數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用教程 第2章

1、數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用教程 （第4版）中國(guó)工信出版集團(tuán) 人民郵電出版社“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材微課版，對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行視頻詳解北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院第 2 章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫本章主要按數(shù)據(jù)模型的三個(gè)要素講述關(guān)系數(shù)據(jù)庫的一些基本理論（關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系的定義和性質(zhì)、關(guān)系的完整性、關(guān)系代數(shù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基本概念等 ）掌握關(guān)系的定義及性質(zhì)、關(guān)系鍵、外部鍵等基本概念以及關(guān)系演算語言的使用方法重點(diǎn)掌握實(shí)體完整性和參照完整性的內(nèi)容和意義、常用的幾種關(guān)系代數(shù)的基本運(yùn)算等2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性2.3 關(guān) 系 代 數(shù)2.4 關(guān) 系 演 算*2.5 小

2、結(jié)北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院D1=李力，王平，劉偉，m1=3；D2=男，女；m2=2；D3=18,20,18；m3=3。域是一組具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合，又稱為值域2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 2.1.1 關(guān)系的形式化定義及其有關(guān)概念 域（Domain）整數(shù)、實(shí)數(shù)和字符串的集合都是域 域名 域中所包含的值的個(gè)數(shù)稱為域的基數(shù)（用m表示）。例如 ：D1D2Dn=（d1，d2，dn）|diDi，i=1，2，n每一個(gè)元素（d1，d2，dn）中的每一個(gè)值di叫做一個(gè)分量（Component），diDi 每一個(gè)元素（d1，d2，dn）叫做一個(gè)n元組（n-Tuple），簡(jiǎn)稱元組（Tuple） 2.

3、1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 給定一組域D1，D2，Dn（它們可以包含相同的元素，即可以完全不同，也可以部分或全部相同）。D1，D2，Dn的笛卡爾積為 笛卡爾積（Cartesian Product） 2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 分量：李力、王平、劉偉、男、女 元組 ：（李力，男），（李力，女） ，M=m1m2=32=6 笛卡爾積D1D2Dn的基數(shù)M（即元素（d1，d2，dn）的個(gè)數(shù)）為所有域的基數(shù)的累乘之積，即M= 。 例如，上述表示教師關(guān)系中姓名、性別兩個(gè)域的笛卡爾積為：D1D2=（李力，男），（李力，女），（王平，男），（王平，女），（劉偉，男），（劉偉，女）姓 名

4、性 別 李力 男 李力 女 王平 男 王平 女 劉偉 男 劉偉 女 笛卡爾積實(shí)際是一個(gè)二維表元組同一域2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 笛卡爾積可用二維表的形式表示：第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 R（D1，D2，Dn）笛卡爾積D1D2Dn的任一子集稱為定義在域D1，D2，Dn上的n元關(guān)系（Relation）關(guān)系的名字n是關(guān)系的目或度姓 名 性 別 李力 男 王平 女 劉偉 男 如，上例D1D2笛卡爾積的某個(gè)子集可以構(gòu)成教師關(guān)系T1，如表2.2所示 D1D2笛卡爾積的子集（關(guān)系T1）關(guān)系（Relation） 第2章2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式

5、化定義 在關(guān)系R中，當(dāng)n=1時(shí)，稱為單元關(guān)系。當(dāng)n=2時(shí)，稱為二元關(guān)系，以此類推 。關(guān)系中的每個(gè)元素是關(guān)系中的元組，通常用t表示，關(guān)系中元組個(gè)數(shù)是關(guān)系的基數(shù) 由于關(guān)系是笛卡爾積的子集，因此，也可以把關(guān)系看成一個(gè)二維表 。具有相同關(guān)系框架的關(guān)系稱為同類關(guān)系 。姓 名 性 別 李力 男 王平 女 劉偉 男 元組域?qū)傩詫傩缘拿治┮?第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 姓 名 性 別 李力 男 李力 女 不符合實(shí)際意義的關(guān)系由屬性名的集合組成關(guān)系結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容或者數(shù)據(jù) 不變可變?cè)陉P(guān)系模型中，關(guān)系可進(jìn)一步定義為：關(guān)系頭（Heading）+關(guān)系體（Body） 第2章北京林

