quan về kỹ thuật phân cụm ........................................................ 10
1.2.2. Ứng dụng của phân cụm dữ liệu ......................................................... 13
1.2.3. Các yêu cầu đối với kỹ thuật phân cụm dữ liệu ................................. 13
1.2.4. Các kiểu dữ liệu và độ đo tương tự..................................................... 15
1.2.4.1. Phân loại kiểu dữ liệu dựa trên kích thước miền ......................... 15

1.2.4.2. Phân loại kiểu dữ liệu dựa trên hệ đo .......................................... 15
1.2.4.3. Khái niệm và phép đo độ tương tự, phi tương tự........................ 17
1.3. Khai phá Web ............................................................................................ 20
1.3.1. Lợi ích của khai phá Web ................................................................... 20
1.3.2. Khai phá Web ..................................................................................... 21
1.3.3. Các kiểu dữ liệu Web.......................................................................... 22
1.4. Xử lý dữ liệu văn bản ứng dụng trong khai phá dữ liệu Web .................. 23
1.4.1. Dữ liệu văn bản ................................................................................... 23
1.4.2. Một số vấn đề trong xử lý dữ liệu văn bản ......................................... 23
1.4.2.1. Loại bỏ từ dừng ............................................................................ 24
1.4.2.2. Định luật Zipf ............................................................................... 25
1.4.3. Các mô hình biểu diễn dữ liệu văn bản .............................................. 26
1.4.3.1. Mô hình Boolean.......................................................................... 26

KHAI PHÁ DỮ LIỆU WEB
BẰNG KỸ THUẬT PHÂN CỤM
Luận văn thạc sỹ khoa học

Hà Nội, 2007

Hoàng Văn Dũng

i

Hoàng Văn Dũng

ii


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

1.4.3.2. Mô hình tần số ............................................................................. 27
1.5. Tổng kết chương 1 ..................................................................................... 30

Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN CỤM DỮ LIỆU ....................... 31
2.1. Phân cụm phân hoạch ................................................................................ 31
2.1.1. Thuật toán k-means ............................................................................. 32
2.1.2. Thuật toán PAM.................................................................................. 34
2.1.3. Thuật toán CLARA ............................................................................. 38
2.1.4. Thuật toán CLARANS........................................................................ 39
2.2. Phân cụm phân cấp .................................................................................... 41
2.2.1. Thuật toán BIRCH .............................................................................. 42
2.2.2. Thuật toán CURE................................................................................ 45
2.3. Phân cụm dựa trên mật độ ......................................................................... 47
2.3.1 Thuật toán DBSCAN ........................................................................... 47
2.3.2. Thuật toán OPTICS ............................................................................ 51
2.3.3. Thuật toán DENCLUE ....................................................................... 52
2.4. Phân cụm dựa trên lưới.............................................................................. 54
2.4.1 Thuật toán STING ............................................................................... 55
2.4.2 Thuật toán CLIQUE............................................................................. 56
2.5. Phân cụm dữ liệu dựa trên mô hình........................................................... 57
2.5.1. Thuật toán EM .................................................................................... 58
2.5.2. Thuật toán COBWEB ......................................................................... 59
2.6. Phân cụm dữ liệu mờ ................................................................................. 59
2.7. Tổng kết chương 2 ..................................................................................... 60

Chương 3. KHAI PHÁ DỮ LIỆU WEB ..................................................... 62
3.1. Khai phá nội dung Web ............................................................................. 62

3.1.1. Khai phá kết quả tìm kiếm .................................................................. 63
3.1.2. Khai phá văn bản Web ........................................................................ 63
3.1.2.1. Lựa chọn dữ liệu .......................................................................... 64
3.1.2.2. Tiền xử lý dữ liệu ......................................................................... 64
3.1.2.3. Biểu điễn văn bản......................................................................... 65
3.1.2.4. Trích rút các từ đặc trưng ............................................................. 65
3.1.2.5. Khai phá văn bản ......................................................................... 66
3.1.3. Đánh giá chất lượng mẫu ................................................................ 68
Hoàng Văn Dũng

iii

3.2. Khai phá theo sử dụng Web ...................................................................... 69
3.2.1. Ứng dụng của khai phá theo sử dụng Web ......................................... 70
3.2.2. Các kỹ thuật được sử dụng trong khai phá theo sử dụng Web ........... 71
3.2.3. Những vấn đề trong khai khá theo sử dụng Web. .............................. 71
3.2.3.1. Chứng thực phiên người dùng ..................................................... 71
3.2.3.2. Đăng nhập Web và xác định phiên chuyển hướng người dùng ... 72
3.2.3.3. Các vấn đề đối với việc xử lý Web log ........................................ 72
3.2.3.4. Phương pháp chứng thực phiên làm việc và truy cập Web ......... 73
3.2.4. Quá trình khai phá theo sử dụng Web ................................................ 73
3.2.4.1. Tiền xử lý dữ liệu ......................................................................... 73
3.2.4.2. Khai phá dữ liệu ........................................................................... 73
3.2.4.3. Phân tích đánh giá ........................................................................ 75
3.2.5. Ví dụ khai phá theo sử dụng Web ...................................................... 75
3.3. Khai phá cấu trúc Web .............................................................................. 77
3.3.1. Tiêu chuẩn đánh giá độ tương tự ........................................................ 79
3.3.2. Khai phá và quản lý cộng đồng Web .................................................. 80
3.3.2.1. Thuật toán PageRank ................................................................... 81
3.3.2.2. Phương pháp phân cụm nhờ thuật toán HITS ............................. 82

3.4. Áp dụng thuật toán phân cụm dữ liệu trong tìm kiếm và PCDL Web ...... 85
3.4.1. Hướng tiếp cận bằng kỹ thuật phân cụm ............................................ 85
3.4.2. Quá trình tìm kiếm và phần cụm tài liệu ............................................ 87
3.4.2.1. Tìm kiếm dữ liệu trên Web .......................................................... 87
3.4.2.2. Tiền xử lý dữ liệu ......................................................................... 88
3.4.2.3. Xây dựng từ điển.......................................................................... 89
3.4.2.4. Tách từ, số hóa văn bản và biểu diễn tài liệu ............................... 90
3.4.2.5. Phân cụm tài liệu .......................................................................... 90
3.4.6. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 92
3.5. Tổng kết chương 3 ..................................................................................... 93

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................... 94
PHỤ LỤC ................................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 102

Hoàng Văn Dũng

iv


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1. Quá trình khám phá tri thức ........................................................... 4
Hình 1.2. Các lĩnh vực liên quan đến khám phá tri thức trong CSDL .......... 6
Hình 1.3. Trực quan hóa kết quả KPDL trong Oracle ................................ 10
Hình 1.4. Mô phỏng sự PCDL ..................................................................... 11

Hình 1.5. Phân loại dữ liệu Web.................................................................. 22
Hình 1.6. Lược đồ thống kê tần số của từ theo Định luật Zipf ................... 26
Hình 1.7. Các độ đo tương tự thường dùng ................................................. 29
Hình 2.1. Thuật toán k-means ..................................................................... 32
Hình 2.2. Hình dạng cụm dữ liệu được khám phá bởi k-means ................. 33
Hình 2.3. Trường hợp Cjmp=d(Oj,Om,2) – d(Oj, Om) không âm .................... 35
Hình 2.4. Trường hợp Cjmp= (Oj,Op)- d(Oj, Om) có thể âm hoặc dương ..... 36
Hình 2.5. Trường hợp Cjmp bằng không....................................................... 36
Hình 2.6. Trường hợp Cjmp= (Oj,Op)- d(Oj, Om,2) luôn âm .......................... 37
Hình 2.7. Thuật toán PAM .......................................................................... 37
Hình 2.8. Thuật toán CLARA ..................................................................... 38
Hình 2.9. Thuật toán CLARANS ................................................................ 40
Hình 2.10. Các chiến lược phân cụm phân cấp ........................................... 42
Hình 2.11. Cây CF được sử dụng bởi thuật toán BIRCH ........................... 43
Hình 2.12. Thuật toán BIRCH ..................................................................... 44
Hình 2.13. Ví dụ về kết quả phân cụm bằng thuật toán BIRCH ................. 44
Hình 2.14. Các cụm dữ liệu được khám phá bởi CURE ............................. 45
Hình 2.15. Thuật toán CURE ...................................................................... 46
Hình 2.16. Một số hình dạng khám phá bởi phân cụm dưa trên mật độ ..... 47
Hình 2.17. Lân cận của P với ngưỡng Eps .................................................. 48
Hình 2.18. Mật độ - đến được trực tiếp ....................................................... 49
Hình 2.19. Mật độ đến được ........................................................................ 49
Hình 2.20. Mật độ liên thông ....................................................................... 49
Hình 2.21. Cụm và nhiễu ............................................................................. 50
Hình 2.22. Thuật toán DBSCAN ................................................................. 51
Hình 2.23. Thứ tự phân cụm các đối tượng theo OPTICS .......................... 52
Hình 2.24. DENCLUE với hàm phân phối Gaussian .................................. 53
Hoàng Văn Dũng

v

Hình 2.25. Mô hình cấu trúc dữ liệu lưới .................................................... 55
Hình 2.26. Thuật toán CLIQUE .................................................................. 56
Hình 2.27. Quá trình nhận dạng các ô của CLIQUE ................................... 57
Hình 3.1. Phân loại khai phá Web ............................................................... 62
Hình 3.2. Quá trình khai phá văn bản Web ................................................. 64
Hình 3.3. Thuật toán phân lớp K-Nearest Neighbor ................................... 67
Hình 3.4. Thuật toán phân cụm phân cấp .................................................... 67
Hình 3.5. Thuật toán phân cụm phân hoạch ................................................ 68
Hình 3.6. Kiến trúc tổng quát của khai phá theo sử dụng Web .................. 70
Hình 3.7. Minh họa nội dung logs file......................................................... 72
Hình 3.8. Phân tích người dùng truy cập Web ............................................ 77
Hình 3.9. Đồ thi liên kết Web ...................................................................... 78
Hình 3.10. Quan hệ trực tiếp giữa 2 trang ................................................... 79
Hình 3.11. Độ tương tự đồng trích dẫn ....................................................... 79
Hình 3.12. Độ tương tự chỉ mục .................................................................. 79
Hình 3.13. Cộng đồng Web ......................................................................... 80
Hình 3.14. Kết quả của thuật toán PageRank .............................................. 81
Hình 3.15. Đồ thị phân đôi của Hub và Authority ...................................... 82
Hình 3.16. Sự kết hợp giữa Hub và Authority ............................................ 83
Hình 3.17. Đồ thị Hub-Authority ................................................................ 84
Hình 3.18. Giá trị trọng số các Hub và Authority ....................................... 84
Hình 3.19. Thuật toán đánh trọng số cụm và trang ..................................... 86
Hình 3.20. Các bước phân cụm kết quả tìm kiếm trên Web ....................... 87
Hình 3.21. Thuật toán k-means trong phân cụm nội dung tài liệu Web ..... 91

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Bảng tham số thuộc tính nhị phân ............................................... 18
Bảng 1.2. Thống kê các từ tần số xuất hiện cao .......................................... 24

Bảng 3.1. Thống kê số người dùng tại các thời gian khác nhau ................. 76
Bảng 3.2. Bảng đo thời gian thực hiện thuật toán phân cụm ...................... 92

Hoàng Văn Dũng

vi


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

STT Viết tắt

Cụm từ tiếng Anh

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây cùng với phát triển nhanh chóng của khoa học

Cụm từ tiếng Việt

1

CNTT

Information Technology

Công nghệ thông tin

2

CSDL

Database

Cơ sở dữ liệu

3

KDD

Knowledge Discovery in
Database

Khám phá tri thức trong
cơ sở dữ liệu

4

KPDL

Data mining

Khai phá dữ liệu

5

KPVB

Text Mining

Khai phá văn bản

6

PCDL

Data Clustering

Phân cụm dữ liệu

kỹ thuật là sự bùng nỗ về tri thức. Kho dữ liệu, nguồn tri thức của nhân loại
cũng trở nên đồ sộ, vô tận làm cho vấn đề khai thác các nguồn tri thức đó ngày
càng trở nên nóng bỏng và đặt ra thách thức lớn cho nền công nghệ thông tin
thế giới.
Cùng với những tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin là sự phát triển
mạnh mẽ của mạng thông tin toàn cầu, nguồn dữ liệu Web trở thành kho dữ liệu
khổng lồ. Nhu cầu về tìm kiếm và xử lý thông tin, cùng với yêu cầu về khả năng
kịp thời khai thác chúng để mạng lại những năng suất và chất lượng cho công
tác quản lý, hoạt động kinh doanh,… đã trở nên cấp thiết trong xã hội hiện đại.
Nhưng vấn đề tìm kiếm và sử dụng nguồn tri thức đó như thế nào để phục vụ
cho công việc của mình lại là một vấn đề khó khăn đối với người sử dụng. Để
đáp ứng phần nào yêu cầu này, người ta đã xây dựng các công cụ tìm kiếm và
xử lý thông tin nhằm giúp cho người dùng tìm kiếm được các thông tin cần thiết
cho mình, nhưng với sự rộng lớn, đồ sộ của nguồn dữ liệu trên Internet đã làm
cho người sử dụng cảm thấy khó khăn trước những kết quả tìm được.
Với các phương pháp khai thác cơ sở dữ liệu truyền thống chưa đáp ứng
được các yêu cầu đó. Để giải quyết vấn đề này, một hướng đi mới đó là nghiên

cứu và áp dụng kỹ thuật khai phá dữ liệu và khám phá tri thức trong môi trường
Web. Do đó, việc nghiên cứu các mô hình dữ liệu mới và áp dụng các phương
pháp khai phá dữ liệu trong khai phá tài nguyên Web là một xu thế tất yếu vừa
có ý nghĩa khoa học vừa mang ý nghĩa thực tiễn cao.
Vì vậy, tác giả chọn đề tài “Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm ”
để làm luận văn tốt nghiệp cho mình.
Bố cục luận văn gồm 3 chương:

Hoàng Văn Dũng

vii

Hoàng Văn Dũng

1


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Chương 1 trình bày một cách tổng quan các kiến thức cơ bản về khai phá dữ
liệu và khám phá tri thức, khai phá dữ liệu trong môi trường Web; một số vấn đề
về biểu diễn và xử lý dữ liệu văn bản áp dụng trong khai phá dữ liệu Web.
Chương 2 giới thiệu một số kỹ thuật phân cụm dữ liệu phổ biến và thường
được sử dụng trong lĩnh vực khai phá dữ liệu và khám phá tri thức.
Chương 3 trình bày một số hướng nghiên cứu trong khai phá dữ liệu Web
như khai phá tài liệu Web, khai phá theo sử dụng Web, khai phá cấu trúc Web
và tiếp cận theo hướng sử dụng các kỹ thuật phân cụm dữ liệu để giải quyết bài
toán khai phá dữ liệu Web. Trong phần này cũng trình bày một mô hình áp dụng

kỹ thuật phân cụm dữ liệu trong tìm kiếm và phân cụm tài liệu Web.
Phần kết luận của luận văn tổng kết lại những vấn đề đã nghiên cứu, đánh
giá kết quả nghiên cứu, hướng phát triển của đề tài.
Phần phụ lục trình bày một số đoạn mã lệnh xử lý trong chương trình và
một số giao diện trong chương trình mô phỏng.

