《数据库系统原理教学课件》.ppt

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1、关系数据理论,问题的提出规范化数据依赖的公理系统模式的分解小结,1,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,2,概念回顾,关系关系模式关系数据库关系数据库的模式,3,关系模式的形式化定义,关系模式五元组 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：属性间数据依赖关系的集合,4,数据依赖,一个关系内部属性与属性之间的约束关系现实世界属性间相互联系的抽象数据内在的性质语义的体现,5,数据依赖的类型,函数依赖Functional Dependency，简记为F

2、D多值依赖Multivalued Dependency，简记为MVD,6,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,7,函数依赖对关系模式的影响,例1建立一个描述学校教务的数据库：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,8,属性组U上的一组函数依赖F：F Sno Sdept,Sdept Mname,(Sno,Cname)Gra

3、de,9,关系模式Student中存在的问题,1.数据冗余太大2.更新异常（Update Anomalies）3.插入异常（Insertion Anomalies）4.删除异常（Deletion Anomalies）,10,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,11,分解关系模式,把这个单一模式分成3个关系模式：S（Sno，Sdept，Sno Sdept）;SC（Sno，Cno，Grade，（Sno，Cno）Grade）;

4、DEPT（Sdept，Mname，Sdept Mname）,12,问题的提出规范化数据依赖的公理系统模式的分解小结,13,函数依赖,函数依赖平凡函数依赖与非平凡函数依赖完全函数依赖与部分函数依赖传递函数依赖,14,函数依赖,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。,15,说明,1.所有关系实例均要满足2.语义范畴的概念3.数据库设计者可以对现实世界作强制的规定,16,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

5、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,17,若XY，则X称为这个函数依赖的决定属性组，也称为决定因素（Determinant）。若XY，YX，则记作XY。若Y不函数依赖于X，则记作XY。,18,完全函数依赖与部分函数依赖,在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对X完全函数依赖，记作 X F Y。若XY，但Y不完全函数依赖于X，则称Y对X部分函数依

6、赖，记作X P Y。,19,例1 中(Sno,Cno)Grade是完全函数依赖，(Sno,Cno)Sdept是部分函数依赖 因为Sno Sdept成立，且Sno是（Sno，Cno）的真子集,F,P,20,传递函数依赖,在R(U)中，如果XY，(Y X),YX YZ，则称Z对X传递函数依赖 记为：X Z 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,传递,21,码,设K为R中的属性或属性组合。若K U 则K称为R的侯选码（Candidate Key）。若候选码多于一个，则

7、选定其中的一个做为主码（Primary Key）。码的最小化规则：码的任何一个真子集都不能是码,F,22,主属性与非主属性包含在任何一个候选码中的属性，称为主属性（Prime attribute）不包含在任何码中的属性称为非主属性（Nonprime attribute）或非码属性（Non-key attribute）全码整个属性组是码，称为全码（All-key）,23,例2 关系模式S(Sno,Sdept,Sage)，单个属性Sno是码，SC（Sno，Cno，Grade）中，（Sno，Cno）是码例3 关系模式R（P，W，A）P：演奏者 W：作品 A：听众 一个演奏者可以演奏多个作品 某一作品

8、可被多个演奏者演奏 听众可以欣赏不同演奏者的不同作品,码为(P，W，A)，即All-Key,24,外码,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 的外码（Foreign key）如在SC（Sno，Cno，Grade）中，Sno不是码，但Sno是关系模式S（Sno，Sdept，Sage）的码，则Sno是关系模式SC的外码 主码与外码一起提供了表示关系间联系的手段,25,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

9、式(BCNF)第四范式(4NF)第五范式(5NF),26,模式分解与规范化,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一个低一级范式的关系模式，通过模式分解可以转换为若干个高一级范式的关系模式的集合，这种过程就叫规范化,27,1NF,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满足第一范式的关系模式并不一定是一个好的关系模式,28,例4 关系模式 S-L-C(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：(S

