关联规则:R与SAS的比较

啤酒和尿布的故事是关联分析方法最经典的案例,而用于关联分析的Apriori算法更是十大数据挖掘算法之一(http://www.cs.uvm.edu/~icdm/algorithms/index.shtml,这个排名虽然是几年前的调查结果,但是其重要性仍可见一斑)。本文以《R and Data Mining》书中使用的泰坦尼克号人员的生存数据为例,介绍如何使用R和SAS的Apriori算法进行关联分析,比较两者的建模结果并对结果中存在的差异进行解释分析。

一、关联分析

网上有很多资料介绍关联分析算法,本文就不再赘述。我自己看的是《Introduction to Data Mining》(有对应的中文版,人民邮电出版社的《数据挖掘导论》),愿意看英文的同学可以访问:http://www-users.cs.umn.edu/~kumar/dmbook/ch6.pdf。网上其他的资料我也大致翻过,对比之后感觉这本书是一本相当不错的教材,算法方面介绍地比较全面且有一定深度。我本人不建议大家去看那些非专业人士总结的关联分析算法介绍,虽然浅显易懂,但是内容片面,容易误导初学者,错把树木当成了森林。

对于关联分析在行业应用中的经验分享、初学者的误区和最佳实践方面的资料很少,唯一能找到的一本好书是清华大学出版社的《啤酒与尿布》,主要介绍购物篮分析在零售行业的应用。我始终认为分析师除了算法和软件,还需要了解行业背景,不然挖出的只是模式,而不是切实可行并且能带来商业价值的模式,甚至还有可能是错误的模式。 

二、软件

我只用过R和SAS,其他的软件没碰过,所以只能对这两个软件进行比较。

算法 R/ARULES SAS/EM
Apriori Yes Yes
ECLAT Yes No
FP-Growth No No

据网友说Excel也能做关联分析,但是因为其对数据进行了抽样,所以每次运行的结果都不一样。SPSS的Modeler不知道怎么样,有用过的同学请分享一下经验,最好使用泰坦尼克号的数据进行分析,这样可以比较一下各软件的结果是否相同。

三、R的代码和结果

R的代码主要来自《R and Data Mining》,我只加了下载数据的代码和对代码的中文说明。

1)下载泰坦尼克数据

setInternet2(TRUE)
con <- url(“http://www.rdatamining.com/data/titanic.raw.rdata“)
load(con)
close(con) # url() always opens the connection
str(titanic.raw)

2)关联分析

library(arules)
# find association rules with default settings
rules <- apriori(titanic.raw)
inspect(rules)

3)只保留结果中包含生存变量的关联规则

# rules with rhs containing “Survived” only
rules <- apriori(titanic.raw, parameter = list(minlen=2, supp=0.005, conf=0.8), appearance = list(rhs=c(“Survived=No”, “Survived=Yes”), default=”lhs”),control = list(verbose=F))
rules.sorted <- sort(rules, by=”lift”)
inspect(rules.sorted)

R 总共生成了12条跟人员生存相关的规则:
lhs       rhs      support      confidence      lift
1 {Class=2nd, Age=Child}                         => {Survived=Yes}
0.010904134 1.0000000 3.095640
2 {Class=2nd, Sex=Female, Age=Child}  => {Survived=Yes}
0.005906406 1.0000000 3.095640
3 {Class=1st, Sex=Female}                      => {Survived=Yes}
0.064061790 0.9724138 3.010243
4 {Class=1st, Sex=Female, Age=Adult}    => {Survived=Yes}
0.063607451 0.9722222 3.009650
5 {Class=2nd, Sex=Male, Age=Adult}        => {Survived=No}
0.069968196 0.9166667 1.354083
6 {Class=2nd, Sex=Female}                      => {Survived=Yes}
0.042253521 0.8773585 2.715986
7 {Class=Crew, Sex=Female}                   => {Survived=Yes}
0.009086779 0.8695652 2.691861
8 {Class=Crew, Sex=Female, Age=Adult} => {Survived=Yes}
0.009086779 0.8695652 2.691861
9 {Class=2nd, Sex=Male}                           => {Survived=No}
0.069968196 0.8603352 1.270871
10 {Class=2nd, Sex=Female, Age=Adult}  => {Survived=Yes}
0.036347115 0.8602151 2.662916
11 {Class=3rd, Sex=Male, Age=Adult}       => {Survived=No}
0.175829169 0.8376623 1.237379
12 {Class=3rd, Sex=Male}                          => {Survived=No}
0.191731031 0.8274510 1.222295

4)去除冗余的规则

# find redundant rules
subset.matrix <- is.subset(rules.sorted, rules.sorted)
subset.matrix[lower.tri(subset.matrix, diag=T)] <- NA
redundant <- colSums(subset.matrix, na.rm=T) >= 1
which(redundant)

