數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用課件：第3章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論

1、數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用第3章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論當(dāng)真正設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫時(shí)，需要考慮的問題還比較多，比如一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫到底需要設(shè)計(jì)幾個(gè)關(guān)系模式才合適，什么樣的關(guān)系模式才是最優(yōu)化的，每一個(gè)關(guān)系應(yīng)該由哪些屬性組成等，這就需要對關(guān)系模式的一些性質(zhì)做更深入的研究。 主要包括：數(shù)據(jù)依賴、范式和關(guān)系模式的規(guī)范化設(shè)計(jì)方法。其中數(shù)據(jù)依賴研究數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；范式是關(guān)系模式的標(biāo)準(zhǔn)；規(guī)范化設(shè)計(jì)方法則是實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的基礎(chǔ)。 3.1 關(guān)系模式設(shè)計(jì)中的問題學(xué)號姓名課程號課程名020601張延C1程序設(shè)計(jì)020601張延C2模擬電路020601張延C5操作系統(tǒng)020602李波C1程序設(shè)計(jì)020602李波C3計(jì)算機(jī)英語0206

2、02李波C4數(shù)據(jù)庫原理020603王立C6網(wǎng)頁設(shè)計(jì)問題： （1）數(shù)據(jù)冗余。（2）操作異常。插入異常刪除異常更新異常3.2 數(shù)據(jù)依賴 定義3.1 設(shè)R(U)是屬性集U上的關(guān)系模式。X,Y是U的子集。若對于R(U)的任意一個(gè)可能的關(guān)系r，r中不可能存在兩個(gè)元組在X上的屬性值相等,而在Y上的屬性值不等,則稱X函數(shù)確定Y或Y函數(shù)依賴于X，記作XY。若XY,則X叫做決定因素(Determinant)。若XY，YX，則記作XY。若Y不函數(shù)依賴于X,則記作X Y 。 例3.1試找出學(xué)生關(guān)系（Sno，Sdept，Mname，Cname，Grade)中的函數(shù)依賴。 其中屬性分別表示學(xué)號(Sno)，系名(Sdep

3、t)，系負(fù)責(zé)人(Mname)，課程名(Cname)和成績(Grade)。 SnoCnameSdeptMnameGrade學(xué)生關(guān)系的數(shù)據(jù)庫模式S（U，F(xiàn)）：U = Sno，Sdept，Mname，Cname，GradeF = SnoSdept，SdeptMname，(Sno，Cname)Grade 設(shè)X和Y為關(guān)系模式R中的屬性或?qū)傩约?，一般存在如下推斷?guī)則：如果X和Y之間是1:1的聯(lián)系，則存在函數(shù)依賴XY和YX。如果X和Y之間是1:n的聯(lián)系，則存在函數(shù)依賴YX。如果X和Y之間是n:n的聯(lián)系，則X和Y之間不存在函數(shù)依賴。設(shè)X和Y為關(guān)系模式R中的屬性或?qū)傩约?，一般存在如下推斷?guī)則：R(U)=學(xué)號，姓

4、名學(xué)號和姓名之間的關(guān)系為1：1。記作：學(xué)號姓名R(U)=學(xué)號，課號學(xué)號和姓名之間的關(guān)系為1：n。記作：課號學(xué)號姓名學(xué)號3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴定義3.2：在關(guān)系模式R（U）中，U是R的屬性集合，X，Y是U的子集。如果 XY，并且對于X的任何一個(gè)真子集X1，都有X1Y，則稱“Y完全函數(shù)依賴于X”，記作XfY。若XY，但Y不完全函數(shù)依賴于X，則稱Y部分函數(shù)依賴于X，記作XpY。3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴 共同確定的，其中Sno，Cname中的任何一個(gè)都不能單獨(dú)確定Grade, 故Grade完全函數(shù)依賴于(Sno，Cname)。而Sdept由Sno就可以單獨(dú)確定，故S

5、dept部分函數(shù)依賴于(Sno，Cname)。R（U）=Sno, Cname, Grade, SdeptX=Sno, CnameY=GradeX1=Sno或X2=Cname(Sno，Cname)GradeSdeptfpXYPXYfX2YX1Y有且Y=Sdept3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴定義3.3 在關(guān)系模式R（U）中，設(shè)X、Y、Z是R的三個(gè)不同屬性子集，如果 XY，YZ，且Y不包含于X，Z不包含于Y，YX，則稱“Z傳遞函數(shù)依賴于X”，記作XZ。3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴R（U） =Sno， Sdept， Mname X=Sno Y=Sdept Z=Mname如果 X

