DataBase关系数据理论(旧).ppt
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1、数据库系统概论An Introduction to Database System第四章 关系数据理论(重点:关系规范化理论),第四章 关系数据理论,4.1 问题的提出4.2 规范化4.3 数据依赖的公理系统4.4 模式分解4.5 小结,4.1 问题的提出,关系数据库逻辑设计针对具体数据库设计问题,如何构造一个适合于它的关系模式(举例)数据库逻辑设计的工具关系数据库的规范化理论,举例:关系模式比较,关系模式1 S学号,姓名,性别 C学号,课程号,课程名,学习期限,成绩,奖学金关系模式2 S学号,姓名,性别 L学号,课程名,成绩 C课程号,课程名,学习期限 A成绩,奖学金两种关系模式使用起来效果
2、大不相同,关系模式1_c的一个派生关系,思考:这个关系是否存在一些弊病?,“不好的”关系模式弊病总结:数据存储冗余数据不一致性插入异常(应该插入的数据未被插入)删除异常(不该删除的数据被删除),思考:关系模式1为什么会出现这些弊病,而关系模式2中却没有出现?,原因:关系模式1-c中的某些属性之间存在某些具有不好性质的数据依赖。,解决办法关系规范化理论(1)分析出一个关系模式会有哪些不好性质的数据依赖?(2)如何改造一个不好的(/不规范的)关系模式(模式分解)?,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,数据依
3、赖的类型函数依赖(Functional Dependency,简记为FD)多值依赖(Multivalued Dependency,简记为MVD)其他,4.2 规范化,规范化理论用来改造关系模式,通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖,以解决插入异常、删除异常、更新异常和数据冗余问题。,让一个关系描述一个概念、一个实体或者实体间的一种联系。若多于一个概念就把它“分离”出去。所谓规范化实质上是概念的单一化,4.2.1 函数依赖,一、函数依赖二、平凡函数依赖与非平凡函数依赖三、完全函数依赖与部分函数依赖四、传递函数依赖与直接函数依赖,一、函数依赖,定义4.1 设R(U)是一个属性集U上的关系模式
4、,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XY。X称为这个函数依赖的决定属性集(Determinant)。,说明:,1.函数依赖是指关系模式R的所有关系实例均要满足的约束条件。,2.函数依赖是语义范畴的概念,根据数据的语义来确定。例如“姓名年龄”这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立。如果x和y之间是“1:1”关系,则存在FD:x y 如果x和y之间是“N:1”关系,则存在FD:x y 如果x和y之间是“M:N”关系,则x和y之间不存在FD,3.数据库设计者可以对
5、现实世界作强制的规定。例如规定不允许同名人出现,函数依赖“姓名年龄”成立。所插入的元组必须满足规定的函数依赖,若发现有同名人存在,则拒绝装入该元组。,关系模式C(课号,课名),FD:课号 课名,关系模式S(学号,姓名),FD:学号 姓名,关系模式SC(学号,课号),学号和课号之间不存在FD,函数依赖举例,例:Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)假设不允许重名,则有: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
6、系模式R(U)中,对于U的子集X和Y,如果XY,但Y X,则称XY是非平凡的函数依赖若XY,且Y X,则称XY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,平凡函数依赖与非平凡函数依赖,对于任一关系模式,平凡函数依赖都是必然成立的,它不反映新的语义,因此。若不特别声明,我们总是讨论非平凡函数依赖,三、完全函数依赖与部分函数依赖,定义4.2 在关系模式R(U)中,如果XY,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X Y。若XY,但Y不完全
7、函数依赖于X,则称Y部分函数依赖于X,记作X P Y。,完全函数依赖与部分函数依赖举例,例:在关系SC(Sno,Cno,Grade)中,由于:Sno Grade,Cno Grade,因此:(Sno,Cno)Grade 在关系C(学号,课程号,课程名,学习期限,成绩,奖学金)中,由于:(学号,课程号/名)学习期限,课程号/名学习期限 因此:(学号,课程号/名)P 学习期限,四、传递函数依赖,定义4.3 在关系模式R(U)中,如果XY,YZ,且Y X,YX,则称Z传递函数依赖于X。注:如果YX,即XY,则Z直接依赖于X。例:在关系Std(Sno,Sdept,Mname)中,有:Sno Sdept,
8、Sdept Sno,Sdept Mname Mname传递函数依赖于Sno,4.2.2 码(用函数依赖的概念定义),设K为关系模式R中的属性或属性组。若K U,则K称为R的一个候选码(Candidate Key)。若关系模式R有多个候选码,则选定其中的一个作为主码(Primary key)。主属性(PA,指任一候选码中的属性)非主属性(NPA),4.2.3 范式(Normal Form),用来表示关系的级别,即关系满足要求(避免四种异常)的程度。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),消除了FD范围内的异常,M
9、VD、连接依赖等,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RnNF。,4.2.4 2NF引出,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R1NF。第一范式是对关系模式的最起码的要求。不满足第一范式的数据库模式不能称为关系数据库。但是满足第一范式的关系模式并不一定是一个好的关系模式。,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)f Grade Sno Sdept(Sno,Cno)P Sdept Sno Sloc(Sno,Cno)P Sloc Sde
