Mining Frequent Itemsets over Uncertain Databases

In recent years, due to the wide applications of uncertain data, mining frequent itemsets over uncertain databases has attracted much attention. In uncertain databases, the support of an itemset is a random variable instead of a fixed occurrence counting of this itemset. Thus, unlike the corresponding problem in deterministic databases where the frequent itemset has a unique definition, the frequent itemset under uncertain environments has two different definitions so far. The first definition, referred as the expected support-based frequent itemset, employs the expectation of the support of an itemset to measure whether this itemset is frequent. The second definition, referred as the probabilistic frequent itemset, uses the probability of the support of an itemset to measure its frequency. Thus, existing work on mining frequent itemsets over uncertain databases is divided into two different groups and no study is conducted to comprehensively compare the two different definitions. In addition, since no uniform experimental platform exists, current solutions for the same definition even generate inconsistent results. In this paper, we firstly aim to clarify the relationship between the two different definitions. Through extensive experiments, we verify that the two definitions have a tight connection and can be unified together when the size of data is large enough. Secondly, we provide baseline implementations of eight existing representative algorithms and test their performances with uniform measures fairly. Finally, according to the fair tests over many different benchmark data sets, we clarify several existing inconsistent conclusions and discuss some new findings.Comment: VLDB201

Mining probabilistic representative frequent patterns from uncertain data

Copyright © SIAM. Probabilistic frequent pattern mining over uncertain data has received a great deal of attention recently due to the wide applications of uncertain data. Similar to its counterpart in deterministic databases, however, probabilistic frequent pattern mining suffers from the same problem of generating an exponential number of result patterns. The large number of discovered patterns hinders further evaluation and analysis, and calls for the need to find a small number of representative patterns to approximate all other patterns. This paper formally defines the problem of probabilistic representative frequent pattern (P-RFP) mining, which aims to find the minimal set of patterns with sufficiently high probability to represent all other patterns. The problem's bottleneck turns out to be checking whether a pattern can probabilistically represent another, which involves the computation of a joint probability of supports of two patterns. To address the problem, we propose a novel and efficient dynamic programming-based approach. Moreover, we have devised a set of effective optimization strategies to further improve the computation efficiency. Our experimental results demonstrate that the proposed P-RFP mining effectively reduces the size of probabilistic frequent patterns. Our proposed approach not only discovers the set of P-RFPs efficiently, but also restores the frequency probability information of patterns with an error guarantee

Model-based probabilistic frequent itemset mining

Data uncertainty is inherent in emerging applications such as location-based services, sensor monitoring systems, and data integration. To handle a large amount of imprecise information, uncertain databases have been recently developed. In this paper, we study how to efficiently discover frequent itemsets from large uncertain databases, interpreted under the Possible World Semantics. This is technically challenging, since an uncertain database induces an exponential number of possible worlds. To tackle this problem, we propose a novel methods to capture the itemset mining process as a probability distribution function taking two models into account: the Poisson distribution and the normal distribution. These model-based approaches extract frequent itemsets with a high degree of accuracy and support large databases. We apply our techniques to improve the performance of the algorithms for (1) finding itemsets whose frequentness probabilities are larger than some threshold and (2) mining itemsets with the {Mathematical expression} highest frequentness probabilities. Our approaches support both tuple and attribute uncertainty models, which are commonly used to represent uncertain databases. Extensive evaluation on real and synthetic datasets shows that our methods are highly accurate and four orders of magnitudes faster than previous approaches. In further theoretical and experimental studies, we give an intuition which model-based approach fits best to different types of data sets. © 2012 The Author(s).published_or_final_versio

