Pada postingan yang lalu telah dibahas klasterisasi dengan KMeans menggunakan bahasa Matlab. Kali ini kita coba menggunakan bahasa Python dengan GUI Jupyter notebook pada Google (Google Colab).

Sebelumnya kita siapkan terlebih dahulu file data sebagai berikut. Kemudian buka Google Colab untuk mengklasterisasi file tersebut. Sebagai referensi, silahkan kunjungi situs ini. Saat ini kita dengan mudah memperoleh contoh kode program dengan metode tertentu lewat google dengan kata kunci: colab <metode>.

Mengimpor Library

Library utama adalah Sklearn dengan alat bantu Pandas untuk pengelolaan ekspor dan impor file serta matplotlib untuk pembuatan grafik.

• from sklearn.cluster import KMeans
  
• import pandas as pd
  
• from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
  
• from matplotlib import pyplot as plt
  

Perhatikan di sini KMeans harus ditulis dengan K dan M berhuruf besar, begitu pula kelas-kelas yang lain seperti MinMaxScaler

Menarik Data

Perhatikan data harus diletakan di bagian file agar bisa ditarik lewat instruksi di bawah ini. Jika tidak maka akan muncul pesan error dimana data ‘beasiswa.csv’ tidak ada.

Selain itu tambahkan instruksi untuk mengeplot data. Tentu saja ini khusus data yang kurang dari 3 dimensi. Jika lebih maka cukup instruksi di atas saj.

• plt.scatter(df[‘IPK’],df[‘Tingkat Kemiskinan (TM)’])
  
• plt.xlabel(‘IPK’)
  
• plt.ylabel(‘Tingkat Miskin’)
  

Prediksi

Ini merupakan langkah utama yang memanfaatkan pustaka ‘KMeans’ dari Sklearn.

• km=KMeans(n_clusters=2)
  
• y_predicted=km.fit_predict(df[[‘IPK’,‘Tingkat Kemiskinan (TM)’]])
  
• y_predicted
  

Nah, hal terpenting adalah tidak hanya menghitung y_predicted saja melainkan melabel kembali datanya. Percuma saja jika kita tidak mampu memetakan kembali siapa saja yang masuk kategori klaster ‘0’ dan ‘1’.

• df[‘klaster’]=y_predicted
  
• print(df)

Finishing

Di sini langkah terpenting lainnya adalah kembali memvisualisasikan dalam bentuk grafik dan menyimpan hasilnya dalam format CSV.

• df1=df[df.klaster==0]
  
• df2=df[df.klaster==1]
  
• plt.scatter(df1[‘IPK’],df1[‘Tingkat Kemiskinan (TM)’],color=‘red’)
  
• plt.scatter(df2[‘IPK’],df2[‘Tingkat Kemiskinan (TM)’],color=‘black’)
  
• plt.scatter(km.cluster_centers_[:,0],km.cluster_centers_[:,1],color=‘purple’,marker=‘*’,label=‘center’)
  
• plt.xlabel=‘IPK’
  
• plt.ylabel=‘Tingkat Miskin’
  
• plt.legend()
  

Hasilnya adalah grafik dengan pola warna yang berbeda tiap klaster-nya.

Salah satu kelebihan Pandas adalah dalam ekspor dan impor data. Dalam hal ini kita akan menyimpan hasil klasterisasi dengan nama ‘klasterisasi.csv’. Lihat panduan lengkapnya di sini.

• df.to_csv(‘klasterisasi.csv’)
  

Silahkan file hasil sempan diunduh karena Google Colab hanya menyimpan file tersebut sementara, kecuali kalau Anda menggunakan Google Drive (lihat caranya). Untuk mengujinya kita buat satu sel baru dan coba panggil kembali file ‘klasterisasi.csv’ yang baru terbentuk itu. df=pd.read_csv(‘klasterisasi.csv’)

• df.head()
  

Note: ada field yang belum dinamai (Unnamed), bantu ya di kolom komentar caranya. Oiya, MinMaxScaler digunakan untuk jika data ‘jomplang’ misalnya satu dimensi, IPK dari 0 sampai 4 sementara misalnya penghasilan jutaan, tentu saja KMeans ‘pusing’. Oleh karena itu perlu dilakukan proses preprocessing. Sekian, semoga bermanfaat.

