數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用-第二章課件

1、第2章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫吉林大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展在經(jīng)歷了層次模型、網(wǎng)狀模型后，形成了今天較為成熟的關(guān)系模型。1970年美國IBM公司的研究員E.F.Codd首次提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關(guān)系模型，開創(chuàng)了數(shù)據(jù)庫關(guān)系方法和關(guān)系數(shù)據(jù)理論的研究，為數(shù)據(jù)庫技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。 主要內(nèi)容一 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述 關(guān)系的定義 關(guān)系模式 關(guān)系數(shù)據(jù)庫 關(guān)系的完整性約束 二 關(guān)系代數(shù)傳統(tǒng)的集合運(yùn)算 專門的關(guān)系運(yùn)算 1關(guān)系的定義域（domain）笛卡爾積（Cartesian Product）關(guān)系（relation）（1）域（domain）定義2.1 域是一組具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合。例如：姓名的域是指構(gòu)成

2、所有合法姓名的字符串集合、性別的域是男，女、成績的域是介于0100的實(shí)數(shù)、出生年份的域是介于某個取值范圍的日期等。（2）笛卡爾積（Cartesian Product）定義2.2 給定一組域D1，D2，Dn，這些域中可以有相同的。D1，D2，Dn的笛卡爾積為： D1D2Dn（d1，d2，dn）di Di，i1，2，n不能重復(fù)出現(xiàn)的所有域的所有取值的一個組合。若Di（i=1，2，n）為有限集，其基數(shù)（Cardinal Number，此域中所有可取值的個數(shù)）為mi（i=1，2，n），則笛卡爾積的基數(shù)M為：例如：給出三個域： D1=性別= 男，女 （性別集合）D2=專業(yè)=計(jì)算機(jī)專業(yè)，信息專業(yè) （專業(yè)集

3、合）D3=姓名=張靜，劉敏，王一 （姓名集合）基數(shù)：223=12 D1D2D3 (男，計(jì)算機(jī)專業(yè)，張靜)，(男，計(jì)算機(jī)專業(yè)，劉敏)， (男，計(jì)算機(jī)專業(yè)，王一)，(男，信息專業(yè)，張靜)， (男，信息專業(yè)， 劉敏)，(男，信息專業(yè)，王一)， (女，計(jì)算機(jī)專業(yè)，張靜)，(女，計(jì)算機(jī)專業(yè)，劉敏)， (女，計(jì)算機(jī)專業(yè)，王一)，(女，信息專業(yè)，張靜)， (女，信息專業(yè)， 劉敏)，(女，信息專業(yè)，王一) （3）關(guān)系（relation） 定義2.3 笛卡爾積D1D2Dn的任一子集稱為在域D1，D2，Dn上的關(guān)系，表示為R（D1，D2，Dn）。 其中：R表示關(guān)系的名字，n表示關(guān)系的目或度（Degree）。候選碼

4、（Candidate Key）：能唯一表示關(guān)系中元組的一個屬性或?qū)傩约?。稱為候選碼，也稱候選關(guān)鍵字。 如：“學(xué)生關(guān)系”中學(xué)號能唯一標(biāo)識每個學(xué)生，則屬性“學(xué)號”是學(xué)生關(guān)系的候選碼。 又如：在“選課關(guān)系”中，只有屬性的組合“學(xué)號”+“課程號”才能唯一標(biāo)識每一條選課記錄，則屬性集(學(xué)號，課程號)是選課關(guān)系的候選碼。主碼（Primary Key）：如果一個關(guān)系中有多個候選碼，可以從中選擇一個作為查詢、插入或刪除元組的操作變量，被選中的候選碼稱為主關(guān)系碼，或簡稱主碼、主鍵、主關(guān)鍵字等。每個關(guān)系必須有且僅有一個主碼。外碼（Foreign Key）：設(shè)F是基本關(guān)系R的一個或一組屬性，但不是關(guān)系R的主碼（或候