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

Generalised Interaction Mining: Probabilistic, Statistical and Vectorised Methods in High Dimensional or Uncertain Databases

Knowledge Discovery in Databases (KDD) is the non-trivial process of identifying valid, novel, useful and ultimately understandable patterns in data. The core step of the KDD process is the application of Data Mining (DM) algorithms to efficiently find interesting patterns in large databases. This thesis concerns itself with three inter-related themes: Generalised interaction and rule mining; the incorporation of statistics into novel data mining approaches; and probabilistic frequent pattern mining in uncertain databases. An interaction describes an effect that variables have -- or appear to have -- on each other. Interaction mining is the process of mining structures on variables describing their interaction patterns -- usually represented as sets, graphs or rules. Interactions may be complex, represent both positive and negative relationships, and the presence of interactions can influence another interaction or variable in interesting ways. Finding interactions is useful in domains ranging from social network analysis, marketing, the sciences, e-commerce, to statistics and finance. Many data mining tasks may be considered as mining interactions, such as clustering; frequent itemset mining; association rule mining; classification rules; graph mining; flock mining; etc. Interaction mining problems can have very different semantics, pattern definitions, interestingness measures and data types. Solving a wide range of interaction mining problems at the abstract level, and doing so efficiently -- ideally more efficiently than with specialised approaches, is a challenging problem. This thesis introduces and solves the Generalised Interaction Mining (GIM) and Generalised Rule Mining (GRM) problems. GIM and GRM use an efficient and intuitive computational model based purely on vector valued functions. The semantics of the interactions, their interestingness measures and the type of data considered are flexible components of vectorised frameworks. By separating the semantics of a problem from the algorithm used to mine it, the frameworks allow both to vary independently of each other. This makes it easier to develop new methods by focusing purely on a problem's semantics and removing the burden of designing an efficient algorithm. By encoding interactions as vectors in the space (or a sub-space) of samples, they provide an intuitive geometric interpretation that inspires novel methods. By operating in time linear in the number of interesting interactions that need to be examined, the GIM and GRM algorithms are optimal. The use of GRM or GIM provides efficient solutions to a range of problems in this thesis, including graph mining, counting based methods, itemset mining, clique mining, a clustering problem, complex pattern mining, negative pattern mining, solving an optimisation problem, spatial data mining, probabilistic itemset mining, probabilistic association rule mining, feature selection and generation, classification and multiplication rule mining. Data mining is a hypothesis generating endeavour, examining large databases for patterns suggesting novel and useful knowledge to the user. Since the database is a sample, the patterns found should describe hypotheses about the underlying process generating the data. In searching for these patterns, a DM algorithm makes additional hypothesis when it prunes the search space. Natural questions to ask then, are: "Does the algorithm find patterns that are statistically significant?" and "Did the algorithm make significant decisions during its search?". Such questions address the quality of patterns found though data mining and the confidence that a user can have in utilising them. Finally, statistics has a range of useful tools and measures that are applicable in data mining. In this context, this thesis incorporates statistical techniques -- in particular, non-parametric significance tests and correlation -- directly into novel data mining approaches. This idea is applied to statistically significant and relatively class correlated rule based classification of imbalanced data sets; significant frequent itemset mining; mining complex correlation structures between variables for feature selection; mining correlated multiplication rules for interaction mining and feature generation; and conjunctive correlation rules for classification. The application of GIM or GRM to these problems lead to efficient and intuitive solutions. Frequent itemset mining (FIM) is a fundamental problem in data mining. While it is usually assumed that the items occurring in a transaction are known for certain, in many applications the data is inherently noisy or probabilistic; such as adding noise in privacy