The Efficient Discovery of Interesting Closed Pattern Collections

Enumerating closed sets that are frequent in a given database is a fundamental data mining technique that is used, e.g., in the context of market basket analysis, fraud detection, or Web personalization. There are two complementing reasons for the importance of closed sets---one semantical and one algorithmic: closed sets provide a condensed basis for non-redundant collections of interesting local patterns, and they can be enumerated efficiently. For many databases, however, even the closed set collection can be way too large for further usage and correspondingly its computation time can be infeasibly long. In such cases, it is inevitable to focus on smaller collections of closed sets, and it is essential that these collections retain both: controlled semantics reflecting some notion of interestingness as well as efficient enumerability. This thesis discusses three different approaches to achieve this: constraint-based closed set extraction, pruning by quantifying the degree or strength of closedness, and controlled random generation of closed sets instead of exhaustive enumeration. For the original closed set family, efficient enumerability results from the fact that there is an inducing efficiently computable closure operator and that its fixpoints can be enumerated by an amortized polynomial number of closure computations. Perhaps surprisingly, it turns out that this connection does not generally hold for other constraint combinations, as the restricted domains induced by additional constraints can cause two things to happen: the fixpoints of the closure operator cannot be enumerated efficiently or an inducing closure operator does not even exist. This thesis gives, for the first time, a formal axiomatic characterization of constraint classes that allow to efficiently enumerate fixpoints of arbitrary closure operators as well as of constraint classes that guarantee the existence of a closure operator inducing the closed sets. As a complementary approach, the thesis generalizes the notion of closedness by quantifying its strength, i.e., the difference in supporting database records between a closed set and all its supersets. This gives rise to a measure of interestingness that is able to select long and thus particularly informative closed sets that are robust against noise and dynamic changes. Moreover, this measure is algorithmically sound because all closed sets with a minimum strength again form a closure system that can be enumerated efficiently and that directly ties into the results on constraint-based closed sets. In fact both approaches can easily be combined. In some applications, however, the resulting set of constrained closed sets is still intractably large or it is too difficult to find meaningful hard constraints at all (including values for their parameters). Therefore, the last part of this thesis presents an alternative algorithmic paradigm to the extraction of closed sets: instead of exhaustively listing a potentially exponential number of sets, randomly generate exactly the desired amount of them. By using the Markov chain Monte Carlo method, this generation can be performed according to any desired probability distribution that favors interesting patterns. This novel randomized approach complements traditional enumeration techniques (including those mentioned above): On the one hand, it is only applicable in scenarios that do not require deterministic guarantees for the output such as exploratory data analysis or global model construction. On the other hand, random closed set generation provides complete control over the number as well as the distribution of the produced sets.Das Aufzählen abgeschlossener Mengen (closed sets), die häufig in einer gegebenen Datenbank vorkommen, ist eine algorithmische Grundaufgabe im Data Mining, die z.B. in Warenkorbanalyse, Betrugserkennung oder Web-Personalisierung auftritt. Die Wichtigkeit abgeschlossener Mengen ist semantisch als auch algorithmisch begründet: Sie bilden eine nicht-redundante Basis zur Erzeugung von lokalen Mustern und können gleichzeitig effizient aufgezählt werden. Allerdings kann die Anzahl aller abgeschlossenen Mengen, und damit ihre Auflistungszeit, das Maß des effektiv handhabbaren oft deutlich übersteigen. In diesem Fall ist es unvermeidlich, kleinere Ausgabefamilien zu betrachten, und es ist essenziell, dass dabei beide o.g. Eigenschaften erhalten bleiben: eine kontrollierte Semantik im Sinne eines passenden Interessantheitsbegriffes sowie effiziente Aufzählbarkeit. Diese Arbeit stellt dazu drei Ansätze vor: das Einführen zusätzlicher Constraints, die Quantifizierung der Abgeschlossenheit und die kontrollierte zufällige Erzeugung einzelner Mengen anstelle von vollständiger Aufzählung. Die effiziente Aufzählbarkeit der ursprünglichen Familie abgeschlossener Mengen rührt daher, dass sie durch einen effizient berechenbaren Abschlussoperator erzeugt wird und dass desweiteren dessen Fixpunkte durch eine amortisiert polynomiell beschränkte Anzahl von Abschlussberechnungen aufgezählt werden können. Wie sich herausstellt ist dieser Zusammenhang im Allgemeinen nicht mehr gegeben, wenn die Funktionsdomäne durch Constraints einschränkt wird, d.h., dass die effiziente Aufzählung der Fixpunkte nicht mehr möglich ist oder ein erzeugender Abschlussoperator unter Umständen gar nicht existiert. Diese Arbeit gibt erstmalig eine axiomatische Charakterisierung von Constraint-Klassen, die die effiziente Fixpunktaufzählung von beliebigen Abschlussoperatoren erlauben, sowie von Constraint-Klassen, die die Existenz eines erzeugenden Abschlussoperators garantieren. Als ergänzenden Ansatz stellt die Dissertation eine Generalisierung bzw. Quantifizierung des Abgeschlossenheitsbegriffs vor, der auf der Differenz zwischen den Datenbankvorkommen einer Menge zu den Vorkommen all seiner Obermengen basiert. Mengen, die bezüglich dieses Begriffes stark abgeschlossen sind, weisen eine bestimmte Robustheit gegen Veränderungen der Eingabedaten auf. Desweiteren wird die gewünschte effiziente Aufzählbarkeit wiederum durch die Existenz eines effizient berechenbaren erzeugenden Abschlussoperators sichergestellt. Zusätzlich zu dieser algorithmischen Parallele zum Constraint-basierten Vorgehen, können beide Ansätze auch inhaltlich kombiniert werden. In manchen Anwendungen ist die Familie der abgeschlossenen Mengen, zu denen die beiden oben genannten Ansätze führen, allerdings immer noch zu groß bzw. ist es nicht möglich, sinnvolle harte Constraints und zugehörige Parameterwerte zu finden. Daher diskutiert diese Arbeit schließlich noch ein völlig anderes Paradigma zur Erzeugung abgeschlossener Mengen als vollständige Auflistung, nämlich die randomisierte Generierung einer Anzahl von Mengen, die exakt den gewünschten Vorgaben entspricht. Durch den Einsatz der Markov-Ketten-Monte-Carlo-Methode ist es möglich die Verteilung dieser Zufallserzeugung so zu steuern, dass das Ziehen interessanter Mengen begünstigt wird. Dieser neue Ansatz bildet eine sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Techniken (einschließlich der oben genannten): Er ist zwar nur anwendbar, wenn keine deterministischen Garantien erforderlich sind, erlaubt aber andererseits eine vollständige Kontrolle über Anzahl und Verteilung der produzierten Mengen