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KHAI PHÁ DỮ LIỆU
1.1. Khai phá dữ liệu và phát hiện tri thức
1.1.1. Khai phá dữ liệu
Cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20, sự phát triển rộng khắp của các CSDL đã
tạo ra sự bùng nổ thông tin trên toàn cầu, vào thời gian này người ta bắt đầu đề
cập đến khái niệm khủng hoảng trong việc phân tích dữ liệu tác nghiệp để cung
cấp thông tin với yêu cầu chất lượng ngày càng cao cho người làm quyết định
trong các tổ chức chính phủ, tài chính, thương mại, khoa học,…
Đúng như John Naisbett đã cảnh báo “Chúng ta đang chìm ngập trong dữ
liệu mà vẫn đói tri thức”. Lượng dữ liệu khổng lồ này thực sự là một nguồn tài
nguyên có nhiều giá trị bởi thông tin là yếu tố then chốt phục vụ cho mọi hoạt
động quản lý, kinh doanh, phát triển sản xuất và dịch vụ, … nó giúp người điều
hành và quản lý có những hiểu biết về môi trường và tiến trình hoạt động của tổ
chức mình trước khi ra quyết định để tác động đến quá trình hoạt động nhằm đạt
được các mục tiêu một cách hiệu quả và bền vững.
KPDL là một lĩnh vực mới được nghiên cứu, nhằm tự động khai thác thông
tin, tri thức mới hữu ích, tiềm ẩn từ những CSDL lớn cho các đơn vị, tổ chức,
doanh nghiệp,…. từ đó làm thúc đẩy khả năng sản xuất, kinh doanh, cạnh tranh
cho các đơn vị, tổ chức này. Các kết quả nghiên cứu khoa học cùng những ứng
dụng thành công trong KDD cho thấy KPDL là một lĩnh vực phát triển bền
vững, mang lại nhiều lợi ích và có nhiều triển vọng, đồng thời có ưu thế hơn hẵn
so với các công cụ tìm kiếm phân tích dữ liệu truyền thống. Hiện nay, KPDL đã
ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực như thương mại, tài chính, y
học, viễn thông, tin – sinh,….

Các kỹ thuật chính được áp dụng trong lĩnh vực KPDL phần lớn được thừa
kế từ lĩnh vực CSDL, học máy, trí tuệ nhân tạo, lý thuyết thông tin, xác suất
thống kê và tính toán hiệu năng cao,...

Hoàng Văn Dũng

2

Hoàng Văn Dũng

3


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Như vậy ta có thể khái quát hóa khái niệm KPDL là một quá trình tìm
kiếm, phát hiện các tri thức mới, hữu ích, tiềm ẩn trong CSDL lớn.

Khai phá dữ liệu: Đây là bước áp dụng những kỹ thuật phân tích (như các
kỹ thuật của học máy) nhằm để khai thác dữ liệu, trích chọn được những mẫu

KDD là mục tiêu chính của KPDL, do vậy hai khái niệm KPDL và KDD
được các nhà khoa học trên hai lĩnh vực xem là tương đương với nhau. Thế
nhưng nếu phân chia một cách chi tiết thì KPDL là một bước chính trong quá

thông tin, những mối liên hệ đặc biệt trong dữ liệu. Đây được xem là bước quan
trọng và tốn nhiều thời gian nhất của toàn quá trình KDD.
Đánh giá và biểu diễn tri thức: Những mẫu thông tin và mối liên hệ trong

trình KDD.

dữ liệu đã được khám phá ở bước trên được biến đổi và biểu diễn ở một dạng

1.1.2. Quá trình khám phá tri thức

gần gũi với người sử dụng như đồ thị, cây, bảng biểu, luật,... Đồng thời bước
này cũng đánh giá những tri thức khám phá được theo những tiêu chí nhất định.

Quá trình khá phá tri thức có thể chia thành 5 bước như sau [10]:

1.1.3. Khai phá dữ liệu và các lĩnh vực liên quan

Đánh giá,
biểu diễn

Tiền
xử lý
Trích
chọn

Dữ liệu
thô

Dữ liệu
lựa chọn

Biến
đổi

Dữ liệu
tiền xử lý

Khai
phá
Các mẫu

KPDL là một lĩnh vực liên quan tới thống kê, học máy, CSDL, thuật toán,
Tri
thức

tính toán song song, thu nhận tri thức từ hệ chuyên gia và dữ liệu trừu tượng.
Đặc trưng của hệ thống khám phá tri thức là nhờ vào các phương pháp, thuật

Dữ liệu
biến đổi

toán và kỹ thuật từ những lĩnh vực khác nhau để KPDL.
Lĩnh vực học máy và nhận dạng mẫu trong KDD nghiên cứu các lý thuyết
và thuật toán của hệ thống để trích ra các mẫu và mô hình từ dữ liệu lớn. KDD
tập trung vào việc mở rộng các lý thuyết và thuật toán cho các vấn đề tìm ra các
mẫu đặc biệt (hữu ích hoặc có thể rút ra tri thức quan trọng) trong CSDL lớn.
Ngoài ra, KDD có nhiều điểm chung với thống kê, đặc biệt là phân tích dữ

Hình 1.1. Quá trình khám phá tri thức

Quá trình KPDL có thể phân thành các giai đoạn sau [10]:

liệu thăm dò (Exploratory Data Analysis - EDA). Hệ thống KDD thường gắn

Trích chọn dữ liệu: Đây là bước trích chọn những tập dữ liệu cần được khai

những thủ tục thống kê cho mô hình dữ liệu và tiến trình nhiễu trong khám phá
tri thức nói chung.

phá từ các tập dữ liệu lớn ban đầu theo một số tiêu chí nhất định.
Tiền xử lý dữ liệu: Đây là bước làm sạch dữ liệu (xử lý những dữ liệu

Một lĩnh vực liên quan khác là phân tích kho dữ liệu. Phương pháp phổ

không đầy đủ, nhiễu, không nhất quán,...), rút gọn dữ liệu (sử dụng hàm nhóm

biến để phân tích kho dữ liệu là OLAP (On-Line Analytical Processing). Các

và tính tổng, các phương pháp nén dữ liệu, sử dụng histograms, lấy mẫu,...), rời

công cụ OLAP tập trung vào phân tích dữ liệu đa chiều.

rạc hóa dữ liệu (rời rạc hóa dựa vào histograms, dựa vào entropy, dựa vào phân

1.1.4. Các kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu

khoảng,...). Sau bước này, dữ liệu sẽ nhất quán, đầy đủ, được rút gọn và được
rời rạc hóa.

KDD là một lĩnh vực liên ngành, bao gồm: Tổ chức dữ liệu, học máy, trí
tuệ nhân tạo và các khoa học khác. Sự kết hợp này có thể được diễn tả như sau:

Biến đổi dữ liệu: Đây là bước chuẩn hóa và làm mịn dữ liệu để đưa dữ liệu

về dạng thuận lợi nhất nhằm phục vụ quá trình khai phá ở bước sau.
Hoàng Văn Dũng

4

Hoàng Văn Dũng

5


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Phân tích chuỗi theo thời gian: Tương tự như khai phá luật kết hợp nhưng

Các lĩnh vực
khoa học khác

Tổ chức dữ liệu

có thêm tính thứ tự và tính thời gian. Hướng tiếp cận này được ứng dụng nhiều
trong lĩnh vực tài chính và thị trường chứng khoán vì nó có tính dự báo cao.

Học máy và
trí tuệ nhân tạo

Phân cụm: Xếp các đối tượng theo từng cụm dữ liệu tự nhiên. Phân cụm
còn được gọi là học không có giám sát.
Mô tả và tóm tắt khái niệm: Thiên về mô tả, tổng hợp và tóm tắt khái niệm,

ví dụ như tóm tắt văn bản.

Hình 1.2. Các lĩnh vực liên quan đến khám phá tri thức trong CSDL

Do KPDL được ứng dụng rộng rãi nên nó có thể làm việc với rất nhiều kiểu

Đứng trên quan điểm của học máy, thì các kỹ thuật trong KPDL, bao gồm:

dữ liệu khác nhau. Sau đây là một số dạng dữ liệu điển hình: Dữ liệu quan hệ,

Học có giám sát: Là quá trình gán nhãn lớp cho các phần tử trong CSDL

dữ liệu đa chiều, dữ liệu dạng giao dịch, dữ liệu quan hệ - hướng đối tượng, dữ

dựa trên một tập các ví dụ huấn luyện và các thông tin về nhãn lớp đã biết.

liệu không gian và thời gian, dữ liệu chuỗi thời gian, dữ liệu đa phương tiện, dữ

Học không có giám sát: Là quá trình phân chia một tập dữ liệu thành các
lớp hay cụm dữ liệu tương tự nhau mà chưa biết trước các thông tin về lớp hay
tập các ví dụ huấn luyện.

liệu văn bản và Web,…

1.1.5. Những chức năng chính của khai phá dữ liệu
Hai mục tiêu chính của KPDL là mô tả và dự báo. Dự báo là dùng một số

Học nửa giám sát: Là quá trình phân chia một tập dữ liệu thành các lớp dựa

biến hoặc trường trong CSDL để dự đoán ra các giá trị chưa biết hoặc sẽ có của

trên một tập nhỏ các ví dụ huấn luyện và các thông tin về một số nhãn lớp đã

các biến quan trọng khác. Việc mô tả tập trung vào tìm kiếm các mẫu mà con

biết trước.

người có thể hiểu được để mô tả dữ liệu. Trong lĩnh vực KDD, mô tả được quan

+ Nếu căn cứ vào lớp các bài toán cần giải quyết, thì KPDL bao gồm các
kỹ thuật áp dụng sau [10]:

tâm nhiều hơn dự báo, nó ngược với các ứng dụng học máy và nhận dạng mẫu
mà trong đó việc dự báo thường là mục tiêu chính. Trên cơ sở mục tiêu chính

Phân lớp và dự báo: Xếp một đối tượng vào một trong những lớp đã biết

của KPDL, các chức năng chính của KDD gồm:

trước. Ví dụ như phân lớp các dữ liệu bệnh nhân trong hồ sơ bệnh án. Hướng

Mô tả lớp và khái niệm: Dữ liệu có thể được kết hợp trong lớp và khái

tiếp cận này thường sử dụng một số kỹ thuật của học máy như cây quyết định,

niệm. Thí dụ, trong kho dữ liệu bán hàng thiết bị tin học, các lớp mặt hàng bao

mạng nơron nhân tạo,... Phân lớp và dự báo còn được gọi là học có giám sát.

gồm máy tính, máy in,…và khái niệm khách hàng bao gồm khách hàng mua sỉ

Luật kết hợp: Là dạng luật biểu diễn tri thức ở dạng khá đơn giản. Ví dụ:

và khách mua lẻ. Việc mô tả lớp và khái niệm là rất hữu ích cho giai đoạn tổng

“60 % nữ giới vào siêu thị nếu mua phấn thì có tới 80% trong số họ sẽ mua thêm

hợp, tóm lược và chính xác hoá. Mô tả lớp và khái niệm được bắt nguồn từ đặc

son”. Luật kết hợp được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực kinh doanh, y học, tin-

trưng hoá dữ liệu và phân biệt dữ liệu. Đặc trưng hoá dữ liệu là quá trình tổng

sinh, tài chính và thị trường chứng khoán,...

hợp những đặc tính hoặc các thành phần chung của một lớp dữ liệu mục tiêu.
Phân biệt dữ liệu là so sánh lớp dữ liệu mục tiêu với những lớp dữ liệu đối chiếu

Hoàng Văn Dũng

6

Hoàng Văn Dũng

7


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

khác. Lớp dữ liệu mục tiêu và các lớp đối chiếu là do người dùng chỉ ra và

ngoài cuộc. Hầu hết các phương pháp KPDL đều coi các đối tượng ngoài cuộc

tương ứng với các đối tượng dữ liệu nhận được nhờ truy vấn.

là nhiễu và loại bỏ chúng. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, chẳng hạn như phát

Phân tích sự kết hợp: Phân tích sự kết hợp là khám phá các luật kết hợp

hiện nhiễu, thì sự kiện hiếm khi xảy ra lại được chú ý hơn những gì thường

thể hiện mối quan hệ giữa các thuộc tính giá trị mà ta nhận biết được nhờ tần

xuyên gặp phải. Sự phân tích dữ liệu ngoài cuộc được coi như là sự khai phá các

suất xuất hiện cùng nhau của chúng. Các luật kết hợp có dạng X  Y , tức là

đối tượng ngoài cuộc. Một số phương pháp được sử dụng để phát hiện đối tượng

A1  ....  An  B1  .....  Bm , trong đó Ai (i=1,..., n) và Bj (j=1,...,m) là các cặp

ngoài cuộc: sử dụng các test mang tính thống kê trên cơ sở một phân phối dữ

thuộc tính giá trị. Luật kết hợp dạng X  Y có thể được hiểu là “dữ liệu thoã

liệu hay một mô hình xác suất cho dữ liệu, dùng các độ đo khoảng cách mà theo

mãn các điều kiện của X thì cũng sẽ thoả các điều kiện của Y”.