Decision Tree (DT) merupakan metode machine learning klasik yang memiliki keunggulan dari sisi interpretasi dibanding Deep Learning (DL). Memang akurasi Deep Learning, terutama yang digunakan untuk mengolah citra sudah hampir 100% tetapi beberapa domain, misalnya kesehatan membutuhkan model yang dapat dilihat “isi” di dalamnya. Kita tahu bahwa DL sering dikatakan “black box” karena tidak dapat diketahui alur di dalamnya. Nah, di sinilah DT digunakan karena memiliki keunggulan dari sisi transparansi. Bahkan ketika DT terbentuk kita bisa memprediksi secara manual hasil akhir dengan melihat alur DT tersebut tanpa bantuan komputer. Silahkan lihat pos saya terdahulu tentang DT.

Nah, karena data yang besar terkadang DT sangat sulit terbentuk. Seorang peneliti dari IBM bernama Tin Kam Ho membuat algoritma DT di tahun 1995 (saya baru masuk S1 FT UGM waktu itu). Prinsipnya adalah membuat DT-DT kecil secara acak kemudian digunakan untuk memprediksi melalui mekanisme voting. Misalnya kita ingin memprediksi sesuatu dengan enam buah Trees di bawah ini.

Jika hasilnya 2 Yes dan 4 No maka secara voting hasil prediksinya adalah No karena yang terbanyak No. Oiya, Tree yang dibentuk di atas ketika memilih root dan node tidak perlu menggunakan kalkulasi njlimet seperti DT yaitu dengan Entropi dan Gain Information.

Bagaimana menerapkan lewat bahasa pemrograman? Python memiliki library Scikit Learning untuk Random Forests. Oiya, jika ingin melihat kode di dalam library tersebut silahkan buka saja Source di Github yang disediakan oleh Scikit Learning. Jika ingin memodif silahkan tiru-amati-modifikasi source code tersebut, khususnya para mahasiswa doktoral yang fokus ke metode. Untuk lebih jelasnya silahkan lihat link Video saya di Youtube berikut ini. Sekian, semoga bermanfaat.

Support Vector Regression (SVR) merupakan metode klasik yang memanfaatkan teori matematika dan statistik untuk regresi dengan model Support Vector Machine (SVM). Jadi SVM ternyata bukan hanya untuk klasifikasi melainkan juga untuk regresi dan deteksi outliers.

Silahkan gunakan Scikit Learning untuk bahasa Python. Postingan ini mengilustrasikan penggunaannya dengan Google Colab. Data COVID dapat kita temukan di internet, atau silahkan gunakan file Excel link ini. Pilih negara yang ingin Anda prediksi kemudian simpan dalam bentuk file. Berikut kira-kira kode programnya.

#impor pustaka svm
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.svm import SVR
from google.colab import files
import io
#data latih
upload_files = files.upload()
for filename in upload_files.keys():
x=upload_files[filename].decode(‘utf-8’)
data1 = pd.read_csv(io.StringIO(x), header=None)
#print(data1.head())
X1=np.asarray(data1)
x_train=X1[0:,0:1]
y_train=X1[0:,1:2]
#membuat model (classifier)
clf = SVR(kernel=‘poly’, C=100, gamma=‘auto’, degree=2, epsilon=.1,
oef0=1)
clf.fit(x_train,y_train)
#prediksi data
test=x_train.reshape(-1,1)
y_pred=clf.predict(test)
y_next=np.array([[457],[465],[470],[471],[480]])
prednext=clf.predict(y_next)
print(prednext)
#Visualisasi Data
absis=[x_train]
ordinat=[y_train]
#ordinat2=np.concatenate([x_train],[prednext])
plt.scatter(absis, ordinat, cmap=‘flag’, marker=‘o’)
plt.scatter(absis, y_pred, cmap=‘flag’, marker=‘x’)
plt.scatter(y_next, prednext, cmap=‘flag’, marker=‘x’)
#Label
plt.xlabel(“Day”)
plt.ylabel(“Number of infected People”)
plt.title(“Projection Pattern of COVID-19 Spread in India”)
plt.grid()

Jika dijalankan, masukan saja data CSV yang Anda ingin prediksi dan tunggu beberapa saat, agak lama karena 400-an hari (lebih dari setahun). Jika selesai pastikan hasil prediksi muncul.

