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Generalizing association rules in n-ary relations : application to dynamic graph analysis

Nguyen, Thi Kim Ngan 23 October 2012 (has links) (PDF)
Pattern discovery in large binary relations has been extensively studied. An emblematic success in this area concerns frequent itemset mining and its post-processing that derives association rules. In this case, we mine binary relations that encode whether some properties are satisfied or not by some objects. It is however clear that many datasets correspond to n-ary relations where n > 2. For example, adding spatial and/or temporal dimensions (location and/or time when the properties are satisfied by the objects) leads to the 4-ary relation Objects x Properties x Places x Times. Therefore, we study the generalization of association rule mining within arbitrary n-ary relations: the datasets are now Boolean tensors and not only Boolean matrices. Unlike standard rules that involve subsets of only one domain of the relation, in our setting, the head and the body of a rule can include arbitrary subsets of some selected domains. A significant contribution of this thesis concerns the design of interestingness measures for such generalized rules: besides a frequency measures, two different views on rule confidence are considered. The concept of non-redundant rules and the efficient extraction of the non-redundant rules satisfying the minimal frequency and minimal confidence constraints are also studied. To increase the subjective interestingness of rules, we then introduce disjunctions in their heads. It requires to redefine the interestingness measures again and to revisit the redundancy issues. Finally, we apply our new rule discovery techniques to dynamic relational graph analysis. Such graphs can be encoded into n-ary relations (n ≥ 3). Our use case concerns bicycle renting in the Vélo'v system (self-service bicycle renting in Lyon). It illustrates the added-value of some rules that can be computed thanks to our software prototypes.
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Generalizing association rules in n-ary relations : application to dynamic graph analysis / Généralisation des règles d'association dans des relations n-aires : application à l'analyse de graphes dynamiques

Nguyen, Thi Kim Ngan 23 October 2012 (has links)
Le calcul de motifs dans de grandes relations binaires a été très étudié. Un succès emblématique concerne la découverte d'ensembles fréquents et leurs post-traitements pour en dériver des règles d'association. Il s'agit de calculer des motifs dans des relations binaires qui enregistrent quelles sont les propriétés satisfaites par des objets. En fait, de nombreux jeux de données se présentent naturellement comme des relations n-aires (avec n > 2). Par exemple, avec l'ajout de dimensions spatiales et/ou temporelles (lieux et/ou temps où les propriétés sont enregistrées), la relation binaire Objets x Propriétés est étendue à une relation 4-aire Objets x Propriétés x Lieux x Temps. Nous avons généralisé le concept de règle d'association dans un tel contexte multi-dimensionnel. Contrairement aux règles usuelles qui n'impliquent que des sous-ensembles d'un seul domaine de la relation, les prémisses et les conclusions de nos règles peuvent impliquer des sous-ensembles arbitraires de certains domaines. Nous avons conçu des mesures de fréquence et de confiance pour définir la sémantique de telles règles et c'est une contribution significative de cette thèse. Le calcul exhaustif de toutes les règles qui ont des fréquences et confiances suffisantes et l'élimination des règles redondantes ont été étudiés. Nous proposons ensuite d'introduire des disjonctions dans les conclusions des règles, ce qui nécessite de retravailler les définitions des mesures d'intérêt et les questions de redondance. Pour ouvrir un champ d'application original, nous considérons la découverte de règles dans des graphes relationnels dynamiques qui peuvent être codés dans des relations n-aires (n ≥ 3). Une application à l'analyse des usages de bicyclettes dans le système Vélo'v (système de Vélos en libre-service du Grand Lyon) montre quelques usages possibles des règles que nous savons calculer avec nos prototypes logiciels. / Pattern discovery in large binary relations has been extensively studied. An emblematic success in this area concerns frequent itemset mining and its post-processing that derives association rules. In this case, we mine binary relations that encode whether some properties are satisfied or not by some objects. It is however clear that many datasets correspond to n-ary relations where n > 2. For example, adding spatial and/or temporal dimensions (location and/or time when the properties are satisfied by the objects) leads to the 4-ary relation Objects x Properties x Places x Times. Therefore, we study the generalization of association rule mining within arbitrary n-ary relations: the datasets are now Boolean tensors and not only Boolean matrices. Unlike standard rules that involve subsets of only one domain of the relation, in our setting, the head and the body of a rule can include arbitrary subsets of some selected domains. A significant contribution of this thesis concerns the design of interestingness measures for such generalized rules: besides a frequency measures, two different views on rule confidence are considered. The concept of non-redundant rules and the efficient extraction of the non-redundant rules satisfying the minimal frequency and minimal confidence constraints are also studied. To increase the subjective interestingness of rules, we then introduce disjunctions in their heads. It requires to redefine the interestingness measures again and to revisit the redundancy issues. Finally, we apply our new rule discovery techniques to dynamic relational graph analysis. Such graphs can be encoded into n-ary relations (n ≥ 3). Our use case concerns bicycle renting in the Vélo'v system (self-service bicycle renting in Lyon). It illustrates the added-value of some rules that can be computed thanks to our software prototypes.
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Co-evolution pattern mining in dynamic attributed graphs / Fouille de motifs de co-evolution dans des graphes dynamiques attribués