preserving data mining applications, aggregation or grouping of records leading to estimated purchase probabilities, and databases capturing naturally uncertain phenomena. The consideration of existential uncertainty of item(sets) makes traditional techniques inapplicable. Prior to the work in this thesis, itemsets were mined if their expected support is high. This returns only an estimate, ignores the probability distribution of support, provides no confidence in the results, and can lead to scenarios where itemsets are labeled frequent even if they are more likely to be infrequent. Clearly, this is undesirable. This thesis proposes and solves the Probabilistic Frequent Itemset Mining (PFIM) problem, where itemsets are considered interesting if the probability that they are frequent is high. The problem is solved under the possible worlds model and a proposed probabilistic framework for PFIM. Novel and efficient methods are developed for computing an itemset's exact support probability distribution and frequentness probability, using the Poisson binomial recurrence, generating functions, or a Normal approximation. Incremental methods are proposed to answer queries such as finding the top-k probabilistic frequent itemsets. A number of specialised PFIM algorithms are developed, with each being more efficient than the last: ProApriori is the first solution to PFIM and is based on candidate generation and testing. ProFP-Growth is the first probabilistic FP-Growth type algorithm and uses a proposed probabilistic frequent pattern tree (Pro-FPTree) to avoid candidate generation. Finally, the application of GIM leads to GIM-PFIM; the fastest known algorithm for solving the PFIM problem. It achieves orders of magnitude improvements in space and time usage, and leads to an intuitive subspace and probability-vector based interpretation of PFIM.Knowledge Discovery in Datenbanken (KDD) ist der nicht-triviale Prozess, gültiges, neues, potentiell nützliches und letztendlich verständliches Wissen aus großen Datensätzen zu extrahieren. Der wichtigste Schritt im KDD Prozess ist die Anwendung effizienter Data Mining (DM) Algorithmen um interessante Muster ("Patterns") in Datensätzen zu finden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit drei verwandten Themen: Generalised Interaction und Rule Mining, die Einbindung von statistischen Methoden in neue DM Algorithmen und Probabilistic Frequent Itemset Mining (PFIM) in unsicheren Daten. Eine Interaktion ("Interaction") beschreibt den Einfluss, den Variablen aufeinander haben. Interaktionsmining ist der Prozess, Strukturen zwischen Variablen zu finden, die Interaktionsmuster beschreiben. Diese werden gewöhnlicherweise als Mengen, Graphen oder Regeln repräsentiert. Interaktionen können komplex sein und sowohl positive als auch negative Beziehungen repräsentieren. Außerdem kann das Vorhandensein von Interaktionen andere Interaktionen oder Variablen beeinflussen. Interaktionen stellen in Bereichen wie Soziale Netzwerk Analyse, Marketing, Wissenschaft, E-commerce, Statistik und Finanz wertvolle Information dar. Viele DM Methoden können als Interaktionsmining betrachtet werden: Zum Beispiel Clustering, Frequent Itemset Mining, Assoziationsregeln, Klassifikationsregeln, Graph Mining, Flock Mining, usw. Interaktionsmining-Probleme können sehr unterschiedliche Semantik, Musterdefinitionen, Interessantheitsmaße und Datentypen erfordern. Interaktionsmining-Probleme auf breiter und abstrakter Basis effizient -- und im Idealfall effizienter als mit spezialisierten Methoden -- zu lösen, ist ein herausforderndes Problem. Diese Dissertation führt das Generalised Interaction Mining (GIM) und das Generalised Rule Mining (GRM) Problem ein und beschreibt Lösungen für diese. GIM und GRM benutzen ein effizientes und intuitives Berechnungsmodell, das einzig und allein auf vektorbasierten Funktionen beruht. Die Semantik der Interaktionen, ihre Interessantheitsmaße und die Datenarten, sind Komponenten in vektorisierten Frameworks. Die Frameworks ermöglichen die Trennung der Problemsemantik vom Algorithmus, so dass beide unabhängig voneinander geändert werden können. Die Entwicklung neuer Methoden wird dadurch erleichtert, da man sich völlig auf die Problemsemantik fokussieren kann und sich nicht mit der Entwicklung problemspezifischer Algorithmen befassen muss. Die Kodierung der Interaktionen als Vektoren im gesamten Raum (oder Teilraum) der Stichproben stellt eine intuitive geometrische Interpretation dar, die neuartige Methoden inspiriert. Die GRM- und GIM- Algorithmen haben lineare Laufzeit in der Anzahl der Interaktionen die geprüft werden müssen und sind somit optimal. Die Anwendung von GRM oder GIM in dieser Dissertation ermöglicht effiziente Lösungen für eine Reihe von Problemen, wie zum Beispiel Graph Mining, Aufzählungsmethoden, Itemset Mining, Clique Mining, ein Clusteringproblem, das Finden