數(shù)據(jù)庫引論 第2章關(guān)系數(shù)據(jù)庫基本原理.ppt

1、第2章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫基本原理,1,本章內(nèi)容,1.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫基本原理 2.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理 2.3 關(guān)系模式的分解 2.4 關(guān)系模型的完整性約束 2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,2,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,關(guān)系數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型的任務(wù)是描述現(xiàn)實世界中的實體及其聯(lián)系。關(guān)系數(shù)據(jù)模型就是采用一個有序數(shù)組描述實體及其屬性，用這種有序數(shù)組的集合描述一個實體集合，而采用定義在兩個集合上的關(guān)系反映不同實體間的聯(lián)系。,3,表2-1 關(guān)系模型示例,關(guān)系數(shù)據(jù)庫基本概念 定義：關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是一些相關(guān)的二維表和其他數(shù)據(jù)庫對象的集合。 在這個定義中明確，關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的所有信息都存儲在二維表格中；一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫可能包含多

2、個表；除了這種二維表外，關(guān)系數(shù)據(jù)庫還包含一些其他對象，如視圖等。,4,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,Page 5/31,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,關(guān)系模型的基本概念: 1關(guān)系 一個關(guān)系就是一張二維表，通常將一個沒有重復(fù)行、重復(fù)列的二維表看成一個關(guān)系，每個關(guān)系都有一個關(guān)系名。 2元組 二維表的每一行在關(guān)系中稱為元組(Tuple)。一行描述了現(xiàn)實世界中的一個實體，或者描述了不同實體間的一種聯(lián)系。,3屬性 二維表的每一列在關(guān)系中稱為屬性(Attribute)，每個屬性都有一個屬性名，各個屬性的取值稱為屬性值。每個屬性有一定的取值范圍，稱為值域。 4關(guān)鍵字 關(guān)系中能惟一區(qū)分、確定不同元組的屬性或?qū)傩越M合，稱為

3、該關(guān)系的一個關(guān)鍵字。關(guān)鍵字又稱為鍵或碼(Key)。,6,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,5外部關(guān)鍵字 如果關(guān)系中某個屬性或?qū)傩越M合并非關(guān)鍵字，但卻是另一個關(guān)系的主關(guān)鍵字，則稱此屬性或?qū)傩越M合為本關(guān)系的外部關(guān)鍵字或外鍵(Foreign Key)。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，用外部關(guān)鍵字表示兩個表間的聯(lián)系。,7,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,例：請指出下面兩個關(guān)系模式的主鍵以及外鍵 學(xué)生(學(xué)號，姓名，性別，專業(yè)號，年齡) 專業(yè)(專業(yè)號，專業(yè)名),Page 8/31,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,主鍵,外鍵,主鍵,關(guān)系數(shù)據(jù)庫基本特征 有堅實的理論基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、易于理解 對用戶提供了較全面的操作支持 得到了眾多開發(fā)商的支持,9

4、,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述,2.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理,關(guān)系的數(shù)學(xué)定義 1集合 集合沒有嚴(yán)格的形式定義，一般說來，集合是與某一研究過程相關(guān)的一類對象的整體，這些對象稱為集合的元素。 2元組 幾個元素組成的一個有序組稱為一個元組，通常元組用圓括號括起來的一些元素表示，元素間使用逗號分隔。 例如(3，5，6)和(E001,錢達理,男,東風(fēng)路78號)是元組的例子。 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，可以把一個表的每一行看作一個元組。,10,3集合的笛卡爾乘積 設(shè)A1、A2、An為任意集合，A1、A2、An的笛卡爾乘積記做： A1A2An, 并且定義D= A1A2An =(a1，a2，an)| aiAi，i=1，2，n，

5、其中(a1，a2，an)是一個元組，它的每個元素ai取自對應(yīng)的集合Ai。 例如，設(shè)A=1，2，B=a，b， 則AB=(1，a)，(1，b)，(2，a)，(2，b)。 4關(guān)系 關(guān)系是一個集合，其組成元素是元組而不是組成元組的元素。,11,2.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理,關(guān)系運算 : 對二維表格進行運算的機制。 1并 設(shè)A、B同為n元關(guān)系，則A、B的并也是一個n元關(guān)系，記作AB。 2交 設(shè)A、B同為n元關(guān)系，則A、B的交也是一個n元關(guān)系，記作AB。AB包含了所有同屬于A、B的元組。 3差 設(shè)A、B同為n元關(guān)系，則A、B的差也是一個n元關(guān)系，記作A-B。A-B包含了所有屬于A但不屬于B的元組。,12,2

