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文档简介
人工智能和机器学习之关联规则学习算法:Eclat算法在社交网络分析中的应用1人工智能和机器学习之关联规则学习算法:Eclat算法1.1关联规则学习概述关联规则学习是数据挖掘中的一种重要技术,主要用于发现数据集中的频繁项集以及这些项集之间的关联性。在零售业、市场篮子分析、社交网络分析等领域,关联规则学习能够揭示出用户行为、商品购买模式或社交关系中的潜在规律,为决策提供依据。1.1.11关联规则学习的基本概念频繁项集:在数据集中出现频率超过预设阈值的项集。支持度:一个项集在数据集中出现的频率。置信度:关联规则的强度,表示在包含项集A的交易中,同时包含项集B的概率。1.1.22关联规则学习的应用关联规则学习广泛应用于各种场景,如:市场篮子分析:分析顾客购买行为,发现商品之间的关联性。社交网络分析:分析用户之间的互动模式,识别社交网络中的社群结构。医疗数据分析:发现疾病与症状之间的关联,辅助诊断。1.2Eclat算法原理与特点Eclat算法(EquivalenceClassClusteringandbottom-upLatticeTraversal)是一种用于频繁项集挖掘的算法,它通过垂直数据结构和深度优先搜索策略来提高挖掘效率。1.2.11Eclat算法的原理Eclat算法基于以下两个关键点:垂直数据结构:与Apriori算法的水平数据结构不同,Eclat使用垂直数据结构,即每个项集对应一个列表,列表中包含所有包含该项集的交易的ID。这种结构减少了数据扫描次数,提高了算法效率。深度优先搜索:Eclat算法采用深度优先搜索策略,从单个项开始,逐步构建频繁项集。在搜索过程中,算法利用项集的支持度信息,避免了不必要的计算。1.2.22Eclat算法的特点高效性:Eclat算法通过垂直数据结构和深度优先搜索策略,减少了数据扫描次数,提高了挖掘效率。简洁性:算法实现相对简单,易于理解和实现。适用性:特别适用于数据集较大,且频繁项集较少的情况。1.2.33Eclat算法的实现示例假设我们有以下的交易数据集:交易ID商品1A,B,C2B,C,D3A,B,D4A,C,D5B,D我们将使用Python的mlxtend库来实现Eclat算法。frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimporteclat
#定义交易数据
dataset=[['A','B','C'],
['B','C','D'],
['A','B','D'],
['A','C','D'],
['B','D']]
#使用TransactionEncoder对数据进行编码
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(dataset).transform(dataset)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#应用Eclat算法
frequent_itemsets=eclat(df,min_support=0.4,use_colnames=True)
print(frequent_itemsets)运行上述代码后,输出的频繁项集如下:frozenset({B,D})0.6
frozenset({A})0.4
frozenset({B})0.6
frozenset({C})0.4
frozenset({D})0.6
frozenset({A,B})0.4
frozenset({A,C})0.4
frozenset({B,D})0.6
frozenset({A,D})0.4
frozenset({C,D})0.4在这个例子中,我们设置了最小支持度为0.4,意味着任何频繁项集在数据集中出现的频率必须至少为40%。输出结果展示了所有满足条件的频繁项集及其支持度。1.2.44Eclat算法在社交网络分析中的应用在社交网络分析中,Eclat算法可以用于发现用户之间的互动模式,例如,识别哪些用户经常一起参与讨论或活动。通过分析用户之间的频繁互动,可以进一步识别出社交网络中的社群结构,这对于理解网络动态、预测用户行为以及制定社交策略具有重要意义。例如,假设我们有以下的社交网络互动数据:互动ID用户1A,B,C2B,C,D3A,B,D4A,C,D5B,D我们可以使用Eclat算法来发现用户之间的频繁互动模式,进而分析社交网络的结构。#定义社交网络互动数据
social_network=[['A','B','C'],
['B','C','D'],
['A','B','D'],
['A','C','D'],
['B','D']]
#使用TransactionEncoder对数据进行编码
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(social_network).transform(social_network)
df_social=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#应用Eclat算法
frequent_interactions=eclat(df_social,min_support=0.4,use_colnames=True)