von komplexen und negativen Mustern, die Lösung von Optimierungsproblemen, Spatial Data Mining, probabilistisches Itemset Mining, probabilistisches Mining von Assoziationsregel, Selektion und Erzeugung von Features, Mining von Klassifikations- und Multiplikationsregel, u.v.m. Data Mining ist ein Verfahren, das Hypothesen produziert, indem es in großen Datensätzen Muster findet und damit für den Anwender neues und nützliches Wissen vorschlägt. Da die untersuchte Datenbank ein Resultat des datenerzeugenden Prozesses ist, sollten die gefundenen Muster Erkenntnisse über diesen Prozess liefern. Bei der Suche nach diesen Mustern macht ein DM Algorithmus zusätzliche Hypothesen, wenn Teile des Suchraums ausgeschlossen werden. Die folgenden Fragen sind dabei wichtig: "Findet der Algorithmus statistisch signifikante Muster?" und "Hat der Algorithmus während des Suchprozesses signifikante Entscheidungen getroffen?". Diese Fragen beeinflussen die Qualität der Muster und die Sicherheit die der Anwender in ihrer Benutzung haben kann. Da die Statistik auch eine Reihe von nützlichen Methoden bereitstellt, die für DM anwendbar sind, kombiniert diese Dissertation einige statistische Methoden mit neuen DM Algorithmen, insbesondere nicht-parametrische Signifikanztests und Korrelation. Diese Idee wird für die folgenden Probleme angewandt: Signifikante und "relatively class correlated" regelbasierte Klassifikation in unsymmetrischen Datensätzen, signifikantes Frequent Itemset Mining, Mining von komplizierten Korrelationsstrukturen zwischen Variablen zum Zweck der Featureselektion, Mining von korrelierten Multiplikationsregeln zum Zwecke des Interaktionsminings und Featureerzeugung und konjunktive Korrelationsregeln für die Klassifikation. Die Anwendung von GIM und GRM auf diese Probleme führt zu effizienten und intuitiven Lösungen. Frequent Itemset Mining (FIM) ist ein fundamentales Problem im Data Mining. Obwohl allgemein die Annahme gilt, dass in einer Transaktion enthaltene Items bekannt sind, sind die Daten in vielen Anwendungen unsicher oder probabilistisch. Beispiele sind das Hinzufügen von Rauschen zu Datenschutzzwecken, die Gruppierung von Datensätzen die zu geschätzten Kaufwahrscheinlichkeiten führen und Datensätze deren Herkunft von Natur aus unsicher sind. Die Berücksichtigung von unsicheren Datensätzen verhindert die Anwendung von traditionellen Methoden. Vor der Arbeit in dieser Dissertation wurden Itemsets gesucht, deren erwartetes Vorkommen hoch ist. Diese Methode produziert jedoch nur Schätzwerte, vernachlässigt die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Vorkommen, bietet keine Sicherheit für die Genauigkeit der Ergebnisse und kann zu Szenarien führen in denen das Vorkommen als häufig eingestuft wird, obwohl die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass sie nur selten vorkommen. Solche Ergebnisse sind natürlich unerwünscht. Diese Dissertation führt das Probabilistic Frequent Itemset Mining (PFIM) ein. Diese Lösung betrachtet Itemsets als interessant, wenn die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass sie häufig vorkommen. Die Problemlösung besteht aus der Anwendung des Possible Worlds Models und dem vorgeschlagenen probabilistisches Framework für PFIM. Es werden neue und effiziente Methoden entwickelt um die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Vorkommens und die Häufigkeitsverteilung eines Itemsets zu berechnen. Dazu werden die Poisson Binomial Recurrence, Generating Functions, oder eine normalverteilte Annäherung verwendet. Inkrementelle Methoden werden vorgeschlagen um Fragen wie "Finde die top-k Probabilistic Frequent Itemsets" zu beantworten. Mehrere PFIM Algorithmen werden entwickelt, wobei die Effizienz von Algorithmus zu Algorithmus steigt: ProApriori ist die erste Lösung für PFIM und basiert auf erzeugen und testen von Kandidaten. ProFP-Growth ist der erste probabilistische FP-Growth Algorithmus. Er schlägt einen Probabilistic Frequent Pattern Tree (Pro-FPTree) vor, der Kandidatenerzeugung überflüssig macht. Die Anwendung von GIM führt schließlich zu GIM-PFIM, dem schnellsten bekannten Algorithmus zur Lösung des PFIM Problems. Dieser Algorithmus resultiert in einem um Größenordnungen besseren Zeit- und Speicherbedarf, und führt zu einer intuitiven Interpretation von PFIM, basierend auf Unterräumen und Wahrscheinlichkeitsvektoren

Generalised Interaction Mining: Probabilistic, Statistical and Vectorised Methods in High Dimensional or Uncertain Databases