đó các đối tượng có một khoảng cách đáng kể đến cụm bất kì khác được coi là

Phân lớp và dự báo: Phân lớp là quá trình tìm kiếm một tập các mô hình
hoặc chức năng mà nó mô tả và phân biệt nó với các lớp hoặc khái niệm khác.

đối tượng ngoài cuộc, dùng các phương pháp dựa trên độ lệch để kiểm tra sự
khác nhau trong những đặc trưng chính của các nhóm đối tượng.

Các mô hình này nhằm mục đích dự báo về lớp của một số đối tượng. Việc xây

Phân tích sự tiến hoá: Phân tích sự tiến hoá thực hiện việc mô tả và mô

dựng mô hình dựa trên sự phân tích một tập các dữ liệu được huấn luyện có

hình hoá các qui luật hay khuynh hướng của những đối tượng mà hành vi của

nhiều dạng thể hiện mô hình như luật phân lớp (IF-THEN), cây quyết định, công

chúng thay đổi theo thời gian. Phân tích sự tiến hoá có thể bao gồm cả đặc trưng

thức toán học hay mạng nơron,... Sự phân lớp được sử dụng để dự đoán nhãn

hoá, phân biệt, tìm luật kết hợp, phân lớp hay PCDL liên quan đến thời gian,

lớp của các đối tượng trong dữ liệu. Tuy nhiên trong nhiều ứng dụng, người ta

phân tích dữ liệu theo chuỗi thời gian, so sánh mẫu theo chu kỳ và phân tích dữ

mong muốn dự đoán những giá trị khuyết thiếu nào đó. Thông thường đó là

liệu dựa trên độ tương tự.

trường hợp dự đoán các giá trị của dữ liệu kiểu số. Trước khi phân lớp và dự

1.1.6. Ứng dụng của khai phá dữ liệu

báo, có thể cần thực hiện phân tích thích hợp để xác định và loại bỏ các thuộc
tính không tham gia vào quá trình phân lớp và dự báo.

KPDL là một lĩnh vực được quan tâm và ứng dụng rộng rãi. Một số ứng
dụng điển hình trong KPDL có thể liệt kê như sau: Phân tích dữ liệu và hỗ trợ ra

Phân cụm: Không giống như phân lớp và dự báo, phân cụm phân tích các
đối tượng dữ liệu khi chưa biết nhãn của lớp. Nhìn chung, nhãn lớp không tồn

quyết định, điều trị y học, KPVB, khai phá Web, tin-sinh, tài chính và thị trường
chứng khoán, bảo hiểm,...

tại trong suốt quá trình huấn luyện dữ liệu, nó phân cụm có thể được sử dụng để

Thương mại: Như phân tích dữ liệu bán hàng và thị trường, phân tích đầu

đưa ra nhãn của lớp. Sự phân cụm thực hiện nhóm các đối tượng dữ liệu theo

tư, phát hiện gian lận, chứng thực hóa khách hàng, dự báo xu hướng phát triển,...

nguyên tắc: Các đối tượng trong cùng một nhóm thì giống nhau hơn các đối

Thông tin sản xuất: Điều khiển, lập kế hoạch, hệ thống quản lý, phân tích

tượng khác nhóm. Mỗi cụm được tạo thành có thể được xem như một lớp các
đối tượng mà các luật được lấy ra từ đó. Dạng của cụm được hình thành theo một

thử nghiệm,...
Thông tin khoa học: Dự báo thời tiết, bảo lụt, động đất, tin sinh học,...

cấu trúc phân cấp của các lớp mà mỗi lớp là một nhóm các sự kiện tương tự nhau.

Hiện nay các hệ quản trị CSDL đã tích hợp những modul để KPDL như

Phân tích các đối tượng ngoài cuộc: Một CSDL có thể chứa các đối

SQL Server, Oracle, đến năm 2007 Microsoft đã cung cấp sẵn công cụ KPDL

tượng không tuân theo mô hình dữ liệu. Các đối tượng như vậy gọi là đối tượng

tích hợp trong cả MS-Word, MS-Excel,..

Hoàng Văn Dũng

Hoàng Văn Dũng

8

9


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

phân ở đây có thể được xác định trước theo kinh nghiệm hoặc có thể được tự
động xác định của phương pháp phân cụm.
Độ tương tự được xác định dựa trên giá trị các thuộc tính mô tả đối tượng.
Thông thường, phép đo khoảng cách thường được sử dụng để đánh giá độ tương
tự hay phi tương tự.
Ta có thể minh hoạ vấn đề phân cụm như hình sau đây:

Hình 1.4. Mô phỏng sự PCDL

Hình 1.3. Trực quan hóa kết quả KPDL trong Oracle

Trong hình trên, sau khi phân cụm ta thu được bốn cụm trong đó các phần

1.2. Kỹ thuật phân cụm trong khai phá dữ liệu

tử "tương tự" thì được xếp vào một cụm, các phần tử "phi tương tự" thì chúng

1.2.1. Tổng quan về kỹ thuật phân cụm
Mục đích chính của PCDL nhằm khám phá cấu trúc của mẫu dữ liệu để

thuộc về các cụm khác nhau.

thành lập các nhóm dữ liệu từ tập dữ liệu lớn, theo đó nó cho phép người ta đi

Trong PCDL khái niệm, hai hoặc nhiều đối tượng cùng được xếp vào một

sâu vào phân tích và nghiên cứu cho từng cụm dữ liệu này nhằm khám phá và

cụm nếu chúng có chung một định nghĩa về khái niệm hoặc chúng xấp xỉ với

tìm kiếm các thông tin tiềm ẩn, hữu ích phục vụ cho việc ra quyết định. Ví dụ

các khái niệm mô tả cho trước. Như vậy, PCDL không sử dụng độ đo “tương tự”

“nhóm các khách hàng trong CSDL ngân hàng có vốn các đầu tư vào bất động

như đã trình bày ở trên.

sản cao”… Như vậy, PCDL là một phương pháp xử lý thông tin quan trọng và

Trong học máy, PCDL được xem là vấn đề học không có giám sát, vì nó

phổ biến, nó nhằm khám phá mối liên hệ giữa các mẫu dữ liệu bằng cách tổ

phải giải quyết vấn đề tìm một cấu trúc trong tập hợp dữ liệu chưa biết trước các

chức chúng thành các cụm.

thông tin về lớp hay các thông tin về tập huấn luyện. Trong nhiều trường hợp,

Ta có thể khái quát hóa khái niệm PCDL [10][19]: PCDL là một kỹ thuật

nếu phân lớp được xem là vấn đề học có giám sát thì PCDL là một bước trong

trong KPDL, nhằm tìm kiếm, phát hiện các cụm, các mẫu dữ liệu tự nhiên, tiềm

phân lớp dữ liệu, PCDL sẽ khởi tạo các lớp cho phân lớp bằng cách xác định các

ẩn, quan trọng trong tập dữ liệu lớn từ đó cung cấp thông tin, tri thức hữu ích

nhãn cho các nhóm dữ liệu.
Một vấn đề thường gặp trong PCDL là hầu hết các dữ liệu cần cho phân

cho việc ra quyết định.
Như vậy, PCDL là quá trình phân chia một tập dữ liệu ban đầu thành các

cụm đều có chứa dữ liệu "nhiễu" do quá trình thu thập thiếu chính xác hoặc

cụm dữ liệu sao cho các phần tử trong một cụm "tương tự" với nhau và các phần

thiếu đầy đủ, vì vậy cần phải xây dựng chiến lược cho bước tiền xử lý dữ liệu

tử trong các cụm khác nhau sẽ "phi tương tự" với nhau. Số các cụm dữ liệu được

nhằm khắc phục hoặc loại bỏ "nhiễu" trước khi bước vào giai đoạn phân tích

Hoàng Văn Dũng

Hoàng Văn Dũng

10

11


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

PCDL. "Nhiễu" ở đây có thể là các đối tượng dữ liệu không chính xác hoặc các

1.2.2. Ứng dụng của phân cụm dữ liệu

đối tượng dữ liệu khuyết thiếu thông tin về một số thuộc tính. Một trong các kỹ

PCDL là một trong những công cụ chính của KPDL được ứng dụng trong

thuật xử lý nhiễu phổ biến là việc thay thế giá trị của các thuộc tính của đối

nhiều lĩnh vực như thương mại và khoa học. Các kỹ thuật PCDL đã được áp

tượng "nhiễu" bằng giá trị thuộc tính tương ứng của đối tượng dữ liệu gần nhất.

dụng cho một số ứng dụng điển hình trong các lĩnh vực sau [10][19]:

Ngoài ra, dò tìm phần tử ngoại lai là một trong những hướng nghiên cứu

Thương mại: PCDL có thể giúp các thương nhân khám phá ra các nhóm

quan trọng trong PCDL, chức năng của nó là xác định một nhóm nhỏ các đối

khách hàng quan trọng có các đặc trưng tương đồng nhau và đặc tả họ từ các

tượng dữ liệu "khác thường" so với các dữ liệu khác trong CSDL - tức là các đối

mẫu mua bán trong CSDL khách hàng.

tượng dữ liệu không tuân theo các hành vi hoặc mô hình dữ liệu - nhằm tránh sự

ảnh hưởng của chúng tới quá trình và kết quả của PCDL. Khám phá các phần tử
ngoại lai đã được phát triển và ứng dụng trong viễn thông, dò tìm gian lận
thương mại…

Sinh học: PCDL được sử dụng để xác định các loại sinh vật, phân loại các
Gen với chức năng tương đồng và thu được các cấu trúc trong các mẫu.
Phân tích dữ liệu không gian: Do sự đồ sộ của dữ liệu không gian như dữ
liệu thu được từ các hình ảnh chụp từ vệ tinh, các thiết bị y học hoặc hệ thống

Tóm lại, PCDL là một vấn đề khó vì người ta phải đi giải quyết các vấn đề
con cơ bản như sau:

thông tin địa lý (GIS), …làm cho người dùng rất khó để kiểm tra các dữ liệu
không gian một cách chi tiết. PCDL có thể trợ giúp người dùng tự động phân

- Biểu diễn dữ liệu.

tích và xử lý các dữ liêu không gian như nhận dạng và chiết xuất các đặc tính

- Xây dựng hàm tính độ tương tự.

hoặc các mẫu dữ liệu quan tâm có thể tồn tại trong CSDL không gian.

- Xây dựng các tiêu chuẩn phân cụm.

Lập quy hoạch đô thị: Nhận dạng các nhóm nhà theo kiểu và vị trí địa lý,…

- Xây dựng mô hình cho cấu trúc cụm dữ liệu.

nhằm cung cấp thông tin cho quy hoạch đô thị.

- Xây dựng thuật toán phân cụm và xác lập các điều kiện khởi tạo.

Nghiên cứu trái đất: Phân cụm để theo dõi các tâm động đất nhằm cung

- Xây dựng các thủ tục biểu diễn và đánh giá kết quả phân cụm.

cấp thông tin cho nhận dạng các vùng nguy hiểm.

Theo các nghiên cứu thì đến nay chưa có một phương pháp phân cụm tổng

Địa lý: Phân lớp các động vật, thực vật và đưa ra đặc trưng của chúng.

quát nào có thể giải quyết trọn vẹn cho tất cả các dạng cấu trúc cụm dữ liệu.