6、.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理,例2-1 設(shè)A=(湖南，長沙)，(河北，石家莊)，(陜西，西安)， B=(湖北，武漢)，(廣東，廣州)，(廣東，深圳)，(陜西，西安)，求 AB、AB、A-B。 顯然，A、B是表示城市和所在省的關(guān)系。 AB=(湖南，長沙)，(河北，石家莊)，(陜西，西安)，(湖北，武漢)，(廣東，廣州)，(廣東，深圳) AB=(陜西，西安) A-B=(湖南，長沙)，(河北，石家莊),13,2.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理,4連接 設(shè)A是一個包含m個元組的k1元關(guān)系，B是一個包含n個元組的k2元關(guān)系，則A、B的連接是一個包含mn個元組的k1+k2元關(guān)系，記作AB。 5投影 設(shè) R=R(A1，

7、A2，An)是一個n元關(guān)系，i1，i2，im是1，2，n的一個子集，并且 i1i2im，定義： 稱(R)是R在上的一個投影。 6選擇 設(shè) R=(a1，a2，an)是一個n元關(guān)系，S是關(guān)于(a1，a2，an)的一個條件，R中所有滿足S條件的元組組成的子關(guān)系S(R)，稱為R的一個選擇。,14,2.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理,例2-2 設(shè) R1=R1(姓名,性別)=(錢達理,男)，(東方牧,男)， R2=R2(所在單位，住址)=(總經(jīng)理辦,東風(fēng)路78號)，(銷售部,五一北路25號)， 求(1)R=R1R2。 (2)R在(姓名，所在單位，住址)的投影。 (3)根據(jù)表2-1，求R關(guān)系的一個選擇。,15,解：

8、 R=(錢達理,男,總經(jīng)理辦,東風(fēng)路78號)，(錢達理,男,銷售部,五一北路25號)，(東方牧,男,總經(jīng)理辦,東風(fēng)路78號)，(東方牧,男,銷售部,五一北路25號)。 (2) (R)=(錢達理,總經(jīng)理辦,東風(fēng)路78號)，(錢達理,銷售部,五一北路25號)，(東方牧,總經(jīng)理辦,東風(fēng)路78號)，(東方牧,銷售部,五一北路25號) (3) R(S)=(錢達理,總經(jīng)理辦,東風(fēng)路78號),2.2 關(guān)系代數(shù)的基本原理,2.3 關(guān)系模式的分解,引例：表2-2關(guān)系模型存在如下3方面的問題。 插入異常 刪除異常 數(shù)據(jù)冗余與更新異常,16,表 2-2 一個不好的關(guān)系模式,要解決上述3個問題，需要把表2-2進行分解

9、，表中前3列獨立建立一個表，指定供應(yīng)商代碼作為關(guān)鍵字，并刪除相同的行；后3列獨立，引入供應(yīng)商代碼列作為外鍵，并增加一個訂貨日期列，供應(yīng)商代碼和訂貨日期的組合作為第2個表的關(guān)鍵字。經(jīng)過這樣處理后，上述異常問題就完全解決了。,17,2.3 關(guān)系模式的分解,函數(shù)依賴的基本概念 定義1 設(shè)RR(A1,A2,An)是一個關(guān)系模式， X A1,A2,An ，Y A1,A2,An ， 即X和Y是R的屬性子集， T1、T2是R的兩個任意元組，即 T1T1(A1,A2,An)，T2T2(A1,A2,An)，如果當(dāng)T1(X)T2(X)成立時，總有T1(Y)T2(Y)，則稱X決定Y，或稱Y函數(shù)依賴于X。記為：XY。

10、,18,2.3 關(guān)系模式的分解,例：R(U) 為Student(sNo,sName,sAge,sDept) 選取X=sNo, Y=sAge, Z=sDept R(X) R(Y) R(Z) 結(jié)論：X Y， X Z， Y Z,Page 19/31,定義2 R，X，Y如定義1所設(shè)，如果XY成立，但對X的任意真子集X1，都有X1Y不成立，稱Y完全函數(shù)依賴于X，否則，稱Y部分函數(shù)依賴于X。 例：R(sNo,subject,score)如下： sNo score和subject score都不成立，在這里單個的屬性不能作為決定因素，但屬性的組合可以作為決定因素。 (sNo,subject) score，

11、即score完全依賴于(sNo,subject),20,F,例：R(sNo,subject,score)如下： (sNo,name,subject) score成立 (sNo, subject) score也成立， 則稱為score部分依賴于(sNo,name,subject),21,定義3 設(shè)X，Y，Z是關(guān)系模式R的不同屬性集，若XY(并且YX不成立)，YZ，稱X傳遞決定Z，或稱Z傳遞函數(shù)依賴于X。 例：R(sNo,name,address)如下： sNo name, name adress, 則sNo address，即address傳遞依賴于sNo,Page 22/31,關(guān)系的規(guī)范化 1