Knowledge Discovery in Databases (KDD) is the non-trivial process of identifying valid, novel, useful and ultimately understandable patterns in data. The core step of the KDD process is the application of Data Mining (DM) algorithms to efficiently find interesting patterns in large databases. This thesis concerns itself with three inter-related themes: Generalised interaction and rule mining; the incorporation of statistics into novel data mining approaches; and probabilistic frequent pattern mining in uncertain databases. An interaction describes an effect that variables have -- or appear to have -- on each other. Interaction mining is the process of mining structures on variables describing their interaction patterns -- usually represented as sets, graphs or rules. Interactions may be complex, represent both positive and negative relationships, and the presence of interactions can influence another interaction or variable in interesting ways. Finding interactions is useful in domains ranging from social network analysis, marketing, the sciences, e-commerce, to statistics and finance. Many data mining tasks may be considered as mining interactions, such as clustering; frequent itemset mining; association rule mining; classification rules; graph mining; flock mining; etc. Interaction mining problems can have very different semantics, pattern definitions, interestingness measures and data types. Solving a wide range of interaction mining problems at the abstract level, and doing so efficiently -- ideally more efficiently than with specialised approaches, is a challenging problem. This thesis introduces and solves the Generalised Interaction Mining (GIM) and Generalised Rule Mining (GRM) problems. GIM and GRM use an efficient and intuitive computational model based purely on vector valued functions. The semantics of the interactions, their interestingness measures and the type of data considered are flexible components of vectorised frameworks. By separating the semantics of a problem from the algorithm used to mine it, the frameworks allow both to vary independently of each other. This makes it easier to develop new methods by focusing purely on a problem's semantics and removing the burden of designing an efficient algorithm. By encoding interactions as vectors in the space (or a sub-space) of samples, they provide an intuitive geometric interpretation that inspires novel methods. By operating in time linear in the number of interesting interactions that need to be examined, the GIM and GRM algorithms are optimal. The use of GRM or GIM provides efficient solutions to a range of problems in this thesis, including graph mining, counting based methods, itemset mining, clique mining, a clustering problem, complex pattern mining, negative pattern mining, solving an optimisation problem, spatial data mining, probabilistic itemset mining, probabilistic association rule mining, feature selection and generation, classification and multiplication rule mining. Data mining is a hypothesis generating endeavour, examining large databases for patterns suggesting novel and useful knowledge to the user. Since the database is a sample, the patterns found should describe hypotheses about the underlying process generating the data. In searching for these patterns, a DM algorithm makes additional hypothesis when it prunes the search space. Natural questions to ask then, are: "Does the algorithm find patterns that are statistically significant?" and "Did the algorithm make significant decisions during its search?". Such questions address the quality of patterns found though data mining and the confidence that a user can have in utilising them. Finally, statistics has a range of useful tools and measures that are applicable in data mining. In this context, this thesis incorporates statistical techniques -- in particular, non-parametric significance tests and correlation -- directly into novel data mining approaches. This idea is applied to statistically significant and relatively class correlated rule based classification of imbalanced data sets; significant frequent itemset mining; mining complex correlation structures between variables for feature selection; mining correlated multiplication rules for interaction mining and feature generation; and conjunctive correlation rules for classification. The application of GIM or GRM to these problems lead to efficient and intuitive solutions. Frequent itemset mining (FIM) is a fundamental problem in data mining. While it is usually assumed that the items occurring in a transaction are known for certain, in many applications the data is inherently noisy or probabilistic; such as adding noise in privacy preserving data mining applications, aggregation or grouping of records leading to estimated purchase probabilities, and databases capturing naturally uncertain phenomena. The consideration of existential uncertainty of item(sets) makes traditional techniques inapplicable. Prior to the work in this thesis, itemsets were mined if their expected support is high. This returns only an estimate, ignores the probability distribution of support, provides no confidence in the results, and can lead to scenarios where itemsets are labeled frequent even if they are more likely to be infrequent. Clearly, this