Khai phá Web: PCDL có thể khám phá các nhóm tài liệu quan trọng, có

Hơn nữa, các phương pháp phân cụm cần có cách thức biểu diễn cấu trúc các

nhiều ý nghĩa trong môi trường Web. Các lớp tài liệu này trợ giúp cho việc

cụm dữ liệu khác nhau, với mỗi cách thức biểu diễn khác nhau sẽ có một thuật

khám phá tri thức từ dữ liệu Web, khám phá ra các mẫu truy cập của khách hàng

toán phân cụm phù hợp. PCDL đang là vấn đề mở và khó vì người ta cần phải đi

đặc biệt hay khám phá ra cộng đồng Web,…

giải quyết nhiều vấn đề cơ bản như đã đề cập ở trên một cách trọn vẹn và phù

1.2.3. Các yêu cầu đối với kỹ thuật phân cụm dữ liệu

hợp với nhiều dạng dữ liệu khác nhau. Đặc biệt đối với dữ liệu hỗn hợp, đang
ngày càng tăng trưởng không ngừng trong các hệ quản trị dữ liệu, đây cũng là
một trong những thách thức lớn trong lĩnh vực KPDL trong những thập kỷ tiếp
theo và đặc biệt là trong lĩnh vực KPDL Web.
Hoàng Văn Dũng

Việc xây dựng, lựa chọn một thuật toán phân cụm là bước then chốt cho
việc giải quyết vấn đề phân cụm, sự lựa chọn này phụ thuộc vào đặc tính dữ liệu
cần phân cụm, mục đích của ứng dụng thực tế hoặc xác định độ ưu tiên giữa
chất lượng của các cụm hay tốc độ thực hiện thuật toán,…

12

Hoàng Văn Dũng

13


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Hầu hết các nghiên cứu và phát triển thuật toán PCDL đều nhằm thoả mãn
các yêu cầu cơ bản sau [10][19]:

1.2.4. Các kiểu dữ liệu và độ đo tương tự
Trong phần này ta phân tích các kiểu dữ liệu thường được sử dụng trong

Có khả năng mở rộng: Một số thuật toán có thể ứng dụng tốt cho tập dữ

PCDL. Trong PCDL, các đối tượng dữ liệu cần phân tích có thể là con người,

liệu nhỏ (khoảng 200 bản ghi dữ liệu) nhưng không hiệu quả khi áp dụng cho

nhà cửa, tiền lương, các thực thể phần mềm,… Các đối tượng này thường được

tập dữ liệu lớn (khoảng 1 triệu bản ghi).

diễn tả dưới dạng các thuộc tính của nó. Các thuộc tính này là các tham số cần

Thích nghi với các kiểu dữ liệu khác nhau: Thuật toán có thể áp dụng hiệu

cho giải quyết vấn đề PCDL và sự lựa chọn chúng có tác động đáng kể đến các

quả cho việc phân cụm các tập dữ liệu với nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như dữ

kết quả của phân cụm. Phân loại các kiểu thuộc tính khác nhau là một vấn đề

liệu kiểu số, kiểu nhị phân, dữ liệu định danh, hạng mục,... và thích nghi với

cần giải quyết đối với hầu hết các tập dữ liệu nhằm cung cấp các phương tiện

kiểu dữ liệu hỗn hợp.

thuận lợi để nhận dạng sự khác nhau của các phần tử dữ liệu. Dưới đây là cách

Khám phá ra các cụm với hình thù bất kỳ: Do hầu hết các CSDL có chứa

nhiều cụm dữ liệu với các hình thù khác nhau như: hình lõm, hình cầu, hình
que,… Vì vậy, để khám phá được các cụm có tính tự nhiên thì các thuật toán
phân cụm cần phải có khả năng khám phá ra các cụm dữ liệu có hình thù bất kỳ.
Tối thiểu lượng tri thức cần cho xác định các tham số vào: Do các giá trị
đầu vào thường ảnh hưởng rất lớn đến thuật toán phân cụm và rất phức tạp để
xác định các giá trị vào thích hợp đối với các CSDL lớn.
Ít nhạy cảm với thứ tự của dữ liệu vào: Cùng một tập dữ liệu, khi đưa vào
xử lý cho thuật toán PCDL với các thứ tự vào của các đối tượng dữ liệu ở các
lần thực hiện khác nhau thì không ảnh hưởng lớn đến kết quả phân cụm.
Khả năng thích nghi với dữ liệu nhiễu cao: Hầu hết các dữ liệu phân cụm
trong KPDL đều chứa đựng các dữ liệu lỗi, dữ liệu không đầy đủ, dữ liệu rác.
Thuật toán phân cụm không những hiệu quả đối với các dữ liệu nhiễu mà còn
tránh dẫn đến chất lượng phân cụm thấp do nhạy cảm với nhiễu.
Ít nhạy cảm với các tham số đầu vào: Nghĩa là giá trị của các tham số đầu
vào khác nhau ít gây ra các thay đổi lớn đối với kết quả phân cụm.
Thích nghi với dữ liệu đa chiều: Thuật toán có khả năng áp dụng hiệu quả
cho dữ liệu có số chiều khác nhau.
Dễ hiểu, dễ cài đặt và khả thi.
Các yêu cầu này đồng thời là các tiêu chí để đánh giá hiệu quả của các
phương pháp PCDL, đây là những thách thức cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh
vực PCDL.

phân lớp dựa trên hai đặc trưng là: kích thước miền và hệ đo.

Hoàng Văn Dũng

14

1.2.4.1. Phân loại kiểu dữ liệu dựa trên kích thước miền
- Thuộc tính liên tục: Nếu miền giá trị của nó là vô hạn không đếm được,

nghĩa là giữa hai giá trị tồn tại vô số giá trị khác. Thí dụ như các thuộc tính về
màu, nhiệt độ hoặc cường độ âm thanh.
- Thuộc tính rời rạc: Nếu miền giá trị của nó là tập hữu hạn hoặc đếm
được. Thí dụ như các thuộc tính về số serial của một cuốn sách, số thành viên
trong một gia đình,…
1.2.4.2. Phân loại kiểu dữ liệu dựa trên hệ đo
Giả sử ta có hai đối tượng x, y và các thuộc tính xi, yi tương ứng với thuộc
tính thứ i của chúng. Chúng ta có các lớp kiểu dữ liệu như sau:
- Thuộc tính định danh: Dạng thuộc tính khái quát hoá của thuộc tính nhị
phân, trong đó miền giá trị là rời rạc không phân biệt thứ tự và có nhiều hơn hai
phần tử - nghĩa là nếu x và y là hai đối tượng thuộc tính thì chỉ có thể xác định là
x  y hoặc x = y. Thí dụ như thuộc tính về nơi sinh.
- Thuộc tính có thứ tự: Là thuộc tính định danh có thêm tính thứ tự, nhưng
chúng không được định lượng. Nếu x và y là hai thuộc tính thứ tự thì ta có thể
xác định là x  y hoặc x = y hoặc x > y hoặc x < y. Thí dụ như thuộc tính Huy
chương của vận động viên thể thao.

Hoàng Văn Dũng

15


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

- Thuộc tính khoảng: Nhằm để đo các giá trị theo xấp xỉ tuyến tính. Với

1.2.4.3. Khái niệm và phép đo độ tương tự, phi tương tự

thuộc tính khoảng, ta có thể xác định một thuộc tính là đứng trước hoặc đứng

Khi các đặc tính của dữ liệu được xác định, người ta tìm cách thích hợp để

sau thuộc tính khác với một khoảng là bao nhiêu. Nếu xi > yi thì ta nói x cách y

xác định "khoảng cách" giữa các đối tượng (phép đo độ tương tự dữ liệu). Đây

một khoảng |xi – yi| tương ứng với thuộc tính thứ i. Ví dụ: thuộc tính số Serial

là các hàm để đo sự giống nhau giữa các cặp đối tượng dữ liệu, thông thường

của một đầu sách trong thư viện hoặc thuộc tính số kênh trên truyền hình.

các hàm này hoặc là để tính độ tương tự hoặc là tính độ phi tương tự giữa các

- Thuộc tính tỉ lệ: Là thuộc tính khoảng nhưng được xác định một cách

đối tượng dữ liệu. Giá trị của hàm tính độ đo tương tự càng lớn thì sự giống

tương đối so với điểm mốc, thí dụ như thuộc tính chiều cao hoặc cân nặng lấy

nhau giữa đối tượng càng lớn và ngược lại, còn hàm tính độ phi tương tự tỉ lệ

giá trị 0 làm mốc.

nghịch với hàm tính độ tương tự. Độ tương tự hoặc độ phi tương tự có nhiều

Trong các thuộc tính dữ liệu trình bày ở trên, thuộc tính định danh và thuộc

cách để xác định, chúng thường được đo bằng khoảng cách giữa các đối tượng.

tính có thứ tự gọi chung là thuộc tính hạng mục, thuộc tính khoảng và thuộc tính

Tất cả các cách đo độ tương tự đều phụ thuộc vào kiểu thuộc tính mà ta phân

tỉ lệ được gọi là thuộc tính số.

tích. Thí dụ, đối với thuộc tính hạng mục người ta không sử dụng độ đo khoảng

Người ta còn đặc biệt quan tâm đến dữ liệu không gian. Đây là loại dữ liệu

cách mà sử dụng một hướng hình học của dữ liệu.

có các thuộc tính số khái quát trong không gian nhiều chiều, dữ liệu không gian

Tất cả các độ đo dưới đây được xác định trong không đo gian metric. Bất

mô tả các thông tin liên quan đến không gian chứa đựng các đối tượng, thí dụ như

kỳ một metric nào cũng là một độ đo, nhưng điều ngược lại không đúng. Để

thông tin về hình học,… Dữ liệu không gian có thể là dữ liệu liên tục hoặc rời rạc:

tránh sự nhầm lẫn, thuật ngữ độ đo ở đây đề cập đến hàm tính độ tương tự hoặc

Dữ liệu không gian rời rạc: Có thể là một điểm trong không gian nhiều

độ phi tương tự. Một không gian metric là một tập trong đó có xác định các

chiều và cho phép ta xác định được khoảng cách giữa các đối tượng dữ liệu

"khoảng cách" giữa từng cặp phần tử, với những tính chất thông thường của

trong không gian.

khoảng cách hình học. Nghĩa là, một tập X (các phần tử của nó có thể là những

Dữ liệu không gian liên tục: Bao gồm một vùng trong không gian.

đối tượng bất kỳ) gồm các đối tượng dữ liệu trong CSDL D gọi là một không

Thông thường, các thuộc tính số được đo bằng các đơn vị xác định như là

gian metric nếu với mỗi cặp phần tử x, y thuộc X đều xác định một số thực

Kilogams hoặc Centimeter. Tuy nhiên, các đơn vị đo có ảnh hưởng đến các kết

δ(x,y), được gọi là khoảng cách giữa x và y thoả mãn hệ tính chất sau: (i) δ(x, y)

quả phân cụm. Thí dụ như thay đổi độ đo cho thuộc tính cân nặng từ Kilogams

> 0 nếu x ≠ y; (ii) δ(x,y)= 0 nếu x = y; (iii) δ(x, y) = δ(y, x) với mọi x, y; (iv) δ(x,

sang Pound có thể mang lại các kết quả khác nhau trong phân cụm. Để khắc

y) ≤ δ(x, z)+ δ(z,y).

phục điều này người ta phải chuẩn hoá dữ liệu, tức là sử dụng các thuộc tính dữ
liệu không phụ thuộc vào đơn vị đo. Thực hiện chuẩn hoá phụ thuộc vào ứng

dụng và người dùng, thông thường chuẩn hoá dữ liệu được thực hiện bằng cách
thay thế mỗi một thuộc tính bằng thuộc tính số hoặc thêm các trọng số cho các

Hàm δ(x, y) được gọi là một metric của không gian. Các phần tử của X
được gọi là các điểm của không gian này.
Một số phép đo độ tương tự áp dụng đối với các kiểu dữ liệu khác nhau
[10][17][27]:
+ Thuộc tính khoảng: Sau khi chuẩn hoá, độ đo phi tương tự của hai đối

thuộc tính.

tượng dữ liệu x, y được xác định bằng các metric như sau:
Hoàng Văn Dũng

16

Hoàng Văn Dũng

17


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm
1/ q

n

Khoảng cách Minskowski: d ( x, y)  (  | xi  y |q ) , với q là số nguyên dương.
i

i 1

Khoảng cách Euclide: d ( x, y ) 

 ( x i  y i)
n

2

, (trường hợp đặc biệt của

i 1


, tham số này bỏ qua số các đối sánh
   

giữa 0-0. Công thức tính này được sử dụng trong trường hợp mà trọng số của
các thuộc tính có giá trị 1 của đối tượng dữ liệu có giá trị cao hơn nhiều so với
các thuộc tính có giá trị 0, như vậy các thuộc tính nhị phân ở đây là không đối

khoảng cách Minskowski trong trường hợp q =2).
n

Khoảng cách Manhattan: d ( x, y)   | xi  yi | , (trường hợp đặc biệt của
i 1

khoảng cách Minskowski trong trường hợp q=1).

xứng.
+ Thuộc tính định danh: Độ đo phi tương tự giữa hai đối tượng x và y
được định nghĩa như sau: d ( x, y ) 

Khoảng cách cực đại: d ( x, y)  Maxi 1 | xi  yi | , đây là trường hợp của
n

pm
, trong đó m là số thuộc tính đối sánh
p

tương ứng trùng nhau và p là tổng số các thuộc tính.
+ Thuộc tính có thứ tự: Phép đo độ phi tương tự giữa các đối tượng dữ

khoảng cách Minskowski trong trường hợp q.

liệu với thuộc tính thứ tự được thực hiện như sau, ở đây ta giả sử i là thuộc tính

+ Thuộc tính nhị phân: Trước hết ta có xây dựng bảng tham số sau:
y: 1

- Hệ số Jacard: d ( x, y ) 

thứ tự có Mi giá trị (Mi kích thước miền giá trị):

x: 1



y: 0



x: 0





 +

 +

 +



 +

Các trạng thái Mi được sắp thứ tự như sau: [1…Mi], ta có thể thay thế mỗi
giá trị của thuộc tính bằng giá trị cùng loại ri, với ri {1,…,Mi}.
Mỗi một thuộc tính thứ tự có các miền giá trị khác nhau, vì vậy ta chuyển
đổi chúng về cùng miền giá trị [0,1] bằng cách thực hiện phép biến đổi sau cho

Bảng 1.1. Bảng tham số thuộc tính nhị phân

Trong đó:  =  +  +  +  , các đối tượng x, y mà tất cả các thuộc tính của
nó đều là nhị phân biểu thị bằng 0 và 1. Bảng trên cho ta các thông tin sau:

1
mỗi thuộc tính: z i( j )  r i

, với i=1,..,Mi
M i 1
( j)

Sử dụng công thức tính độ phi tương tự của thuộc tính khoảng đối với các

-  là tổng số các thuộc tính có giá trị là 1 trong cả hai đối tượng x, y.

giá trị

-  là tổng số các giá trị thuộc tính có giá trị là 1 trong x và 0 trong y.

z

( j)
i

, đây cũng chính là độ phi tương tự của thuộc tính có thứ tự.