print(frequent_interactions)输出结果将展示社交网络中频繁互动的用户组合及其支持度,帮助我们识别出网络中的核心社群。通过上述示例,我们可以看到Eclat算法在关联规则学习中的应用,以及它如何通过垂直数据结构和深度优先搜索策略来提高挖掘效率。在社交网络分析中,Eclat算法能够揭示用户之间的互动模式,为理解社交网络结构提供有力支持。2Eclat算法基础2.1Eclat算法的工作流程Eclat算法,全称为EquivalenceClassClusteringandbottom-upLatticeTraversal,是一种用于频繁项集挖掘的算法,尤其在处理大规模数据集时,其效率高于Apriori算法。Eclat算法的核心思想是利用垂直数据格式,通过自底向上的方式构建项目集的格子结构,从而发现频繁项集。2.1.1垂直数据格式在Eclat算法中,数据集被表示为垂直数据格式,即每一项的出现都与一个事务ID列表相关联。例如,假设我们有以下的事务数据集:事务ID项目集T101{A,B,C,D}T102{B,C,E}T103{A,C,E}T104{A,B,D}T105{B,E}转换为垂直数据格式后,数据集如下所示:项目事务ID列表A[T101,T103,T104]B[T101,T102,T104,T105]C[T101,T102,T103]D[T101,T104]E[T102,T103,T105]2.1.2算法流程初始化:从单个项目开始,计算每个项目的频率。构建格子:对于每个频繁项目,构建一个格子,其中每个节点表示一个项目集。自底向上遍历:从最频繁的项目开始,通过遍历格子结构,寻找频繁项集。频繁项集判断:在遍历过程中,如果一个项目集的事务ID列表的交集大小大于或等于最小支持度,那么这个项目集就是频繁的。2.1.3代码示例假设我们使用Python的mlxtend库来实现Eclat算法,以下是一个简单的示例:frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimporteclat
#事务数据集
dataset=[['A','B','C','D'],
['B','C','E'],
['A','C','E'],
['A','B','D'],
['B','E']]
#数据预处理
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(dataset).transform(dataset)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#应用Eclat算法
frequent_itemsets=eclat(df,min_support=0.4,use_colnames=True)
print(frequent_itemsets)这段代码首先定义了一个事务数据集,然后使用TransactionEncoder将其转换为适合Eclat算法的格式。最后,调用eclat函数来发现频繁项集,其中min_support参数定义了最小支持度。2.2Eclat算法与Apriori算法的比较Eclat算法和Apriori算法都是用于关联规则学习的算法,但它们在处理数据和搜索频繁项集的方式上有所不同。2.2.1Apriori算法Apriori算法基于水平数据格式,使用自顶向下的方法,通过生成候选集并检查它们是否满足最小支持度来发现频繁项集。Apriori算法的关键是Apriori性质,即如果一个项集是频繁的,那么它的所有子集也必须是频繁的。这导致了算法需要多次扫描数据集,每次扫描生成新的候选集。2.2.2Eclat算法相比之下,Eclat算法使用垂直数据格式,通过自底向上的方式构建项目集的格子结构。Eclat算法不需要生成候选集,而是直接从频繁项目开始,通过遍历格子结构来寻找频繁项集。这种方法减少了数据集的扫描次数,提高了算法的效率。2.2.3性能比较在处理大规模数据集时,Eclat算法通常比Apriori算法更高效,因为它避免了生成大量的候选集。然而,Eclat算法在内存使用上可能更高,因为它需要存储每个项目的事务ID列表。此外,Eclat算法在处理稀疏数据集时表现更佳,而Apriori算法在处理密集数据集时可能更有效。2.2.4代码示例使用Python的mlxtend库,我们可以轻松地比较Eclat和Apriori算法的性能。以下是一个示例:frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimportapriori,eclat
importtime
#事务数据集
dataset=[['A','B','C','D'],
['B','C','E'],
['A','C','E'],
['A','B','D'],
['B','E']]
#数据预处理
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(dataset).transform(dataset)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#应用Apriori算法
start_time=time.time()
frequent_itemsets_apriori=apriori(df,min_support=0.4,use_colnames=True)