Similarity processing in multi-observation data

Many real-world application domains such as sensor-monitoring systems for environmental research or medical diagnostic systems are dealing with data that is represented by multiple observations. In contrast to single-observation data, where each object is assigned to exactly one occurrence, multi-observation data is based on several occurrences that are subject to two key properties: temporal variability and uncertainty. When defining similarity between data objects, these properties play a significant role. In general, methods designed for single-observation data hardly apply for multi-observation data, as they are either not supported by the data models or do not provide sufficiently efficient or effective solutions. Prominent directions incorporating the key properties are the fields of time series, where data is created by temporally successive observations, and uncertain data, where observations are mutually exclusive. This thesis provides research contributions for similarity processing - similarity search and data mining - on time series and uncertain data. The first part of this thesis focuses on similarity processing in time series databases. A variety of similarity measures have recently been proposed that support similarity processing w.r.t. various aspects. In particular, this part deals with time series that consist of periodic occurrences of patterns. Examining an application scenario from the medical domain, a solution for activity recognition is presented. Finally, the extraction of feature vectors allows the application of spatial index structures, which support the acceleration of search and mining tasks resulting in a significant efficiency gain. As feature vectors are potentially of high dimensionality, this part introduces indexing approaches for the high-dimensional space for the full-dimensional case as well as for arbitrary subspaces. The second part of this thesis focuses on similarity processing in probabilistic databases. The presence of uncertainty is inherent in many applications dealing with data collected by sensing devices. Often, the collected information is noisy or incomplete due to measurement or transmission errors. Furthermore, data may be rendered uncertain due to privacy-preserving issues with the presence of confidential information. This creates a number of challenges in terms of effectively and efficiently querying and mining uncertain data. Existing work in this field either neglects the presence of dependencies or provides only approximate results while applying methods designed for certain data. Other approaches dealing with uncertain data are not able to provide efficient solutions. This part presents query processing approaches that outperform existing solutions of probabilistic similarity ranking. This part finally leads to the application of the introduced techniques to data mining tasks, such as the prominent problem of probabilistic frequent itemset mining.Viele Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die Umweltforschung oder die medizinische Diagnostik, nutzen Systeme der Sensorüberwachung. Solche Systeme müssen oftmals in der Lage sein, mit Daten umzugehen, welche durch mehrere Beobachtungen repräsentiert werden. Im Gegensatz zu Daten mit nur einer Beobachtung (Single-Observation Data) basieren Daten aus mehreren Beobachtungen (Multi-Observation Data) auf einer Vielzahl von Beobachtungen, welche zwei Schlüsseleigenschaften unterliegen: Zeitliche Veränderlichkeit und Datenunsicherheit. Im Bereich der Ähnlichkeitssuche und im Data Mining spielen diese Eigenschaften eine wichtige Rolle. Gängige Lösungen in diesen Bereichen, die für Single-Observation Data entwickelt wurden, sind in der Regel für den Umgang mit mehreren Beobachtungen pro Objekt nicht anwendbar. Der Grund dafür liegt darin, dass diese Ansätze entweder nicht mit den Datenmodellen vereinbar sind oder keine Lösungen anbieten, die den aktuellen Ansprüchen an Lösungsqualität oder Effizienz genügen. Bekannte Forschungsrichtungen, die sich mit Multi-Observation Data und deren Schlüsseleigenschaften beschäftigen, sind die Analyse von Zeitreihen und die Ähnlichkeitssuche in probabilistischen Datenbanken. Während erstere Richtung eine zeitliche Ordnung der Beobachtungen eines Objekts voraussetzt, basieren unsichere Datenobjekte auf Beobachtungen, die sich gegenseitig bedingen oder ausschließen. Diese Dissertation umfasst aktuelle Forschungsbeiträge aus den beiden genannten Bereichen, wobei Methoden zur Ähnlichkeitssuche und zur Anwendung im Data Mining vorgestellt werden. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Ähnlichkeitssuche und Data Mining in Zeitreihendatenbanken. Insbesondere werden Zeitreihen betrachtet, welche aus periodisch auftretenden Mustern bestehen. Im Kontext eines medizinischen Anwendungsszenarios wird ein Ansatz zur Aktivitätserkennung vorgestellt. Dieser erlaubt mittels Merkmalsextraktion eine effiziente Speicherung und Analyse mit Hilfe von räumlichen Indexstrukturen. Für den Fall hochdimensionaler Merkmalsvektoren stellt dieser Teil zwei Indexierungsmethoden zur Beschleunigung von ähnlichkeitsanfragen vor. Die erste Methode berücksichtigt alle Attribute der Merkmalsvektoren, während die zweite Methode eine Projektion der Anfrage auf eine benutzerdefinierten Unterraum des Vektorraums erlaubt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Ähnlichkeitssuche im Kontext probabilistischer Datenbanken behandelt. Daten aus Sensormessungen besitzen häufig Eigenschaften, die einer gewissen Unsicherheit unterliegen. Aufgrund von Mess- oder übertragungsfehlern sind gemessene Werte oftmals unvollständig oder mit Rauschen behaftet. In diversen Szenarien, wie beispielsweise mit persönlichen oder medizinisch vertraulichen Daten, können Daten auch nachträglich von Hand verrauscht werden, so dass eine genaue Rekonstruktion der ursprünglichen Informationen nicht möglich ist. Diese Gegebenheiten stellen Anfragetechniken und Methoden des Data Mining vor einige Herausforderungen. In bestehenden Forschungsarbeiten aus dem Bereich der unsicheren Datenbanken werden diverse Probleme oftmals nicht beachtet. Entweder wird die Präsenz von Abhängigkeiten ignoriert, oder es werden lediglich approximative Lösungen angeboten, welche die Anwendung von Methoden für sichere Daten erlaubt. Andere Ansätze berechnen genaue Lösungen, liefern die Antworten aber nicht in annehmbarer Laufzeit zurück. Dieser Teil der Arbeit präsentiert effiziente Methoden zur Beantwortung von Ähnlichkeitsanfragen, welche die Ergebnisse absteigend nach ihrer Relevanz, also eine Rangliste der Ergebnisse, zurückliefern. Die angewandten Techniken werden schließlich auf Problemstellungen im probabilistischen Data Mining übertragen, um beispielsweise das Problem des Frequent Itemset Mining unter Berücksichtigung des vollen Gehalts an Unsicherheitsinformation zu lösen