10、no,Cno)F Grade Sno Sdept(Sno,Cno)P Sdept Sno Sloc(Sno,Cno)P Sloc Sdept Sloc,29,S-L-C的码为(Sno,Cno)S-L-C满足第一范式。非主属性Sdept和Sloc部分函数依赖于码(Sno,Cno),Sno,Cno,Grade,Sdept,Sloc,S-L-C,30,S-L-C是一个好的关系模式吗？,(1)插入异常(2)删除异常(3)数据冗余度大(4)修改复杂,31,S-L-C不是一个好的关系模式,原因 Sdept、Sloc部分函数依赖于码。解决方法 S-L-C分解为两个关系模式，以消除这些部分函数依赖 SC（Sn

11、o，Cno，Grade）S-L（Sno，Sdept，Sloc）,32,函数依赖图：,关系模式SC的码为（Sno，Cno）关系模式S-L的码为Sno这样非主属性对码都是完全函数依赖,33,2NF,若R1NF，且每一个非主属性完全函数依赖于码，则R2NF。例：S-L-C(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)1NF S-L-C(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)2NF SC（Sno，Cno，Grade）2NF S-L（Sno，Sdept，Sloc）2NF,34,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

12、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。,35,3NF,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，YZ成立，Y X，则称R 3NF。若R3NF，则每一个非主属性既不部分依赖于码也不传递依赖于码。,36,例：2NF关系模式S-L(Sno,Sdept,Sloc)中函数依赖：SnoSdept Sdept Sno SdeptSloc,可得：SnoSloc，即S-L中存在非主属性对码的传递函数依赖，S-L 3NF,37,函数依赖图：,38,解决方法 采用投影分解法，把S-L分解为两个关

13、系模式，以消除传递函数依赖：S-D（Sno，Sdept）D-L（Sdept，Sloc）S-D的码为Sno，D-L的码为Sdept。分解后的关系模式S-D与D-L中不再存在传递依赖,39,S-D的码为Sno，D-L的码为Sdept,S-L(Sno,Sdept,Sloc)2NF S-L(Sno,Sdept,Sloc)3NF S-D(Sno，Sdept)3NFD-L(Sdept，Sloc)3NF,40,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2NF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，仍然不能完全

14、消除关系模式中的各种异常情况和数据冗余。,41,BC范式（BCNF）,关系模式R1NF，若XY且Y X时X必含有码，则R BCNF。等价于：每一个决定属性因素都包含码,42,若RBCNF 所有非主属性对每一个码都是完全函数依赖所有的主属性对每一个不包含它的码，也是完全函数依赖没有任何属性完全函数依赖于非码的任何一组属性R BCNF R 3NF,43,例5 关系模式C（Cno，Cname，Pcno）C3NFCBCNF例6 关系模式S（Sno，Sname，Sdept，Sage）假定S有两个码Sno，SnameS3NF。S BCNF,44,例7关系模式SJP（S，J，P）函数依赖：（S，J）P；(J

15、，P）S（S，J）与（J，P）都可以作为候选码,属性相交SJP3NF，SJPBCNF,45,46,关系模式SJP（S，J，P）S：学号；J：化验项目；P：送检顺序约束：每个学生的每个化验项目在这个化验项目里都有一个确定的送检顺序每个化验项目的每个送检顺序编码只对应一位学生,47,F：（S，J）P（J，P）Skey（S，J）（J，P）SJPBCNF,例8在关系模式STJ（S，T，J）中，S表示学生，T表示教师，J表示课程。函数依赖：(S，J)T，(S，T)J，TJ(S，J)和(S，T)都是候选码,48,J,S,J,T,S,T,STJ中的函数依赖,49,STJ3NF没有任何非主属性对码传递依赖或部