10、pt Sloc,SLC的候选码为(Sno,Cno)SLC满足第一范式非主属性Sdept和Sloc部分函数依赖于候选码(Sno,Cno),SLC不是一个好的关系模式(由部分依赖引起),插入异常 假设Sno95102,SdeptIS,SlocN的学生还未选课,因课程号是主属性,因此该学生的信息(主要指非主属性信息)无法插入SLC。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,丢失了非主属性Sdept,Sloc的信息。,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
11、要重复存储10次。修改复杂 例如学生转系,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。,2NF引出,原因 非主属性Sdept、Sloc部分函数依赖于候选码。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),函数依赖图:,2NF,2NF的定义 若关系模式R1NF,并且每一个非主属性都完全函数依赖于R的候选码,则R2NF。例:SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)1NF SLC(Sno,Sd
12、ept,Sloc,Cno,Grade)2NF SC(Sno,Cno,Grade)2NF SL(Sno,Sdept,Sloc)2NF,2NF,将一个1NF关系分解为多个2NF的关系,并不能完全消除关系模式中的各种异常情况。,4.2.5 3NF引出,例:2NF关系模式SL(Sno,Sdept,Sloc)中函数依赖:SnoSdept SdeptSloc SnoSlocSloc传递函数依赖于Sno,即SL中存在非主属性对候选码的传递函数依赖。,函数依赖图:,SL不是一个好的关系模式(由传递依赖引起),例如:如果要修改某个系的学生的住处,可能会出现存储冗余,修改复杂。,解决方法 采用投影分解法,把SL分
13、解为两个关系模式,以消除传递函数依赖:SD(Sno,Sdept)DL(Sdept,Sloc)其中SD的码为Sno,DL的码为Sdept。,3NF,3NF的定义若关系模式R2NF,并且每一个非主属性都不传递函数依赖于R的候选码,则R3NF。例:SL(Sno,Sdept,Sloc)2NF SL(Sno,Sdept,Sloc)3NF SD(Sno,Sdept)3NF DL(Sdept,Sloc)3NF,3NF,若R3NF,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。将一个2NF关系分解为多个3NF的关系后,并不能完全消除关系模式中的各种异常情况和数据冗余。,4.2.6 BC
14、NF引出,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,TJ,函数依赖图,STJ3NF(S,J)和(S,T)都是候选码S、T、J都是主属性但:(S,T)T,TJ,所以主属性J传递依赖于不包含它的候选码(S,T)。,解决方法:将STJ分解为二个关系模式:ST(S,T)BCNF,TJ(T,J)BCNF,BC范式(BCNF),若关系模式R3NF,并且每一个主属性都不部分依赖,也不传递依赖于R的每个不包含它的候选码,则
15、RBCNF。,3NF与BCNF的关系,如果关系模式RBCNF,必定有R3NF如果R3NF,且R只有一个候选码,则R必属于BCNF。,规范化小结,一个低一级范式的关系模式,通过模式分解可以转换为若干个高一级范式的关系模式集合,这个过程就叫关系模式的规范化。,关系模式规范化的基本步骤 1NF 消除非主属性对码的部分函数依赖 2NF 消除非主属性对码的传递函数依赖 3NF 消除主属性对码的部分和传递函数依赖 BCNF 消除非平凡且非函数依赖的多值依赖 4NF,不能说规范化程度越高的关系模式就越好(打破关系、增加连接开销等弊端)。在设计数据库模式结构时,必须对现实世界的实际情况和用户应用需求作进一步分
16、析,确定一个合适的、能够反映现实世界的模式。上面的规范化步骤可以在其中任何一步终止。,4.3 数据依赖的公理系统,逻辑蕴含定义 对于满足一组函数依赖 F 的关系模式R,其任何一个关系r,若函数依赖XY都成立,则称 F逻辑蕴含XY,记作:F|=XY 那么如何判定F都蕴涵了哪些FD呢?用一组推导规则从F上进行推导是方便的,引出“Armstrong”公理。,Armstrong公理系统,一套推理规则,是模式分解算法的理论基础用途求给定关系模式的码从一组函数依赖求得蕴含的函数依赖,1.Armstrong公理系统,关系模式R 来说有以下的推理规则:Al.自反律(Reflexivity):若Y X U,则X
17、 Y为F所蕴含。A2.增广律(Augmentation):若XY为F所蕴含,且Z U,则XZYZ为F所蕴含。A3.传递律(Transitivity):若XY及YZ为F所蕴含,则XZ为F所蕴含。注意:由自反律所得到的函数依赖均是平凡的函数依赖,自反律的使用并不依赖于F,证明(利用函数依赖的定义):,(1)自反律:若Y X U,则X Y为F所蕴含 证:设Y X U 对R 的任一关系r中的任意两个元组t,s:若tX=sX,由于Y X,有ty=sy,所以XY成立.自反律得证,(2)增广律:若XY为F所蕴含,且Z U,则XZYZ 为F所蕴含。证:设XY为F所蕴含,且Z U。设R 的任一关系r中任意的两个
18、元组t,s;若tXZ=sXZ,则有tX=sX和tZ=sZ;由XY,于是有tY=sY,所以tYZ=sYZ,所以XZYZ为F所蕴含.增广律得证。,(3)传递律:若XY及YZ为F所蕴含,则 XZ为F所蕴含。证:设XY及YZ为F所蕴含。对R 的任一关系 r中的任意两个元组 t,s。若tX=sX,由于XY,有 tY=sY;再由YZ,有tZ=sZ,所以XZ为F所蕴含.传递律得证。,2.导出规则,1)根据A1,A2,A3这三条推理规则可以得到下面三条导出规则:合并规则:由XY,XZ,有XYZ。(A2,A3)伪传递规则:由XY,WYZ,有XWZ。(A2,A3)分解规则:由XY及 ZY,有XZ。(A1,A3),
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