6、Y，YZ，且Y不包含于X，Z不包含于Y，YX，則稱“Z傳遞函數(shù)依賴于X”，記作XZ。在例3.1中，由于SnoSdept又有SdeptMname，故Mname傳遞函數(shù)依賴于Sno。3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴定義3.4 設(shè)關(guān)系模式R（U），X、Y U，如果XY，且Y X，則稱XY為平凡的函數(shù)依賴；如果XY，且Y不是X的子集，則稱XY為非平凡的函數(shù)依賴。說明：對于任何一個(gè)關(guān)系模式，平凡函數(shù)依賴總是必然成立的。所以如果不是特別聲明，我們討論的都是非平凡函數(shù)依賴。 3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴R（U）=Sno,Cname,Grade,SdeptX

7、=Sno, Cname, GradeY=Grade 如果X,Y是U的子集，如果XY，且Y是 X子集，則稱XY為平凡的函數(shù)依賴； 3.2.2幾種特殊的函數(shù)依賴平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴R（U）=Sno,Cname,Grade,SdeptX=Sno, CnameY=Grade 如果XY，且Y不是X的子集，則稱XY為非平凡的函數(shù)依賴。說明：對于任何一個(gè)關(guān)系模式，平凡函數(shù)依賴總是必然成立的。所以如果不是特別聲明，我們討論的都是非平凡函數(shù)依賴。3.2.3 邏輯蘊(yùn)涵 定義3.5 設(shè)F是在關(guān)系模式R上成立的函數(shù)依賴的集合，XY是一個(gè)函數(shù)依賴。如果對于R的每個(gè)滿足F的關(guān)系r也滿足XY，那么稱F邏輯蘊(yùn)涵XY。

8、3.2.3 邏輯蘊(yùn)涵 在例3.1中，根據(jù)各屬性的語義可知學(xué)生關(guān)系模式的函數(shù)依賴集合F = SnoSdept，SdeptMname，(Sno，Cname)Grade，由SnoSdept，SdeptMname可推導(dǎo)出SnoMname，因此F中有函數(shù)依賴SnoMname，即F邏輯蘊(yùn)涵SnoMname。3.2.3 邏輯蘊(yùn)涵 定義3.6 設(shè)F是函數(shù)依賴集，被F邏輯蘊(yùn)涵的函數(shù)依賴全體構(gòu)成的集合，稱為函數(shù)依賴集F的閉包（Closure），記為F+。Armstrong公理 （1）自反律（Reflexivity）：若Y X U，則F蘊(yùn)涵XY。（2）增廣律（Augmentation）:若F蘊(yùn)涵XY，Z U，則F蘊(yùn)

9、涵XZYZ。（3）傳遞律（Transitivity）:若F蘊(yùn)涵XY和YZ，則F蘊(yùn)涵XZ。3.3 范式構(gòu)造數(shù)據(jù)庫必須遵循一定的規(guī)則。關(guān)系模式的規(guī)范形式，簡稱范式（Normal Form，NF）。關(guān)系數(shù)據(jù)庫有六種范式：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、BCNF范式、第四范式（4NF）、第五范式（5NF）。滿足最低要求的范式是第一范式（1NF）。3.3.1 第一范式（1NF）在關(guān)系模式R中的每一個(gè)具體關(guān)系r中，如果每個(gè)屬性值都是不可再分的最小數(shù)據(jù)單位，則稱R是第一范式關(guān)系模式 ，簡記為R1NF 。滿足1NF的關(guān)系模式并不一定是一個(gè)好關(guān)系模式。第一范式中往往存在以下四個(gè)問題。

10、數(shù)據(jù)冗余太大；更新復(fù)雜；插入異常；刪除異常。 教師信息表就未滿足第一范式： 教師工號教師姓名總工資基本工資職務(wù)工資課時(shí)工資0001高如飛15005007500002江華20005006000003章麗霞25001000300規(guī)范后成1NF的教師信息表教師工號教師姓名基本工資職務(wù)工資課時(shí)工資0001高如飛15005007500002江華20005006000003章麗霞250010003003.3.2 第二范式（2NF） 若關(guān)系模式R是1NF，且所有非主屬性都完全函數(shù)依賴于任意一個(gè)候選碼，則稱R 是第二范式關(guān)系模式，簡記為R2NF。第二范式（2NF）要求實(shí)體的屬性完全依賴于主碼。 例3.3：選課

11、關(guān)系 SC（SNO，CNO，GRADE，CREDIT），其中SNO為學(xué)號， CNO為課程號，GRADEGE 為成績，CREDIT 為學(xué)分。 分析實(shí)際情況可知，選課關(guān)系SC的主碼為（SNO，CNO）構(gòu)成的屬性組，GRADE，CREDIT為非主屬性；而CREDIT僅函數(shù)依賴于CNO，也就是CREDIT部分依賴于主碼（SNO，CNO）而不是完全依賴；故該選課關(guān)系不是第二范式關(guān)系模式。 3.3.3 第三范式（3NF）若關(guān)系模式R是2NF，且所有非主屬性對任何候選關(guān)鍵字都不存在傳遞函數(shù)依賴，則稱R是第三范式關(guān)系模式 ，即若R3NF，則R的每一個(gè)非主屬性既不部分函數(shù)依賴于候選碼，也不傳遞函數(shù)依賴于候選碼。