is undesirable. This thesis proposes and solves the Probabilistic Frequent Itemset Mining (PFIM) problem, where itemsets are considered interesting if the probability that they are frequent is high. The problem is solved under the possible worlds model and a proposed probabilistic framework for PFIM. Novel and efficient methods are developed for computing an itemset's exact support probability distribution and frequentness probability, using the Poisson binomial recurrence, generating functions, or a Normal approximation. Incremental methods are proposed to answer queries such as finding the top-k probabilistic frequent itemsets. A number of specialised PFIM algorithms are developed, with each being more efficient than the last: ProApriori is the first solution to PFIM and is based on candidate generation and testing. ProFP-Growth is the first probabilistic FP-Growth type algorithm and uses a proposed probabilistic frequent pattern tree (Pro-FPTree) to avoid candidate generation. Finally, the application of GIM leads to GIM-PFIM; the fastest known algorithm for solving the PFIM problem. It achieves orders of magnitude improvements in space and time usage, and leads to an intuitive subspace and probability-vector based interpretation of PFIM.Knowledge Discovery in Datenbanken (KDD) ist der nicht-triviale Prozess, gültiges, neues, potentiell nützliches und letztendlich verständliches Wissen aus großen Datensätzen zu extrahieren. Der wichtigste Schritt im KDD Prozess ist die Anwendung effizienter Data Mining (DM) Algorithmen um interessante Muster ("Patterns") in Datensätzen zu finden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit drei verwandten Themen: Generalised Interaction und Rule Mining, die Einbindung von statistischen Methoden in neue DM Algorithmen und Probabilistic Frequent Itemset Mining (PFIM) in unsicheren Daten. Eine Interaktion ("Interaction") beschreibt den Einfluss, den Variablen aufeinander haben. Interaktionsmining ist der Prozess, Strukturen zwischen Variablen zu finden, die Interaktionsmuster beschreiben. Diese werden gewöhnlicherweise als Mengen, Graphen oder Regeln repräsentiert. Interaktionen können komplex sein und sowohl positive als auch negative Beziehungen repräsentieren. Außerdem kann das Vorhandensein von Interaktionen andere Interaktionen oder Variablen beeinflussen. Interaktionen stellen in Bereichen wie Soziale Netzwerk Analyse, Marketing, Wissenschaft, E-commerce, Statistik und Finanz wertvolle Information dar. Viele DM Methoden können als Interaktionsmining betrachtet werden: Zum Beispiel Clustering, Frequent Itemset Mining, Assoziationsregeln, Klassifikationsregeln, Graph Mining, Flock Mining, usw. Interaktionsmining-Probleme können sehr unterschiedliche Semantik, Musterdefinitionen, Interessantheitsmaße und Datentypen erfordern. Interaktionsmining-Probleme auf breiter und abstrakter Basis effizient -- und im Idealfall effizienter als mit spezialisierten Methoden -- zu lösen, ist ein herausforderndes Problem. Diese Dissertation führt das Generalised Interaction Mining (GIM) und das Generalised Rule Mining (GRM) Problem ein und beschreibt Lösungen für diese. GIM und GRM benutzen ein effizientes und intuitives Berechnungsmodell, das einzig und allein auf vektorbasierten Funktionen beruht. Die Semantik der Interaktionen, ihre Interessantheitsmaße und die Datenarten, sind Komponenten in vektorisierten Frameworks. Die Frameworks ermöglichen die Trennung der Problemsemantik vom Algorithmus, so dass beide unabhängig voneinander geändert werden können. Die Entwicklung neuer Methoden wird dadurch erleichtert, da man sich völlig auf die Problemsemantik fokussieren kann und sich nicht mit der Entwicklung problemspezifischer Algorithmen befassen muss. Die Kodierung der Interaktionen als Vektoren im gesamten Raum (oder Teilraum) der Stichproben stellt eine intuitive geometrische Interpretation dar, die neuartige Methoden inspiriert. Die GRM- und GIM- Algorithmen haben lineare Laufzeit in der Anzahl der Interaktionen die geprüft werden müssen und sind somit optimal. Die Anwendung von GRM oder GIM in dieser Dissertation ermöglicht effiziente Lösungen für eine Reihe von Problemen, wie zum Beispiel Graph Mining, Aufzählungsmethoden, Itemset Mining, Clique Mining, ein Clusteringproblem, das Finden von komplexen und negativen Mustern, die Lösung von Optimierungsproblemen, Spatial Data Mining, probabilistisches Itemset Mining, probabilistisches Mining von Assoziationsregel, Selektion und Erzeugung von Features, Mining von Klassifikations- und Multiplikationsregel, u.v.m. Data Mining ist ein Verfahren, das Hypothesen produziert, indem es in großen Datensätzen Muster findet und damit für den Anwender neues und nützliches Wissen vorschlägt. Da die untersuchte Datenbank ein Resultat des datenerzeugenden Prozesses ist, sollten die gefundenen Muster Erkenntnisse über diesen Prozess liefern. Bei