12、. 主屬性與非主屬性 候選關(guān)鍵屬性和關(guān)鍵屬性 定義4 設(shè)關(guān)系模式R(A1,A2,An)，A1,A2,An是R的屬性，X是R的一個屬性集，如果 X(A1,A2,An)， 對于X的任意真子集X1，X1(A1,A2,An)都不成立， 則稱屬性集X是關(guān)系模式R的一個候選關(guān)鍵屬性。 如果關(guān)系模式R只有一個候選關(guān)鍵屬性，稱這惟一的候選關(guān)鍵屬性為關(guān)鍵屬性，否則，應(yīng)從多個候選關(guān)鍵屬性中指定一個作為關(guān)鍵屬性。 習(xí)慣上把候選關(guān)鍵屬性稱為候選關(guān)鍵字，關(guān)鍵屬性稱為關(guān)鍵字。,23,2.3 關(guān)系模式的分解,主屬性和非主屬性 定義5 設(shè)Ai是關(guān)系模式R的一個屬性，若Ai屬于R的某個候選關(guān)鍵屬性，稱Ai是R的主屬性，否則，稱

13、Ai為非主屬性。,24,2.3 關(guān)系模式的分解,2. 第1范式 第1范式、第2范式、第3范式、Boyce-Codd范式、第4范式和第5范式。 定義6 當(dāng)關(guān)系模式R的所有屬性都不能分解為更基本的數(shù)據(jù)單位時，稱R是滿足第1范式的，簡記為1NF。 例如，如果關(guān)于員工的關(guān)系中有一個工資屬性，而工資又由更基本的兩個數(shù)據(jù)項基本工資和崗位工資組成，則這個員工的關(guān)系模式就不滿足1NF。 例如，職工號，姓名，電話號碼組成一個表（一個人可能有一個辦公電話和手機號）規(guī)范為1NF的方法？,25,2.3 關(guān)系模式的分解,例：下表所示的關(guān)系R是否滿足1NF，如果不滿足，如何調(diào)整？ 上表中，高級職稱人數(shù)不具備原子性，只要將

14、兩個數(shù)據(jù)項拆分，就滿足1NF,Page 26/31,3. 第2范式 定義7 如果關(guān)系模式R滿足第1范式，并且R的所有非主屬性都完全依賴于R的每一個候選關(guān)鍵屬性，稱R滿足第2范式，簡記為2NF。 例：選課關(guān)系SC1(學(xué)號,課程號,成績,學(xué)分)中組合關(guān)鍵字為 (學(xué)號,課程號) 其中的函數(shù)依賴有： (學(xué)號,課程號) 成績， (學(xué)號,課程號) 學(xué)分， 課程號學(xué)分 因此，不滿足2NF. 該關(guān)系易引發(fā)數(shù)據(jù)冗余，插入異常，更新異常，刪除異常,27,2.3 關(guān)系模式的分解,原因：非關(guān)鍵字屬性“學(xué)分”僅函數(shù)依賴于cno，即“學(xué)分”部分依賴于(學(xué)號,課程號) ，而不是完全依賴,4. 第3范式 定義8 設(shè)R是一個滿

15、足第1范式條件的關(guān)系模式，X是R的任意屬性集，如果X非傳遞依賴于R的任意一個候選關(guān)鍵字，稱R滿足第3范式，簡記為3NF。 定理 若關(guān)系模式R符合3NF條件，則R一定符合2NF條件。 例：關(guān)系R=R(公司注冊號，法人代表，注冊地，所在省) 在關(guān)系R中，公司注冊號注冊地，注冊地所在省 所以，公司注冊號所在省，存在傳遞依賴，不滿足3NF,28,2.3 關(guān)系模式的分解,5. Boyce-Codd范式 定義9 設(shè)R是一個關(guān)系模式，若R的每一個函數(shù)依賴關(guān)系的左部都是R的一個候選關(guān)鍵字，稱R滿足Boyce-Codd范式，簡記為BCNF。 可以證明，BCNF是比3NF更強的規(guī)范(證明略)，即符合BCNF條件的

16、關(guān)系模式一定符合3NF條件，但反過來卻不成立。,29,2.3 關(guān)系模式的分解,關(guān)系的分解 1. 關(guān)系模式分解的一般問題 所謂關(guān)系模式的分解，就是對原有關(guān)系在不同的屬性上進行投影，從而將原有關(guān)系分解為兩個或兩個以上的含有較少屬性的多個關(guān)系。,30,2.3 關(guān)系模式的分解,Page 31/31,示例,將其分解為兩個關(guān)系：（無損分解） 員工基本情況表： 員工獎金分配表 這兩張表都符合BCNF，從而符合3NF,Page 32/31,將其分解為兩個關(guān)系：（有損分解） 員工基本情況表： 員工獎金分配表,Page 33/31,2. 3NF分解 (1)如果R不滿足1NF條件，先對其分解，使其滿足1NF。 對R