5、選碼）。如果F與基本關(guān)系S的主碼K相對應(yīng)，則稱F是基本關(guān)系R的外部關(guān)系碼，可簡稱外碼?！皩W(xué)生數(shù)據(jù)庫”中有“學(xué)生”和“院系”兩個關(guān)系，其關(guān)系模式如下：學(xué)生（學(xué)號、姓名、性別、年齡、院系編碼） 假設(shè)“學(xué)號”為主碼院系（院系編碼，院系名稱、電話） 假設(shè)“院系編碼”為主碼 學(xué)生關(guān)系中的“院系編碼”為外碼。2關(guān)系模式關(guān)系模式一般可簡寫為R（U）或R（A1，A2，An）。其中，R為關(guān)系名，A1，A2，An為屬性名。 我們以學(xué)生信息管理系統(tǒng)的模型為例，其對應(yīng)的部分關(guān)系模式如下：學(xué)生（學(xué)號，姓名，曾用名，性別，年齡，籍貫，民族，入學(xué)時間，系別，專業(yè)）教師（教師工號，姓名，曾用名，性別，年齡，籍貫，政治面貌，參

6、加工作時間，教研室號，職稱）系（系別代碼，系名稱，辦公室地址，電話）課程（課程號，課程名，教師工號，學(xué)分，學(xué)期號，課程類型）成績（學(xué)號，課程號，成績）教研室（教研室號，教研室名，辦公室）關(guān)系模式與關(guān)系的區(qū)別： 1 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，關(guān)系模式是型，關(guān)系是值，兩者是有區(qū)別的。 2 一般來說，關(guān)系模式是相對穩(wěn)定的，而關(guān)系的值是相對變化的，因此在有些文獻(xiàn)中，稱關(guān)系模式為關(guān)系的內(nèi)涵（intension），關(guān)系的值為關(guān)系的外延（extension）。 3 在進(jìn)行關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)時，通常使用關(guān)系模式來描述關(guān)系。 3關(guān)系數(shù)據(jù)庫 通常關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的值統(tǒng)稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫 例如，教學(xué)關(guān)系數(shù)據(jù)庫包含如下五個

7、關(guān)系模式：教師（職工編碼，姓名，職稱，年齡，學(xué)歷）學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡，籍貫，專業(yè)）課程類型（課程編碼，課程名稱，學(xué)分，課時，選修課）已開課程（開課編碼，課程編碼，主講教師）選課（學(xué)號，開課編碼，成績） 在每個關(guān)系中，又有其相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫的實(shí)例。例如，與學(xué)生關(guān)系模式對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中的實(shí)例有如下4個元組。學(xué)號姓名性別年齡籍貫專業(yè)080301王建男18吉林計(jì)算機(jī)080302田江晨男19長春計(jì)算機(jī)080303蘇暢女18哈爾濱工商080304李學(xué)明男19沈陽機(jī)電關(guān)系模式關(guān)系值4關(guān)系的完整性約束 關(guān)系模型中允許定義三類完整性：實(shí)體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。 其中實(shí)體完整性和參照完整性是關(guān)

8、系模型必須滿足的完整性約束條件，是由關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自動支持的。而用戶定義的完整性是應(yīng)用領(lǐng)域需要遵循的條件，體現(xiàn)在具體領(lǐng)域中的語義約束。 實(shí)體完整性：規(guī)則2.1 實(shí)體完整性規(guī)則： 若屬性A是基本關(guān)系R的主屬性，則屬性A不能取空值。如：在學(xué)生檔案表里，由于“學(xué)號”是基本關(guān)系的主屬性，則“學(xué)號”值不能為空值，學(xué)生的其他屬性可以是空值，如“年齡”值或“性別”值如果為空，則表明不清楚該學(xué)生的這些特征值。參照完整性：規(guī)則2.2 參照完整性規(guī)則： 若屬性（屬性組）F是基本關(guān)系R的外碼，它與基本關(guān)系S的主碼K相對應(yīng)（基本關(guān)系R和S不一定是不同的關(guān)系），則對于R中每個元組在F上的值必須為：（1）或者取空值（F的

