关系数据库理论

主要内容问题提出规范化理论小结重点函数依赖NF的概念及判定方法4.1问题的提出关系数据库逻辑设计针对具体问题，如何构造一个适合于它的数据模式数据库逻辑设计的工具──关系数据库的规范化理论问题的提出一、概念回顾二、关系模式的形式化定义三、什么是数据依赖四、关系模式的简化定义五、数据依赖对关系模式影响一、概念回顾关系：描述实体、属性、实体间的联系。从形式上看，它是一张二维表，是所涉及属性的笛卡尔积的一个子集。关系模式：用来定义关系。关系数据库：基于关系模型的数据库，利用关系来描述现实世界。从形式上看，它由一组关系组成。关系数据库的模式：定义这组关系的关系模式的全体。二、关系模式的形式化定义关系模式由五部分组成，即它是一个五元组：R(U,D,DOM,F)R：关系名U：组成该关系的属性名集合D：属性组U中属性所来自的域DOM：属性向域的映象集合F：属性间数据的依赖关系集合三、关系模式的简化表示●关系模式R（U,D,DOM,F）简化为一个三元组：R（U,F）●当且仅当U上的一个关系r满足F时，r称为关系模式R（U,F）的一个关系四、什么是数据依赖1.完整性约束的表现形式限定属性取值范围：例如学生成绩必须在0-100之间定义属性值间的相互关连（主要体现于值的相等与否），这就是数据依赖，它是数据库模式设计的关键什么是数据依赖（续）2.数据依赖是通过一个关系中属性间值的相等与否体现出来的数据间的相互关系是现实世界属性间相互联系的抽象是数据内在的性质是语义的体现什么是数据依赖（续）3.数据依赖的类型函数依赖（FunctionalDependency，简记为FD）多值依赖（MultivaluedDependency，简记为MVD）五、数据依赖对关系模式的影响例：描述学校的数据库：学生的学号（Sno）、所在系（Sdept）系主任姓名（Mname）、课程名（Cname）成绩（Grade）单一的关系模式：StudentU、FU＝｛Sno,Sdept,Mname,Cname,Grade｝数据依赖对关系模式的影响（续）学校数据库的语义：⒈一个系有若干学生，一个学生只属于一个系；⒉一个系只有一名主任；⒊一个学生可以选修多门课程，每门课程有若干学生选修；⒋每个学生所学的每门课程都有一个成绩。数据依赖对关系模式的影响（续）属性组U上的一组函数依赖F：F＝｛Sno→Sdept,Sdept→Mname,(Sno,Cname)→Grade｝SnoCnameSdeptMnameGrade关系模式StudentU,F中存在的问题⒈数据冗余太大浪费大量的存储空间⒉更新异常（UpdateAnomalies）数据冗余，更新数据时，维护数据完整性代价大。关系模式StudentU,F中存在的问题⒊插入异常（InsertionAnomalies）该插的数据插不进去⒋删除异常（DeletionAnomalies）不该删除的数据不得不删数据依赖对关系模式的影响（续）结论：•Student关系模式不是一个好的模式。•“好”的模式：不会发生插入异常、删除异常、更新异常，数据冗余应尽可能少。原因：由存在于模式中的某些数据依赖引起的解决方法：通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖。4.2函数依赖函数依赖平凡函数依赖与非平凡函数依赖完全函数依赖与部分函数依赖传递函数依赖一、函数依赖定义6.1设R(U)是一个属性集U上的关系模式，X和Y是U的子集。若对于R(U)的任意一个可能的关系r，r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等，而在Y上的属性值不等，则称“X函数确定Y”或“Y函数依赖于X”，记作X→Y。X称为这个函数依赖的决定属性集(Determinant)。Y=f(x)函数依赖（续）例:Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)假设不允许重名，则有:若X→Y，并且Y→X,则记为X←→Y。