17、進行1NF分解的方法不是采用投影，而是直接將其復(fù)合屬性進行分解，用分解后的基本屬性集取代原來的屬性，以獲得1NF。 例2-3 將R(員工號,姓名,工資)進行分解，使其滿足1NF條件。 假定R的工資屬性由基本工資和崗位工資組成，直接用屬性集(基本工資,崗位工資)取代工資屬性，得到新關(guān)系R_NEW (員工號,姓名,基本工資,崗位工資)，R_NEW滿足1NF。 (2)R符合1NF條件但不符合2NF條件時，分解R使其滿足2NF。,34,2.3 關(guān)系模式的分解,2.4 關(guān)系模型的完整性約束,實體完整性 所謂實體完整性，就是一個關(guān)系模型中的所有元組都是惟一的，沒有兩個完全相同的元組，也就是一個二維表中沒有

18、兩個完全相同行，也稱為行完整性。 域完整性 域完整性就是對表中列數(shù)據(jù)的規(guī)范，也稱列完整性，用于限制列的數(shù)據(jù)類型、格式以及取值范圍。 參照完整性 當(dāng)一個數(shù)據(jù)表中有外部關(guān)鍵字(即該列是另外一個表的關(guān)鍵字)時，外部關(guān)鍵字列的所有值，都必須出現(xiàn)在其所對應(yīng)的表中，這就是參照完整性的含義 。 用戶定義完整性,35,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程 數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程一般包括： (1)需求分析 (2)概念設(shè)計 (3)邏輯設(shè)計 (4)物理設(shè)計 (5)實施與維護,36,E-R模型及其到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化,37,圖2-2 E-R模型到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化過程,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,1獨立實體到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化 一個獨

19、立實體轉(zhuǎn)化為一個關(guān)系模型(即一張關(guān)系表)，實體碼轉(zhuǎn)化為關(guān)系表的關(guān)鍵屬性，其他屬性轉(zhuǎn)化為關(guān)系表的屬性，注意根據(jù)實際對象屬性情況確定關(guān)系屬性的取值域。,38,圖2-3 學(xué)生實體的E-R圖,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,例：例如對于圖2-3所示的學(xué)生實體，應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為關(guān)系： 學(xué)生(學(xué)號,姓名,民族,籍貫) 其中下劃線標(biāo)注的屬性表示關(guān)鍵字。,21:1聯(lián)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化,39,圖2-4 1:1 聯(lián)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,對圖2-4模型轉(zhuǎn)化為關(guān)系模型： 經(jīng)理(姓名,民族,住址,出生年月,電話,名稱) 公司(名稱,注冊地,類型,電話,姓名),經(jīng)理(姓名,民族,住址,出生年月,電話,名稱)

20、 公司(名稱,注冊地,類型,電話,姓名) 其中名稱和姓名分別是“公司”和“經(jīng)理”兩個關(guān)系模式的關(guān)鍵字，在“經(jīng)理”和“公司”兩個關(guān)系中，為了表明兩者間的聯(lián)系，各自增加了對方的關(guān)鍵字作為外部關(guān)鍵字，當(dāng)兩個表中出現(xiàn)下面的元組時，表明了張小輝是京廣實業(yè)公司的經(jīng)理。 (張小輝,漢,北京前門大街156號,48,68705633,京廣實業(yè)公司) (京廣實業(yè)公司,北京復(fù)興門外大街278號,有限責(zé)任,65783265,張小輝),40,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,31:n聯(lián)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化 要轉(zhuǎn)化1:n聯(lián)系，需要在n方(即1對多關(guān)系的多方)實體表中增加一個屬性，將對方的關(guān)鍵字作為外部關(guān)鍵字處理即可。,41,2.5

21、 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,“班級”與“學(xué)生”的聯(lián)系是1:n的聯(lián)系，學(xué)生方是n方，對上圖進行轉(zhuǎn)化，得到關(guān)系模型： 學(xué)生(學(xué)號,姓名,民族,出生年月,班號) 班級(班號,名稱,年級,系,專業(yè)) 在學(xué)生表中增加“班級”中的關(guān)鍵字“班號”作為外部關(guān)鍵字。,42,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,圖2-5 1:n關(guān)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化,4m:n聯(lián)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化 一個m:n聯(lián)系要單獨建立一個關(guān)系模式，分別用兩個實體的關(guān)鍵字作為外部關(guān)鍵字。 轉(zhuǎn)化為3個關(guān)系： 學(xué)生(學(xué)號，姓名，民族，出生年月) 課程(課程號，課程名，學(xué)時數(shù)) 學(xué)習(xí)(學(xué)號，課程號，成績),43,2.5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法,圖2-6 m:n關(guān)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化,5多元聯(lián)系到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)化 所謂多元聯(lián)系，