關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論

關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三例如：產(chǎn)品報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)庫第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第5章內(nèi)容及要求5.1數(shù)據(jù)依賴（數(shù)據(jù)依賴對(duì)關(guān)系模式的影響；數(shù)據(jù)依賴的概念，包括函數(shù)依賴、平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴、完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴、傳遞函數(shù)依賴、碼）5.2范式理論(范式、2NF、3NF、BCNF、多值依賴、4NF。關(guān)系模式的規(guī)范化；各種范式小結(jié)和規(guī)范化步驟。)5.3關(guān)系模式的分解（模式分解的準(zhǔn)則；無損連接性；保持函數(shù)依賴；模式分解的算法；）5.4小結(jié)5.5習(xí)題第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1數(shù)據(jù)依賴數(shù)據(jù)依賴在關(guān)系模式中廣泛存在，影響巨大。恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)依賴是必要的。但不必要的數(shù)據(jù)依賴會(huì)對(duì)關(guān)系模式產(chǎn)生不好的影響。進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)要深入分析數(shù)據(jù)間的依賴。本節(jié)主要介紹關(guān)系模式中的數(shù)據(jù)依賴的相關(guān)概念，分析數(shù)據(jù)依賴對(duì)關(guān)系模式的影響。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1數(shù)據(jù)依賴5.1.1關(guān)系模式中的數(shù)據(jù)依賴5.1.2數(shù)據(jù)依賴分類5.1.3一個(gè)關(guān)系模式中的函數(shù)依賴5.1.4函數(shù)依賴對(duì)關(guān)系模式的影響5.1.5函數(shù)依賴的概念5.1.6平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴5.1.7完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴5.1.8傳遞函數(shù)依賴、碼第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1關(guān)系模式中的數(shù)據(jù)依賴1.關(guān)系模式描述為：

R（U，D，DOM，F(xiàn)）

R為關(guān)系名。U屬性名集合。D為屬性組U中屬性所來自的域。DOM屬性向域的映象的集合。F為屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合。2.數(shù)據(jù)依賴F：限定組成關(guān)系的各元組必須滿足的完整性約束條件。如屬性的取值范圍；或者屬性值間的相互關(guān)聯(lián)（即數(shù)據(jù)依賴）。3.關(guān)系模式的簡(jiǎn)述為：R（U，F(xiàn)）第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.2數(shù)據(jù)依賴分類1.關(guān)系模式中的數(shù)據(jù)依賴有多種，比較重要的是函數(shù)依賴、多值依賴、連接依賴。2.函數(shù)依賴：關(guān)系模式中屬性間普遍存在的函數(shù)依賴。例：student(sno,sname,ssex,sage,sdept)

該關(guān)系模式中存在以下函數(shù)依賴：

Sno—>sname,Sno—>ssex,Sno—>sdept。3.多值依賴:一門課由多個(gè)老師上，使用同一套參考書。4.連接依賴:關(guān)系與關(guān)系間往往存在聯(lián)系。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.3學(xué)校關(guān)系模式的函數(shù)依賴snocnamegradesdeptmname如學(xué)校數(shù)據(jù)庫模式：一個(gè)系有若干學(xué)生，一個(gè)學(xué)生只屬于一個(gè)系；一個(gè)系只有一個(gè)系主任；一個(gè)學(xué)生可以選修多門課程，每門課程有若干同學(xué)選修；每個(gè)學(xué)生所學(xué)的每門課程都有成績(jī)。假設(shè)學(xué)校數(shù)據(jù)庫模式僅由一個(gè)表構(gòu)成。

