数据分析建模中数据预处理方法详细介绍

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➢ 非线性回归
噪声数据的处理——回归
y
Y2 Y1’
y=x+1
X1
x
数据集成
▪ 数据集成:将多个数据源中的数据整合到一 个一致的存储中
➢ 1.模式匹配 ➢ 2.数据冗余 ➢ 3.数据值冲突
数据集成——模式匹配
▪ 整合不同数据源中的元数据。 ▪ 实体识别问题:匹配来自不同数据源的现
实世界的实体,比如:
以获得每月或每年的总额。 ➢ 可以用来构造数据立方体
数据变换——数据概化
▪ 用更抽象(更高层次)的概念来取代低层 次或数据层的数据对象
▪ 例如:街道属性,就可以泛化到更高层次 的概念,诸如:城市、国家。同样对于数 值型的属性,如年龄属性,就可以映射到 更高层次概念,如:年轻、中年和老年。
数据变换——规范化
▪ 将数据按比例进行缩放,使之落入一个特 定的区域,以消除数值型属性因大小不一 而造成挖掘结果的偏差。如将工资收入属 性值映射到[-1.0,1.0]范围内。
▪ 方法:
(1)最小-最大规范化 (2)零-均值规范化(z-score规范化) (3)小数定标规范化
最小-最大规范化
▪ 已知属性的取值范围,将原取值区间 [old_min,old_max]映射到 new_min,new_max]
▪ 进一步处理:
➢ 通过填补遗漏数据、消除异常数据、平滑噪声数据, 以及纠正不一致的数据,去掉数据中的噪音、填充空值、 丢失值和处理不一致数据
数据清洗——处理空缺值
▪ 数据并不总是完整的
➢ 在分析一个商场销售数据时,发现有多个记录中的属性 值为空,如:顾客的收入属性对于为空的属性值
▪ 引起空缺值的原因
(1) 数据清洗 (2) 数据集成 (3) 数据变换 (4) 数据归约
为什么要预处理数据?
▪ 现实世界的数据是“肮脏的”
➢ 不完整的 ➢ 含噪声的 ➢ 不一致的
▪ 没有高质量的数据,就没有高质量的挖掘结 果
➢ 高质量的决策必须依赖高质量的数据 ➢ 数据仓库需要对高质量的数据进行一致地集成
原始数据中存在的问题
▪ 分箱后对数据进行平滑处理 ▪ 3种进行数据平滑方法:
➢ ①按平均值平滑
对同一箱值中的数据求平均值,用平均值替代该箱 子中的所有数据。
➢ ②按边界值平滑
用距离较小的边界值替代箱中每一数据。
➢ ③按中值平滑
取箱子的中值,用来替代箱子中的所有数据。
噪声数据的处理——聚类
▪ 簇:一组数据对象集合。同一簇内的所有对象具 有相似性,不同簇间对象具有较大差异性。
数据清洗——噪声数据的处理
▪ 噪声:在测量一个变量时可能出现的测量值相对 于真实值的偏差或者错误。
噪声数据的处理——分箱
➢ 分箱:把待处理的数据按照一定的规则放进一 些箱子中,考察每一个箱子中的数据,采用某 种方法分别对各个箱子中的数据进行处理。
➢ 箱子:按照属性值划分的子区间,如果一个属 性值处于某个子区间范围内,就称把该属性值 放进这个子区间代表的“箱子”里。
A.cust-id=B.customer_no 。
数据集成——数据冗余
▪ 同一属性在不同的数据库中会有不同的字 段名。
▪ 一个属性可以由另外一个表导出。如:一 个顾客数据表中的平均月收入属性,它可 以根据月收入属性计算出来。
▪ 有些冗余可以被相关分析检测到
数据集成——数据值冲突
▪ 对于一个现实世界实体,其来自不同数据 源的属性值或许不同。
1000~2000、2000~3000、3000~4000和4000元 以上几组,分箱后
箱1:800 箱2:1000 1200 1500 1500 1800 2000 箱3:2300 2500 2800 3000 箱4:3500 4000 箱5:4500 4800 5000
噪声数据的处理——平滑处理
▪ 聚类:将物理的或抽象对象的集合分组为由不同 簇,找出并清除那些落在簇之外的值(孤立点), 这些孤立点被视为噪声。
▪ 通过聚类分析发现异常数据:相似或相邻近的数 据聚合在一起形成了各个聚类集合,而那些位于 这些聚类集合之外的数据对象,自然而然就被认 为是异常数据。
