数据库原理与应用第四章幻灯片.ppt
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1、数据库原理与应用第四章第1页,共137页,编辑于2022年,星期六4.1 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第2页,共137页,编辑于2022年,星期六问题的提出一、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第3页,共137页,编辑于2022年,星期六一、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
2、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。第4页,共137页,编辑于2022年,星期六二、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第5页,共137页,编辑于2022年,星期六三、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第6页,共137页,编辑于2022年,星期六什么是数据依赖(续)2
3、.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第7页,共137页,编辑于2022年,星期六什么是数据依赖(续)3.数据依赖的类型函数依赖(Functional Dependency,简记为FD)多值依赖(Multivalued Dependency,简记为MVD)其他第8页,共137页,编辑于2022年,星期六四、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)的一个关系第9页,共137页,编辑于2022年,星期六五、
4、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:Student U Sno,Sdept,Mname,Cname,Grade 第10页,共137页,编辑于2022年,星期六数据依赖对关系模式的影响(续)学校数据库的语义:一个系有若干学生,一个学生只属于一个系;一个系只有一名主任;一个学生可以选修多门课程,每门课程有若干学生选修;每个学生所学的每门课程都有一个成绩。第11页,共137页,编辑于2022年,星期六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
5、Sdept,Sdept Mname,(Sno,Cname)Grade SnoCnameSdeptMnameGrade第12页,共137页,编辑于2022年,星期六关系模式Student中存在的问题 数据冗余太大浪费大量的存储空间 例:每一个系主任的姓名重复出现 更新异常(Update Anomalies)数据冗余,更新数据时,维护数据完整性代价大。例:某系更换系主任后,系统必须修改与该系学生有关的每一个元组第13页,共137页,编辑于2022年,星期六关系模式Student中存在的问题 插入异常(Insertion Anomalies)该插的数据插不进去 例,如果一个系刚成立,尚无学生,我们就
6、无法把这个系及其系主任的信息存入数据库。删除异常(Deletion Anomalies)不该删除的数据不得不删例,如果某个系的学生全部毕业了,我们在删除该系学生信息的同时,把这个系及其系主任的信息也丢掉了。第14页,共137页,编辑于2022年,星期六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。第15页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2 规范化 规范化理论正是用来改造关系模式,通过分解关
7、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。第16页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.1 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、传递函数依赖第17页,共137页,编辑于2022年,星期六一、函数依赖定义5.1 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XY。X称为这个函数依赖的决定属性集(Determinant)。Y=f(x)第18页
8、,共137页,编辑于2022年,星期六说明:1.函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满足的约束条件,而是指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。只能根据数据的语义来确定函数依赖。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3.数据库设计者可以对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。第19页,共137页,编辑于2022年,星期六函数依赖(续)例:Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)假设不允许重名,则有:S
9、no Ssex,Sno Sage,Sno Sdept,Sno Sname,Sname Ssex,Sname SageSname Sdept但Ssex Sage若XY,并且YX,则记为XY。若Y不函数依赖于X,则记为XY。第20页,共137页,编辑于2022年,星期六二、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XY,但Y X,则称XY是非平凡的函数依赖若XY,但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第21页,共1
10、37页,编辑于2022年,星期六平凡函数依赖与非平凡函数依赖(续)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。第22页,共137页,编辑于2022年,星期六三、完全函数依赖与部分函数依赖定义5.2 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不完全函数依赖于X,则称Y部分函数依赖于X,记作X P Y。第23页,共137页,编辑于2022年,星期六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,
11、Cno Grade,因此:(Sno,Cno)Grade 第24页,共137页,编辑于2022年,星期六四、传递函数依赖定义5.3 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,Sdept Mname Mname传递函数依赖于Sno第25页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.2 码定义5.4 设K为关系模式R中的属性或属性组合。若K U,则K称为R的一个侯选码(Candidate Key)。若关系模式R有多个候选码,则选定其中的一个做为主
12、码(Primary key)。主属性与非主属性ALL KEY第26页,共137页,编辑于2022年,星期六外部码定义5.5 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(Foreign key)也称外码主码又和外部码一起提供了表示关系间联系的手段。第27页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.3 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)第28
13、页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.3 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RnNF。第29页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.4 2NF1NF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。第30页,共137页,编辑于2022年,星期六2NF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,C