+ Thuộc tính tỉ lệ: Có nhiều cách khác nhau để tính độ tương tự giữa các

-  là tổng số các giá trị thuộc tính có giá trị là 0 trong x và 1 trong y.
-  là tổng số các giá trị thuộc tính có giá trị là 0 trong x và y.

thuộc tính tỉ lệ. Một trong những số đó là sử dụng công thức tính logarit cho mỗi

Các phép đo độ tương tự đối với dữ liệu thuộc tính nhị phân được định

thuộc tính xi, thí dụ qi = log(xi), lúc này qi đóng vai trò như thuộc tính khoảng.
Phép biến đổi logarit này thích hợp trong trường hợp các giá trị của thuộc tính là

nghĩa như sau:
- Hệ số đối sánh đơn giản: d ( x, y ) 

 
, ở đây cả hai đối tượng x và y có


số mũ.
Trong thực tế, khi tính độ đo tương tự dữ liệu, người ta chỉ xem xét một
phần các thuộc tính đặc trưng đối với các kiểu dữ liệu hoặc đánh trọng số cho

vai trò như nhau, nghĩa là chúng đối xứng và có cùng trọng số.

cho tất cả các thuộc tính dữ liệu. Trong một số trường hợp, người ta loại bỏ đơn
vị đo của các thuộc tính dữ liệu bằng cách chuẩn hoá chúng hoặc gán trọng số
Hoàng Văn Dũng

18

Hoàng Văn Dũng

19


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

cho mỗi thuộc tính giá trị trung bình, độ lệch chuẩn. Các trọng số này có thể sử

trúc trang. Chẳng hạn như tin tức, thị trường chứng khoán, thông tin quảng cáo,

dụng trong các độ đo khoảng cách trên, thí dụ với mỗi thuộc tính dữ liệu đã

trung tâm dịch vụ mạng,... Tất cả thông tin được thay đổi trên Web theo từng

được gán trọng số tương ứng wi (1  i  k ), độ tương tự dữ liệu được xác định

giai đoạn. Các liên kết trang và đường dẫn truy cập cũng luôn thay đổi. Khả

như sau: d ( x, y)   wi ( x i  y i) .

năng gia tăng liên tục về số lượng người dùng, sự quan tâm tới Web cũng khác

n

2

nhau, động cơ người dùng rất đa dạng và phong phú. Vậy làm thế nào để có thể

i 1

Người ta có thể chuyển đổi giữa các mô hình cho các kiểu dữ liệu trên, thí
dụ dữ liệu kiểu hạng mục có thể chuyển đổi thành dữ liệu nhị phân và ngược lại.
Nhưng giải pháp này rất tốt kém về chi phí tính toán, cần phải cân nhắc khi áp
dụng cách thức này.

tìm kiếm được thông tin mà người dùng cần? Làm thế nào để có được những
trang Web chất lượng cao?...

Những vấn đề này sẽ được thực hiện hiệu quả hơn bằng cách nghiên cứu
các kỹ thuật KPDL áp dụng trong môi trường Web. Thứ nhất, ta sẽ quản lý các

Tuỳ từng trường hợp dữ liệu cụ thể mà người ta sử dụng các mô hình tính
độ tương tự khác nhau. Việc xác định độ tương tự dữ liệu thích hợp, chính xác,

Web site thật tốt; thứ hai, khai phá những nội dung mà người dùng quan tâm;
thứ ba, sẽ thực hiện phân tích các mẫu sử dụng Web.

đảm bảo khách quan là rất quan trọng và góp phần xây dựng thuật toán PCDL

Dựa vào những vấn đề cơ bản trên, ta có thể có những phương pháp hiệu

có hiệu quả cao trong việc đảm bảo chất lượng cũng như chi phí tính toán của

quả cao để cung cấp những thông tin hữu ích đối với người dùng Web và giúp

thuật toán.

người dùng sử dụng nguồn tài nguyên Web một cách hiệu quả.

1.3. Khai phá Web

1.3.2. Khai phá Web

1.3.1. Lợi ích của khai phá Web

Có nhiều khái niệm khác nhau về khai phá Web, nhưng có thể tổng quát

Với sự phát triển nhanh chóng của thông tin trên www, KPDL Web đã từng

hóa như sau [5][30]: Khai phá Web là việc sử dụng các kỹ thuật KPDL để tự

bước trở nên quan trọng hơn trong lĩnh vực KPDL, người ta luôn hy vọng lấy

động hóa quá trình khám phá và trích rút những thông tin hữu ích từ các tài liệu,

được những tri thức hữu ích thông qua việc tìm kiếm, phân tích, tổng hợp, khai

các dịch vụ và cấu trúc Web. Hay nói cách khác khai phá Web là việc thăm dò

phá Web. Những tri thức hữu ích có thể giúp ta xây dựng nên những Web site

những thông tin quan trọng và những mẫu tiềm năng từ nội dung Web, từ thông

hiệu quả để có thể phục vụ cho con người tốt hơn, đặc biệt trong lĩnh vực

tin truy cập Web, từ liên kết trang và từ nguồn tài nguyên thương mại điện tử

thương mại điện tử.

bằng việc sử dụng các kỹ thuật KPDL, nó có thể giúp con người rút ra những tri

Khám phá và phân tích những thông tin hữu ích trên www bằng cách sử

thức, cải tiến việc thiết kế các Web site và phát triển thương mại điện tử tốt hơn.

dụng kỹ thuật KPDL đã trở thành một hướng quan trọng trong lĩnh vực khám

Lĩnh vực này đã thu hút được nhiều nhà khoa học quan tâm. Quá trình khai phá

phá tri thức. Khai phá Web bao gồm khai phá cấu trúc Web, khai phá nội dung

Web có thể chia thành các công việc nhỏ như sau:

Web và khai phá các mẫu truy cập Web.

Web thay đổi một cách nhanh chóng, không những về nội dung mà cả về cấu

i. Tìm kiếm nguồn tài nguyên: Thực hiện tìm kiếm và lấy các tài liệu Web
phục vụ cho việc khai phá.
ii. Lựa chọn và tiền xử lý dữ liệu: Lựa chọn và tiền xử lý tự động các loại
thông tin từ nguồn tài nguyên Web đã lấy về.

Hoàng Văn Dũng

Hoàng Văn Dũng

Sự phức tạp trong nội dung của các trang Web khác với các tài liệu văn bản
truyền thống [16]. Chúng không đồng nhất về cấu trúc, hơn nữa nguồn thông tin

20

21


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

iii. Tổng hợp: Tự động khám phá các mẫu chung tại các Web site riêng lẽ
cũng như nhiều Website với nhau.
iv. Phân tích: Đánh giá, giải thích, biểu diễn các mẫu khai phá được.

1.4. Xử lý dữ liệu văn bản ứng dụng trong khai phá dữ liệu Web

1.3.3. Các kiểu dữ liệu Web

toán xử lý văn bản đã được đặt ra từ rất sớm và hiện nay nó vẫn là vấn đề rất
Free Text

được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, một trong những bài toán đó là tìm kiếm

HTML file

và trích dẫn văn bản, biểu diễn và phân loại văn bản,….
CSDL văn bản có thể chia làm 2 loại chính [14][20]:

XML file

+ Dạng không có cấu trúc: Đây là những tài liệu văn bản thông thường mà

Dynamic content

Web data

Structure data

Multimedia

ta đọc thường ngay trên các sách, báo, internet,… đây là dạng dữ liệu của ngôn

Static link

ngữ tự nhiên của con người và nó không theo một khuôn mẫu định sẵn nào cả.
+ Dạng nữa cấu trúc: Đây là những văn bản được tổ chức dưới dạng cấu trúc

Dynamic link

Usage data

lỏng, nhưng vẫn thể hiện nội dung chính của văn bản, như văn bản HTML, Email,..

User Profile data

1.4.2. Một số vấn đề trong xử lý dữ liệu văn bản

Hình 1.5. Phân loại dữ liệu Web

Các đối tượng của khai phá Web bao gồm [5][16]: Server logs, Web pages,
Web hyperlink structures, dữ liệu thị trường trực tuyến và các thông tin khác.
Web logs: Khi người dùng duyệt Web, dịch vụ sẽ phân ra 3 loại dữ liệu
đăng nhập: sever logs, error logs, và cookie logs. Thông qua việc phân tích các
tài liệu đăng nhập này ta có thể khám phá ra những thông tin truy cập.
Web pages: Hầu hết các phương pháp KPDL Web được sử dụng trong Web
pages là theo chuẩn HTML.
Web hyperlink structure: Các trang Web được liên kết với nhau bằng các
siêu liên kết, điều này rất quan trọng để khai phá thông tin. Do các siêu liên kết
Web là nguồn tài nguyên rất xác thực.
Dữ liệu thị trường trực tuyến: Như lưu trữ thông tin thương mại điện tử

trong các site thương mại điện tử.
Các thông tin khác: Chủ yếu bao gồm các đăng ký người dùng, nó có thể
giúp cho việc khai phá tốt hơn.
Hoàng Văn Dũng

Trong các loại dữ liệu hiện nay thì văn bản là loại dữ liệu phổ biến nhất và
nó có mặt khắp mọi nơi, đặc biệt là đối với dữ liệu trên Web. Do vậy, các bài

Ta có thể khái quát bằng sơ đồ sau:

Content data

1.4.1. Dữ liệu văn bản

Mỗi văn bản được biểu diễn bằng một vector Boolean hoặc vector số.
Những vector này được xét trong một không gian đa chiều, trong đó mỗi chiều
tương ứng với một từ mục riêng biệt trong tập văn bản. Mỗi thành phần của
vector được gán một hàm giá trị f, nó là một số chỉ mật độ tương ứng của chiều
đó trong văn bản. Nếu thay đổi giá trị hàm f ta có thể tạo ra nhiều trọng số
khác nhau.
Một số vấn đề liên quan đến việc biểu diễn văn bản bằng mô hình không
gian vector:
+ Không gian vector là một tập hợp bao gồm các từ.
+ Từ là một chuỗi các ký tự (chữ cái và chữ số); ngoại trừ các khoảng trống
(space, tab), ký tự xuống dòng, dấu câu (như dấu chấm, phẩy, chấm phẩy, dấu
cảm,...). Mặt khác, để đơn giản trong quá trình xử lý, ta không phân biệt chữ hoa
và chữ thường (nếu chữ hoa thì chuyển về chữ thường).
+ Cắt bỏ từ: Trong nhiều ngôn ngữ, nhiều từ có cùng từ gốc hoặc là biến
thể của từ gốc sang một từ khác. Việc sử dụng từ gốc làm giảm đáng kể số

22

Hoàng Văn Dũng

23


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

lượng các từ trong văn bản (giảm số chiều của không gian), nhưng việc cắt bỏ

1.4.2.2. Định luật Zipf
Để giảm số chiều của vector biểu diễn văn bản hơn nữa ta dựa vào một quan

các từ lại rất khó trong việc hiểu văn bản.
Ngoài ra, để nâng cao chất lượng xử lý, một số công trình nghiên cứu đã

sát sau: Nhiều từ trong văn bản xuất hiện rất ít lần, nếu mục tiêu của ta là xác định

đưa ra một số cải tiến thuật toán xem xét đến đặc tính ngữ cảnh của các từ bằng

độ tương tự và sự khác nhau trong toàn bộ tập hợp các văn bản thì các từ xuất

việc sử dụng các cụm từ/văn phạm chứ không chỉ xét các từ riêng lẽ [31].

hiện một hoặc hai lần (tần số xuất hiện nhỏ) thì ảnh hưởng rất bé đến các văn bản.

Những cụm từ này có thể được xác định bằng cách xem xét tần số xuất hiện của

Tiền đề cho việc lý luận để loại bỏ những từ có tần suất nhỏ được đưa ra
bởi Zipf năm 1949. Zipf phát biểu dưới dạng một quan sát nhưng ngay trong

cả cụm từ đó trong tài liệu.
Bằng phương pháp biểu diễn không gian vector, ta có thể thấy rõ ràng là chiều
của một vector sẽ rất lớn bởi số chiều của nó được xác định bằng số lượng các từ

thời điểm đó, quan sat đó đã được gọi là định luật Zipf, mặc dù nó thực sự
không phải là một định luật mà đúng hơn đó là một hiện tượng xấp xỉ toán học.

khác nhau trong tập hợp từ. Chẳng hạn, số lượng các từ có thể từ 10 đến 10 đối

Để mô tả định luật Zipf, ta gọi tổng số tần số xuất hiện của từ t trong tài

với các tập văn bản nhỏ. Vấn đề đặt ra là làm sao để giảm số chiều của vector mà

liệu D là ft. Sau đó sắp xếp tất cả các từ trong tập hợp theo chiều giảm dần của

vẫn đảm bảo việc xử lý văn bản đúng và chính xác, đặc biệt là trong môi trường

tần số xuất hiện f và gọi thứ hạng của mỗi từ t là rt.