Tampak garis biru merupakan data asli dari Excel sementara garis oranye merupakan hasil fitting berdasarkan kernel polinomial (kuadratik). Lima tanggal prediksi tampak di ujung kanan berwarna hijau. Silahkan lihat video lengkapnya di chanel saya. Sekian, semoga bisa menginspirasi.

P.S. Tulisan di atas sebagian diambil dari publikasi kami di https://ieeexplore.ieee.org/document/9415858

Pohon keputusan merupakan satu metode klasik dalam prediksi/klasifikasi. Tekniknya adalah dengan menggunakan pertanyaan di suatu atribut (disebut test attribute) kemudian mengarahkan ke cabang mana sesuai dengan jawabannya. Tugas utama dalam metode ini adalah model membuat pohon/tree berdasarkan informasi dari data yang menjadi rujukan.

Perhitungan Manual

Pada slide di bawah, perhitungan manual dijelaskan yang diambil dari buku Data Mining karya Han and Kamber.

Beberapa kesalahan hitung terjadi ketika menghitung expected information dan entropi di tiap-tiap fitur/atribut. Untuk yang sedang mengambil kuliah ini ada baiknya berlatih soal-soal agar ketika ujian tidak terjadi salah hitung.

Perhitungan dengan Program

Berikutnya disertakan pula bagaimana mengimplementasikannya dengan Python, dalam hal ini menggunakan Google Colab. Saran untuk mahasiswa S1 dan D3 ada baiknya mengetik langsung kode (tanpa copas) agar bisa melatih skill/keterampilan. Sekaligus juga debug ketika ada error terjadi. Silahkan lihat video lengkapnya di youtube berikut ini. Semoga bermanfaat.

Aplikasi web biasanya merupakan aplikasi bertipe front-end dimana antara user dengan machine saling berinteraksi. Sementara itu machine learning, bagian khusus dari data mining, kebanyakan bekerja sebagai back-end. Nah, agar machine learning terhubung dengan user, dibutuhkan user interface, salah satunya adalah aplikasi berbasis web. Python, sebagai bahasa yang memang dikhususkan untuk back-end menyediakan pula aplikasi front-end dalam bentuk web lewat beberapa framework-nya, salah satunya adalah Flask.

Menyisipkan Machine Learning

Bagaimana cara kerja Flask, silahkan lihat pos saya terdahulu. Beberapa library perlu dipersiapkan dari yang diperuntukan menjalankan machine learning (Pandas, NumPy, Keras, SKlearn, dan lain sebagainya) hingga yang memang khusus untuk Flask. Untuk studi kasus dipilih Support Vector Machine (SVM) untuk mengklasifikasi data penentuan beasiswa. Diperlukan tiga file program dengan satu file data. Tiga file tersebut antara lain satu file utama python dan dua file html untuk interface (main program untuk inputan dan result.html untuk keluaran). Berikut tampilan program utamanya.

Perhatikan letak training SVM setelah proses impor pustaka-pustaka yang dibutuhkan. Dua fungsi (template_test dan predict) dibutuhkan berturut-turut ketika program dieksekusi dan ketika tombol ditekan (via browser).

