Data Mining (рус. добыча данных, интеллектуальный анализ данных, глубинный анализ данных) — собирательное название, используемое для обозначения совокупности методов обнаружения в данных ранее неизвестных, нетривиальных, практически полезных и доступных интерпретации знаний, необходимых для принятия решений в различных сферах человеческой деятельности. Термин введён Григорием Пятецким-Шапиро в 1989 году^[1][2][3].

Английское словосочетание «Data Mining» пока не имеет устоявшегося перевода на русский язык. При передаче на русском языке используются следующие словосочетания^[4]: просев информации, добыча данных, извлечение данных, а, также, интеллектуальный анализ данных^[5][6][7]. Более полным и точным является словосочетание «обнаружение знаний в базах данных» (knowledge discovering in databases, KDD).

Основу методов Data Mining составляют всевозможные методы классификации, моделирования и прогнозирования, основанные на применении деревьев решений, искусственных нейронных сетей, генетических алгоритмов, эволюционного программирования, ассоциативной памяти, нечёткой логики. К методам Data Mining нередко относят статистические методы (дескриптивный анализ, корреляционный и регрессионный анализ, факторный анализ, дисперсионный анализ, компонентный анализ, дискриминантный анализ, анализ временных рядов). Такие методы, однако, предполагают некоторые априорные представления об анализируемых данных, что несколько расходится с целями Data Mining (обнаружение ранее неизвестных нетривиальных и практически полезных знаний).

Одно из важнейших назначений методов Data Mining состоит в наглядном представлении результатов вычислений, что позволяет использовать инструментарий Data Mining людьми, не имеющих специальной математической подготовки. В то же время, применение статистических методов анализа данных требует хорошего владения теорией вероятностей и математической статистикой.

Введение

Методы Data Mining (или, что то же самое, Knowledge Discovery In Data, сокращённо, KDD) лежат на стыке баз данных, статистики и искусственного интеллекта ^[8].

Исторический экскурс

Область Data Mining началась с семинара (англ. workshop), проведёного Григорием Пятецким-Шапиро в 1989 году.^[1]

Ранее, работая в компании GTE Labs, Григорий Пятецкий-Шапиро заинтересовался вопросом: можно ли автоматически находить определённые правила, чтобы ускорить некоторые запросы к крупным базам данных. Тогда же было предложено два термина — Data Mining («добыча данных»^[9]) и Knowledge Discovery In Data (который следует переводить как «открытие знаний в базах данных»).

В 1993 году вышла первая рассылка «Knowledge Discovery Nuggets», а в 1994 году был создан один из первых сайтов по Data Mining.

Постановка задачи

Первоначально, задача ставится следующим образом:

• имеется достаточно крупная база данных;
• предполагается, что в базе данных находятся некие «скрытые знания».

Необходимо разработать методы обнаружения знаний, скрытых в больших объёмах исходных «сырых» данных.

Что означает «скрытые знания»? Это должны быть обязательно знания:

• ранее не известные — то есть такие знания, которые должны быть новыми (а не подтверждающими какие-то ранее полученные сведения);
• нетривиальные — то есть такие, которые нельзя просто так увидеть (при непосредственном визуальном анализе данных или при вычислении простых статистических характеристик);
• практически полезные — то есть такие знания, которые представляют ценность для исследователя или потребителя;
• доступные для интерпретации — то есть такие знания, которые легко представить в наглядной для пользователя форме и легко объяснить в терминах предметной области.

Эти требования во многом определяют суть методов Data mining и то, в каком виде и в каком соотношении в технологии Data mining используются системы управления базами данных, статистические методы анализа и методы искусственного интеллекта.

Data mining и базы данных

Методы Data mining имеет смысл применять только для достаточно больших баз данных. В каждой конкретной области исследований существует свой критерий «великости» базы данных.

Развитие технологий баз данных сначала привело к созданию специализированного языка — языка запросов к базам данных. Для реляционных баз данных — это язык SQL, который предоставил широкие возможности для создания, изменения и извлечения хранимых данных. Затем возникла необходимость в получении аналитической информации (например, информации о деятельности предприятия за определённый период), и тут оказалось, что традиционные реляционные базы данных, хорошо приспособленные, например, для ведения оперативного учёта (на предприятии), плохо приспособлены для проведения анализа. это привело, в свою очередь, к созданию т.н. «хранилищ данных», сама структура которых наилучшим способом соответствует проведению всестороннего математического анализа.