12、一般說來，數(shù)據(jù)庫只需滿足第三范式（3NF）就行了 例3.4：如Stu（SNO，SNAME，DNO，DNAME，LOCATION）各屬性分別代表學(xué)號，姓名，所在系，系名稱，系地址。分析關(guān)系模式Stu可知，不存在非主屬性部分依賴關(guān)鍵字的問題，所以關(guān)系模式Stu滿足2NF。F=SNOSNAME，SNODNO，SNODNAME，SNOLOCATION，DNODNAME，DNOLOCATION顯然Stu關(guān)系模式中的主碼是SNO，由于SNODNO而DNODNAME，DNOLOCATION；DNAME和LOCATION是通過DNO傳遞函數(shù)依賴于主碼SNO的；故關(guān)系模式Stu不滿足3NF的條件，只達(dá)到了2NF

13、。該模式存在以下情況：數(shù)據(jù)冗余太大。更新異常。插入異常。刪除異常。3.3.4 BCNF范式（*）定義：若關(guān)系模式R1NF ，如果對于R的每個(gè)函數(shù)依賴XY，若Y不包含于X，則X必含有候選碼。那么RBCNF。即在關(guān)系模式R中，如果每一個(gè)決定屬性集都包含候選碼，則RBCNF。即在3NF的基礎(chǔ)上,消除了主屬性對碼的部分依賴和傳遞依賴,所在屬性都不部分依賴或傳遞依賴于碼。BCNF三個(gè)性質(zhì)BCNF具有三個(gè)性質(zhì):（1）所有非主屬性都完全函數(shù)依賴于每個(gè)候選碼。（2）所有主屬性都完全函數(shù)依賴于每個(gè)不包含它的候選碼。（3）沒有任何屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何一組屬性。如果R中只有一個(gè)候選碼，如R3NF，則必定RB

14、CNF。3.4 關(guān)系模式的規(guī)范化規(guī)范化的基本思想是逐步消除數(shù)據(jù)依賴中不合適的部分，使模式中的各關(guān)系模式達(dá)到某種程度的“分解”，即采用“一事一地”的模式設(shè)計(jì)原則，讓一個(gè)關(guān)系描述一個(gè)概念、一個(gè)實(shí)體或者實(shí)體間的一種聯(lián)系。即“概念單一化”。3.4.1 規(guī)范化步驟1NF2NF3NFBCNF4NF5NF消除非主屬性對碼的部分函數(shù)依賴消除非主屬性對碼的傳遞函數(shù)依賴消除主屬性對碼的部分和傳遞函數(shù)依賴消除非平凡且非函數(shù)依賴的多值依賴消除不是由候選碼所蘊(yùn)含的連接依賴消除決定屬性集非碼的非平凡函數(shù)依賴3.4.2 關(guān)系模式的分解的準(zhǔn)則（*） 要保證分解后的關(guān)系模式與原關(guān)系模式等價(jià)。有三種標(biāo)準(zhǔn)：（1）分解具有無損連接性

15、。（2）分解要保持函數(shù)依賴。（3）分解既要保持函數(shù)依賴，又要保持無損連接性。一個(gè)關(guān)系模式分解的探討 關(guān)系模式： SL（sno，sdept，sloc） 分解方法有：方法一：SN（sno）, SD(sdept)，SO（sloc） 丟失了很多有用的信息，分解不能保持函數(shù)依賴，不具有無損連接性。方法二：NL（sno，sloc），DL（sdept，sloc） 分解能保持函數(shù)依賴，但不具有無損連接性。方法三：ND(sno，sdept)，NL（sno，sloc） 分解具有無損連接性，但不能保持函數(shù)依賴 。方法四：ND(sno，sdept)，DL（sdept，sloc） 分解既能保持函數(shù)依賴，又具有無損連接性。無損連接性 設(shè)關(guān)系模式R（U，F(xiàn)）被分解為若干個(gè)關(guān)系模式R1（U1，F(xiàn)1），R2（U2，F(xiàn)2）.Rn（Un，F(xiàn)n），（其中U=U1U2Un，且不存在Ui包含于Uj中，Ri為F在Ui上的投影），若R與R1，R2.Rn自然連接的結(jié)果相等，則稱關(guān)系模式R的分解具有無損連接性。只有具有無損連接性的分解才能保證不丟失信息。例如方法三：ND(sno，sdept)