Testing

Untuk mengujinya, perlu memahami bagaimana konsep environment di python. Cara termudah adalah lewat Anaconda Navigator. Pastikan di environmen terpasang pustaka-pustaka yang dibutuhkan (bisa lewat PIP terminal ataupun lewat Anaconda). Buka environment yang tepat dengan menekan mouse di nama environmen tersebut dilanjutkan dengan mengklik kanan dan pilih “terminal” untuk membuka terminal yang mengarah ke environment tersebut. Environment ditunjukan dengan dalam kurung di terminal, misalnya kasus saya nama environmennya “tensorflow” (hanya nama saja).

Setelah masuk terminal arahkan folder ke lokasi program utama python-nya (berekstensi *.py). Untuk jelaskan silahkan buka video berikut ini. Sekian, semoga bermanfaat.

Untuk rekan-rekan mahasiswa yang sudah setia mengikuti perkuliahan (Univ. Islam 45, Univ. Nusa Putra, dan Univ. Bhayangkara Jakarta Raya) walaupun secara online di masa pandemic COVID-19, kami mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya karena secara tidak langsung turut membantu terciptanya buku revisi “Data Mining” yang kini disertai bahasa Python yang Insya Allah sudah melewati revisi terakhir dan siap cetak.

Mungkin ada pembaca yang sudah mahir metode-metode yang digunakan untuk machine learning, tapi kesulitan ketika membuat aplikasi yang digunakan oleh pengguna. Banyak pilihan yang mungkin, apakah berbasis desktop ataukah web. Pilihan berupa mejalankan lewat konsol tentu saja menyulitkan pengguna yang biasanya eksekutif pengambil keputusan. Untuk yang berbasis desktop (lihat pos yang lalu tentang tkinter) menyulitkan jika ingin digunakan bersama. Nah, penggunaan aplikasi berbasis web untuk machine learning menjadi satu-satunya pilihan yang baik. Dengan aplikasi web, aplikasi dapat digunakan oleh divisi lain. Pos ini merupakan penjelasan lebih lanjut dari post yang lalu dengan penambahan pada operasi aritmatika sederhana (penjumlahan).

Bahasa Pemrograman Front-End dan Back-End

Dua pilihan framework web berbasis python yang terkenal adalah “django” dan “flask”. Jika django diperuntukan untuk aplikasi besar (enterprise), flask cocok jika digunakan internal di perusahaan karena karakteristiknya yang microframework. Toh biasanya memang aplikasi machine learning tidak “diumbar” ke luar, melainkan hanya kepentingan internal saja. Biasanya memang machine learning bekerja secara back-end, sementara bahasa pemrograman lain seperti java, php, dan bahasa front-end lainnya diperbantukan. Tetapi ternyata dengan framework-framework web, python secara mengejutkan dapat digunakan sebagai front-end juga.

Mempersiapkan Pustaka (Library) Flask

Langkah penting pertama adalah menyiapkan pustaka untuk menjalankan Flask. Kita dapat menggunakan dua metode yaitu lewat konsole (dengan PIP) dan lewat Anaconda Navigator. Silahkan atur environment yang tepat agar tidak salah menggunakan environment.

Di sini saya menginstal Flask di environment “tensorflow” (hanya nama saja). Untuk yang konsol, gunakan “path” yang sesuai, atau bisa menggunakan aplikasi “virtualenv”. Atau untuk pemula seperti saya, gunakan saja Anaconda yang terintegrasi.

Format Folder Flask

Flask membutuhkan satu file python untuk menghidupkan server dan beberapa templet HTML untuk input dan outputnya. Misalnya untuk contoh kita menggunakan satu file python “web.py” untuk menghidupkan server dan mengatur komunikasi templet lainnya: “mainpage.html” dan “result.html”.

Gunakan beragam text editor untuk mengetik dan membaca program-program tersebut, misalnya notepad, sublimetext, IDLE, dan text editor lainnya. Pastikan letak file mengikuti standar di atas dimana HTML terletak dalam satu folder “templates”. Berikut contoh kode untuk menghidupkan server Flask.

Memang perlu usaha keras untuk rekan-rekan yang kurang memahami format HTML dan CSS. Silahkan pelajari sumber-sumber belajar HTML dan CSS tersebut. Atau bisa gunakan Bootstrap yang tersedia dengan cuma-cuma di internet.