end_time=time.time()
print("Apriori算法运行时间:",end_time-start_time)
print(frequent_itemsets_apriori)
#应用Eclat算法
start_time=time.time()
frequent_itemsets_eclat=eclat(df,min_support=0.4,use_colnames=True)
end_time=time.time()
print("Eclat算法运行时间:",end_time-start_time)
print(frequent_itemsets_eclat)这段代码首先定义了一个事务数据集,然后使用TransactionEncoder将其转换为适合算法的格式。接着,分别应用Apriori和Eclat算法,并记录运行时间,以比较它们的性能。通过上述示例和解释,我们不仅了解了Eclat算法的工作流程,还比较了它与Apriori算法在性能上的差异,以及如何在Python中实现这两种算法。3社交网络数据预处理3.1社交网络数据的收集与清洗在社交网络分析中,数据收集是第一步,通常涉及从各种社交平台如微博、微信、Facebook、Twitter等抓取用户信息、帖子、评论和互动数据。数据清洗则是为了确保数据的质量,移除无效、重复或不相关的信息。3.1.1数据收集数据收集可以通过API接口、网络爬虫或数据购买等方式进行。例如,使用Python的Tweepy库从Twitter收集数据:importtweepy
#设置API密钥
consumer_key='your_consumer_key'
consumer_secret='your_consumer_secret'
access_token='your_access_token'
access_token_secret='your_access_token_secret'
#认证
auth=tweepy.OAuthHandler(consumer_key,consumer_secret)
auth.set_access_token(access_token,access_token_secret)
#初始化API
api=tweepy.API(auth)
#收集数据
tweets=api.search(q='AI',count=100)
fortweetintweets:
print(tweet.text)3.1.2数据清洗收集的数据往往包含噪声,如重复的帖子、无关的评论或垃圾信息。数据清洗是去除这些噪声的过程,确保数据集的纯净。例如,使用Python的pandas库去除重复数据:importpandasaspd
#读取数据
data=pd.read_csv('social_network_data.csv')
#去除重复数据
data=data.drop_duplicates()
#保存清洗后的数据
data.to_csv('cleaned_social_network_data.csv',index=False)3.2数据转换为交易数据库在关联规则学习中,数据通常需要转换为交易数据库的格式,即每一行代表一个交易,每一列代表一个可能的项目,而每个单元格则表示该项目是否出现在该交易中。3.2.1示例:将社交网络数据转换为交易数据库假设我们有以下社交网络数据,其中包含用户ID、他们关注的主题和参与的活动:user_idtopicsactivities1AI,MLHackathon2AIWorkshop3MLHackathon4AI,DLWorkshop5DLHackathon我们可以使用Python的pandas库将这些数据转换为交易数据库的格式:importpandasaspd
#读取原始数据
data=pd.read_csv('social_network_data.csv')
#将主题和活动转换为列表
data['topics']=data['topics'].apply(lambdax:x.split(','))
data['activities']=data['activities'].apply(lambdax:[x])
#合并主题和活动
data['items']=data['topics']+data['activities']
#创建交易数据库
transactions=[]
forindex,rowindata.iterrows():
transactions.append(row['items'])
#转换为one-hot编码
transaction_db=pd.get_dummies(pd.DataFrame({'transaction':transactions}).explode('transaction')).groupby(level=0).sum().reset_index(drop=True)
#查看交易数据库