SemAware: An Ontology-Based Web Recommendation System

Web Recommendation Systems (WRS\u27s) are used to recommend items and future page views to world wide web users. Web usage mining lays the platform for WRS\u27s, as results of mining user browsing patterns are used for recommendation and prediction. Existing WRS\u27s are still limited by several problems, some of which are the problem of recommending items to a new user whose browsing history is not available (Cold Start), sparse data structures (Sparsity), and no diversity in the set of recommended items (Content Overspecialization). Existing WRS\u27s also fail to make full use of the semantic information about items and the relations (e.g., is-a, has-a, part-of) among them. A domain ontology, advocated by the Semantic Web, provides a formal representation of domain knowledge with relations, concepts and axioms.This thesis proposes SemAware system, which integrates domain ontology into web usage mining and web recommendation, and increases the effectiveness and efficiency of the system by solving problems of cold start, sparsity, content overspecialization and complexity-accuracy tradeoffs. SemAware technique includes enriching the web log with semantic information through a proposed semantic distance measure based on Jaccard coefficient. A matrix of semantic distances is then used in Semantics-aware Sequential Pattern Mining (SPM) of the web log, and is also integrated with the transition probability matrix of Markov models built from the web log. In the recommendation phase, the proposed SPM and Markov models are used to add interpretability. The proposed recommendation engine uses vector-space model to build anitem-concept correlation matrix in combination with user-provided tags to generate top-n recommendation.Experimental studies show that SemAware outperforms popular recommendation algorithms, and that its proposed components are effective and efficient for solving the contradicting predictions problem, the scalability and sparsity of SPM and top-n recommendations, and content overspecialization problems

New Fundamental Technologies in Data Mining

The progress of data mining technology and large public popularity establish a need for a comprehensive text on the subject. The series of books entitled by "Data Mining" address the need by presenting in-depth description of novel mining algorithms and many useful applications. In addition to understanding each section deeply, the two books present useful hints and strategies to solving problems in the following chapters. The contributing authors have highlighted many future research directions that will foster multi-disciplinary collaborations and hence will lead to significant development in the field of data mining