16、分依赖STJBCNFT是决定因素，T不包含码,50,解决方法：将STJ分解为二个关系模式：ST(S，T)BCNF，TJ(T，J)BCNF 没有任何属性对码的部分函数依赖和传递函数依赖,S,T,ST,T,J,TJ,51,R BCNF R 3NF如果R3NF，且R只有一个候选码 R BCNF R 3NF,52,多值依赖,例9 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。每个教员可以讲授多门课程，每种参考书可以供多门课程使用,53,非规范化关系,课程C 教师T 参考书B 物理 李勇 普通物理学 王军 光学原理 物理习题集 数学 周闵 数学分析 张平 微分方程 高等代数,54,55,Te

17、achingBCNFTeaching具有唯一候选码(C，T，B)，即全码,56,Teaching模式中存在的问题,(1)数据冗余度大(2)插入操作复杂(3)删除操作复杂(4)修改操作复杂,存在多值依赖,57,多值依赖,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。关系模式R(U)中多值依赖 XY成立，当且仅当对R(U)的任一关系r，给定的一对（x，z）值，有一组Y的值，这组值仅仅决定于x值而与z值无关例 Teaching（C,T,B）,58,多值依赖的另一个等价的形式化的定义：在R（U）的任一关系r中，如果存在元组t，s 使得tX=sX，那么就必然存在元组 w，

18、v r，（w，v可以与s，t相同），使得wX=vX=tX，而wY=tY，wZ=sZ，vY=sY，vZ=tZ（即交换s，t元组的Y值所得的两个新元组必在r中），则Y多值依赖于X，记为XY。这里，X，U的子集，Z=U-X-Y。,59,平凡多值依赖和非平凡的多值依赖,若XY，而Z，则称 XY为平凡的多值依赖否则称XY为非平凡的多值依赖,60,例10关系模式WSC（W，S，C）W表示仓库，S表示保管员，C表示商品 假设每个仓库有若干个保管员，有若干种商品 每个保管员保管所在的仓库的所有商品 每种商品被所有保管员保管,61,62,WS且WC,用下图表示这种对应,63,多值依赖的性质,（1）多值依赖具有对

19、称性若XY，则XZ，其中ZUXY（2）多值依赖具有传递性若XY，YZ，则XZ Y（3）函数依赖是多值依赖的特殊情况。若XY，则XY。（4）若XY，XZ，则XY Z。（5）若XY，XZ，则XYZ。（6）若XY，XZ，则XY-Z，XZ-Y。,64,多值依赖与函数依赖的区别,(1)多值依赖的有效性与属性集的范围有关(2)若函数依赖XY在R（U）上成立，则对于任何Y Y均有XY 成立多值依赖XY若在R(U)上成立，不能断言对于任何Y Y有XY 成立,65,4NF,关系模式R1NF，如果对于R的每个非平凡多值依赖XY（Y X），X都含有码，则R4NF。如果R 4NF，则R BCNF不允许有非平凡且非函数

20、依赖的多值依赖允许的非平凡多值依赖是函数依赖,66,例：Teaching(C,T,B)4NF 存在非平凡的多值依赖CT，且C不是码用投影分解法把Teaching分解为如下两个关系模式：CT(C,T)4NF CB(C,B)4NF CT，CB是平凡多值依赖,67,规范化小结,关系数据库的规范化理论是数据库逻辑设计的工具目的：尽量消除插入、删除一场，修改复杂，数据冗余基本思想：逐步消除数据依赖中不合适的部分实质：概念的单一化,68,关系模式规范化的基本步骤,1NF 消除非主属性对码的部分函数依赖消除决定属性 2NF集非码的非平 消除非主属性对码的传递函数依赖凡函数依赖 3NF 消除主属性对码的部分和

