前面我們講到頻繁項集挖掘的關聯算法Apriori和FP Tree。這兩個算法都是挖掘頻繁項集的。而今天我們要介紹的PrefixSpan算法也是關聯算法，但是它是挖掘頻繁序列模式的，因此要解決的問題目標稍有不同。

一、1.?項集數據和序列數據

　　　　首先我們看看項集數據和序列數據有什么不同，如下圖所示。

　　　　左邊的數據集就是項集數據，在Apriori和FP Tree算法中我們也已經看到過了，每個項集數據由若干項組成，這些項沒有時間上的先后關系。而右邊的序列數據則不一樣，它是由若干數據項集組成的序列。比如第一個序列<;a(abc)(ac)d(cf)>;,它由a,abc,ac,d,cf共5個項集數據組成，并且這些項有時間上的先后關系。對于多于一個項的項集我們要加上括號，以便和其他的項集分開。同時由于項集內部是不區分先后順序的，為了方便數據處理，我們一般將序列數據內所有的項集內部按字母順序排序。

二、子序列與頻繁序列

　　　　了解了序列數據的概念，我們再來看看上面是子序列。子序列和我們數學上的子集的概念很類似，也就是說，如果某個序列A所有的項集在序列B中的項集都可以找到，則A就是B的子序列。當然，如果用嚴格的數學描述，子序列是這樣的：

　　　　對于序列A={\(a_1,a_2,...a_n\)}和序列B={\(b_1,b_2,...b_m\)},\(n \leq m\)，如果存在數字序列\(1 \leq j_1 \leq j_2 \leq ... \leq j_n \leq m\), 滿足$a_1 \subseteq b_{j_1}, a_2 \subseteq b_{j_2}...a_n \subseteq b_{j_n} $，則稱A是B的子序列。當然反過來說， B就是A的超序列。

　　　　而頻繁序列則和我們的頻繁項集很類似，也就是頻繁出現的子序列。比如對于下圖，支持度閾值定義為50%，也就是需要出現兩次的子序列才是頻繁序列。而子序列<;(ab)c>;是頻繁序列，因為它是圖中的第一條數據和第三條序列數據的子序列，對應的位置用藍色標示。

三、PrefixSpan算法的一些概念

?　　　　PrefixSpan算法的全稱是Prefix-Projected Pattern Growth，即前綴投影的模式挖掘。里面有前綴和投影兩個詞。那么我們首先看看什么是PrefixSpan算法中的前綴prefix。

　　　　在PrefixSpan算法中的前綴prefix通俗意義講就是序列數據前面部分的子序列。比如對于序列數據B=<;a(abc)(ac)d(cf)>;，而A=<;a(abc)a>;,則A是B的前綴。當然B的前綴不止一個，比如<;a>;, <;aa>;, <;a(ab)>; 也都是B的前綴。

　　　　看了前綴，我們再來看前綴投影，其實前綴投影這兒就是我們的后綴，有前綴就有后綴嘛。前綴加上后綴就可以構成一個我們的序列。下面給出前綴和后綴的例子。對于某一個前綴，序列里前綴后面剩下的子序列即為我們的后綴。如果前綴最后的項是項集的一部分，則用一個“_”來占位表示。

　　　　下面這個例子展示了序列<;a(abc)(ac)d(cf)>;的一些前綴和后綴，還是比較直觀的。要注意的是，如果前綴的末尾不是一個完全的項集，則需要加一個占位符。

　　　　在PrefixSpan算法中，相同前綴對應的所有后綴的結合我們稱為前綴對應的投影數據庫。

四、PrefixSpan算法思想

　　　　現在我們來看看PrefixSpan算法的思想，PrefixSpan算法的目標是挖掘出滿足最小支持度的頻繁序列。那么怎么去挖掘出所有滿足要求的頻繁序列呢。回憶Aprior算法，它是從頻繁1項集出發，一步步的挖掘2項集，直到最大的K項集。PrefixSpan算法也類似，它從長度為1的前綴開始挖掘序列模式，搜索對應的投影數據庫得到長度為1的前綴對應的頻繁序列，然后遞歸的挖掘長度為2的前綴所對應的頻繁序列，。。。以此類推，一直遞歸到不能挖掘到更長的前綴挖掘為止。