# remove redundant rules
rules.pruned <- rules.sorted[!redundant]
inspect(rules.pruned)

去除冗余的规则后剩下8条规则:
lhs       rhs      support      confidence      lift
1 {Class=2nd, Age=Child}                   => {Survived=Yes}
0.010904134  1.0000000 3.095640
2 {Class=1st, Sex=Female}                => {Survived=Yes}
0.064061790  0.9724138 3.010243
3 {Class=2nd, Sex=Female}               => {Survived=Yes}
0.042253521  0.8773585 2.715986
4 {Class=Crew, Sex=Female}            => {Survived=Yes}
0.009086779  0.8695652 2.691861
5 {Class=2nd, Sex=Male, Age=Adult} => {Survived=No}
0.069968196  0.9166667 1.354083
6 {Class=2nd, Sex=Male}                   => {Survived=No}
0.069968196  0.8603352 1.270871
7 {Class=3rd, Sex=Male, Age=Adult}  => {Survived=No}
0.175829169  0.8376623 1.237379
8 {Class=3rd, Sex=Male}                    => {Survived=No}
0.191731031  0.8274510 1.222295

5)结果的解释

对于结果的解释,一定要慎重,千万不要盲目下结论。从下面的四条规则看,好像确实像电影中描述的那样:妇女和儿童优先。

1 {Class=2nd, Age=Child}              => {Survived=Yes} 0.010904134  1.0000000 3.095640
2 {Class=1st, Sex=Female}           => {Survived=Yes} 0.064061790  0.9724138 3.010243
3 {Class=2nd, Sex=Female}          => {Survived=Yes} 0.042253521  0.8773585 2.715986
4 {Class=Crew, Sex=Female}       => {Survived=Yes} 0.009086779  0.8695652 2.691861

如果我们减小最小支持率和置信度的阈值,则能看到更多的真相。

rules <- apriori(titanic.raw, parameter = list(minlen=3, supp=0.002, conf=0.2), appearance = list(rhs=c(“Survived=Yes”), lhs=c(“Class=1st”, “Class=2nd”, “Class=3rd”, “Age=Child”, “Age=Adult”), default=”none”), control = list(verbose=F))
rules.sorted <- sort(rules, by=”confidence”)
inspect(rules.sorted)

lhs                        rhs           support     confidence lift
1 {Class=2nd, Age=Child} => {Survived=Yes} 0.010904134 1.0000000 3.0956399
2 {Class=1st, Age=Child} => {Survived=Yes} 0.002726034 1.0000000 3.0956399
3 {Class=1st, Age=Adult} => {Survived=Yes} 0.089504771 0.6175549 1.9117275
4 {Class=2nd, Age=Adult} => {Survived=Yes} 0.042707860 0.3601533 1.1149048
5 {Class=3rd, Age=Child} => {Survived=Yes} 0.012267151 0.3417722 1.0580035
6 {Class=3rd, Age=Adult} => {Survived=Yes} 0.068605179 0.2408293 0.7455209

从规则3和规则5以及之前的规则2和3可以看出泰坦尼克号获得优先权的主要是头等舱、二等舱的妇孺。

据统计,头等舱男乘客的生还率比三等舱中儿童的生还率还稍高一点。美国新泽西州州立大学教授、著名社会学家戴维·波普诺研究后毫不客气地修改了曾使英国人颇感“安慰”的“社会规范”(妇女和儿童优先):“在泰坦尼克号上实践的社会规范这样表述可能更准确一些:‘头等舱和二等舱的妇女和儿童优先’。”

这些是关于泰坦尼克号生存数据分析的资料:
泰坦尼克号逃生真相:“妇女儿童优先”只是个传说
历史没有那么温暖

6)可视化

# visualize rules
library(arulesViz)
plot(rules)
plot(rules, method=”graph”, control=list(type=”items”))
plot(rules, method=”paracoord”, control=list(reorder=TRUE))

对于不熟悉R的SAS用户,可以阅读以下资料学习R以及ARULES包:
http://cran.r-project.org/web/packages/arules/vignettes/arules.pdf
https://science.nature.nps.gov/im/datamgmt/statistics/R/documents/R_for_SAS_SPSS_users.pdf

四、SAS代码和结果

1)下载泰坦尼克数据

proc iml;
submit /R;
setInternet2(TRUE)
con <- url(http://www.rdatamining.com/data/titanic.raw.rdata)
load(con)
close(con) # url() always opens the connection
endsubmit;

call ImportDataSetFromR(“Work.titanic”, “titanic.raw”);
run;quit;

2)将数据转换成SAS/EM要求的格式

data items2;
set titanic;
length tid 8;
length item $8;
tid = _n_;
item = class;
output;
item = sex;
output;
item = age;
output;
item = survived;
output;
keep tid item;
run;

3)关联分析

proc dmdb data=items2 dmdbcat=dbcat;
class tid item;
run; quit;

proc assoc data=items2 dmdbcat=dbcat pctsup=0.5 out=frequentItems;
id tid;
target item;
run;

proc rulegen in=frequentItems dmdbcat=dbcat out=rules minconf=80;
run ;

proc sort data=rules;
by descending conf;
run ;

4) 只保留结果中包含生存变量的关联规则

data surviverules;
set rules(where=(set_size>1 and (_rhand=‘Yes’ or _rhand=‘No’)));
run;

proc print data=surviverules;
var conf support lift rule ;
run ;