▪ 特点:直接形成簇并对簇进行描述,不需要任何 先验知识。
▪ 保留了原来数据中存在的关系。但若将来 遇到超过目前属性[old_min,old_max]取值 范围的数值,将会引起系统出错
最小-最大规范化
零-均值规范化(z-score规范化)
▪ 根据属性A的均值和偏差来对A进行规格化, 常用于属性最大值与最小值未知;或使用 最大最小规格化方法时会出归
▪ 回归:发现两个相关的变量之间的变化模式,通过使数据 适合一个函数来平滑数据,即利用拟合函数对数据进行平 滑。
▪ 方法:
➢ 线性回归(简单回归):利用直线建模,将一个变量看作另一个 变量的线性函数。 如:Y=aX+b,其中a、b称为回归系数,可用最小二乘法求得a、b 系数。
➢ H(x)=-[P(X1)log2P(X1)+P(X2)log2P(X2)]=-(-0.5-0.5) =1比特。 ➢ 同理可得,投掷均匀正六面体骰子的H(X)=2.6比特。
例子
硬币下落:硬币下落可能有正反两种状态,出现这两种状态的概 率都是1/2。 如果需要消除其不确定性,则就需要信息量:H(x)=[P(X1)log2P(X1)+P(X2)log2P(X2)]
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数据清洗和数据预处理 熵值
归一化方法 抽样方法
……
教学目标
▪ 认识数据挖掘前数据进行适当处理的必要 性
▪ 掌握常用数据预处理的方法。
教学要求
知识要点
能力要求
相关知识点
数据预处理 的原因
(1) 了解原始数据存在的主要 问题
A到1000人的学校去找B。传达室人告诉他,“B是信息管理系”,而管 理系有100人。他获得的信息是100/1000=0.1,也就是将可能性空间缩 小到原来的1/10. 用概率来表示:-log(1/10)=log10 又有人告诉他:B在信息管理与信息系统教研室(10人),则第2个信息 的确定性又缩小到原来的100/1000*10/100=10/1000,其信息量为
➢ 分箱技术需要确定的主要问题:
分箱方法,即如何分箱 数据平滑方法,即如何对每个箱子中的数据进行平
滑处理
噪声数据的处理——分箱
▪ 分箱的方法:分箱前对记录集按目标属性值的大 小进行排序。
➢ 等深分箱法 ➢ 等宽分箱法 ➢ 用户自定义区间 ➢ 最小熵
▪ 例:客户收入属性income排序后的值(人民币 元):800 1000 1200 1500 1500 1800 2000 2300 2500 2800 3000 3500 4000 4500 4800 5000
噪声数据的处理——分箱
▪ 等宽分箱法(统一区间)
➢ 在整个属性值的区间上平均分布,即每个箱的 区间范围是一个常量,称为箱子宽度。
▪ 设定区间范围(箱子宽度)为1000元人民 币,分箱后
箱1:800 1000 1200 1500 1500 1800 箱2:2000 2300 2500 2800 3000 箱3:3500 4000 4500 箱4:4800 5000
-log100/1000 + (-log10/1000) = -log10/1000 =log100
只要可能性范围缩小了,获得的信息量总是正的。如果为0, 获得的信息为○。如果为负,反而扩大了其可能性范围。
熵——信息的度量
▪ 信息量大小的单位用比特来衡量。1比特的信息量是指含 有两个独立均等概率状态的事件所具有的不确定性能被全 部消除所需要的信息。
噪声数据的处理——分箱
▪ 最小熵
➢ 使在各区间分组内的记录具有最小的熵。
▪ 信息是信号、符号或消息所表示的内容, 用以消除对客观事物认识的不确定性
▪ 信息量的直观定义:信息量的大小取决于 信息内容消除人们认识的“不确定程度”, 所消除的不确定程度越大,则所包含的信 息量就越大。
熵——信息的度量(利用概率来度量)
数据归约标准
▪ 信息量: H(x)=-∑ P(Xi)log2P(Xi) i=1,2,3,…,n 其中Xi表示第i个状态(共n个状态); P(Xi)代表出现第i个状态时的概率; H(x)为消除不确定性所需的信息量,单位为比特(bit)。