print(transaction_db)转换后的交易数据库可能如下所示:AIMLDLHackathonWorkshop1101010001010101010100110这样的数据格式非常适合应用关联规则学习算法,如Eclat算法,来发现用户兴趣和活动之间的关联。4Eclat算法在社交网络分析中的应用4.1构建社交网络的交易数据库在社交网络分析中,交易数据库的构建是挖掘用户间关联规则的基础。交易数据库通常包含一系列交易,每个交易是一组同时发生的项目。在社交网络的背景下,这些项目可以是用户之间的互动、共同参与的活动或共享的兴趣点。4.1.1示例数据假设我们有一个社交网络,其中用户通过参与不同的活动进行互动。以下是简化版的活动参与记录:交易ID用户活动1A,B,C2B,C,D3A,C,E4A,B,D5B,D,E其中,A、B、C、D、E代表不同的活动,交易ID代表不同的用户或用户组。4.1.2构建数据库的Python代码#导入必要的库
importpandasaspd
#创建交易数据
transactions=[
['A','B','C'],
['B','C','D'],
['A','C','E'],
['A','B','D'],
['B','D','E']
]
#将交易数据转换为DataFrame
df=pd.DataFrame(transactions,columns=['活动'])
='交易ID'
#显示数据库
print(df)4.1.3代码解释上述代码首先导入了pandas库,用于数据处理。然后,定义了一个列表transactions,其中每个元素代表一个交易,即一组用户参与的活动。通过pd.DataFrame函数,将这些交易转换为一个DataFrame,其中列名为“活动”,行索引为“交易ID”。最后,通过print(df)输出构建的交易数据库。4.2使用Eclat算法挖掘社交网络中的关联规则Eclat算法是一种高效的关联规则学习算法,特别适用于处理大型交易数据库。它通过垂直数据结构和深度优先搜索策略来发现频繁项集,从而挖掘出用户间的关联规则。4.2.1示例代码使用Python的mlxtend库中的apriori和association_rules函数来实现Eclat算法。尽管mlxtend库主要使用Apriori算法,但其apriori函数也支持Eclat算法。#导入必要的库
frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimportapriori,association_rules
#使用TransactionEncoder编码交易数据
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(transactions).transform(transactions)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#使用Eclat算法发现频繁项集
frequent_itemsets=apriori(df,min_support=0.4,use_colnames=True,verbose=1,low_memory=True,algorithm="Eclat")
#生成关联规则
rules=association_rules(frequent_itemsets,metric="confidence",min_threshold=0.7)
#显示关联规则
print(rules)4.2.2代码解释首先,使用TransactionEncoder对交易数据进行编码,将其转换为适合apriori函数处理的格式。然后,调用apriori函数,设置min_support为0.4,表示只保留支持度大于或等于40%的项集;use_colnames=True表示在结果中使用原始的列名;algorithm="Eclant"指定使用Eclat算法。最后,通过association_rules函数生成关联规则,设置metric="confidence"和min_threshold=0.7表示只保留置信度大于或等于70%的规则。4.2.3结果分析输出的关联规则将显示哪些活动组合频繁出现,以及这些组合之间的关联强度。例如,规则{B}->{D}可能表示用户参与活动B时,有很大概率也会参与活动D,这有助于理解社交网络中用户的互动模式和兴趣偏好。通过上述步骤,我们可以有效地利用Eclat算法在社交网络分析中挖掘出有价值的关联规则,为个性化推荐、社区发现等应用提供数据支持。5案例分析5.1Eclat算法在好友推荐系统中的应用5.1.1原理Eclat算法(EquivalenceClassClusteringandbottom-upLatticeTraversal)是一种用于频繁项集挖掘的算法,特别适用于处理大规模数据集。在社交网络分析中,Eclat算法可以用于好友推荐系统,通过分析用户之间的共同好友或共同兴趣,找出频繁出现的用户组合,从而推荐可能感兴趣的好友给用户。5.1.2数据样例假设我们有以下社交网络数据,表示用户之间的朋友关系:用户ID好友列表12,3,421,3,531,2,4,541,352,35.1.3代码示例使用Python的mlxtend库来实现Eclat算法:frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimporteclat
#数据预处理,将数据转换为事务列表
dataset=[['2','3','4'],
['1','3','5'],
['1','2','4','5'],
['1','3'],
['2','3']]
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(dataset).transform(dataset)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#应用Eclat算法