3

5

www, ta sẽ xem xét đến một số phương pháp để giảm số chiều của vector.

Định luật Zipf được phát biểu dưới dạng công thức như sau:

1.4.2.1. Loại bỏ từ dừng

rt.ft  K (với K là một hằng số).

Trước hết ta thấy trong ngôn ngữ tự nhiên có nhiều từ chỉ dùng để biểu diễn
cấu trúc câu chứ không biểu đạt nội dung của nó. Như các giới từ, từ nối,... những

Trong tiếng Anh, người ta thấy rằng hằng số K  N/10 trong đó N là số các
từ trong văn bản. Ta có thể viết lại định luật Zipf như sau: rt  K/ ft

từ như vậy xuất hiện nhiều trong các văn bản mà không liên quan gì tới chủ đề

Giả sử từ ti được sắp xếp ở vị trí thấp nhất với tần số xuất hiện là b nào đấy

hoặc nội dung của văn bản. Do đó, ta có thể loại bỏ những từ đó để giảm số chiều

và từ tj cũng được sắp ở vị trí thấp kế tiếp với một tần số xuất hiện là b+1. Ta có

của vector biểu diễn văn bản, những từ như vậy được gọi là những từ dừng.

thể thu được thứ hạng xấp xỉ của các từ này là rtiK/b và rtj  K/(b+1), trừ 2 biểu

Sau đây là ví dụ về tần số xuất hiện cao của một số từ (tiếng Anh) trong
336,310 tài liệu gồm tổng cộng 125.720.891 từ, 508.209 từ riêng biệt.

thức này cho nhau ta xấp xỉ đối với các từ riêng biệt có tần số xuất hiện là b.
rti- rtj  K/b-K/(b+1)
Ta xấp xỉ giá trị của từ trong tập hợp có thứ hạng cao nhất. Một cách tổng
quát, một từ chỉ xuất hiện một lần trong tập hợp, ta có rmax=K.

Xét phân bố của các từ duy nhất xuất hiện b lần trong tập hợp, chia 2 vế
cho nhau ta được K/b. Do đó, định luật Zipf cho ta thấy sự phân bố đáng chú ý
của các tự riêng biệt trong 1 tập hợp được hình thành bởi các từ xuất hiện ít nhất

(thống kê của B. Croft, UMass)

trong tập hợp.
Năm 1958 Luhn đề xuất những từ “phổ biến” và “hiếm” và không cần thiết

Bảng 1.2. Thống kê các từ tần số xuất hiện cao

cho quá trình xử lý như sau.
Hoàng Văn Dũng

24

Hoàng Văn Dũng

25


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

1.4.3.2. Mô hình tần số

f

Tần số xuất hiện

Mô hình này xác định giá trị trọng số các phần tử trong ma trận W(wij) các
giá trị là các số dương dựa vào tần số xuất hiện của các từ trong tài liệu hoặc tần
vùng
cao

Vùng những từ
mang ý nghĩa

số xuất hiện của tài liệu trong CSDL. Có 2 phương pháp phổ biến:

Vùng thấp

1.4.3.2.1. Mô hình dựa trên tần số xuất hiện các từ
Trong mô hình dưa trên tần số xuất hiện từ (TF-Term Frequency) giá trị
của các từ được tính dựa vào số lần xuất hiện của nó trong tài liệu, gọi tfij là số

Thứ hạng của từ

lần xuất hiện của từ ti trong tài liệu dj, khi đó wij có thể được tính theo một trong

r

các công thức sau [31]:

Hình 1.6. Lược đồ thống kê tần số của từ theo Định luật Zipf

- Wij = tfij

1.4.3. Các mô hình biểu diễn dữ liệu văn bản

Trong các bài toán xử lý văn bản, ta thấy rằng vai trò của biểu diễn văn bản
rất lớn, đặc biệt trong các bài toán tìm kiếm, phân cụm,…

- Wij = 1+log(tfij)
- Wij =

tf ij

Theo các nghiên cứu về cách biểu diễn khác nhau trong xử lý văn bản thì

Với mô hình này, trọng số wij đồng biến với số lần xuất hiện của thuật ngữ

cách biểu diễn tốt nhất là bằng các từ riêng biệt được rút ra từ tài liệu gốc và

ti trong tài liệu dj. Khi số lần xuất hiện thuật ngữ ti trong tài liệu dj càng lớn thì

cách biểu diễn này ảnh hưởng tương đối nhỏ đối với kết quả.

có nghĩa là dj càng phụ thuộc nhiều vào thuật ngữ ti, nói cách khác thuật ngữ ti

Các cách tiếp cận khác nhau sử dụng mô hình toán học khác nhau để tính
toán, ở đây ta sẽ trình bày một số mô hình phổ biến và được đăng nhiều trong
các bài báo gần đây [14][22].

mang nhiều thông tin hơn trong tài liệu dj.
1.4.3.2.2. Phương pháp dựa trên tần số văn bản nghịch đảo
Trong mô hình dưa trên tần số văn bản nghịch đảo (IDF-Inverse Document
Frequency) giá trị trọng số của từ được tính bằng công thức sau [31]:

1.4.3.1. Mô hình Boolean

Đây là mô hình biểu diễn vector với hàm f nhận giá trị rời rạc với duy nhất
hai giá trị đúng/sai (true/false). Hàm f tương ứng với thuật ngữ ti sẽ cho giá trị

Wij=

log(

n
)  log( n)  log( hi )
hi

0

đúng khi và chỉ khi ti xuất hiện trong tài liệu đó.

nếu ti  dj
nếu ngược lại (ti dj)

Giả sử rằng có một CSDL gồm m văn bản, D={d1, d2, ..., dm}. Mỗi văn bản

Trong đó, n là tổng số văn bản trong CSDL, hi là số văn bản chứa thuật ngữ ti.

được biểu diễn dưới dạng một vector gồm n thuật ngữ T={t1, t2,...,tn}. Gọi

Trọng số wij trong công thức trên được tính dựa vào độ quan trọng của

W={wij} là ma trận trọng số, wij là giá trị trọng số của thuật ngữ ti trong tài liệu dj.

thuật ngữ ti trong tài liệu dj. Nếu ti xuất hiện càng ít trong các văn bản thì nó

Mô hình Boolean là mô hình đơn giản nhất, nó được xác định như sau:

càng quan trọng, do đó nếu ti xuất hiện trong dj thì trọng số của nó càng lớn,

1

nếu ti  dj

0

nếu ti  dj

Wij=

Hoàng Văn Dũng

nghĩa là nó càng quan trọng để phân biệt dj với các tài liệu khác và lượng thông
tin của nó càng lớn.
26

Hoàng Văn Dũng

27


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Trong mô hình TF-IDF, ta có thể lựa chọn công thức nào đó để tính toán độ

1.4.3.2.3. Mô hình kết hợp TF-IDF
Trong mô hình TF-IDF [31], mỗi tài liệu dj được xét đến thể hiện bằng một
đặc trưng của (t1, t2,.., tn) với ti là một từ/cụm từ trong dj. Thứ tự của ti dựa trên

tương tự giữa các cặp tài liệu hoặc các cụm. Sau đây là các độ đo tương tự phổ
biến [5][14][31]:

trọng số của mỗi từ. Các tham số có thể được thêm vào để tối ưu hóa quá trình
thực hiện nhóm. Như vậy, thành phần trọng số được xác định bởi công thức sau,

m

Dice :

S im( X , Y ) 

nó kết hợp giá trị trọng số tf và giá trị trọng số idf.

2 ( x i  y i )
i 1

m

m

x y
2
i

i 1

i 1

Công thức tính trọng số TF-IDF là:

m

n
wij  tf ij  idfij  [1  log( f ij )]  log( )
h
W
=
Data
ij
i

nếu ti  dj

set

nếu ngược lại (ti dj)

0

Jaccard :

Sim( X , Y ) 

 (x

i 1
m

m

2
i

Sim( X , Y ) 

m

 (x
i 1

i

i 1

idfij là nghịch đảo tần số xuất hiện của ti trong tài liệu dj.
Overlap :

n là tổng số tài liệu trong CSDL.

i 1

 (x
i 1
m

Euclidean :

i

2
i

 yi )
m

i 1

Sim( X , Y )  Dis( X , Y ) 

m

 (x
i 1

này trong tài liệu.

 yi )

min(  xi2 ,  y i2 )
i 1

Từ công thức này, ta có thể thấy trọng số của mỗi phần tử là dựa trên
nghịch đảo của tần số tài liệu trong CSDL mà ti và tần số xuất hiện của phần tử

Sim( X , Y ) 

i

m

2
i

m

hi là số các tài liệu mà ti xuất hiện trong CSDL.

i 1

 yi )

m

x  y

tfij là tần số xuất hiện của ti trong tài liệu dj

 yi )

2
i

i 1

m

Cosine :

i

 x   y   (x
i 1

Trong đó:

i

 yi ) 2

m

Thông thường ta xây dựng một từ điển từ để lấy đi những từ rất phổ biến và

Manhattan : Sim( X , Y )  Dis( X , Y )   | xi  yi |
i 1

những từ có tần số xuất hiện thấp. Ngoài ra ta phải lựa chọn m (Zemir sử dụng
500) phần tử có trọng số cao nhất như là những từ đặc trưng.
Phương pháp này kết hợp được ưu điểm của cả 2 phương pháp trên. Trọng
số wij được tính bằng tần số xuất hiện của thuật ngữ ti trong tài liệu dj và độ
“hiếm” của thuật ngữ ti trong toàn bộ CSDL. Tùy theo ràng buộc cụ thể của bài
toán mà ta sử dụng các mô hình biểu diễn văn bản cho phù hợp.

Hình 1.7. Các độ đo tương tự thường dùng

Với xi và yj đại diện một cặp từ hoặc cụm từ trong tài liệu. Sử dụng các
công thức này và với một ngưỡng thích hợp, ta có thể dễ dàng xác định mức độ
tương tự của các tài liệu trong CSDL. Ý tưởng sử dụng mô hình TF-IDF để biểu
diễn tài liệu có nhiều từ thông dụng giữa 2 tài liệu thì có nhiều khả năng chúng
tương tự nhau.

Tính toán độ tương tự giữa 2 vector

Kỹ thuật phân cụm phân cấp và phân cụm phân hoạch (k-means) là 2 kỹ

Xét 2 vector X={x1, x2,..., xm} và Y={y1, y2,..., ym}.

Hoàng Văn Dũng

2
i

thuật phân cụm thường được sử dụng cho phân cụm tài liệu với mô hình TF-IDF.

28

Hoàng Văn Dũng

29


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

1.5. Tổng kết chương 1
Chương 1 trình bày những kiến thức cơ bản về khai phá dữ liệu và khám
phá tri thức trong CSDL, các kỹ thuật áp dụng trong khai phá dữ liệu, những
chức năng chính, ứng dụng của nó trong xã hội,...

Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN CỤM DỮ LIỆU
Các kỹ thuật áp dụng để giải quyết vấn đề PCDL đều hướng tới hai mục
tiêu chung: Chất lượng của các cụm khám phá được và tốc độ thực hiện của

Chương này cũng trình bày một hướng nghiên cứu và ứng dụng trong khai
phá dữ liệu là phân cụm dữ liệu, gồm tổng quan về kỹ thuật phân cụm, các ứng
dụng của phân cụm, các yêu cầu đối với kỹ thuật phân cụm, các kiểu dữ liệu và
độ đo tương tự,...
Một hướng tiếp cận mới trong khai phá dữ liệu là khai phá dữ liệu trong
môi trường Web. Phần này trình bày khái niệm và lợi ích của khai phá Web, một
số mô hình biểu diễn và xử lý dữ liệu văn bản áp dụng trong khai phá Web như
mô hình Boolean, mô hình tần số (TF), mô hình tần số nghịch đảo văn bản
(IDF), mô hình kết hợp TF-IDF và các độ đo để xác định độ tương tự văn bản.

thuật toán. Tuy nhiên, các kỹ thuật PCDL có thể được phân loại thành một số
loại cơ bản dưa trên các phương pháp tiếp cận như sau [10][19]:

2.1. Phân cụm phân hoạch
Ý tưởng chính của kỹ thuật này là phân một tập dữ liệu có n phần tử cho
trước thành k nhóm dữ liệu sao cho mỗi phần tử dữ liệu chỉ thuộc về một nhóm
dữ liệu và mỗi nhóm dữ liệu có tối thiểu ít nhất một phần tử dữ liệu. Các thuật
toán phân hoạch có độ phức tạp rất lớn khi xác định nghiệm tối ưu toàn cục cho
vấn đề PCDL, vì nó phải tìm kiếm tất cả các cách phân hoạch có thể được.
Chính vì vậy, trên thực tế người ta thường đi tìm giải pháp tối ưu cục bộ cho vấn
đề này bằng cách sử dụng một hàm tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng của các

cụm cũng như để hướng dẫn cho quá trình tìm kiếm phân hoạch dữ liệu. Với
chiến lược này, thông thường người ta bắt đầu khởi tạo một phân hoạch ban đầu
cho tập dữ liệu theo phép ngẫu nhiên hoặc theo heuristic và liên tục tinh chỉnh
nó cho đến khi thu được một phân hoạch mong muốn, thoả mãn các điều kiện
ràng buộc cho trước. Các thuật toán phân cụm phân hoạch cố gắng cải tiến tiêu
chuẩn phân cụm bằng cách tính các giá trị đo độ tương tự giữa các đối tượng dữ
liệu và sắp xếp các giá trị này, sau đó thuật toán lựa chọn một giá trị trong dãy
sắp xếp sao cho hàm tiêu chuẩn đạt giá trị tối thiểu. Như vậy, ý tưởng chính của
thuật toán phân cụm phân hoạch tối ưu cục bộ là sử dụng chiến lược ăn tham để
tìm kiếm nghiệm.
Lớp các thuật toán phân cụm phân hoạch bao gồm các thuật toán đề xuất
đầu tiên trong lĩnh vực KPDL cũng là các thuật toán được áp dụng nhiều trong
thực tế như k-means, PAM, CLARA, CLARANS. Sau đây là một số thuật toán
kinh điển được kế thừa sử dụng rộng rãi.