student（sno,sdept,mname,cname,grade）各屬性為學(xué)號(hào)，所在系，系主任名，課程名，成績(jī)。關(guān)系中存在的數(shù)據(jù)依賴為：第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.4函數(shù)依賴對(duì)關(guān)系模式的影響關(guān)系模式：student（sno,sdept,mname,cname,grade）存在一些問題:1.數(shù)據(jù)冗余太大。sdept,mname,cname重復(fù)保存。2.更新異常。3.插入異常。4.刪除異常。為什么會(huì)出現(xiàn)這些問題呢？因?yàn)榇嬖诓缓线m的數(shù)據(jù)依賴！第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三snosdeptsloccnograde991101計(jì)算機(jī)一號(hào)樓00185991101計(jì)算機(jī)一號(hào)樓00280991102信息管理二號(hào)樓00292991102信息管理二號(hào)樓00378991103電氣工程一號(hào)樓00470991104工商管理三號(hào)樓00491991105工商管理三號(hào)樓00582第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.5函數(shù)依賴的概念定義：設(shè)R（U）是一個(gè)關(guān)系模式，U是R的屬性集合，X，Y是U的子集。對(duì)于R（U）的任意一個(gè)可能的關(guān)系r，如果r中不存在兩個(gè)元組，它們?cè)赬上的屬性相同，而在Y上的屬性不同，則稱“X函數(shù)確定Y”或”Y函數(shù)依賴于X“，記作XY。說明：（1）對(duì)R中所有關(guān)系實(shí)例而言；（2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者可作強(qiáng)制規(guī)定，如姓名不能同名；（3）如XY,X稱為決定屬性集；（4）如XY,并且YX則記為XY；（5）若Y不函數(shù)依賴于X，記作X—\—>Y。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.6平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴定義：在關(guān)系模式R（U），U是R的屬性集合，X，Y是U的子集，如果XY，但Y不包含于X，則稱XY是非平凡函數(shù)依賴，若Y包含于X，則稱XY是平凡函數(shù)依賴。說明：（1）對(duì)任一關(guān)系模式，平凡函數(shù)依賴必然成立。（2）本節(jié)只討論非平凡函數(shù)依賴。（3）非平凡函數(shù)依賴易產(chǎn)生問題。

snocnocnamegrade第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.7完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴定義：在關(guān)系模式R（U），U是R的屬性集合，X，Y是U的子集。如果XY，并且對(duì)于X的任何一個(gè)真子集X1，都有X1——|Y，，則稱“Y完全函數(shù)依賴于X”，記作X—fY。若XY，但Y不完全函數(shù)依賴于X，則稱Y部分函數(shù)依賴X，記作X—PY。說明：（1）部分函數(shù)依賴易產(chǎn)生問題。（2）完全函數(shù)依賴中，X為決定屬性，Y為非決定屬性。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.1.8傳遞函數(shù)依賴,碼傳遞函數(shù)依賴定義：在關(guān)系模式R（U），如果XY，Y——>Z，且Y不包含于X，Y——\X，則稱“Z傳遞函數(shù)依賴于X”，記作X——>>Z。碼定義：設(shè)K為關(guān)系模式R（U，F(xiàn)）中的屬性或?qū)傩越M。若KU，則稱K是一個(gè)候選碼。若關(guān)系模式R有多個(gè)候選碼，則選定其中的一個(gè)為主碼。碼、候選碼、主碼、外部碼。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2范式理論范式：是指符合某一級(jí)別的關(guān)系模式的集合。目前主要有6種范式：

