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Datenbanksysteme 3 Sommer 2003Data Mining - 1Worzyk

FH Anhalt

Data Mining

• Definition, Anwendungsbespiele• Data Mining Prozess• Data Mining Cup

– 2001– 2002– 2003


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Datenquellen, Datensenken und die Wüste

vorhandene

Daten

benötigte

Daten

gewünschte

Daten

Nachfrage


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DefinitionData Mining

Data Mining„ is the nontrivial extraction of

implicit, previous unknown and potentially useful information from data“

William J. Frawley Gregory Piatetsky-Shapiro,


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Leistungsmerkmale

• Hypothesenfreiheit• Automatisierte Vorhersage von

Trends, Verhalten und Mustern• Automatisierte Aufdeckung

unbekannter Strukturen• Zusatzkomponenten für

Preprocessing und Ergebnisaufbereitung


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Anwendungsbeispiele


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Anwendungsbeispiele• Astronomie • Erdwissenschaften• Marketing• Investment• Betrugserkennung• Individualisierte Werbeanzeigen• Electronic Commerce• Datenschutz


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Ansatz

Tradi-tionell

DataMining

Hypothesenfestlegen

Methodeentwickeln

Datenbasisanalysieren

Ergebnisseverdichten

Ergebnisseinterpretieren

Anwender ComputerExperte

ComputerSystem

Statistiker Anwender

Datenbasisanalysieren

InteressanteMusterfinden

Ergebnisseinterpretieren

Anwender

Data Mining System


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DefinitionData Mining

Data Mining„in databases is the non-trivial

process of identifying valid, novel, potential useful, and ultimately understandable patterns in data“

William J. Frawley Gregory Piatetsky-Shapiro,


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Informationsbedarf abhängig von der

AufgabeGering Hoch

Hoch Hoch strukturierte,stabile Aufgaben;Buchhaltung,Produktion

Hoch strukturierte,stark veränderlicheAufgaben; SoftwareEntwicklung

Gering Schwachstrukturierte, stabileAufgaben;Bildungsbetrieb

Unstrukturierte, starkveränderlicheAufgaben;Forschung,strategische Planung

Veränderlichkeit

Strukturiertheit


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Data Mining Prozeßmodell

Preprocessing ValidierungInterpretationAnalyse

DataWarehouse

OLTPExt

Daten


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Data Mining Cup 2001Aufgabe

Ein Versandhändler von Büromaterialien sendet regelmäßig allen seinen Kunden Informationsmaterial. Außerdem führt er größere Werbeaktionen durch, in die er jedoch nur einen Teil seiner Kunden einbezieht. Nach Möglichkeit sollen nur diejenigen Kunden beworben werden, die auf die Werbeaktion mit einer Bestellung reagieren. Bisher wurden 10.000 Kunden in eine Werbeaktion einbezogen, für 18.128 weitere Kunden ist noch zu entscheiden, ob sie in künftige Aktionen einbezogen werden. http://www.dfki.de/~damit/DMC2001/index.html


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KundenwertmatrixDie durchschnittlichen Kosten und Gewinne, die aus Werbung und den Bestellungen resultieren, können folgender Matrix entnommen werden:

http://www.dfki.de/~damit/DMC2001/aufgabe_01.html


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Mögliche Auswirkungen

• Alle Kunden (18.128) angeschrieben, alle bestellen => 20 Mio Gewinn

• Alle Kunden angeschrieben, keiner bestellt => 5 Mio Verlust

• Die Hälfte angeschrieben, keiner davon bestellt, die andere Hälfte bestellt => 3.6 Mio Gewinn

• Die Hälfte angeschrieben, alle bestellen, von der anderen Hälfte bestellt keiner => 10 Mio Gewinn


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Vorhersage

Ideal: Dieser Kunde wird bestellen, jener Kunde wird nicht bestellen

Real: Dieser Kunde wird mit einer Wahrscheinlichkeit von p bestellen

=> Bei welcher Bestellwahrscheinlichkeit p soll der Kunde angeschrieben werden?


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Optimale Bestellwahrscheinlichkeit

Kunde wird einbezogenK1: p * 1.100 + (1-p)* (-265)

Kunde wird nicht einbezogenK2: p * 625 + (1-p)* (-25)

K1= K2 715 p = 240 => p = 0,33


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Gegebene Daten


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Vorgehen

Datenexploration

Behandlung fehlender Werte

Klassifikation mittels fallbasierten Schließens

Klassifikation mittels Bayes‘scherNetze

Klassifikation mittels Entscheidungsbäumen

Aggregation der Ergebnisse


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Merkmalehttp://www.data-mining-cup.de/2001/aufgabe.html

AKTIV 0/1 Zielmerkmal 0 positiv (ist aktiver Kunde) 1 negativ (ist kein aktiver Kunde)

WO Text West/Ost/Fehlend Standort des Kunden (Merkmale mit unterschiedlicher Skalierung in Abhängigkeit dieses Merkmals sind in der Beschreibung angegeben; konkret ist dies hier nur bei Kaufkraft differenziert)