Hoàng Văn Dũng

30

Hoàng Văn Dũng

31


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Thuật toán k-means được chứng minh là hội tụ và có độ phức tạp tính toán

2.1.1. Thuật toán k-means
Thuật toán phân cụm k-means do MacQueen đề xuất trong lĩnh vực thống
kê năm 1967, mục đích của thuật toán k-means là sinh ra k cụm dữ liệu {C1,
C2,…, Ck} từ một tập dữ liệu ban đầu gồm n đối tượng trong không gian d chiều
k

là: O( (n  k  d )   T

flop

). Trong đó: n là số đối tượng dữ liệu, k là số cụm dữ liệu,

d là số chiều,  là số vòng lặp,

T

là thời gian để thực hiện một phép tính cơ

flop

sở như phép tính nhân, chia, …Như vậy, do k-means phân tích phân cụm đơn

Xi =(xi1, xi2, …,xid) ( i  1, n ), sao cho hàm tiêu chuẩn: E  x D2 ( x  mi ) đạt
C
i 1

giản nên có thể áp dụng đối với tập dữ liệu lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của k-

giá trị tối thiểu. Trong đó: mi là trọng tâm của cụm Ci, D là khoảng cách giữa hai

means là chỉ áp dụng với dữ liệu có thuộc tính số và khám phá ra các cụm có

đối tượng.

dạng hình cầu, k-means còn rất nhạy cảm với nhiễu và các phần tử ngoại lai

i

Trọng tâm của một cụm là một vector, trong đó giá trị của mỗi phần tử của
nó là trung bình cộng các thành phần tương ứng của các đối tượng vector dữ liệu

trong dữ liệu. Hình sau diễn tả môi phỏng về một số hình dạng cụm dữ liệu
khám phá được bởi k-means:

trong cụm đang xét. Tham số đầu vào của thuật toán là số cụm k, tập CSDL gồm

10
9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

9

n phần tử và tham số đầu ra của thuật toán là các trọng tâm của các cụm dữ liệu.

10

8
7

9

6

Độ đo khoảng cách D giữa các đối tượng dữ liệu thường được sử dụng dụng là

5
4
3

khoảng cách Euclide, bởi vì đây là mô hình khoảng cách dễ để lấy đạo hàm và
xác định các cực trị tối thiểu. Hàm tiêu chuẩn và độ đo khoảng cách có thể được

2
1
0
0

2

3

4

5

6

7

8

9

10

xác định cụ thể hơn tuỳ vào ứng dụng hoặc các quan điểm của người dùng.

Gán mỗi
đối tượng

vào các
cụm

Cập nhật
lại trọng
tâm

3
2
1
0
0

INPUT: Một CSDL gồm n đối tượng và số các cụm k.
OUTPUT: Các cụm Ci (i=1,..,k) sao cho hàm tiêu chuẩn E đạt giá trị tối thiểu.
Bước 1: Khởi tạo
Chọn k đối tượng mj (j=1...k) là trọng tâm ban đầu của k cụm từ tập dữ liệu
(việc lựa chọn này có thể là ngẫu nhiên hoặc theo kinh nghiệm).
Bước 2: Tính toán khoảng cách
Đối với mỗi đối tượng Xi (1  i  n) , tính toán khoảng cách từ nó tới mỗi
trọng tâm mj với j=1,..,k, sau đó tìm trọng tâm gần nhất đối với mỗi đối tượng.
Bước 3: Cập nhật lại trọng tâm
Đối với mỗi j=1,..,k, cập nhật trọng tâm cụm mj bằng cách xác định trung bình
cộng của các vector đối tượng dữ liệu.
Bước 4: Điều kiện dừng
Lặp các bước 2 và 3 cho đến khi các trọng tâm của cụm không thay đổi.

4

5

6

7

8

9

7

1
0

10

0

6

1

9

8

8

7

7

6

6

Cập nhật
lại
trọng tâm

4
3
2
1
0
1

2

3

4

5

6

7

8

9

4

5

6

7

8

9

0

1
0

3
2

5

1

4
3

0

2
1

0

0

0

3

4

10

5

2

Gán lại 5các đối
tượng

10

0

1

2

1
3

4

2
5

6

7

3
8

9

4
10

1
0

Hình 2.2. Hình dạng cụm dữ liệu được khám phá bởi k-means

Hơn nữa, chất lượng PCDL của thuật toán k-means phụ thuộc nhiều vào
các tham số đầu vào như: số cụm k và k trọng tâm khởi tạo ban đầu. Trong
trường hợp, các trọng tâm khởi tạo ban đầu mà quá lệch so với các trọng tâm

cụm tự nhiên thì kết quả phân cụm của k-means là rất thấp, nghĩa là các cụm dữ
liệu được khám phá rất lệch so với các cụm trong thực tế. Trên thực tế người ta
chưa có một giải pháp tối ưu nào để chọn các tham số đầu vào, giải pháp thường

Hình 2.1. Thuật toán k-means

Hoàng Văn Dũng

Chọn k đối tượng trung
tâm tùy ý

3

2

Gán lại các đối tượng

10

K=2

2

Gán lại các đối
tượng
9

Thuật toán k-means bao gồm các bước cơ bản như sau:

1

8

3

32

Hoàng Văn Dũng

33

5

6


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

được sử dụng nhất là thử nghiệm với các giá trị đầu vào k khác nhau rồi sau đó
chọn giải pháp tốt nhất.

- Op: Là đối tượng medoid mới thay thế cho Om;
- Oj: Là đối tượng dữ liệu (không phải là medoid) có thể được di chuyển

Đến nay, đã có rất nhiều thuật toán kế thừa tư tưởng của thuật toán k-means
áp dụng trong KPDL để giải quyết tập dữ liệu có kích thước rất lớn đang được
áp dụng rất hiệu quả và phổ biến như thuật toán k-medoid, PAM, CLARA,
CLARANS, k- prototypes, …

sang cụm khác.
- Om,2: Là đối tượng medoid hiện thời khác với Om mà gần đối tượng
Oj nhất.
Bốn trường hợp như mô tả trong thí dụ trên, PAM tính giá trị hoán đổi Cjmp
cho tất cả các đối tượng Oj. Cjmp ở đây nhằm để làm căn cứ cho việc hoán

2.1.2. Thuật toán PAM

chuyển giữa Om và Op. Trong mỗi trường hợp Cjmp được tính với 4 cách khác

Thuật toán PAM (Partitioning Around Medoids) được Kaufman và

nhau như sau:

Rousseeuw đề xuất 1987, là thuật toán mở rộng của thuật toán k-means, nhằm

- Trường hợp 1: Giả sử Oj hiện thời thuộc về cụm có đại diện là Om và Oj

có khả năng xử lý hiệu quả đối với dữ liệu nhiễu hoặc các phần tử ngoại lai.

tương tự với Om,2 hơn Op (d(Oj, Op)  d(Oj, Om,2)). Trong khi đó, Om,2 là đối

Thay vì sử dụng các trọng tâm như k-means, PAM sử dụng các đối tượng

tượng medoid tương tự xếp thứ 2 tới Oj trong số các medoid. Trong trường hợp

medoid để biểu diễn cho các cụm dữ liệu, một đối tượng medoid là đối tượng

này, ta thay thế Om bởi đối tượng medoid mới Op và Oj sẽ thuộc về cụm có đối

đặt tại vị trí trung tâm nhất bên trong của mỗi cụm. Vì vậy, các đối tượng

tượng đại diện là Om,2. Vì vậy, giá trị hoán chuyển Cjmp được xác định như sau:

medoid ít bị ảnh hưởng của các đối tượng ở rất xa trung tâm, trong khi đó các

Cjmp = d(Oj, Om,2) – d(Oj, Om). Giá trị Cjmp là không âm.

trọng tâm của thuật toán k-means lại rất bị tác động bởi các điểm xa trung tâm
này. Ban đầu, PAM khởi tạo k đối tượng medoid và phân phối các đối tượng còn

10
9

lại vào các cụm với các đối tượng medoid đại diện tương ứng sao cho chúng

Oj

7

tương tự với đối tượng medoid trong cụm nhất.

Om,2

6

Để xác định các medoid, PAM bắt đầu bằng cách lựa chọn k đối tượng

5

3

tượng medoid Om và một đối tượng Op không phải là medoid, miễn là sự hoán

2
1

chuyển này nhằm cải tiến chất lượng của phân cụm, quá trình này kết thúc khi

0
0

chất lượng phân cụm không thay đổi. Chất lượng phân cụm được đánh giá thông
qua hàm tiêu chuẩn, chất lượng phân cụm tốt nhất khi hàm tiêu chuẩn đạt giá trị
tối thiểu.

Om

4

medoid bất kỳ. Sau mỗi bước thực hiện, PAM cố gắng hoán chuyển giữa đối

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Hình 2.3. Trường hợp Cjmp=d(Oj,Om,2) – d(Oj, Om) không âm

- Trường hợp 2: Oj hiện thời thuộc về cụm có đại diện là Om, nhưng Oj ít

Để quyết định hoán chuyển hai đối tượng Om và Op hay không, thuật toán
PAM sử dụng giá trị tổng chi phí hoán chuyển Cjmp làm căn cứ:

tương tự với Om,2 so với Op (d(Oj,Op)< d(Oj,Om,2)). Nếu thay thế Om bởi Op thì Oj
sẽ thuộc về cụm có đại diện là Op. Vì vậy, giá trị Cjmp được xác định như sau:

- Om: Là đối tượng medoid hiện thời cần được thay thế
Hoàng Văn Dũng

Op

8

Cjmp=(Oj,Op)- d(Oj, Om). Cjmp ở đây có thể là âm hoặc dương.
34

Hoàng Văn Dũng

35


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

1
0

10

9

9

8

8

Om2

7

Oj

Om

7

Op

6

6

5

Oj

5
4

Op

Om

4

3

3
2

Om2

2
1

1
0

0

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

10

9

1
0

Hình 2.6. Trường hợp Cjmp= (Oj,Op)- d(Oj, Om,2) luôn âm

Hình 2.4. Trường hợp Cjmp= (Oj,Op)- d(Oj, Om) có thể âm hoặc dương

- Trường hợp 3: Giả sử Oj hiện thời không thuộc về cụm có đối tượng đại
diện là Om mà thuộc về cụm có đại diện là Om,2. Mặt khác, giả sử Oj tương tự với

Om,2 hơn so với Op, khi đó, nếu Om được thay thế bởi Op thì Oj vẫn sẽ ở lại trong

- Kết hợp cả bốn trường hợp trên, tổng giá trị hoán chuyển Om bằng Op
được xác định như sau: TCmp =  C jmp .
j

Thuật toán PAM gồm các bước thực hiện chính như sau:
INPUT: Tập dữ liệu có n phần tử, số cụm k

cụm có đại diện là Om,2. Do đó: Cjmp= 0.

OUTPUT: k cụm dữ liệu sao cho chất lượng phân hoạch là tốt nhất.
10

Om2

8

Bước 1: Chọn k đối tượng medoid bất kỳ;

Oj

9

Bước 2: Tính TCmp cho tất cả các cặp đối tượng Om, Op. Trong đó Om là đối tượng
medoid và Op là đối tượng không phải là modoid.

7
6

Bước 3: Với mỗi cặp đối tượng Om và Op. Tính minOm, minOp, TCmp.

Op

5

Nếu TCmp là âm, thay thế Om bởi Op và quay lại bước 2. Nếu TCmp dương,

4
3

chuyển sang bước 4.

Om

2

Bước 4: Với mỗi đối tượng không phải là medoid, xác định đối tượng medoid

1

tương tự với nó nhất đồng thời gán nhãn cụm cho chúng.

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Hình 2.7. Thuật toán PAM
Hình 2.5. Trường hợp Cjmp bằng không

- Trường hợp 4: Oj hiện thời thuộc về cụm có đại diện là Om,2 nhưng Oj ít

Trong bước 2 và 3, có PAM phải duyệt tất cả k(n-k) cặp Om, Op. Với mỗi

tương tự tới Om,2 hơn so với Op. Vì vậy, nếu ta thay thế Om bởi Op thì Oj sẽ

cặp, việc tính toán TCmp yêu cầu kiểm tra n-k đối tượng. Vì vậy, độ phức tạp tính

chuyển từ cụm Om,2 sang cụm Op. Do đó, giá trị hoán chuyển Cjmp được xác định

toán của PAM là O(Ik(n-k)2), trong đó I là số vòng lặp. Như vậy, thuật toán

là: Cjmp= (Oj,Op)- d(Oj, Om,2). Cjmp ở đây luôn âm.

PAM kém hiệu quả về thời gian tính toán khi giá trị của k và n là lớn.