1NF>2NF>3NF>BCNF>4NF>5NF6種范式的規(guī)范化程度依次增強(qiáng)，滿足后一種范式的關(guān)系模式必然滿足前一種范式。本節(jié)主要講述這六種范式的特點(diǎn)。第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2范式理論5.2.11NF及存在的問題5.2.22NF及存在的問題5.2.33NF及存在的問題5.2.4BCNF及存在的問題5.2.54NF及存在的問題5.2.65NF5.2.7學(xué)校管理數(shù)據(jù)庫分析5.2.8STC數(shù)據(jù)庫分析第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.11NF及存在的問題1NF定義：如果一個(gè)關(guān)系模式R的所有屬性的值都是不可分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)值，則R∈1NF。非規(guī)范化的關(guān)系SC0學(xué)號(hào)姓名課程名成績(jī)991101李玉英語85計(jì)算機(jī)90991102楊羚英語73計(jì)算機(jī)94991103張山英語76計(jì)算機(jī)85第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三滿足1NF的關(guān)系SC1學(xué)號(hào)姓名課程名成績(jī)991101李玉英語85991101李玉計(jì)算機(jī)90991102楊羚英語73991102楊羚計(jì)算機(jī)94991103張山英語76991103張山計(jì)算機(jī)85第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1NF及存在的問題滿足1NF的關(guān)系模式并不一定是一個(gè)好的關(guān)系模式。SLC（sno,sdept,sloc,cno,grade）主碼（主屬性）為（sno,cno）。snosdeptsloccnograde991101計(jì)算機(jī)一號(hào)樓00185991101計(jì)算機(jī)一號(hào)樓00280991102信息管理二號(hào)樓00292991102信息管理二號(hào)樓00378991103電氣工程一號(hào)樓00470991104工商管理三號(hào)樓00491991105工商管理三號(hào)樓00582第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1NF及存在的問題該模式存在非主屬性對(duì)主碼的部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴。假定一個(gè)學(xué)生只在一個(gè)系學(xué)習(xí)，一個(gè)系只在同一棟樓內(nèi)。該模式中存在以下三個(gè)問題。數(shù)據(jù)冗余太大；更新異常；插入異常；刪除異常。slocsnocnosdeptgrade第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.11NF關(guān)系模式的分解對(duì)SLC（sno,sdept,sloc,cno,grade）分解，變?yōu)椋?/p>

SL(sno,sdept,sloc)SC(sno,cno,grade)分解后，去掉了非主屬性sdept、sloc對(duì)碼的部分函數(shù)依賴。snosnosdeptslocsdeptsloc第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1NF關(guān)系模式的分解snosdeptsloc991101計(jì)算機(jī)一號(hào)樓991102信息管理二號(hào)樓991103電氣工程一號(hào)樓991104工商管理三號(hào)樓991105工商管理三號(hào)樓snocnograde99110100185991101002809911020029299110200378991103004709911040049199110500582

SL(sno,sdept,sloc)SC(sno,cno,grade)第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.22NF及存在的問題定義：若關(guān)系模式R∈1NF，并且每一個(gè)非主屬性都完全函數(shù)依賴于R的碼，則稱R∈2NF。即不存在非主屬性對(duì)碼的部分函數(shù)依賴。如果碼中只包含一個(gè)屬性且屬于1NF，則R必屬于2NF。SLC分解后的SL和SC關(guān)系模式都屬于2NF。分解后異常情況減少。但關(guān)系模式SL(sno,sdept,sloc)仍存在操作異常：冗余大，更新異常，插入異常，刪除異常的情況。其原因是還存在sloc對(duì)sno的傳遞函數(shù)依賴第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.22NF的分解對(duì)SL（sno,sdept,sloc）作進(jìn)一步的分解，去掉sloc對(duì)sno傳遞依賴：

SD（sno,sdept）DL（sdept,sloc）snosdeptslocsnosdeptslocsdept第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三這時(shí)，SD和DL的函數(shù)依賴是正常的。分解后在一定程度上解決了：數(shù)據(jù)冗余大、更新異常、插入異常、刪除異常的情況。snosdeptsloc991101計(jì)算機(jī)一號(hào)樓991102信息管理二號(hào)樓991103電氣工程一號(hào)樓991104工商管理三號(hào)樓991105工商管理三號(hào)樓snosdept991101計(jì)算機(jī)991102信息管理991103電氣工程991104工商管理991105工商管理sdeptsloc計(jì)算機(jī)一號(hào)樓信息管理二號(hào)樓電氣工程一號(hào)樓工商管理三號(hào)樓SD（sno,sdept）DL（sdept,sloc）第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.33NF及存在的問題定義：若關(guān)系模式R<U，F(xiàn)>中不存在候選碼X，屬性組Y，以及非主屬性Z（Z不包含于Y），使得XY,YZ和Y—\X成立，則R∈3NF。若R∈3NF，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。