　　　　比如對應于我們第二節的例子，支持度閾值為50%。里面長度為1的前綴包括<;a>;, <;b>;, <;c>;, <;d>;, <;e>;, <;f>;,<;g>;我們需要對這6個前綴分別遞歸搜索找各個前綴對應的頻繁序列。如下圖所示，每個前綴對應的后綴也標出來了。由于g只在序列4出現，支持度計數只有1，因此無法繼續挖掘。我們的長度為1的頻繁序列為<;a>;, <;b>;, <;c>;, <;d>;, <;e>;，<;f>;。去除所有序列中的g，即第4條記錄變成<;e(af)cbc>;

　　　　
　　　　現在我們開始挖掘頻繁序列,分別從長度為1的頻繁項開始。這里我們以d為例子來遞歸挖掘，其他的節點遞歸挖掘方法和Ｄ一樣。方法如下圖，首先我們對ｄ的后綴進行計數，得到{a:1, b:2, c:3, d:0, e:1, f:1，_f:1}。注意f和_f是不一樣的，因為前者是在和前綴d不同的項集，而后者是和前綴d同項集。由于此時a,d,e,f,_f都達不到支持度閾值，因此我們遞歸得到的前綴為d的2項頻繁序列為<;db>;和<;dc>;。接著我們分別遞歸db和dc為前綴所對應的投影序列。首先看db前綴，此時對應的投影后綴只有<;_c(ae)>;,此時_c,a,e支持度均達不到閾值，因此無法找到以db為前綴的頻繁序列。現在我們來遞歸另外一個前綴dc。以dc為前綴的投影序列為<;_f>;, <;(bc)(ae)>;, <;b>;，此時我們進行支持度計數，結果為{b:2, a:1, c:1, e:1, _f:1}，只有b滿足支持度閾值，因此我們得到前綴為dc的三項頻繁序列為<;dcb>;。我們繼續遞歸以<;dcb>;為前綴的頻繁序列。由于前綴<;dcb>;對應的投影序列<;(_c)ae>;支持度全部不達標，因此不能產生4項頻繁序列。至此以d為前綴的頻繁序列挖掘結束，產生的頻繁序列為<;d>;<;db>;<;dc>;<;dcb>;。

　　　　同樣的方法可以得到其他以<;a>;, <;b>;, <;c>;, <;e>;, <;f>;為前綴的頻繁序列。

五、PrefixSpan算法流程

　　　　下面我們對PrefixSpan算法的流程做一個歸納總結。

　　　　輸入：序列數據集S和支持度閾值\(\alpha\)

　　　　輸出：所有滿足支持度要求的頻繁序列集

　　　　1）找出所有長度為1的前綴和對應的投影數據庫

　　　　2）對長度為1的前綴進行計數，將支持度低于閾值\(\alpha\)的前綴對應的項從數據集S刪除，同時得到所有的頻繁1項序列，i=1.

　　　　3）對于每個長度為i滿足支持度要求的前綴進行遞歸挖掘：

　　　　　　a) 找出前綴所對應的投影數據庫。如果投影數據庫為空，則遞歸返回。

　　　　　　b) 統計對應投影數據庫中各項的支持度計數。如果所有項的支持度計數都低于閾值\(\alpha\)，則遞歸返回。

　　　　　　c) 將滿足支持度計數的各個單項和當前的前綴進行合并，得到若干新的前綴。

　　　　　　d) 令i=i+1，前綴為合并單項后的各個前綴，分別遞歸執行第3步。

六、PrefixSpan算法小結

　　　　PrefixSpan算法由于不用產生候選序列，且投影數據庫縮小的很快，內存消耗比較穩定，作頻繁序列模式挖掘的時候效果很高。比起其他的序列挖掘算法比如GSP,FreeSpan有較大優勢，因此是在生產環境常用的算法。

　　　　PrefixSpan運行時最大的消耗在遞歸的構造投影數據庫。如果序列數據集較大，項數種類較多時，算法運行速度會有明顯下降。因此有一些PrefixSpan的改進版算法都是在優化構造投影數據庫這一塊。比如使用偽投影計數。

　　　　當然使用大數據平臺的分布式計算能力也是加快PrefixSpan運行速度一個好辦法。比如Spark的MLlib就內置了PrefixSpan算法。

　　　　不過scikit-learn始終不太重視關聯算法，一直都不包括這一塊的算法集成，這就有點落伍了。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的PrefixSpan算法原理总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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