9、每個屬性值均為空值）；（2）或者等于S中某個元組的主碼值。 例如，學(xué)生關(guān)系中的“系院編碼”為外碼；那么依照參照完整性規(guī)則，在學(xué)生關(guān)系中，某一個學(xué)生“系院編碼”要么取空值，表示該學(xué)生未被分配到指定系；要么等于系院關(guān)系中某個元組的“系院編碼”，表示該學(xué)生隸屬于指定系。 用戶定義的完整性用戶定義的完整性約束： 就是針對某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件，它反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。 例如：在學(xué)生關(guān)系中，學(xué)生年齡分量的取值范圍應(yīng)該限定在1830歲，學(xué)生考試的成績必須在0100之間，學(xué)生的性別應(yīng)該為男或女等。 2.2 關(guān)系代數(shù)關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算分為傳統(tǒng)集合運(yùn)算和專門關(guān)系運(yùn)算兩類。傳統(tǒng)的集合運(yùn)

10、算：包括并、交、差、廣義笛卡爾積；專門關(guān)系運(yùn)算包括：選擇、投影、連接和除操作。 此外，還涉及到兩類輔助運(yùn)算符：比較運(yùn)算符：大于、大于等于、小于、小于等于、等于、不等于；邏輯運(yùn)算符：非、與、或。 （1）并（Union）設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的目n（即兩個關(guān)系都有n個屬性），且相應(yīng)的屬性取自同一個域，則關(guān)系R與關(guān)系S的并由屬于R或?qū)儆赟的元組組成。其結(jié)果關(guān)系仍為n目關(guān)系。記作： RS=t | tRtS 集合RSRSR=1，2，3S=2，3，4RS =1，2，3，4（2）交（Intersection） 設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的目n，且相應(yīng)的屬性取自同一個域，則關(guān)系R與關(guān)系S的交由既屬于R又屬于S

11、的元組組成。其結(jié)果關(guān)系仍為n目關(guān)系。記作： RS=t | tRtS集合RS RSR=1，2，3S=2，3，4R S =2，3（3）差（Difference） 設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的目n，且相應(yīng)的屬性取自同一個域，則關(guān)系R與關(guān)系S的差由屬于R而不屬于S的所有元組組成。其結(jié)果關(guān)系仍為n目關(guān)系。記作： RS=t | tRtS集合R-S RSR=1，2，3S=2，3，4R-S =1設(shè)有關(guān)系R和S（如下表），計(jì)算RS，RS，RS，RS。 2. 專門的關(guān)系運(yùn)算 專門的關(guān)系運(yùn)算包括選擇、投影、連接和除運(yùn)算。（1）設(shè)關(guān)系模式為R（A1，A2，An）。它的一個關(guān)系設(shè)為R。TR表示t是R的一個元組。tAi則表

12、示元組t中屬性Ai上的一個分量。tr ts（2）R為n目關(guān)系，S為m目關(guān)系。TrR，TsS， Tr Ts稱為元組的連接。它是一個n+m列的元組，前n個分量為R中的一個n元組，后m個分量為S中的一個m元組。元組的連接在笛卡兒積中曾用到過，在專門的關(guān)系運(yùn)算中連接運(yùn)算也將用到。幾個基本概念幾個基本概念（3）給定一個關(guān)系R（X，Z），X和Z為屬性組。當(dāng)tX=x時，x在R中的象集定義為： Zx=tZ|tR，tX=x它表示R中屬性組X上值為x的諸元組在Z上分量的集合。XZx1Z1x2Z2x2Z3x3Z1x3Z3例如:x1在R中的象集Zx1=Z1，x2在R中的象集Zx2=Z2，Z3x3在R中的象集Zx3=Z