Desmier, Elise 15 July 2014 (has links)
Cette thèse s'est déroulée dans le cadre du projet ANR FOSTER, "FOuille de données Spatio-Temporelles : application à la compréhension et à la surveillance de l'ERosion" (ANR-2010-COSI-012-02, 2011-2014). Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la modélisation de données spatio-temporelles dans des graphes enrichis de sorte que des calculs de motifs sur de telles données permettent de formuler des hypothèses intéressantes sur les phénomènes à comprendre. Plus précisément, nous travaillons sur la fouille de motifs dans des graphes relationnels (chaque noeud est identifié de fa\c con unique), attribués (chaque noeud du graphe est décrit par des attributs qui sont ici numériques), et dynamiques (les valeurs des attributs et les relations entre les noeuds peuvent évoluer dans le temps). Nous proposons un nouveau domaine de motifs nommé motifs de co-évolution. Ce sont des triplets d'ensembles de noeuds, d'ensembles de pas de temps et d'ensembles d'attributs signés, c'est à dire des attributs associés à une tendance (croissance,décroissance). L'intérêt de ces motifs est de décrire un sous-ensemble des données qui possède un comportement spécifique et a priori intéressant pour conduire des analyses non triviales. Dans ce but, nous définissons deux types de contraintes, une contrainte sur la structure du graphe et une contrainte sur la co-évolution de la valeur des attributs portés par les noeuds. Pour confirmer la spécificité du motif par rapport au reste des données, nous définissons trois mesures de densité qui tendent à répondre à trois questions. À quel point le comportement des noeuds en dehors du motif est similaire à celui des noeuds du motif ? Quel est le comportement du motif dans le temps, est-ce qu'il apparaît soudainement ? Est-ce que les noeuds du motif ont un comportement similaire seulement sur les attributs du motif ou aussi en dehors ? Nous proposons l'utilisation d'une hiérarchie sur les attributs comme connaissance à priori de l'utilisateur afin d'obtenir des motifs plus généraux et adaptons l'ensemble des contraintes à l'utilisation de cette hiérarchie. Finalement, pour simplifier l'utilisation de l'algorithme par l'utilisateur en réduisant le nombre de seuils à fixer et pour extraire uniquement l'ensemble des motifs les plus intéressants, nous utilisons le concept de ``skyline'' réintroduit récemment dans le domaine de la fouille de données. Nous proposons ainsi trois algorithmes MINTAG, H-MINTAG et Sky-H-MINTAG qui sont complets pour extraire l'ensemble de tous les motifs qui respectent les différentes contraintes. L'étude des propriétés des contraintes (anti-monotonie, monotonie/anti-monotonie par parties) nous permet de les pousser efficacement dans les algorithmes proposés et d'obtenir ainsi des extractions sur des données réelles dans des temps raisonnables. / This thesis was conducted within the project ANR FOSTER, ``Spatio-Temporal Data Mining: application to the understanding and monitoring of erosion'' (ANR-2010-COSI-012-02, 2011-2014). In this context, we are interested in the modeling of spatio- temporal data in enriched graphs so that computation of patterns on such data can be used to formulate interesting hypotheses about phenomena to understand. Specifically, we are working on pattern mining in relational graphs (each vertex is uniquely identified), attributed (each vertex of the graph is described by numerical attributes) and dynamic (attribute values and relations between vertices may change over time). We propose a new pattern domain that has been called co-evolution patterns. These are trisets of vertices, times and signed attributes, i.e., attributes associated with a trend (increasing or decreasing). The interest of these patterns is to describe a subset of the data that has a specific behaviour and a priori interesting to conduct non-trivial analysis. For this purpose, we define two types of constraints, a constraint on the structure of the graph and a constraint on the co-evolution of the value worn by vertices attributes. To confirm the specificity of the pattern with regard to the rest of the data, we define three measures of density that tend to answer to three questions. How similar is the behaviour of the vertices outside the co-evolution pattern to the ones inside it? What is the behaviour of the pattern over time, does it appear suddenly? Does the vertices of the pattern behave similarly only on the attributes of the pattern or even outside? We propose the use of a hierarchy of attributes as an a priori knowledge of the user to obtain more general patterns and we adapt the set of constraints to the use of this hierarchy. Finally, to simplify the use of the algorithm by the user by reducing the number of thresholds to be set and to extract only all the most interesting patterns, we use the concept of ``skyline'' reintroduced recently in the domain of data mining. We propose three constraint-based algorithms, called MINTAG, H-MINTAG and Sky-H-MINTAG, that are complete to extract the set of all patterns that meet the different constraints. These algorithms are based on constraints, i.e., they use the anti-monotonicity and piecewise monotonicity/anti-monotonicity properties to prune the search space and make the computation feasible in practical contexts. To validate our method, we experiment on several sets of data (graphs) created from real-world data.

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