Regiotyp 11,...,16 Regionaltyp 11 Kern von Ballungsgebieten 12 Rand von Ballungsgebieten 13 Kernstadt einer Region 14 Randgebiet einer Kernstadt 15 ländliche Zentren 16 Orte auf dem Land

…


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Fehlende Werte

Zur Behandlung einzelner fehlender Werte boten sich drei Wege an:

1. Datensätze, in denen einer oder mehrere Werte fehlen, werden weggelassen.

2. Die fehlenden Werte werden durch die Mittelwerte beziehungsweise die Modalwerte des jeweiligen Merkmals ersetzt.

3. Es wird ein separates Vorhersagemodell zur Rekonstruktion der fehlenden Werte entwickelt und angewandt.

Aufwand-Nutzen-Erwägungen folgend, wurde der zweite Weg beschritten: Fehlende Werte kategorischer Merkmale wurden durch den Modalwert, fehlende Werte numerischer Merkmale durch den arithmetischen Mittelwert des jeweiligen Merkmals ersetzt.


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Aufteilung


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Fallbasiertes Schließen

Fallbasiertes Schließen ist eine Methode zum Einsatz gesammelten Erfahrungswissens. Es beruht auf einer sehr einfachen Grundidee:

Beim Lösen von Problemen entstehen Lösungen, die auch auf ähnliche Probleme angewandt werden können. Jedes gelöste Problem wird zusammen mit seiner Lösung in einer Falldatenbank gespeichert.

Beim Auftreten eines neuen Problems wird die Falldatenbank nach ähnlichen Problemen durchsucht.

Die Lösungen dieser ähnlichen Probleme kann dann auf das neue, noch ungelöste Problem übertragen werden.


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Bayes‘sches Netz

Ein Bayes'sches Netz ist ein gerichteter, azyklischer Graph; jeder Knoten des Graphen ist mit einer (bedingten) Wahrscheinlichkeitsverteilung attributiert.

Die Knoten entsprechen Zufallsvariablen (Merkmalen); die Kanten des Graphen entsprechen kausalen Beziehungen zwischen den Zufallsvariablen.

Die bedingten Wahrscheinlichkeitsverteilungen quantifizieren die kausalen Beziehungen. Sowohl die Struktur als auch die Attribute Bayes'scher Netze sind aus Daten erlernbar.

Mittels geeigneter Verfahren kann über einem Bayes'schen Netz inferiert, also von bekannten Ausprägungen einiger Zufallsvariabler auf unbekannte Ausprägungen anderer Zufallsvariabler geschlossen werden.

http://www.dfki.de/~damit/DMC2001/vorgehen_07.html


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Bayes‘sches Netz


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Entscheidungsbäume

Entscheidungsbäume ordnen Objekte, die durch Mengen von Merkmalen beschrieben werden, einer Klasse zu. Alle Knoten und Kanten eines Entscheidungsbaumes sind markiert:

die Blätter des Baumes mit der Klasse, die als Ergebnis zurückgegeben wird,

die inneren Knoten mit dem Merkmal, nach dessen Ausprägung verzweigt wird, und

die Kanten mit den Ausprägungen, die das Merkmal annehmen kann, das im Anfangsknoten der Kante steht.

http://www.dfki.de/~damit/DMC2001/vorgehen_09.html


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Ergebnisse

• Fallbasiertes Schließen für große Ähnlichkeiten

• Fünf unterschiedliche Entscheidungsbäume, dann nach Anzahl der Klassifikation „aktiv“


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Ergebnisse


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Data Mining Cup 2002Aufgabe

Ein Energieversorger möchte mit zielgerichteten Kundenbindungsmaßnahmen seine Kunden halten. Dazu möchte er potenziellen Kündigern einen günstigeren Tarif (Tarif "Rabatt") anbieten. Da dieser Tarif für den Energieversorger einen geringeren Gewinn bedeutet, will er die vorraussichtlich treuen Kunden von diesem Angebot nicht infor-mieren, um nicht zu vielen von diesen Kunden den Tarif "Rabatt„ gewähren zu müssen.

Ziel des Einsatzes von Data Mining ist es hierbei, die potenziellen Kündiger von den treuen Kunden zu unterscheiden. Potenziellen Kündigern wird dann der Tarif "Rabatt" angeboten, um sie damit zu binden. Insgesamt ist es für den Energieversorger deutlich günstiger, einen potenziellen Kündiger weiterhin im Tarif "Rabatt" zu versorgen als ihn ganz zu verlieren.

http://www.dfki.de/~damit/DMC2002/index.html


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Gegebene Daten

Eigene Daten– payment_type (Art der Bezahlung) – power_consumption (letzter jährlicher Stromverbrauch in

kWh) – hhh (Anzahl Haushalte im Haus) – hgew (Anzahl Gewerbe im Haus)

Gekaufte Daten– Mikroselections-Merkmale (z.B. Kaufkraft, Straßentyp,

Bebauungstyp, Familienstand, usw.) – PKW-Indices (z.B. PKW-Dichte, PKW-Leistungsindex, PKW-

Kleinbusindex, usw.) – Psychonomics-Versicherungstypologien (z.B.