SAS 结果:

Obs CONF SUPPORT LIFT RULE
1 100.00 1.09 3.10 2nd & Child ==> Yes
2 100.00 0.59 3.10 2nd & Child & Female ==> Yes
3 100.00 0.50 3.10 2nd & Child & Male ==> Yes
4 97.24 6.41 3.01 1st & Female ==> Yes
5 97.22 6.36 3.01 1st & Adult & Female ==> Yes
6 91.67 7.00 1.35 2nd & Adult & Male ==> No
7 87.74 4.23 2.72 2nd & Female ==> Yes
8 86.96 0.91 2.69 Crew & Female ==> Yes
9 86.96 0.91 2.69 Adult & Crew & Female ==> Yes
10 86.03 7.00 1.27 2nd & Male ==> No
11 86.02 3.63 2.66 2nd & Adult & Female ==> Yes
12 83.77 17.58 1.24 3rd & Adult & Male ==> No
13 82.75 19.17 1.22 3rd & Male ==> No

有关SAS/EM关联分析的公开资料很少,产品的在线帮助文档大概从4.3以后的版本就设置了访问权限,只有SAS/EM的用户才能阅读,新版本的功能和界面跟4.3版本有很大差别。这里只能给大家一些4.3的帮助文档,主要是上面代码中用到的几个过程步:http://support.sas.com/documentation/onlinedoc/miner/em43/dmdb.pdf
http://support.sas.com/documentation/onlinedoc/miner/em43/assoc.pdf
http://support.sas.com/documentation/onlinedoc/miner/em43/sequence.pdf
http://support.sas.com/documentation/onlinedoc/miner/em43/rulegen.pdf

mbscore(购物篮数据的预测,是EM 6.1/SAS 9.2 时新引入的过程步,支持层次关联<Hierarchical Association>)

五、结果比较

从上面的结果看,R生成了12条规则,而SAS生成了13条规则,对比每条规则后,发现SAS的第3条规则在R中没有。

3 100.00 0.50 3.10 2nd & Child & Male ==> Yes

我猜测原因是两个软件对最小支持度的处理不太一样,SAS可能是对最小支持度百分比乘以总记录条数后取整了。此处,泰坦尼克数据总共有2201条记录,最小支持度百分比为 0.5%,两者相乘积为11.005,而 2nd & Child & Male ==> Yes 这条规则总共出现过11次,如果严格按照实数大小比较,不应该出现在最后的结果中,但是如果按照整数部分比较,则结果正确。打算将SAS模型切换到R或者将R模型切换到SAS的同学要注意这个差异,结果有时不完全一样!

data min_support;
set frequentItems;
if count=int(2201*0.005);
run;

proc print data=min_support;
run;quit; 

Obs SET_SIZE COUNT ITEM1 ITEM2 ITEM3 ITEM4 ITEM5 ITEM6
1 3 11 2nd Child Male      
2 4 11 2nd Child Male Yes    

相比SAS,R关联分析中比较吸引人的功能就是从规则集中去除冗余的规则,这一功能SAS里面好像没有(我没找到)。SAS用户如果想要使用R的这个功能,我找到的唯一办法就是将SAS的关联规则导出成PMML文件,然后再将PMML文件导入R生成对应的Rule对象,但是这个方法因为我的环境有点问题,所以我自己没试。

有兴趣的同学,可以看看下面的资料:
1)如何将PMML文件导入R生成Rule对象
2)如何在SAS EMM 中使用PMML?

附:PMML技术的未来

对于模型的部署和使用,尤其是跨软件、平台的使用场景下或者对于大数据的分析,PMML是一个可行的解决方案,有一些厂商已经在自己的产品中通过PMML这种方式来实现对大数据的分析预测。

Zementis:
Deploying Predictive Analytics with PMML, R evolution R, and ADAPA
PMML: Accelerating the Time to Value for Predictive Analytics in the Big Data Era

IBM:Database Mining Guide

关联规则:R与SAS的比较》有14个想法

  1. 建议更改一下名词的翻译,容易产生误解:Association Rules一般对应关联规则;关联(对应)分析让我想起了Correspondence Analysis

  2. 错误于load(con) : 找不到对象’con’,这是怎么回事呢?
    第一次使用R,遇到好多问题啊!

  3. 利用R去除冗余规则后的结果是不是还有冗余?比如规则5不是包含在规则6中、规则7不是包含规则8中吗?

  4. 提示:

    # rules with rhs containing “Survived” only
    > rules rules.sorted inspect(rules.sorted)
    错误于inspect(rules.sorted) :
    在为’inspect’函数选择方法时评估’x’参数出了错: 错误: 找不到对象’rules.sorted’

    新手,这个是怎么回事啊?

  5. 为什么我生成出来的结果和作者用R得到的结果不一样呢?

  6. apriori算法的作者也有FP_growth的开源,但没有人封装到R。不过用起来还是很容易的。如果只是求解频繁二项集,R两行代码也就搞定了,还可已并行噢~~

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