21、传递函数依赖 BCNF 消除非平凡且非函数依赖的多值依赖 4NF,69,不能说规范化程度越高的关系模式就越好在设计数据库模式结构时，必须对现实世界的实际情况和用户应用需求作进一步分析，确定一个合适的、能够反映现实世界的模式上面的规范化步骤可以在其中任何一步终止,70,关系数据理论,问题的提出规范化数据依赖的公理系统模式的分解小结,71,逻辑蕴含,对于满足一组函数依赖 F 的关系模式R，其任何一个关系r，若函数依赖XY都成立,（即r中任意两元组t，s，若tX=sX，则tY=sY），则称F逻辑蕴含X Y,72,Armstrong公理系统,关系模式R 有以下的推理规则：A1.自反律（Reflexiv

22、ity）：若Y X U，则X Y为F所蕴含。A2.增广律（Augmentation）：若XY为F所蕴含，且Z U，则XZYZ为F所蕴含。A3.传递律（Transitivity）：若XY及YZ为F所蕴含，则XZ为F所蕴含。,73,定理 Armstrong推理规则是正确的,（l）自反律:若Y X U，则X Y为F所蕴含 证:设Y X U 对R 的任一关系r中的任意两个元组t，s：若tX=sX，由于Y X，有ty=sy，所以XY成立，自反律得证,74,定理 Armstrong推理规则是正确的（续）,(2)增广律:若XY为F所蕴含，且Z U，则XZYZ 为F所蕴含。证：设XY为F所蕴含，且Z U。设R

23、 的任一关系r中任意的两个元组t，s：若tXZ=sXZ，则有tX=sX和tZ=sZ；由XY，于是有tY=sY，所以tYZ=sYZ，所以XZYZ为F所蕴含，增广律得证。,75,定理 Armstrong推理规则是正确的（续）,(3)传递律：若XY及YZ为F所蕴含，则 XZ为 F所蕴含。证：设XY及YZ为F所蕴含。对R 的任一关系 r中的任意两个元组 t，s：若tX=sX，由于XY，有 tY=sY；再由YZ，有tZ=sZ，所以XZ为F所蕴含，传递律得证。,76,导出规则,1.根据A1，A2，A3这三条推理规则可以得到下面三条推理规则：合并规则：由XY，XZ，有XYZ。（A2，A3）伪传递规则：由XY

24、，WYZ，有XWZ。（A2，A3）分解规则：由XY及 ZY，有XZ。（A1，A3）,77,导出规则,2.根据合并规则和分解规则，可得引理 引理 XA1 A2Ak成立的充分必要条件是XAi成立（i=l，2，k）,78,Armstrong公理系统的性质,Armstrong公理系统有效性：由F出发根据Armstrong公理推导出来的每一个函数依赖一定在F+中；完备性：F+中的每一个函数依赖，必定可以由F出发根据Armstrong公理推导出来,79,函数依赖闭包,在关系模式R中为F所逻辑蕴含的函数依赖的全体叫作 F的闭包，记为F+。设F为属性集U上的一组函数依赖，X U，XF+=A|XA能由F 根据A

25、rmstrong公理导出，XF+称为属性集X关于函数依赖集F 的闭包,80,F的闭包,F=XY,YZF+=X,Y,Z,XY,XZ,YZ,XYZ,XX,YY,ZZ,XYX,XZX,YZY,XYZX,XY,Y Z,XYY,XZY,YZZ,XYZY,XZ,YYZ,XYZ,XZZ,YZYZ,XYZZ,XXY,XYXY,XZXY,XYZXY,XXZ,XYYZ,XZXZ,XYZYZ,XYZ,XYXZ,XZXY,XYZXZ,XZYZ,XYXYZ,XZXYZ,XYZXYZ F=XA1,XAn的闭包F+计算是一个NP完全问题,81,关于闭包的引理,引理 设F为属性集U上的一组函数依赖，X，Y U，XY能 由F