Data mining и статистика

В основе методов Data mining лежат математические методы обработки данных, включая и статистические методы. В промышленных решениях, нередко, такие методы непосредственно включаются в пакеты Data mining. Однако, следует учитывать, что часто исследователи для упрощения необоснованно используют параметрические тесты вместо непараметрических, и во вторых, результаты анализа трудно интерпретируемы^{[источник не указан 172 дня]} , что полностью расходится с целями и задачами Data mining^{[источник не указан 172 дня]}. Тем не менее, статистические методы используются, но их применение ограничивается выполнением только определённых этапов исследования.

Data mining и искусственный интеллект

Знания, добываемые методами Data mining принято представлять в виде моделей. В качестве таких моделей выступают:

• ассоциативные правила;
• деревья решений;
• кластеры;
• математические функции.

Методы построения таких моделей принято относить к области т.н. «искусственного интеллекта».

Задачи

Задачи, решаемые методами Data Mining, принято разделять на описательные (англ. descriptive) и предсказательные (англ. predictive).

В описательных задачах самое главное — это дать наглядное описание имеющихся скрытых закономерностей, в то время как в предсказательных задачах на первом плане стоит вопрос о предсказании для тех случаев, для которых данных ещё нет.

К описательным задачам относятся:

• поиск ассоциативных правил или паттернов (образцов);
• группировка объектов, кластерный анализ;
• построение регрессионной модели.

К предсказательным задачам относятся:

• классификация объектов (для заранее заданных классов);
• регрессионный анализ, анализ временны́х рядов.

Алгоритмы обучения

Для задач классификации характерно «обучение с учителем», при котором построение (обучение) модели производится по выборке, содержащей входные и выходные векторы.

Для задач кластеризации и ассоциации применяется «обучение без учителя», при котором построение модели производится по выборке, в которой нет выходного параметра. Значение выходного параметра («относится к кластеру …», «похож на вектор …») подбирается автоматически в процессе обучения.

Для задач сокращения описания характерно отсутствие разделения на входные и выходные векторы. Начиная с классических работ К. Пирсона по методу главных компонент, основное внимание уделяется аппроксимации данных.

Этапы обучения

Выделяется типичный ряд этапов решения задач методами Data Mining:

1. Формирование гипотезы;
2. Сбор данных;
3. Подготовка данных (фильтрация);
4. Выбор модели;
5. Подбор параметров модели и алгоритма обучения;
6. Обучение модели (автоматический поиск остальных параметров модели);
7. Анализ качества обучения, если неудовлетворительный переход на п. 5 или п. 4;
8. Анализ выявленных закономерностей, если неудовлетворительный переход на п. 1, 4 или 5.

Подготовка данных

Перед использованием алгоритмов Data Mining необходимо произвести подготовку набора анализируемых данных. Так как ИАД может обнаружить только присутствующие в данных закономерности, исходные данные с одной стороны должны иметь достаточный объем, чтобы эти закономерности в них присутствовали, а с другой — быть достаточно компактными, чтобы анализ занял приемлемое время. Чаще всего в качестве исходных данных выступают хранилища или витрины данных. Подготовка необходима для анализа многомерных данных до кластеризации или интеллектуального анализа данных.

Далее данные очищаются. Очистка удаляет выборки с шумами и пропущенными данными.

Очищенные данные сводятся к векторам признаков, один вектор на выборку. Вектор признаков — это суммарная версия сырых данных выборки. Например, черно-белое изображение лица размером 100×100 пикселей содержит 10 тыс. бит сырых данных. Они могут быть преобразованы в вектор признаков путем обнаружения в изображении глаз и рта. В итоге происходит уменьшение объема данных с 10 тыс. бит до списка кодов положения, значительно уменьшая объем анализируемых данных, а значит и время анализа. Выбор функции будет зависеть от того, что является целью анализа; выбор «правильной» функции имеет основополагающее значение для успешного интеллектуального анализа данных.

Векторы признаков делятся на две категории — обучающий набор и тестовый набор. Обучающий набор используется для «обучения» алгоритма Data Mining, а тестовый набор — для проверки найденных закономерностей.

См. также

• Анализ формальных понятий
• Очистка данных
• Прикладная статистика
• Искусственная нейронная сеть
• Нейронная сеть Кохонена
• Метод опорных векторов
• Netflix Prize
• Вертикальный поиск
• ДСМ-метод
• Нечёткая логика
• Вероятностная нейронная сеть Решетова

Примечания