大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。
看了数据挖掘的异常检测部分,写一点笔记。
1.0 概述
什么是数据挖掘:数据挖掘
什么是异常检测:异常检测
异常检测的目标是发现与大部分其他对象不同的对象。通常,异常对象被称为离群点,因为在数据的散布图中,他们远离其他数据点。异常检测也称为偏差检测、例外挖掘。
异常检测的方法各种各样,所有这些的思想都是:异常的数据对象是不寻常的,或者在某些方面与其他对象不一致。
1.1 异常的成因
- 数据来源于不同的类
- 自然变异
- 数据测量和收集误差
1.2 异常检测方法
1. 基于模型的技术
首先建立一个模型,异常是那些不能完美匹配的对象。例如,数据分布模型可以通过估计概率分布的参数来创建。如果一个对象不能很好地同该模型拟合,即如果它很可能不服从该分布,则它是一个异常。
2. 基于近邻度的技术
可以在对象之间定义邻近性度量,许多异常检测方法都基于邻近度。异常对象是那些远离大部分其他对象的对象。当数据用二维或三维散布图显示,可以从视觉上检测出基于距离的离群点。
3. 基于密度的技术
对象的密度估计可以相对直接地计算,特别是当对象之间存在近邻性度量时,低密度区域中的对象相对远离近邻,可能被看做异常。
1.3 类标号的使用
异常检测的三种基本方法:
- 非监督的
- 监督的
- 半监督的
三者的主要区别至少对于对于某些数据而言是类标号(异常或正常)可以利用的程度。
1. 监督的异常检测
要求存在异常类和正常类的训练集(注意:可能有多个正常类或者异常类)
2. 非监督的异常检测
没有提供类标号。在这种情况下,目标是将一个得分(或标号)赋予每个实例,反映该实例是异常的程度。注意,许多相似的异常可能会导致被标记为正常,或有较低的离群点得分。
3. 半监督的异常检测
训练数据包含被标记的正常数据,但是没有关于异常对象的信息。目标是使用有标记的正常对象的信息,对于给定的对象集合,发现异常标号。
1.4 问题
1. 用于定义异常的属性个数
对象可以有许多属性,它可能在某些属性上具有异常值,而在其他属性上具有正常值。注意,即使一个对象的所有属性值都不是异常,对象也可能异常。
2. 点的异常程度
二元方式报告对象是否异常:要么正常要么不正常。这不能反映某些对象比其他对象更加极端异常的基本事实。需要有某种对象异常程度的评估,这种评估称为异常或离群点得分。
3. 全局观点与局部观点
一个对象可能相对于所有对象看上去不正常,但是相对于它的局部近邻并非如此。
4. 一次识别一个与多个异常
一次一个:每次识别并删除最异常的实例,重复该过程。一次多个:异常集族一起识别。前者常遇到屏蔽问题,后者可能陷入泥潭。
5. 评估
6. 有效性
各种方案的计算开销显著不同。
2.0 统计方法
统计学方法是基于模型的方法,即为数据创建模型,根据对象的拟合程度来评估他们。
定义 离群点:离群点是一个对象,关于数据的概率分布模型,它具有低概率。
问题:
1. 识别数据集的具体分布
2. 使用属性的个数
3. 混合分布
2.1 检测一元正态分布的离群点
高斯分布 N(μ,σ),第一个参数为均值,第二个为标准差。下图为均值为0,标准差为1的高斯分布的概率密度函数:
来自N(0,1)分布的对象,出现在尾部的机会很小
因为值到N(0,1)分布中心的距离 c 直接与该值的概率相关,因此可以使用它作为检测对象(值)是否是离群点的基础。
2.2 多元正态分布的离群点
由于不同变量(属性)之间的相关性,多元正态分布并不关于它的中心对称,如下图,该分布均值为(0,0),协方差矩阵为
什么是协方差矩阵: 协方差矩阵
如果我们打算用一个简单的阀值来决定一个对象是否是离群点,可以用 Mahalanobis 距离,它是是一种考虑数据分布形状的距离度量。
2.3 异常检测的混合模型方法
数据用两个分布的混合模型建模,一个分布为普通数据;另一个为离群点。
初始时将所有对象放入普通对象集,而异常对象集为空。然后用一个迭代过程将对象从普通集转移到异常集,只要该转移能提高数据的总似然(数据和模型之间的相似度)。
假定数据集D包含来自两个概率分布的对象:M是大多数(正常)对象的分布,A是异常对象的分布,则数据的总概率分布可以记作:D(x) = (1 – λ) + λA(x)