14、no)f Grade Sno Sdept (Sno,Cno)P Sdept Sno Sloc (Sno,Cno)P Sloc Sdept Sloc第31页,共137页,编辑于2022年,星期六 2NFSLC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第32页,共137页,编辑于2022年,星期六SLC不是一个好的关系模式(1)插入异常假设Sno95102,SdeptIS,SlocN的学生还未选课,因课程号是主属性,因此该学生的信息无法插入SLC。(2)删除异常 假定某个学生本来只选修了3
15、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。第33页,共137页,编辑于2022年,星期六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。第34页,共137页,编辑于2022年,星期六 2NF原因 Sdept、Sloc部分函数依赖于码。解决方法 SLC分解为两个关
16、系模式,以消除这些部分函数依赖 SC(Sno,Cno,Grade)SL(Sno,Sdept,Sloc)第35页,共137页,编辑于2022年,星期六 2NFSLC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第36页,共137页,编辑于2022年,星期六2NF函数依赖图:SnoCnoGradeSCSLSnoSdeptSloc第37页,共137页,编辑于2022年,星期六 2NF2NF的定义定义5.6 若关系模式R1NF,并且每一个非主属性都完全函数依赖于R的码,则R2NF。例:SLC(Sn
17、o,Sdept,Sloc,Cno,Grade)1NF SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)2NF SC(Sno,Cno,Grade)2NF SL(Sno,Sdept,Sloc)2NF第38页,共137页,编辑于2022年,星期六 第二范式(续)采用投影分解法将一个1NF的关系分解为多个2NF的关系,可以在一定程度上减轻原1NF关系中存在的插入异常、删除异常、数据冗余度大、修改复杂等问题。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和数据冗余。第39页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.5 3NF例:2NF关系模式SL(Sno,S
18、dept,Sloc)中函数依赖:SnoSdept SdeptSloc SnoSlocSloc传递函数依赖于Sno,即SL中存在非主属性对码的传递函数依赖。第40页,共137页,编辑于2022年,星期六 3NF函数依赖图:SLSnoSdeptSloc第41页,共137页,编辑于2022年,星期六 3NF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。第42页,共137页,编辑于2022年,星期六 3NFSD的码为Sno,DL的码为Sdept。SnoSdeptSDSdeptSloc
19、DL第43页,共137页,编辑于2022年,星期六 3NF3NF的定义定义5.8 关系模式R 中若不存在这样的码X、属性组Y及非主属性Z(Z Y),使得XY,Y X,YZ,成立,则称R 3NF。例,SL(Sno,Sdept,Sloc)2NF SL(Sno,Sdept,Sloc)3NF SD(Sno,Sdept)3NF DL(Sdept,Sloc)3NF第44页,共137页,编辑于2022年,星期六 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。如果R3NF,则R也是2NF。采用投影分解法将一个2NF的关系分解为多个3NF的关系,可以在一定程度上解决原2
20、NF关系中存在的插入异常、删除异常、数据冗余度大、修改复杂等问题。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。第45页,共137页,编辑于2022年,星期六 4.2.6 BC范式(BCNF)定义5.9 设关系模式R1NF,如果对于R的每个函数依赖XY,若Y不属于X,则X必含有候选码,那么RBCNF。若RBCNF 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R3NF(证明)若R3NF 则 R不一定BCNF第46页,共137页,编辑于2022年,星期六 BCNF例:在关系模式STJ(S,T,J)中,S表示学
21、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第47页,共137页,编辑于2022年,星期六 4.2.6 BCNF SJTSTJSTJ第48页,共137页,编辑于2022年,星期六BCNFSTJ3NF(S,J)和(S,T)都可以作为候选码S、T、J都是主属性STJBCNFTJ,T是决定属性集,T不是候选码第49页,共137页,编辑于2022年,星期六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
22、性对码的部分函数依赖和传递函数依赖SJSTTJTJ第50页,共137页,编辑于2022年,星期六3NF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。第51页,共137页,编辑于2022年,星期六BCNF的关系模式所具有的性质 所有非主属性都完全函数依赖于每个候选码 所有主属性都完全函数依赖于每个不包含它的候选码 没有任何属性完全函数依赖于非码的任何一组属性第52页,共137页,编辑于2022年,星期六4.2.5 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
23、,B)课程C、教师T 和 参考书B第53页,共137页,编辑于2022年,星期六课课程程C教教员员T参参考考书书B物理物理数学数学计算数学计算数学李李勇勇王王军军李李勇勇张张平平张张平平周周峰峰普通物理学普通物理学光学原理光学原理物理习题集物理习题集数学分析数学分析微分方程微分方程高等代数高等代数数学分析数学分析表表4.1第54页,共137页,编辑于2022年,星期六普通物理学普通物理学光学原理光学原理物理习题集物理习题集普通物理学普通物理学光学原理光学原理物理习题集物理习题集数学分析数学分析微分方程微分方程高等代数高等代数数学分析数学分析微分方程微分方程高等代数高等代数李李勇勇李李勇勇李李勇
24、勇王王军军王王军军王王军军李李勇勇李李勇勇李李勇勇张张平平张张平平张张平平物物理理物物理理物物理理物物理理物物理理物物理理数数学学数数学学数数学学数数学学数数学学数数学学 参考书B教员T课程C用二维表表示Teaching 第55页,共137页,编辑于2022年,星期六多值依赖与第四范式(续)TeachingBCNF:Teach具有唯一候选码(C,T,B),即全码Teaching模式中存在的问题(1)数据冗余度大:有多少名任课教师,参考书就要存储多少次 第56页,共137页,编辑于2022年,星期六多值依赖与第四范式(续)(2)插入操作复杂:当某一课程增加一名任课教师时,该课程有多少本参照书,就
25、必须插入多少个元组例如物理课增加一名教师刘关,需要插入两个元组:(物理,刘关,普通物理学)(物理,刘关,光学原理)第57页,共137页,编辑于2022年,星期六多值依赖与第四范式(续)(3)删除操作复杂:某一门课要去掉一本参考书,该课程有多少名教师,就必须删除多少个元组(4)修改操作复杂:某一门课要修改一本参考书,该课程有多少名教师,就必须修改多少个元组 产生原因存在多值依赖第58页,共137页,编辑于2022年,星期六一、多值依赖定义5.10 设R(U)是一个属性集U上的一个关系模式,X、Y和Z是U的子集,并且ZUXY,多值依赖 XY成立当且仅当对R的任一关系r,r在(X,Z)上的每个值对应
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