Hoàng Văn Dũng

36

Hoàng Văn Dũng

37


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

2.1.3. Thuật toán CLARA

2.1.4. Thuật toán CLARANS

CLARA (Clustering LARge Application) được Kaufman và Rousseeuw đề

Thuật toán CLARANS (A Clustering Algorithm based on RANdomized

xuất năm 1990, thuật toán này nhằm khắc phục nhược điểm của thuật toán PAM

Search) được Ng & Han đề xuất năm 1994, nhằm để cải tiến chất lượng cũng

trong trường hợp giá trị của k và n lớn. CLARA tiến hành trích mẫu cho tập dữ

như mở rộng áp dụng cho tập dữ liệu lớn. CLARANS là thuật toán PCDL kết

liệu có n phần tử và áp dụng thuật toán PAM cho mẫu này và tìm ra các các đối

hợp thuật toán PAM với chiến lược tìm kiếm kinh nghiệm mới. Ý tưởng cơ bản

tượng medoid của mẫu này. Người ta thấy rằng, nếu mẫu dữ liệu được trích một

của CLARANS là không xem xét tất cả các khả năng có thể thay thế các đối

cách ngẫu nhiên, thì các medoid của nó xấp xỉ với các medoid của toàn bộ tập
dữ liệu ban đầu. Để tiến tới một xấp xỉ tốt hơn, CLARA đưa ra nhiều cách lấy
mẫu rồi thực hiện phân cụm cho mỗi trường hợp này và tiến hành chọn kết quả
phân cụm tốt nhất khi thực hiện phân cụm trên các mẫu này. Để cho chính xác,
chất lượng của các cụm được đánh giá thông độ phi tương tự trung bình của toàn
bộ các đối tượng dữ liệu trong tập đối tượng ban đầu. Kết quả thực nghiệm chỉ

tượng tâm medoids bởi một đối tượng khác, nó ngay lập tức thay thế các đối
tượng medoid này nếu việc thay thế có tác động tốt đến chất lượng phân cụm
chứ không cần xác định cách thay thể tối ưu nhất. Một phân hoạch cụm phát
hiện được sau khi thay thế đối tượng trung tâm được gọi là một láng giềng của
phân hoạch cụm trước đó. Số các láng giềng được hạn chế bởi tham số do người

ra rằng, 5 mẫu dữ liệu có kích thước 40+2k cho các kết quả tốt. Các bước thực

dùng đưa vào là Maxneighbor, quá trình lựa chọn các láng giềng này là hoàn

hiện của thuật toán CLARA như sau:

toàn ngẫu nhiên. Tham số Numlocal cho phép người dùng xác định số vòng lặp

INPUT: CSDL gồm n đối tượng, số cụm k.

tối ưu cục bộ được tìm kiếm. Không phải tất các láng giềng được duyệt mà chỉ

OUTPUT: k cụm dữ liệu
1. For i = 1 to 5 do
Begin
2. Lấy một mẫu có 40 + 2k đối tượng dữ liệu ngẫu nhiên từ tập dữ liệu và áp

có Maxneighbor số láng giềng được duyệt.

dụng thuật toán PAM cho mẫu dữ liệu này nhằm để tìm các đối tượng medoid đại
diện cho các cụm.
3. Đối với mỗi đối tượng Oj trong tập dữ liệu ban đầu, xác định đối tượng medoid
tương tự nhất trong số k đối tượng medoid.
4. Tính độ phi tương tự trung bình cho phân hoạch các đối tượng dành ở bước

Một số khái niệm sử dụng trong thuật toán CLARANS được định nghĩa
như sau:
Giả sử O là một tập có n đối tượng và M là tập các đối tượng medoid,
NMM là tập các đối tượng không phải medoid. Các đối tượng dữ liệu sử
dụng trong thuật toán CLARANS là các khối đa diện. Mỗi đối tượng được diễn
tả bằng một tập các cạch, mỗi cạnh được xác định bằng 2 đỉnh. Giả sử P R3

trước, nếu giá trị này bé hơn giá trị tối thiểu hiện thời thì sử dụng giá trị này thay cho

là một tập tất cả các điểm. Nói chung, các đối tượng ở đây là các đối tượng dữ

giá trị tối thiếu ở trạng thái trước, như vậy tập k đối tượng medoid xác định ở bước
này là tốt nhất cho đến thời điểm hiện tại.
End;

liệu không gian và ta định nghĩa tâm của một đối tượng chính là trung bình cộng

Hình 2.8. Thuật toán CLARA

Độ phức tạp tính toán của thuật toán là O(k(40+k)2 + k(n-k)), và CLARA có
thể thực hiện đối với tập dữ liệu lớn. Chú ý đối với kỹ thuật tạo mẫu trong
PCDL: kết quả phân cụm có thể không phụ thuộc vào tập dữ liệu khởi tạo nhưng
nó chỉ đạt tối ưu cục bộ.
Hoàng Văn Dũng

38

toán học của tất cả các đỉnh hay còn gọi là trọng tâm:
 P
Center: O 

Giả sử dist là một hàm khoảng cách, khoảng cách thường được chọn ở đây
là khoảng cách Euclid: dist: P x PR0+

Hoàng Văn Dũng

39


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Hàm khoảng cách dist có thể mở rộng cho các điểm của khối đa diện thông

Như vậy, quá trình hoạt động của CLARANS tương tự với quá trình hoạt

qua hàm tâm: dist: O x OR0 sao cho dist (oi, oj) = dist (center(oi),

động của thuật toán CLARA. Tuy nhiên, ở giai đoạn lựa chọn các trung tâm

center(oj))

medoid cụm dữ liệu, CLARANS lựa chọn một giải pháp tốt hơn bằng cách lấy

+

Mỗi đối tượng được gán cho một tâm medoid của cụm nếu khoảng cách từ

ngẫu nhiên một đối tượng của k đối tượng trung tâm medoid của cụm và cố

trọng tâm của đối tượng đó tới tâm medoid của nó là nhỏ nhất. Vì vậy, ta định

gắng thay thế nó với một đối tượng được chọn ngẫu nhiên trong (n-k) đối tượng

nghĩa một tâm medoid như sau:

còn lại, nếu không có giải pháp nào tốt hơn sau một số cố gắng lựa chọn ngẫu
nhiên xác định, thuật toán dừng và cho kết quả phân cụm tối ưu cục bộ.

medoid: OM
Sao cho medoid (o) = mi, mi M, mj M: dist (o, mi) dist (o, mj),
oO.
Cuối cùng, ta định nghĩa một cụm với medoid mi tương ứng là một tập con

vậy CLARANS không thích hợp với tập dữ liệu lớn. CLARANS có ưu điểm là
không gian tìm kiếm không bị giới hạn như đối với CLARA và trong cùng một

các đối tượng trong O với medoid(o) = mi.
Giả sử C0 là tập tất cả các phân hoạch của O. Hàm tổng để đánh giá chất
lượng một phân hoạch được định nghĩa như sau: total_distance: C0R0+ sao

lượng thời gian thì chất lượng của các cụm phân được là lớn hơn so với CLARA.

2.2. Phân cụm phân cấp
Phân cụm phân cấp sắp xếp một tập dữ liệu đã cho thành một cấu trúc có

cho total_distance(c) = dist (o, mi) với mi M, cluster(mi).

dạng hình cây, cây phân cấp này được xây dựng theo kỹ thuật đệ quy. Cây phân

Thuật toán CLARANS có thể được diễn tả như sau [10][19]:

cụm có thể được xây dựng theo hai phương pháp tổng quát: phương pháp “trên

INPUT: Tập dữ liệu gồm n đối tượng, số cụm k, O, dist, numlocal, maxneighbor;
OUTPUT: k cụm dữ liệu;
For i=1 to numlocal do
Begin
Khởi tạo ngẫu nhiên k medois

j = 1;
while j < maxneighbor do
Begin
Chọn ngẫu nhiên một láng giềng R của S.
Tính toán độ phi tương tự về khoảng cách giữa 2 láng giềng S và R.
Nếu R có chi phí thấp hơn thì hoán đối R cho S và j=1
ngược lại j++;
End;
Kiểm tra khoảng cách của phân hoạch S có nhỏ hơn khoảng cách nhỏ nhất
không, nếu nhỏ hơn thì lấy giá trị này để cập nhật lại khoảng cách nhỏ nhất
và phân hoạch S là phân hoạch tốt nhất tại thời điểm hiện tại.
End.

xuống” (Top down) và phương pháp “dưới lên” (Bottom up).
Phương pháp Bottom up: Phương pháp này bắt đầu với mỗi đối tượng
được khởi tạo tương ứng với các cụm riêng biệt, sau đó tiến hành nhóm các đối
tượng theo một độ đo tương tự (như khoảng cách giữa hai trung tâm của hai
nhóm), quá trình này được thực hiện cho đến khi tất cả các nhóm được hòa nhập
vào một nhóm (mức cao nhất của cây phân cấp) hoặc cho đến khi các điều kiện
kết thúc thoả mãn. Như vậy, cách tiếp cận này sử dụng chiến lược ăn tham trong
quá trình phân cụm.
Phương pháp Top Down: Bắt đầu với trạng thái là tất cả các đối tượng
được xếp trong cùng một cụm. Mỗi vòng lặp thành công, một cụm được tách
thành các cụm nhỏ hơn theo giá trị của một phép đo độ tương tự nào đó cho đến
khi mỗi đối tượng là một cụm hoặc cho đến khi điều kiện dừng thoả mãn. Cách
tiếp cận này sử dụng chiến lược chia để trị trong quá trình phân cụm.

Hình 2.9. Thuật toán CLARANS
Hoàng Văn Dũng

Trong trường hợp xấu nhất, CLARANS so sánh một đối tượng với tất các
đối tượng Medoid. Vì vậy, độ phức tạp tính toán của CLARANS là O(kn2), do

40

Hoàng Văn Dũng

41


Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Khai phá dữ liệu Web bằng kỹ thuật phân cụm

Sau đây là minh họa chiến lược phân cụm phân cấp bottom up và Top down.
Bước 1

Bước 2

Bước 3

Bước 4

Bước 0

trong của cây lưu tổng các đặc trưng cụm CF của nút con, trong khi đó các nút lá
lưu trữ các đặc trưng của các cụm dữ liệu.

Bottom up

Root

a

ab

B=7
L=6

b

abcde

c

CF1

CF2

CF3

CF6

child1

child2

child3

child6

cde

d

Non-leaf node

de

CF1

CF2

CF3

CF5

child1

child2

child3

child5

e
Top Down
Bước 4

Bước 3 Bước 2

Bước 1

Bước 0

Leaf node
prev CF1 CF2

Hình 2.10. Các chiến lược phân cụm phân cấp

CF6 next

Leaf node
prev CF1 CF2

CF4 next

Trong thực tế áp dụng, có nhiều trường hợp người ta kết hợp cả hai phương
pháp phân cụm phân hoạch và phương phân cụm phân cấp, nghĩa là kết quả thu
được của phương pháp phân cấp có thể cải tiến thông quan bước phân cụm phân
hoạch. Phân cụm phân hoạch và phân cụm phân cấp là hai phương pháp PCDL
cổ điển, hiện nay đã có nhiều thuật toán cải tiến dựa trên hai phương pháp này
đã được áp dụng phổ biến trong KPDL. Một số thuật toán phân cụm phân cấp
điển hình như CURE, BIRCH, Chemeleon, AGNES, DIANA,...

Hình 2.11. Cây CF được sử dụng bởi thuật toán BIRCH

Cây CF là cây cân bằng, nhằm để lưu trữ các đặc trưng của cụm. Cây CF
chứa các nút trong và nút lá. Nút trong lưu giữ tổng các đặc trưng cụm của các
nút con của nó. Một cây CF được đặc trưng bởi hai tham số:

- Yếu tố nhánh (B): Nhằm xác định số tối đa các nút con của mỗi nút trong

2.2.1. Thuật toán BIRCH

của cây;

BIRCH (Balanced Iterative Reducing and Clustering Using Hierarchies)

- Ngưỡng (T): Khoảng cách tối đa giữa bất kỳ một cặp đối tượng trong nút

do Tian Zhang, amakrishnan và Livny đề xuất năm 1996, là thuật toán phân cụm

lá của cây, khoảng cách này còn gọi là đường kính của các cụm con được lưu tại

phân cấp sử dụng chiến lược Top down. Ý tưởng của thuật toán là không cần

các nút lá.

lưu toàn bộ các đối tượng dữ liệu của các cụm trong bộ nhớ mà chỉ lưu các đại

Hai tham số này có ảnh hưởng lớn đến kích thước của cây CF.

lượng thống kê. Đối với mỗi cụm dữ liệu, BIRCH chỉ lưu một bộ ba (n, LS, SS),

Thuật toán BIRCH thực hiện qua giai đoạn sau:

với n là số đối tượng trong cụm, LS là tổng các giá trị thuộc tính của các đối

INPUT: CSDL gồm n đối tượng, ngưỡng T

tượng trong cụm và SS là tổng bình phương các giá trị thuộc tính của các đối

OUTPUT: k cụm dữ liệu

tượng trong cụm. Các bộ ba này được gọi là các đặc trưng của cụm CF=(n, LS,

Bước 1: Duyệt tất cả các đối tượng trong CSDL và xây dựng một cây CF khởi tạo.

SS) (Cluster Features - CF) và được lưu giữ trong một cây được gọi là cây CF.

Một đối tượng được chèn vào nút lá gần nhất tạo thành cụm con. Nếu đường kính của

Hình sau đây biểu thị một ví dụ về cây CF. Chúng ta thấy rằng, tất cả các nút

cụm con này lớn hơn T thì nút lá được tách. Khi một đối tượng thích hợp được chèn

Hoàng Văn Dũng

Hoàng Văn Dũng

42

43