13、1，Z3R設(shè)有一個學(xué)生課程數(shù)據(jù)庫學(xué)生關(guān)系Student學(xué)號姓名性別年齡籍貫專業(yè)080301王建男18吉林計(jì)算機(jī)080302田江晨男19長春計(jì)算機(jī)080303蘇暢女18哈爾濱工商080304李學(xué)明男19沈陽機(jī)電課程關(guān)系Course課程號課程名學(xué)分課程類型01大學(xué)語文3必修02計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)4必修03信息理論3必修04C程序設(shè)計(jì)3選修05藝術(shù)鑒賞2選修06網(wǎng)頁設(shè)計(jì)2選修選課關(guān)系SC 學(xué)號課程號成績080301049208030103850803010188080302029508030305900803030680（1）選擇運(yùn)算 選擇又稱為限制。它是在關(guān)系R中選擇滿足給定條件的諸元組，記作： F(

14、R) = t | tR F(t)=真。 其中為選擇運(yùn)算符，F(xiàn)表示選擇條件，它是一個邏輯表達(dá)式，取邏輯值真或假。 選擇運(yùn)算是一種橫向的操作。也稱之為行運(yùn)算。 例2-3查詢計(jì)算機(jī)專業(yè)全體學(xué)生。 專業(yè)=計(jì)算機(jī)(Student) 學(xué)號姓名性別年齡籍貫專業(yè)080301王建男18吉林計(jì)算機(jī)080302田江晨男19長春計(jì)算機(jī)例2-4 查詢學(xué)分在3分以下的課程。學(xué)分3(Course) 課程號課程名學(xué)分課程類型05藝術(shù)鑒賞2選修06網(wǎng)頁設(shè)計(jì)2選修（2）投影運(yùn)算 關(guān)系R上的投影是從R中選擇出若干屬性列組成新的關(guān)系。記作： A(R) = tA | tR 。 其中為投影運(yùn)算符，A為R中的屬性列。 投影運(yùn)算是一種縱向的

15、操作。業(yè)稱之為列運(yùn)算.例2-5 查詢每個學(xué)生的姓名和籍貫。姓名，籍貫(Student) 或2，5(Student)。 姓名籍貫王建吉林田江晨長春蘇暢哈爾濱李學(xué)明沈陽例2-6 查詢都開設(shè)了哪些專業(yè)。專業(yè)(Student) 或6(Student)。專業(yè)計(jì)算機(jī)工商機(jī)電（3）連接運(yùn)算 連接也稱為連接。它是從兩個關(guān)系的笛卡爾積中選取屬性間滿足一定條件的元組。記作： 其中A和B分別為R和S上度數(shù)相等且可比的屬性組。是比較運(yùn)算符。 連接運(yùn)算從R和S的笛卡爾積RS中選?。≧關(guān)系）在A屬性組上的值與（S關(guān)系）在B屬性組上值滿足比較關(guān)系的元組。 可實(shí)現(xiàn)兩個關(guān)系的橫向合并。 例.關(guān)系R和S如下，求R（BC）S 。關(guān)

16、系R 關(guān)系S ABA175A282A490ACDA18185A28270A38390RXS結(jié)果R（BC）S結(jié)果R.ABS.ACDA175A18185A175A28270A175A38390A282A38390 連接運(yùn)算中有兩種最為重要也最為常用的連接，一種是等值連接（equi-join），另一種是自然連接（Natural join）。 等值連接 是為“”的連接運(yùn)算。它是從關(guān)系R與S的笛卡爾積中選取A、B屬性值相等的那些元組。 即：關(guān)系R與S的等值連接運(yùn)算R.A=S.AR.ABS.ACDA175A18185A282A28270自然連接 自然連接是一種特殊的等值連接，它要求兩個關(guān)系中進(jìn)行比較的分量必須是相同的屬性組，并且要在結(jié)果中把重復(fù)的屬性去掉。關(guān)系R與S的自然連接運(yùn)算 ABCDA1758185A2828270（4）除操作 給定關(guān)系R(X,Y)和S(Y,Z)，其中X, Y, Z為屬性組。R中的Y與S中的Y可以有不同的屬性名，但必須出自相同的域集。R與S的除運(yùn)算得到一個新的關(guān)系P(X)，P是R中滿足下列條件的元組在X屬性列上的投影：元組在X上