der Suche nach diesen Mustern macht ein DM Algorithmus zusätzliche Hypothesen, wenn Teile des Suchraums ausgeschlossen werden. Die folgenden Fragen sind dabei wichtig: "Findet der Algorithmus statistisch signifikante Muster?" und "Hat der Algorithmus während des Suchprozesses signifikante Entscheidungen getroffen?". Diese Fragen beeinflussen die Qualität der Muster und die Sicherheit die der Anwender in ihrer Benutzung haben kann. Da die Statistik auch eine Reihe von nützlichen Methoden bereitstellt, die für DM anwendbar sind, kombiniert diese Dissertation einige statistische Methoden mit neuen DM Algorithmen, insbesondere nicht-parametrische Signifikanztests und Korrelation. Diese Idee wird für die folgenden Probleme angewandt: Signifikante und "relatively class correlated" regelbasierte Klassifikation in unsymmetrischen Datensätzen, signifikantes Frequent Itemset Mining, Mining von komplizierten Korrelationsstrukturen zwischen Variablen zum Zweck der Featureselektion, Mining von korrelierten Multiplikationsregeln zum Zwecke des Interaktionsminings und Featureerzeugung und konjunktive Korrelationsregeln für die Klassifikation. Die Anwendung von GIM und GRM auf diese Probleme führt zu effizienten und intuitiven Lösungen. Frequent Itemset Mining (FIM) ist ein fundamentales Problem im Data Mining. Obwohl allgemein die Annahme gilt, dass in einer Transaktion enthaltene Items bekannt sind, sind die Daten in vielen Anwendungen unsicher oder probabilistisch. Beispiele sind das Hinzufügen von Rauschen zu Datenschutzzwecken, die Gruppierung von Datensätzen die zu geschätzten Kaufwahrscheinlichkeiten führen und Datensätze deren Herkunft von Natur aus unsicher sind. Die Berücksichtigung von unsicheren Datensätzen verhindert die Anwendung von traditionellen Methoden. Vor der Arbeit in dieser Dissertation wurden Itemsets gesucht, deren erwartetes Vorkommen hoch ist. Diese Methode produziert jedoch nur Schätzwerte, vernachlässigt die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Vorkommen, bietet keine Sicherheit für die Genauigkeit der Ergebnisse und kann zu Szenarien führen in denen das Vorkommen als häufig eingestuft wird, obwohl die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass sie nur selten vorkommen. Solche Ergebnisse sind natürlich unerwünscht. Diese Dissertation führt das Probabilistic Frequent Itemset Mining (PFIM) ein. Diese Lösung betrachtet Itemsets als interessant, wenn die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass sie häufig vorkommen. Die Problemlösung besteht aus der Anwendung des Possible Worlds Models und dem vorgeschlagenen probabilistisches Framework für PFIM. Es werden neue und effiziente Methoden entwickelt um die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Vorkommens und die Häufigkeitsverteilung eines Itemsets zu berechnen. Dazu werden die Poisson Binomial Recurrence, Generating Functions, oder eine normalverteilte Annäherung verwendet. Inkrementelle Methoden werden vorgeschlagen um Fragen wie "Finde die top-k Probabilistic Frequent Itemsets" zu beantworten. Mehrere PFIM Algorithmen werden entwickelt, wobei die Effizienz von Algorithmus zu Algorithmus steigt: ProApriori ist die erste Lösung für PFIM und basiert auf erzeugen und testen von Kandidaten. ProFP-Growth ist der erste probabilistische FP-Growth Algorithmus. Er schlägt einen Probabilistic Frequent Pattern Tree (Pro-FPTree) vor, der Kandidatenerzeugung überflüssig macht. Die Anwendung von GIM führt schließlich zu GIM-PFIM, dem schnellsten bekannten Algorithmus zur Lösung des PFIM Problems. Dieser Algorithmus resultiert in einem um Größenordnungen besseren Zeit- und Speicherbedarf, und führt zu einer intuitiven Interpretation von PFIM, basierend auf Unterräumen und Wahrscheinlichkeitsvektoren

Similarity search and mining in uncertain spatial and spatio-temporal databases

Both the current trends in technology such as smart phones, general mobile devices, stationary sensors and satellites as well as a new user mentality of utilizing this technology to voluntarily share information produce a huge flood of geo-spatial and geo-spatio-temporal data. This data flood provides a tremendous potential of discovering new and possibly useful knowledge. In addition to the fact that measurements are imprecise, due to the physical limitation of the devices, some form of interpolation is needed in-between discrete time instances. From a complementary perspective - to reduce the communication and bandwidth utilization, along with the storage requirements, often the data is subjected to a reduction, thereby eliminating some of the known/recorded values. These issues introduce the notion of uncertainty in the context of spatio-temporal data management - an aspect raising an imminent need for scalable and flexible data management. The main scope of this thesis is to develop effective and efficient techniques for similarity