Kundentypen, usw.) – Pharmatypologien (z.B. gesunder Kraftprotz, usw.)


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Kundenwertmatrix

Kündiger Kunde

Kunde erhält Angebot

43,80 EUR 66,30 EUR

Kunde erhält keine Angebot

0,00 EUR 72,00 EUR


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Kündigerwahrscheinlichkeit


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Datensichtung• Aus Trainings- und

Klassifikationsdaten gemeinsame Datenmenge

• Für fehlende Werte Indikatorvariablen eingeführt

• Umkodierung– Modalwert, Ausreißer abschneiden

• Faktorenanalyse


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Haushalte im Haus


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Statistische Verfahren

• Clusteranalyse• Kreuztabellen• Logistische Regression in Clustern


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Test der Ergebnisse

Mit einer Stichprobe aus den Trainingsdaten wurden Entscheidungsparameter bestimmt. Damit wurden die restlichen Daten der Trainingsmenge klassifiziert und der Kundenwert berechnet. Das Verfahren wurde mit 10 unterschiedlichen Stichproben wiederholt.


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Ergebnisse


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Data Mining Cup 2003 Aufgabe

Um zumindest die durch Sichten und Löschen der Spams bei den Mitarbeitern verursachten Kosten zu minimieren, kann man Spam-Filter einsetzen. Diese können entweder bereits auf den Mail-Servern (wie etwa SpamAssassin) arbeiten oder auch in das E-Mail-Programm eines Nutzers integriert sein (ein Beispiel hierfür sind die aktuellen Versionen von Mozilla). Ziel dieser Programme ist eine möglichst gute Erkennung unerwünschter Mails, während erwünschte nicht herausgefiltert werden sollten.

Im Rahmen des Wettbewerbs sollten Verfahren des Data-Mining angewandt werden, um eine möglichst gute Klassifikation in Spams und Nicht-Spams bei den Wettbewerbsdaten zu erreichen.

http://www.dfki.de/~damit/DMC2003/index.html


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Szenario

Den Teilnehmern des Data-Mining-Cups wurden 8000 Datensätze mit Klassenzugehörigkeit zum Lernen eines Klassifikators zur Verfügung gestellt, sowie 11177 zu klassififizierende Datensätze, deren Klassenzugehörigkeit nur der Jury bekannt war.

Ziel war es, aus diesen 11177 E-Mails möglichst gut alle Spam-Mails herauszufiltern. Die letztendliche Platzierung ergab sich aus der Anzahl der zugestellten Spams (Falsch-Negative), wobei als Nebenbedingung die Anzahl der versehentlich herausgefilterten Nicht-Spams (Falsch-Positive) 1% aller Nicht-Spam-Mails nicht überschreiten durfte. Teilnehmer, die diesen Prozentsatz überschritten, wurden in der Endwertung nicht berücksichtigt.

Die Teilnehmer erhielten jedoch nicht die E-Mails selbst, sondern eine Reihe beschreibender Merkmale, wie sie der Open-Source Spam-Filter Spam Assassin verwendet.


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Datensichtung

832 MerkmaleID-Anomalie: In hohen ID‘s nur noch

Spam


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Spam Assassin

SpamAssassin prüft für jede E-Mail zunächst das Vorhandensein einer Reihe von Merkmalen. Dieser Merkmalsvektor entspricht den im Wettbewerb vorliegenden Daten. SpamAssassin ordnet jedem dieser Merkmale eine Gewichtung zu. Merkmale, die eher in Spams anzutreffen sind erhalten ein positives Gewicht, Merkmale, die eher dagegen sprechen, dass es sich um Spam handelt, ein negatives. Die genaue Höhe der Gewichte wird vom Autor des Programms mittels eines genetischen Algorithmus und einer großen Datenbank an E-Mails bestimmt, so dass sich eine möglichst gute Klassifikationsleistung mit diesen Daten ergibt.


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Verwendete VerfahrenVerfahren

Algorihmus

Klasse in Weka

Entscheidungsbaum (EB) C4.5 weka.classifiers.trees.j48.J48

Naive Bayes (NB) weka.classifiers.bayes.NaiveBa

yes

Methode der nächsten Nachbarschaft (NN)

(weka.classifiers.lazy.IBk)

Support-Vector Maschine (SVM)

SMOweka.classifiers.functions.supp

ortVector.SMO

Logistische Regression (LR) weka.classifiers.functions.Logist

ic

BoostingAdaBoos

tM1weka.classifiers.meta.AdaBoost

M1

Stacking weka.classifiers.meta.Stacking


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Support-Vektor-Maschinen


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Data Mining Cup 2004

ZeitplanSofort: Anmeldung15.4. Ausgabe der Aufgabe und der

Daten13.5. Abgabe der Ergebnisse22.6. bis 24.6. Data Mining Cup

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