其中,x是一个对象,λ是一个0 – 1之间的数,给出离群点的期望比例。M由数据估计,A通常取均匀分布。初始时刻 t = 0,M0 = D,A0为空。在任意时刻 t,整个数据集的似然和对数似然分别为以下两式:
PD、PMt 和 PAt 分别是 D、Mt 和 At 的概率分布函数。
因为正常对象的数量比异常对象大得多,因此当一个对象移动到异常集后,正常的分布变化不大。这时,每个正常对象对正常对象的总似然的贡献保持相对不变。
另外,如果假定异常服从均匀分布,则移动到异常集的每个对象对异常的似然贡献一个固定的量。这样,当一个对象移动到异常集时,数据总似然的改变粗略等于该对象在均匀分布下的概率(用λ加权)减去该对象在正常数据点的分布下的概率(用1-λ加权)。从而,异常集由这样一些对象组成,这些对象在均匀分布下的概率明显比在正常对象分布下的概率高。
3. 基于邻近度的离群点检测
基本概念很简单,一个对象是异常的,则它远离大部分点。
度量一个对象是否远离大部分点的一种最简单的方法是使用 k-最近邻的距离。离群点得分的最低值是0,而最高值是距离函数的可能最大值,一般为无穷大。
定义 到 k 最近邻的距离: 一个对象的离群点得分由由它的 k-最近邻的距离给定。
什么是 k 近邻算法:K近邻算法
如下图,使用 k = 5,每个点的阴影指明它的离群点得分,注意,边缘的点C被正确地赋予最高离群点得分。
离群点得分对 k 的取值高度敏感。如果k太小,则少量的邻近离群点可能导致较低的离群点得分;如果K太大,则点数少于k的簇中所有的对象可能都成了离群点。为了使该方案对于k的选取更具有鲁棒性,可以使用k个最近邻的平均距离。
4. 基于密度的离群点检测
定义 基于密度的离群点:一个对象的离群点得分是该对象周围密度的逆。
基于密度的离群点检测与基于邻近度的离群点检测密切相关,因为密度常用邻近度定义。
一种常用的定义密度的方法是:定义密度为到 k 个最近邻的平均距离的倒数。如果该距离小,则密度高,反之亦然。
定义 给定半径内的点计数:一个对象周围的密度等于该对象指定距离d内对象的个数。
注意,d的选取要小心。如果太小,则许多正常点可能具有低密度,从而具有高离群点得分。如果太大,则许多离群点可能具有与正常点类似的密度和离群点得分。
5.0 基于聚类的技术
什么是聚类:聚类
聚类分析发现强相关的对象组,而异常检测发现不与其他对象强相关的对象。因此聚类可以用于异常检测。
1. 一种方法是丢弃远离其他簇的小簇。这种方法需要最小簇大小和小簇与其他簇之间距离的阀值。
2. 一种更系统的方法是,首先聚类所有对象,然后评估对象属于簇的程度。对于基于原型的聚类(原型是指样本空间中具有代表性的点),可以用对象到它的簇中心的距离来度量对象属于簇的程度。更一般地,对于基于目标函数的聚类技术,可以使用该函数来评估对象属于任意簇的程度。
定义 基于聚类的离群点:一个对象是基于聚类的离群点,如果该对象不强属于任何簇
5.1 评估对象属于簇的程度
1. 对于基于原型的聚类,评估对象属于簇的程度的方法有多种。一种方法是度量对象到簇原型的距离,并用它作为该对象的离群点得分。如果簇具有不同的密度,可以构造一种离群点得分,度量对象到簇原型的相对距离。另一种方法是使用 Mahalanobis 距离。
2. 对于具有目标函数的聚类技术,可以将离群点得分赋予对象。该得分反映删除对象后目标函数的改进。
5.2 离群点对初始聚类的影响
通过聚类检测离群点,会产生离群点影响聚类的问题,可以使用如下方法处理:
1. 对象聚类,删除离群点,对象再次聚类。不能保证产生最优结果,但容易使用。
2. 取一组不能很好拟合任何簇的特殊对象,代表潜在的离群点。随着聚类过程的进栈,簇在变化,不再强属于任何簇的对象被添加到潜在的离群点集合。而当前在该集合中的对象被测试,如果它现在强属于一个簇,就可以将它从潜在的离群点集合移出。
5.3 使用簇的个数
诸如 K 均值等聚类技术并不能自动地确定簇的个数。在使用聚类进行离群点检测时这是一个问题,因为对象是否被认为是离群点可能依赖于簇的个数。
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