6、業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 2.1.2 關(guān)系的性質(zhì)關(guān)系是一種規(guī)范化了的二維表中行的集合 每一列中的分量必須來自同一個(gè)域，必須是同一類型的數(shù)據(jù)。 不同的屬性可來自同一個(gè)域，不同的屬性必須有不同的名字。 列的順序可以任意交換。 關(guān)系中元組的順序（即行序）可任意。 關(guān)系中不允許出現(xiàn)相同的元組。 關(guān)系中每一分量必須是不可分的數(shù)據(jù)項(xiàng)。 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 姓名籍 貫省市縣張強(qiáng)吉林長(zhǎng)春王麗山西大同姓 名省市縣張強(qiáng)吉林長(zhǎng)春王麗山西大同非規(guī)范化的關(guān)系 表2.8 規(guī)范化的關(guān)系 表2.9在表2.8中，籍貫含有省、市縣兩項(xiàng)，出現(xiàn)了“表中

7、有表”的現(xiàn)象，則為非規(guī)范化關(guān)系，而應(yīng)把籍貫分成省、市縣兩列，將其規(guī)范化，如表2.9所示 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 2.1.3 關(guān)系模式R-關(guān)系名 U-屬性名集合 D-屬性所來自的域 DOM-屬性向域的映像集合 F-屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合 關(guān)系的描述稱為關(guān)系模式（Relation Schema） R（U，D，DOM，F(xiàn)）屬性名 簡(jiǎn)記為：R（U）或R（A1，A2，An） 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 關(guān)系模型關(guān)系關(guān)系頭關(guān)系體靜態(tài)、穩(wěn)定，固定不變隨數(shù)據(jù)更新不斷變化 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)

8、結(jié)構(gòu)及其形式化定義 學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，年齡，系別） 教師（教師號(hào)，姓名，性別，年齡，職稱，工資，崗位津貼，系別） 課程（課程號(hào)，課程名，課時(shí)） 選課（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)） 授課（教師號(hào)，課程號(hào)）例如，在第1章的圖1-22所示的教學(xué)數(shù)據(jù)庫中，共有五個(gè)關(guān)系，其關(guān)系模式可分別表示為： 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 與學(xué)生關(guān)系模式對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中的實(shí)例有如下6個(gè)元組，如圖2-1所示。 圖2-1 與學(xué)生關(guān)系模式對(duì)應(yīng)的實(shí)例 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其形式化定義 2.1.4 關(guān)系數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式關(guān)系數(shù)據(jù)庫型值靜態(tài)

9、、穩(wěn)定，固定不變隨數(shù)據(jù)更新不斷變化 第2章2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 2.2.1 候選碼（鍵）與主碼（鍵） 能唯一標(biāo)識(shí)關(guān)系中元組的一個(gè)屬性或?qū)傩约?，稱為候選碼(Candidate Key) “學(xué)生關(guān)系”中的學(xué)號(hào)能唯一標(biāo)識(shí)每一個(gè)學(xué)生 “選課關(guān)系”中，只有屬性的組合“學(xué)號(hào)+課程號(hào)”才能唯一地區(qū)分 每一條選課記錄 候選碼（Candidate Key）候選碼候選碼唯一性 最小性 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 每個(gè)關(guān)系必須選擇一個(gè)主碼 ，且不能隨意改變主碼（Primary Key） 從多個(gè)候選碼中選擇一個(gè)作為查詢、插入或刪除元組的操作變量，被選用的候選碼稱為 主碼。學(xué)號(hào)

10、 姓名 以學(xué)號(hào)作為數(shù)據(jù)操作的依據(jù) 以姓名作為數(shù)據(jù)操作的依據(jù) 主鍵關(guān)系鍵關(guān)鍵字第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 主屬性：包含在主碼中的各個(gè)屬性稱為主屬性 非碼屬性：不包含在任何候選碼中的屬性稱為非主屬性（或非碼屬性） 全碼 ：所有屬性的組合是關(guān)系的候選碼主屬性（Prime Attribute）與非碼屬性（Non-Prime Attribute） 教師T 課程C 1：nn：1學(xué)生S課程C 1：nn：1教師T 學(xué)生S 課程C n：nn：nn：n候選碼為（T，C，S）全碼 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 2.2.2 外碼關(guān)系R1關(guān)系R2屬性X屬性Y