search and data mining in uncertain spatial and spatio-temporal data. In a plethora of research fields and industrial applications, these techniques can substantially improve decision making, minimize risk and unearth valuable insights that would otherwise remain hidden. The challenge of effectiveness in uncertain data is to correctly determine the set of possible results, each associated with the correct probability of being a result, in order to give a user a confidence about the returned results. The contrary challenge of efficiency, is to compute these result and corresponding probabilities in an efficient manner, allowing for reasonable querying and mining times, even for large uncertain databases. The paradigm used to master both challenges, is to identify a small set of equivalent classes of possible worlds, such that members of the same class can be treated as equivalent in the context of a given query predicate or data mining task. In the scope of this work, this paradigm will be formally defined, and applied to the most prominent classes of spatial queries on uncertain data, including range queries, k-nearest neighbor queries, ranking queries and reverse k-nearest neighbor queries. For this purpose, new spatial and probabilistic pruning approaches are developed to further speed up query processing. Furthermore, the proposed paradigm allows to develop the first efficient solution for the problem of frequent co-location mining on uncertain data. Special emphasis is taken on the temporal aspect of applications using modern data collection technologies. While the aforementioned techniques work well for single points of time, the prediction of query results over time remains a challenge. This thesis fills this gap by modeling an uncertain spatio-temporal object as a stochastic process, and by applying the above paradigm to efficiently query, index and mine historical spatio-temporal data.Moderne Technologien, z.B. Sattelitentechnologie und Technologie in Smart Phones, erzeugen eine Flut räumlicher Geo-Daten. Zudem ist in der Gesellschaft ein Trend zu beobachten diese erzeugten Daten freiwillig auf öffentlich zugänglichen Plattformen zur Verfügung zu stellen. Diese Datenflut hat immenses Potential, um neues und nützliches Wissen zu entdecken. Diese Daten sind jedoch grundsätzlich unsichere räumliche Daten. Die Unsicherheit ergibt sich aus mehreren Aspekten. Zum einen kommt es bei Messungen grundsätzlich zu Messungenauigkeiten, zum anderen ist zwischen diskreten Messzeitpunkten eine Interpolation nötig, die zusätzliche Unsicherheit erzeugt. Auerdem werden die Daten oft absichtlich reduziert, um Speicherplatz und Transfervolumen einzusparen, wodurch weitere Information verloren geht. Diese Unsicherheit schafft einen sofortigen Bedarf für skalierbare und flexible Methoden zur Verwaltung und Auswertung solcher Daten. Im Rahmen dieser Arbeit sollen effektive und effiziente Techniken zur Ähnlichkeitssuche und zum Data Mining bei unsicheren räumlichen und unsicheren räumlich-zeitlichen Daten erarbeitet werden. Diese Techniken liefern wertvolles Wissen, das auf verschiedenen Forschungsgebieten, als auch bei industriellen Anwendungen zur Entscheidungsfindung genutzt werden kann. Bei der Entwicklung dieser Techniken gibt es zwei Herausforderungen. Einerseits müssen die entwickelten Techniken effektiv sein, um korrekte Ergebnisse und Wahrscheinlichkeiten dieser Ergebnisse zurückzugeben. Andererseits müssen die entwickelten Techniken effizient sein, um auch in sehr großen Datenbanken Ergebnisse in annehmbarer Zeit zu liefern. Die Dissertation stellt ein neues Paradigma vor, das beide Herausforderungen meistert. Dieses Paradigma identifiziert mögliche Datenbankwelten, die bezüglich des gegebenen Anfrageprädikats äquivalent sind. Es wird formal definiert und auf die relevantesten räumlichen Anfragetypen angewendet, um effiziente Lösungen zu entwickeln. Dazu gehören Bereichanfragen, k-Nächste-Nachbarnanfragen, Rankinganfragen und Reverse k-Nächste-Nachbarnanfragen. Räumliche und probabilistische Pruningkriterien werden entwickelt, um insignifikante Ergebnisse früh auszuschlieen. Zudem wird die erste effiziente Lösung für das Problem des "Spatial Co-location Minings" auf unsicheren Daten präsentiert. Ein besonderer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem temporalen Aspekt moderner Geo-Daten. Während obig genannte Techniken dieser Arbeit für einzelne Zeitpunkt sehr gut funktionieren, ist die effektive und effiziente Verwaltung von unsicheren räumlich zeitlichen Daten immer noch ein weitestgehend ungelöstes Problem. Diese Dissertation löst dieses Problem, indem unsichere räumlich-zeitliche Daten durch stochastische Prozesse modeliert werden. Auf diese stochastischen Prozesse lässt sich das oben genannte Paradigma anwenden, um unsichere räumlich-zeitliche Daten effizient anzufragen, zu indexieren, und zu minen