若Y不函数依赖于X,则记为X─→Y。Sno→Ssex，Sno→Sage,Sno→Sdept，Sno←→Sname,Sname→Ssex，Sname→SageSname→Sdept但Ssex→Sage二、平凡函数依赖与非平凡函数依赖在关系模式R(U)中，对于U的子集X和Y，如果X→Y，但YX，则称X→Y是非平凡的函数依赖若X→Y，但YX,则称X→Y是平凡的函数依赖例：在关系SC(Sno,Cno,Grade)中，非平凡函数依赖：(Sno,Cno)→Grade平凡函数依赖：(Sno,Cno)→Sno(Sno,Cno)→Cno三、完全函数依赖与部分函数依赖定义6.2在关系模式R(U)中，如果X→Y，并且对于X的任何一个真子集X’，都有X’Y,则称Y完全函数依赖于X，记作XｆY。若X→Y，但Y不完全函数依赖于X，则称Y部分函数依赖于X，记作XPY。完全函数依赖与部分函数依赖（续）例:在关系SC(Sno,Cno,Grade)中，由于：Sno→Grade，Cno→Grade，因此：(Sno,Cno)ｆGrade四、传递函数依赖定义6.3在关系模式R(U)中，如果X→Y，Y→Z，且YX，Y→X，则称Z传递函数依赖于X。注:如果Y→X，即X←→Y，则Z直接依赖于X。例:在关系Std(Sno,Sdept,Mname)中，有：Sno→Sdept，Sdept→MnameMname传递函数依赖于Sno码定义6.4设K为关系模式RU,F中的属性或属性组合。若KｆU，则K称为R的一个侯选码（CandidateKey）。若关系模式R有多个候选码，则选定其中的一个做为主码（Primarykey）。外部码定义6.5关系模式R中属性或属性组X并非R的码，但X是另一个关系模式的码，则称X是R的外部码（Foreignkey）也称外码。4.4范式范式是符合某一种级别的关系模式的集合。关系数据库中的关系必须满足一定的要求。满足不同程度要求的为不同范式。范式的种类：第一范式(1NF)第二范式(2NF)第三范式(3NF)BC范式(BCNF)第四范式(4NF)第五范式(5NF)4.4.1范式各种范式之间存在联系：某一关系模式R为第n范式，可简记为R∈nNF。NF5NF4BCNFNF3NF2NF14.4.22NF1NF的定义如果一个关系模式R的所有属性都是不可分的基本数据项，则R∈1NF。例:关系模式SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)Sloc为学生住处，假设每个系的学生住在同一个地方。函数依赖包括：(Sno,Cno)fGradeSno→Sdept(Sno,Cno)PSdeptSno→Sloc(Sno,Cno)PSlocSdept→SlocSLC的码为(Sno,Cno)SLC满足第一范式。非主属性Sdept和Sloc部分函数依赖于码(Sno,Cno)SnoCnoGradeSdeptSlocSLCSLC不是一个好的关系模式(1)插入异常假设Sno＝95102，Sdept＝IS，Sloc＝N的学生还未选课，因课程号是主属性，因此该学生的信息无法插入SLC。(2)删除异常假定某个学生本来只选修了3号课程这一门课。现在因身体不适，他连3号课程也不选修了。因课程号是主属性，此操作将导致该学生信息的整个元组都要删除。SLC不是一个好的关系模式(3)数据冗余度大如果一个学生选修了10门课程，那么他的Sdept和Sloc值就要重复存储了10次。(4)修改复杂例如学生转系，在修改此学生元组的Sdept值的同时，还可能需要修改住处（Sloc）。如果这个学生选修了K门课，则必须无遗漏地修改K个元组中全部Sdept、Sloc信息。原因Sdept、Sloc部分函数依赖于码。解决方法SLC分解为两个关系模式，以消除这些部分函数依赖SC（Sno，Cno，Grade）SL（Sno，Sdept，Sloc）SLC的码为(Sno,Cno)SLC满足第一范式。