Menghidupkan Server

Dengan environment yang sesuai, masuk ke mode konsol dan ketik: python <namafile.py> di folder yang tepat. Pastikan server hidup dengan indikasi adanya instruksi untuk mengakses http://127.0.0.1:<port>.

Untuk keluar bisa menggunakan “Ctrl+C”. Ada kejadian unik ketika saya mengutak-atik kode tetapi tidak bisa dijalankan karena server masih menyimpan yang lama (cache). Setelah mengganti port baru bisa.

Testing

Buka browser dan jalankan aplikasi. Pastikan dapat berjalan dengan sempurna. Silahkan untuk jelasnya buka video tutorial saya di Youtube berikut ini.

Similar with particle swarm optimization, simulated annealing (SA) is a fast optimization method. It mimics the process of the cooling system in die casting. The cooling system in die casting should be slow to avoid the internal energy trapped in the cast that reduce the quality. The SA code can be found in the internet, e.g. the panda site.

SA use some exponential calculation, so we need to import “math” library in the beginning. Open your Jupyter Notebook with the proper environment. Use Anaconda Navigator to get the environment and open the terminal. After finding your working direktory, type “Jupyter Notebook” to open the IDE in your browser automatically. Copy and paste the SA code at the end of this post to show how the SA work. You can change the objective function according your case study.

Matplotlib library was used to create the performance chart. Best performance was at 8.1 after 258 iteration. Try the code below in your Jupyter Notebook or previous method, e.g. by console, IDLE, etc.

import time
import random
import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#------------------------------------------------------------------------------
# Customization section:
initial_temperature = 100
cooling = 0.8  # cooling coefficient
number_variables = 2 
upper_bounds = [3, 3]   
lower_bounds = [-3, -3]  
computing_time = 1 # second(s)

def objective_function(X):
    x=X[0]
    y=X[1]
    value = 3*(1-x)**2*math.exp(-x**2 - (y+1)**2) - 10*(x/5 - x**3 - y**5)*math.exp(-x**2 - y**2) -1/3*math.exp(-(x+1)**2 - y**2)
    return value

#------------------------------------------------------------------------------
# Simulated Annealing Algorithm:
initial_solution=np.zeros((number_variables))
for v in range(number_variables):
    initial_solution[v] = random.uniform(lower_bounds[v],upper_bounds[v])

current_solution = initial_solution
best_solution = initial_solution
n = 1  # no of solutions accepted
best_fitness = objective_function(best_solution)
current_temperature = initial_temperature # current temperature
start = time.time()
no_attempts = 100 # number of attempts in each level of temperature
record_best_fitness =[]

for i in range(9999999):
    for j in range(no_attempts):

        for k in range(number_variables):
            current_solution[k] = best_solution[k] + 0.1*(random.uniform(lower_bounds[k],upper_bounds[k]))
            current_solution[k] = max(min(current_solution[k],upper_bounds[k]),lower_bounds[k])  # repair the solution respecting the bounds

        current_fitness = objective_function(current_solution)
        E = abs(current_fitness - best_fitness)
        if i == 0 and j == 0:
            EA = E

        if current_fitness < best_fitness:
            p = math.exp(-E/(EA*current_temperature))
            # make a decision to accept the worse solution or not
            if random.random()<p:
                accept = True # this worse solution is accepted
            else:
                accept = False # this worse solution is not accepted
        else:
            accept = True # accept better solution
        if accept==True:
            best_solution = current_solution # update the best solution
            best_fitness = objective_function(best_solution)
            n = n + 1 # count the solutions accepted
            EA = (EA *(n-1) + E)/n # update EA

    print('interation: {}, best_solution: {}, best_fitness: {}'.format(i, best_solution, best_fitness))
    record_best_fitness.append(best_fitness)
    # Cooling the temperature
    current_temperature = current_temperature*cooling
    # Stop by computing time
    end = time.time()
    if end-start >= computing_time:
        break
plt.plot(record_best_fitness)