11、屬性X屬性Z主碼 主碼 外部關(guān)系鍵或外碼 參照關(guān)系 被參照關(guān)系 被參照關(guān)系的主碼和參照關(guān)系的外碼必須定義在同一個(gè)域上 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 2.2.3 關(guān)系的完整性 完整性約束 實(shí)體完整性 參照完整性 用戶自定義完整性 必須滿足體現(xiàn)具體領(lǐng)域中的語義約束 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 主碼的值不能為空或部分為空 學(xué)生關(guān)系中的主碼“學(xué)號(hào)”不能為空 選課關(guān)系中的主碼“學(xué)號(hào)+課程號(hào)”不能部分為空， 即“學(xué)號(hào)”和“課程號(hào)”兩個(gè)屬性都不能為空 如果關(guān)系R2的外碼X與關(guān)系R1的主碼相符，則X的每個(gè)值或者等于R1中主碼的某一個(gè)值，或者取空值實(shí)

12、體完整性（Entity Integrity）參照完整性（Referential integrity）第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 未分配系別第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.2 關(guān)系的碼與關(guān)系的完整性 針對(duì)某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求如：成績(jī)屬性的取值范圍在0-100之間 用戶定義完整性（User-defined Integrity）第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 關(guān)系操作 關(guān)系完整性約束 查詢 更新 插入 刪除修改 關(guān)系模型 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 2.3.1 關(guān)系代數(shù)

13、的分類及其運(yùn)算符 關(guān)系代數(shù)是一種抽象的查詢語言 關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算對(duì)象與運(yùn)算結(jié)果都是關(guān)系關(guān)系代數(shù)運(yùn)算符 xy ，1000) （Sex= 男）(T) 運(yùn)算結(jié)果如圖第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 例2-7 查詢教師的姓名、教師號(hào)及其職稱。TN,TNo,Prof(T) 或2,1,5(T)（其中2，1，5分別為屬性TN、TNo和Prof的序號(hào)）運(yùn)算結(jié)果如圖 投影（Projection） A(R )=t A | t R A為R中的屬性列 從列的角度進(jìn)行的運(yùn)算 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 例2-8 查詢教師關(guān)系中有哪些系。Dept(T)運(yùn)算結(jié)果如圖第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2

14、.3 關(guān)系代數(shù) 例2-9 查詢講授C5課程的教師號(hào)。TNo( CNo=C5 (TC)運(yùn)算結(jié)果如圖第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 自然連接: 在等值連接的情況下，當(dāng)連接屬性X與Y具有相同屬性組時(shí)，把在連接結(jié)果中重復(fù)的屬性列去掉，記為：R S連接（ Join） = t rts |trRtsStr XtsY 為真 為算術(shù)比較運(yùn)算符 =等值連接 大于連接 Rx yS第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 例2-10 設(shè)有如圖2-9（a）、（b）所示的兩個(gè)關(guān)系R與S，（c）為R 和S 的大于連接（CD），（d）為R 和S 的等值連接（C=D），（e）為R 和 S的等值連接（R.B=S

15、.B），（f）為R 和S 的自然連接。 (a) (b) 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) (c) (d) (f) (e) 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 例2-11 查詢講授“數(shù)據(jù)庫”課程的教師姓名。TN(CN=數(shù)據(jù)庫 (C) TCTNo,TN(T) 或TN(TNo(CN=數(shù)據(jù)庫 (C) TC) TNo,TN(T)運(yùn)算結(jié)果如圖等值連接與自然連接的區(qū)別 自然連接要求相等屬性值的屬性名相同，而等值連接不要求 自然連接是去掉重復(fù)列的等值連接 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 除法(Division) 除法運(yùn)算同時(shí)從行和列的角度進(jìn)行運(yùn)算，適合于包含“全部”之類的短