非主属性Sdept和Sloc部分函数依赖于码(Sno,Cno)SnoCnoGradeSdeptSlocSLC函数依赖图：SnoCnoGradeSCSLSnoSdeptSloc2NF2NF的定义定义5.6若关系模式R∈1NF，并且每一个非主属性都完全函数依赖于R的码，则R∈2NF。例：SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)∈1NFSLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)∈2NFSC（Sno，Cno，Grade）∈2NFSL（Sno，Sdept，Sloc）∈2NF4.4.33NF例：2NF关系模式SL(Sno,Sdept,Sloc)中函数依赖：Sno→SdeptSdept→SlocSno→SlocSloc传递函数依赖于Sno，即SL中存在非主属性对码的传递函数依赖。3NF函数依赖图：SLSnoSdeptSloc3NF解决方法采用投影分解法，把SL分解为两个关系模式，以消除传递函数依赖：SD（Sno，Sdept）DL（Sdept，Sloc）SD的码为Sno，DL的码为Sdept。3NFSD的码为Sno，DL的码为Sdept。SnoSdeptSDSdeptSlocDL3NF3NF的定义：定义6.8关系模式RU，F中若不存在这样的码X、属性组Y及非主属性Z（ZY）,使得X→Y，Y→X，Y→Z，成立，则称RU，F∈3NF。例，SL(Sno,Sdept,Sloc)∈2NFSL(Sno,Sdept,Sloc)∈3NFSD（Sno，Sdept）∈3NFDL（Sdept，Sloc）∈3NF3NF若R∈3NF，则R的每一个非主属性既不部分函数依赖于候选码也不传递函数依赖于候选码。如果R∈3NF，则R也是2NF。4.4.4BC范式（BCNF）定义6.9设关系模式RU，F∈1NF，如果对于R的每个函数依赖X→Y，若Y不属于X，则X必含有候选码，那么R∈BCNF。若R∈BCNF每一个决定属性集（因素）都包含（候选）码R中的所有属性（主，非主属性）都完全函数依赖于码R∈3NF若R∈3NF则R不一定∈BCNFBCNF例：在关系模式STJ（S，T，J）中，S表示学生，T表示教师，J表示课程。每一教师只教一门课。每门课由若干教师教，某一学生选定某门课，就确定了一个固定的教师。某个学生选修某个教师的课就确定了所选课的名称：(S，J)→T，(S，T)→J，T→JBCNFSJTSTJSTJBCNFSTJ∈3NF(S，J)和(S，T)都可以作为候选码S、T、J都是主属性STJ∈BCNFT→J，T是决定属性集，T不是候选码BCNF解决方法：将STJ分解为二个关系模式：SJ(S，J)∈BCNF，TJ(T，J)∈BCNF没有任何属性对码的部分函数依赖和传递函数依赖。SJSTTJTJ3NF与BCNF的关系如果关系模式R∈BCNF，必定有R∈3NF如果R∈3NF，且R只有一个候选码，则R必属于BCNF。BCNF的关系模式所具有的性质⒈所有非主属性都完全函数依赖于每个候选码⒉所有主属性都完全函数依赖于每个不包含它的候选码⒊没有任何属性完全函数依赖于非码的任何一组属性4.4.5多值依赖与第四范式（4NF）例:学校中某一门课程由多个教师讲授，他们使用相同的一套参考书。关系模式Teaching(C,T,B)课程C、教师T和参考书B………课程C教员T参考书B物理数学计算数学李勇王军李勇张平张平周峰普通物理学光学原理物理习题集数学分析微分方程高等代数数学分析表6.3普通物理学光学原理物理习题集普通物理学光学原理物理习题集数学分析微分方程高等代数数学分析微分方程高等代数…李勇李勇李勇王军王军王军李勇李勇李勇张平张平张平…物理物理物理物理物理物理数学数学数学数学数学数学…参考书B教员T课程C用二维表表示Teaching：多值依赖与第四范式（续）Teaching∈BCNFTeach具有唯一候选码(C，T，B)，即全码多值依赖与第四范式（续）Teaching模式中存在的问题数据冗余度大插入操作复杂删除操作复杂修改操作复杂多值依赖与第四范式（续）