SD（sno,sdept），DL（sdept,sloc）屬于3NF。但3NF并不一定就是一個(gè)好的關(guān)系模式。它并不能完全消除異常情況和數(shù)據(jù)冗余。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.7學(xué)校管理數(shù)據(jù)庫的函數(shù)依賴GSNOCNDNDM第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.2.7函數(shù)依賴的變換SNOCNGSC:SNODNDNDMSD:D:GSNOCNDNDMUN:fpptDNDMSNOSD:t第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3關(guān)系模式的規(guī)范化基本思想是逐步消除數(shù)據(jù)領(lǐng)帶中不合適的部分，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”。第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3關(guān)系模式的規(guī)范化5.3.1規(guī)范化步驟5.3.2關(guān)系模式的分解的準(zhǔn)則5.3.3一個(gè)關(guān)系模式分解的探討5.3.4無損連接性5.3.5保持函數(shù)依賴5.3.6學(xué)生成績(jī)登記表分析第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3.1規(guī)范化步驟1NF2NF3NFBCNF4NF5NF消除非主屬性對(duì)碼的部分函數(shù)依賴消除非主屬性對(duì)碼的傳遞函數(shù)依賴消除主屬性對(duì)碼的部分和傳遞函數(shù)依賴消除多值依賴消除連接依賴消除決定屬性集非碼非平凡函數(shù)依賴第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2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。（2）分解要保持函數(shù)依賴。（3）分解既要保持函數(shù)依賴，又解要保持無損連接性。第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3.3一個(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。第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

5.3.4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=U1∪U2……∪Un，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)，NL（sno，sloc）分解具有無損連接性，但不能保持函數(shù)依賴。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3.5保持函數(shù)依賴設(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=U1∪U2……∪Un，且不存在Ui不包含于Uj中，Ri為F在Ui上的投影），若F所邏輯蘊(yùn)含的函數(shù)依賴一定也由分解得到的某個(gè)關(guān)系模式中的函數(shù)依賴Fi所邏輯蘊(yùn)含，則稱關(guān)系模式R的分解具有保持函數(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。第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.3.6學(xué)生成績(jī)登記表分析學(xué)號(hào)姓名性別專業(yè)年級(jí)課程成績(jī)課號(hào)課名學(xué)時(shí)學(xué)分教師師號(hào)成績(jī)S1S2張三李四男女CSCS9899C1C2C3C4C5C1DBDSOSMAPHDB6060801209060334653趙錢孫李周趙M1M9M4M7M2M1907085907586如何對(duì)該關(guān)系模式進(jìn)行分解呢？（見作業(yè)附件）第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5.4小結(jié)優(yōu)秀的DB設(shè)計(jì)是DBS應(yīng)用成功的基石。RDB邏輯設(shè)計(jì)以RDB規(guī)范化理論為指導(dǎo)。不合理數(shù)據(jù)依賴會(huì)產(chǎn)生冗余度大、插入修改刪除異常。數(shù)據(jù)依賴分函數(shù)依賴、多值依賴和連接依賴。規(guī)范化就是消除關(guān)系模式中存在的不合適的數(shù)據(jù)依賴。1NF→2NF消除非主屬性對(duì)侯選碼的部分函數(shù)依賴2NF→3NF消除非主屬性對(duì)侯選碼的傳遞函數(shù)依賴3NF→BCNF消除主屬性對(duì)侯選碼的部分和傳遞函數(shù)依賴BCNF→4NF消除非平凡且平函數(shù)依賴的多值依賴4NF→5NF消除不是有候選碼所蘊(yùn)含的連接依賴規(guī)范化