16、語的查詢。Yx為x在R中的像集，x =trX RS = trX | trRy(S) Yx 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 【例2-12】 已知關(guān)系R和S，如圖2-11(a)，(b)所示，則RS如圖(c)所示。ABCDa1b2c3d5a1b2c4d6a2b4c1d3a3b5c2d8R(a) CDFc3d5f3c4d6f4S(b) ABa1b2RS(c) 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 與除法的定義相對(duì)應(yīng)，本題中X=A,B=(a1,b2),(a2,b4),(a3,b5)，Y=C,D=(c3,d5),(c4,d6) Z=F=f3,f4 其中，元組在X上各個(gè)分量值的像集分別

17、為：(a1,b2)的象集為(c3,d5),(c4,d6)(a2,b4)的象集為(c1,d3)(a3,b5)的象集為(c2,d8)S在Y上的投影為(c3,d5),(c4,d6)顯然只有(a1,b2)的像集包含S在Y上的投影，所以 RS=(a1,b2) 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.3 關(guān)系代數(shù) 例2-13 查詢選修了全部課程的學(xué)生學(xué)號(hào)和姓名。SNo,CNo(SC)CNo(C)*SNo,SN(S)例2-14 查詢至少選修了C1課程和C3課程的學(xué)生學(xué)號(hào)。 SNo,CNo(SC)CNo(CNo=C1CNo=C3 (C)只有S4同學(xué)的像集至少包含了C1課程和C3課程，因此， 查詢結(jié)果為S4 。第2章北

18、京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算*關(guān)系代數(shù)關(guān)系演算 過程化語言，怎樣做非過程化語言，做什么 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算ALPHA語言 QUEL語言 關(guān)系演算 元組關(guān)系演算 域關(guān)系演算 ALPHA，QUEL QBE 2.4.1 元組關(guān)系演算語言 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算2.4.1 元組關(guān)系演算語言 ():內(nèi)存空間 （W）GETPUTHOLDUPDATEDELETEDROP ALPHA語言基本格式：第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算 簡(jiǎn)單查詢 條件查詢 排序查詢 定額查詢 帶元組變量的查詢 帶存在量詞的查詢 庫函數(shù)查詢 修改 插入 刪除DELET

19、E PUT 數(shù)據(jù)查詢 數(shù)據(jù)更新 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算例2-16 查詢所有被選修的課程號(hào)碼。GET W (SC.CNo) 例2-17 查詢計(jì)算機(jī)系工資高于1000元（不包括1000）的教師的姓名和工資。GET W (T.TN,T.Sal):T.Dept= 計(jì)算機(jī)T.Sal1000 例2-18 查詢S3同學(xué)所選課程號(hào)及成績(jī)，并按成績(jī)降序排列。GET W (SC.CNo,SC.Score):SC.SNo= S3 DOWN SC.Score 例2-20 查詢一名男教師的教師號(hào)和姓名，并使他的年齡最小。GET W (1) (T.TNo,T.TN):T.Sex= 男 UP T.Ag

20、e 簡(jiǎn)單查詢 定額查詢 排序查詢 條件查詢 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算例2-21 查詢S3同學(xué)所選課程號(hào)。RANGE SC XGET W (X.CNo):X.SNo= S3 例2-23 查詢至少選修一門其課時(shí)數(shù)為80的課程的學(xué)生的姓名。RANGE C CX SC SCXGET W (S.SN):SCX(SCX.SNo=S.SNoCX(CX.CNo=SCX.CNoCX.CT=80) 使用RANGE來說明元組變量，X為關(guān)系SC上的元組變量 帶元組變量的查詢 帶存在量詞的查詢 第2章北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院2.4 關(guān)系演算例2-25 求學(xué)號(hào)為S1學(xué)生的平均分。GET W (AVG(SC.Score):S.SNo= S1 例2-26 求學(xué)校共有多少個(gè)系。GET W (COUNT(S.Dept)函數(shù)名稱功能AVG按列計(jì)算平均值TOTAL按列計(jì)算值的總和MAX求一列中的最大值MIN求一列中的最小值COUNT按列值計(jì)算元組個(gè)數(shù)ALPHA常用的庫函數(shù)及其功能 庫函數(shù)查