▪ 例如:币下落可能有正反两种状态,出现这两种状态的概 率都是1/2,即:则,
▪ 例如:根据宽、高属性,可以构造一个新 属性:面积。
数据归约(数据消减)
▪ 对大规模数据库内容进行复杂的数据分析 通常需要耗费大量的时间。
▪ 数据归约(消减)技术用于帮助从原有庞 大数据集中获得一个精简的数据集合,并 使这一精简数据集保持原有数据集的完整 性,这样在精简数据集上进行数据挖掘显 然效率更高,并且挖掘出来的结果与使用 原有数据集所获得结果基本相同。
➢ 设备异常 ➢ 与其他已有数据不一致而被删除 ➢ 因为误解而没有被输入的数据 ➢ 在输入时,有些数据应为得不到重视而没有被输入 ➢ 对数据的改变没有进行日志记载
数据清洗——处理空缺值
▪ 空缺值要经过推断而补上
➢ 1.忽略该记录 ➢ 2.去掉属性 ➢ 3.手工填写空缺值 ➢ 4.使用默认值 ➢ 5.使用属性平均值 ➢ 6.使用同类样本平均值 ➢ 7.预测最可能的值
噪声数据的处理——分箱
▪ 等深分箱法(统一权重 )
➢ 按记录行数分箱,每箱具有相同的记录数,每 箱记录数称为箱的权重,也称箱子的深度。
▪ 设定权重(箱子深度)为4,上述例子分箱 后的结果如下。
箱1:800 1000 1200 1500 箱2:1500 1800 2000 2300 箱3:2500 2800 3000 3500 箱4:4000 4500 4800 5000
(2) 明白数据预处理的作用和 工作任务
(1) 数据的一致性问题 (2)数据的噪声问题 (3)原始数据的不完整和高维 度问题
数据预处理 的方法
(1) 掌握数据清洗的主要任务 与常用方法
(2) 掌握数据集成的主要内容 和常用方法
(3) 掌握数据变换的主要内容 和常用方法
(4)掌握数据归约的主要内容和 常用方法
零-均值规范化(z-score规范化)
小数定标规范化
▪ 通过移动属性A值的小数位置,将属性A的 值映射到[0,1]之间,用小数的科学表示 法来达到规格化的目的。
▪ 移动的小数位数取决于属性A绝对值的最 大值。
小数定标规范化
数据变换——属性构造
▪ 利用已有属性集构造出新的属性,并加入 到现有属性集合中以帮助挖掘更深层次的 模式知识,提高挖掘结果准确性。
1.不一致——数据内涵出现不一致情况 2.重复 3.不完整——感兴趣的属性没有值 4.含噪声——数据中存在着错误、或异常(偏
离期望值)的数据 5.高维度
数据预处理的方法
▪ 1.数据清洗
➢ 去掉噪声和无关数据
▪ 2.数据集成
➢ 将多个数据源中的数据结合起来存放在一个一致的数 据存储中
▪ 3.数据变换
▪ 产生的原因:表示的差异、比例尺度不同、 或编码的差异等。例如:重量属性在一个 系统中采用公制,而在另一个系统中却采 用英制。同样价格属性不同地点采用不同 货币单位。
数据变换——平滑
▪ 去除噪声,将连续的数据离散化,增加粒 度
➢ 分箱 ➢ 聚类 ➢ 回归
数据变换——聚集
▪ 对数据进行汇总
➢ avg(), count(), sum(), min(), max()… ➢ 例如:每天销售额(数据)可以进行合计操作
➢ 把原始数据转换成为适合数据挖掘的形式
▪ 4.数据归约
➢ 主要方法包括:数据立方体聚集,维归约,数据压缩, 数值归约,离散化和概念分层等
数据清洗
▪ 数据选取参考原则:
➢ 1.尽可能赋予属性名和属性值明确的含义 ➢ 2.统一多数据源的属性值编码 ➢ 3.去除惟一属性 ➢ 4.去除重复属性 ➢ 5.去除可忽略字段 ➢ 6.合理选择关联字段
=-(-0.5-0.5) =1比特为1比特的信息。
例2:张三到4000人的企业去找李四。当企业人事部门告诉张三: “李四是第四车间的”,而第四车间有1000人,如果第四车间的 人告诉张三,李四在第三班,第三班共有125位员工,计算张三所 获得的信息量?
噪声数据的处理——分箱
▪ 用户自定义区间
➢ 用户根据需要自定义区间。 ▪ 用户自定义:如将客户收入划分为1000元以下、
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