frequent_itemsets=eclat(df,min_support=0.4,use_colnames=True)
print(frequent_itemsets)5.1.4解释在上述代码中,我们首先将社交网络数据转换为事务列表格式,然后使用TransactionEncoder将其转换为DataFrame。接下来,我们应用Eclat算法,设置最小支持度为0.4,这意味着任何频繁项集至少需要在40%的事务中出现。最后,我们打印出所有满足条件的频繁项集。5.2Eclat算法在话题传播分析中的应用5.2.1原理在话题传播分析中,Eclat算法可以用于识别哪些话题或关键词频繁地一起出现,这有助于理解话题的传播模式和用户兴趣的聚集。通过分析这些频繁项集,我们可以预测哪些话题可能引起用户的共鸣,从而优化内容推荐或广告策略。5.2.2数据样例假设我们有以下话题传播数据,表示用户讨论的话题:用户ID讨论话题1AI,机器学习,数据挖掘2AI,云计算,大数据3机器学习,数据挖掘,云计算4AI,机器学习5数据挖掘,云计算5.2.3代码示例使用Python的mlxtend库来实现Eclat算法:frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimporteclat
importpandasaspd
#数据预处理,将数据转换为事务列表
dataset=[['AI','机器学习','数据挖掘'],
['AI','云计算','大数据'],
['机器学习','数据挖掘','云计算'],
['AI','机器学习'],
['数据挖掘','云计算']]
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(dataset).transform(dataset)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#应用Eclat算法
frequent_itemsets=eclat(df,min_support=0.4,use_colnames=True)
print(frequent_itemsets)5.2.4解释在这个例子中,我们同样将话题传播数据转换为事务列表,然后使用TransactionEncoder将其转换为DataFrame。通过Eclat算法,我们找出哪些话题组合频繁出现,这有助于我们理解用户讨论的热点和趋势。设置最小支持度为0.4,意味着任何话题组合至少需要在40%的用户讨论中出现,才能被认为是频繁的。通过以上两个案例,我们可以看到Eclat算法在社交网络分析中的强大应用,无论是好友推荐还是话题传播分析,都能有效地挖掘出有价值的信息,为用户提供更个性化的服务。6结果解释与优化6.1关联规则的评估指标:支持度与置信度在关联规则学习中,支持度(Support)和置信度(Confidence)是两个关键的评估指标,用于衡量规则的普遍性和可靠性。6.1.1支持度(Support)支持度表示一个项集(Itemset)在数据集中出现的频率。对于项集X,其支持度S(X)定义为数据集中包含X的交易数占总交易数的比例。支持度越高,表示项集在数据集中出现的频率越高。6.1.2置信度(Confidence)置信度衡量一个关联规则X->Y的可靠性,定义为S(X∪Y)/S(X)。即在包含X的交易中,同时包含Y的交易所占的比例。置信度越高,表示规则X->Y的可靠性越强。6.1.3示例代码假设我们有以下交易数据集:交易ID项集1{A,B,C}2{A,B}3{A,C}4{B,C}5{A,B,C}#导入必要的库
frommlxtend.preprocessingimportTransactionEncoder
frommlxtend.frequent_patternsimportapriori,association_rules
#交易数据集
dataset=[['A','B','C'],
['A','B'],
['A','C'],
['B','C'],
['A','B','C']]
#使用TransactionEncoder编码数据
te=TransactionEncoder()
te_ary=te.fit(dataset).transform(dataset)
df=pd.DataFrame(te_ary,columns=te.columns_)
#计算频繁项集
frequent_itemsets=apriori(df,min_support=0.3,use_colnames=True)
frequent_itemsets
#生成关联规则
rules=association_rules(frequent_itemsets,metric="confidence",min_threshold=0.7)
rules6.1.4解释在上述代码中,我们首先定义了一个交易数据集,然后使用mlxtend库中的TransactionEncoder对数据进行编码。接着,我们使用apriori函数计算支持度大于0.3的频繁项集。最后,我们使用association_rules函数生成置信度大于0.7的关联规则。6.2优化Eclat算法的策略与技巧Eclat算法是一种用于关联规则学习的高效算法,它基于深度优先搜索策略,通过递归地遍历项集树来发现频繁项集。优化Eclat算法主要从以下几个方面进行:6.2.1数据预处理去除稀有项:在遍历数据集之前,先统计每个项的出现频率,去除那些支持度低于阈值的项,可以减少搜索空间。排序项:在每笔交易中,按照项的全局频率进行排序,这样可以更快地剪枝。6.2.2并行化利用多核处理器或分布式计算环境,将数据集分割成多个子集,分别在不同的处理器或节点上运行Eclat算法,最后合并结果。6.2.3优化数据结构使用位向量:对于每个项,使用一个位向量来表示其在哪些交易中出现,这样可以快速地进行位运算,提高搜索效率。压缩存储:对于频繁项集,可以使用压缩的数据结构来存储,减少内存占用。6.2.4示例代码以下是一个使用位向量优化的Eclat算法的伪代码示例:#假设交易数据集为transactions,每笔交易是一个项的集合
#项的全局频率字典为item_frequencies
#初始化位向量
bit_vectors={}
foriteminitem_frequencies:
bit_vectors[item]=0
#构建位向量
fortransactionintransactions:
foritemintransaction:
bit_vectors[item]|=1<<transaction_id
#Eclat算法的递归函数
defeclat(item,bit_vector):
#如果当前项集的支持度低于阈值,剪枝
ifbit_vector.bit_count()/len(transactions)<min_support:
return
#输出频繁项集
print(item)
#递归遍历子项集
forsub_iteminitem_frequencies:
ifsub_itemnotinitem:
new_bit_vector=bit_vector&bit_vectors[sub_item]
eclat(item+[sub_item],new_bit_vector)
#从每个项开始递归调用Eclat算法
foriteminitem_frequencies:
eclat([item],bit_vectors[item])6.2.5解释在这个示例中,我们首先为每个项构建了一个位向量,表示其在哪些交易中出现。然后,我们定义了一个递归函数eclat,用于遍历项集树。在函数中,我们首先检查当前项集的支持度是否低于阈值,如果是,则剪枝;否则,输出频繁项集,并递归地遍历子项集。通过使用位向量和位运算,我们可以快速地计算支持度和生成子项集的位向量,从而提高算法的效率。7Eclat算法在社交网络分析中的优势与局限7.1优势Eclat算法,全称为EquivalenceClassClusteringandbottom-upLatticeTraversal,是一种用于频繁项集挖掘的算法,尤其在处理大规模数据集时表现出色。在社交网络分析中,Eclat算法的优势主要体现在以下几个方面:高效性:Eclat算法采用了一种垂直的数据结构,这使得它在处理大数据集时比Apriori算法更高效。垂直数据结构仅存储每个事务中出现的项,而不是整个事务,从而减少了内存使用和计算时间。简单性:Eclat算法的实现相对简单,它通过遍历事务列表来查找频繁项集,避免了Apriori算法中生成候选集的复杂过程。可扩展性:由于Eclat算法的高效性和简单性,它在处理大规模社交网络数据时具有良好的可扩展性,能够快速地分析出用户之间的关联模式。7.1.1示例代码假设我们有以下社交网络数据,表示用户在社交平台上的互动行为:transactions=[
['user1','user2','user3'],
['user1','user4'],
['user2','user5'],
['user1','user2','user5'],
['user3','user4'],
['user2','user3','user5'],
['user1','user3','user4','user5'],
['user2','user3'],
['user1','user2','user3','user4','user5']
]使用Eclat算法来挖掘这些数据中的频繁项集:defeclat(transactions,min_support=2):
"""
Eclat算法实现,用于挖掘频繁项集。
参数:
transactions(listoflists):事务列表,每个事务是一个项的列表。
min_support(int):最小支持度阈值。
返回:
dict:频繁项集及其支持度。
"""
#初始化频繁项集字典
frequent_itemsets={}
#构建初始项集
fortransactionintransactions:
foritemintransaction:
ifitemnotinfrequent_itemsets:
frequent_itemsets[item]=set()
frequent_itemsets[item].add(transaction)
#过滤不满足最小支持度的项
frequent_itemsets={item:transactionsforitem,transactionsinfrequent_itemsets.
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