26、根据Armstrong公理导出的充分必要条件是Y XF+用途 将判定XY是否能由F根据Armstrong公理导出的问题，转化为求出XF+、判定Y是否为XF+的子集的问题,82,求闭包的算法,求属性集X（X U）关于U上的函数依赖集F 的闭包XF+输入：X，F输出：XF+步骤：（1）令X（0）=X，i=0（2）求B，这里B=A|(V)(W)(VWFV X（i）A W)；（3）X（i+1）=BX（i）（4）判断X（i+1）=X（i）吗?（5）若相等或X（i）=U,则X（i）就是XF+,算法终止。（6）若否，则 i=i+l，返回第（2）步。,83,求闭包的算法的复杂度,对于算法6.1，令ai=|X（

27、i）|，ai 形成一个步长大于1的严格递增的序列，序列的上界是|U|，因此该算法最多|U|-|X|次循环就 会终止。,84,属性关于函数依赖的闭包,例1 已知关系模式R，其中U=A，B，C，D，E；F=ABC，BD，CE，ECB，ACB。求（AB）F+。解 设X（0）=AB；(1)X（1）=ABCD=ABCD。(2)X（0）X（1）X（2）=X（1）BE=ABCDE。(3)X（2）=U，算法终止（AB）F+=ABCDE。,85,Armstrong公理系统的有效性与完备性,定理 Armstrong公理系统是有效的、完备的 证明：1.有效性 可由正确性证明得证2.完备性只需证明逆否命题:若函数依赖

28、XY不能由F从Armstrong公理导出，那么它必然不为F所蕴含,86,Armstrong公理系统完备性证明,(1)引理:若VW成立，且V XF+，则W XF+(2)构造一张二维表r，它由下列两个元组构成，可以证明r必是R（U，F）的一个关系，即F+中的全部函数依赖在 r上成立。XF+U-XF+11.1 00.0 11.1 11.1(3)若XY 不能由F从Armstrong公理导出，则Y 不是XF+的子集。,87,88,函数依赖被逻辑蕴涵的判定,R（U，F），属性组X，YU。判定：XY F+？解决方案：1)X+F=?2)Y X+F?,89,例子,F=AB,B C，ABC F+？解:(AB)+F

29、=ABC，C(AB)+F AB C F+,90,给定F，计算关系模式的码,R=(U,F)计算U的幂集计算幂集中每一个元素在F上的闭包，若闭包等于U，则该元素是R的超码互相无包含关系的超码是R的码,91,计算关系模式的码 例,R(U,F)，U=SCG,F=（C，S）G（S：学号，C：课程号，G：学习成绩）C+F=C G+F=G S+F=S 应用自反律,92,计算关系模式的码 例,R(U,F)，U=SCG,F=（C，S）G（S：学号，C：课程号，G：学习成绩）SC+F=SCG SG+F=SGCG+F=CG 应用自反律与F,93,计算关系模式的码 例,R(U,F)，U=SCG,F=（C，S）G（S：

30、学号，C：课程号，G：学习成绩）SCG+F=SCG应用自反律超码 SCG，SC码SC,94,一些推论,若属性X仅出现在F的左部，则X必然是R每一个码的属性若属性X未在F中出现，则X必然是R每一个码的属性 若属性X只出现在F的右部，则X不是R的主属性,95,计算关系模式的码 例,婚姻（男方身份证号码，女方身份证号码，结婚日期，离婚日期）F=(男方身份证号码,结婚日期)女方身份证号码，(女方身份证号码,结婚日期)男方身份证号码,K=男方身份证号码,结婚日期K=女方身份证号码,结婚日期,96,计算关系模式的码 例,U=A,B,C,D,E F=ABD，A E，C B，D C R的码必定都含有属性AA+

31、F=AEB+F,C+F,D+F,E+F不必计算,97,计算关系模式的码 例,U=A,B,C,D,E F=ABD，A E，C B，D C(AB)+F=ABDABD(AB)+F=ABDC D C(AB)+F=ABDCE A E,98,计算关系模式的码 例,U=A,B,C,D,E F=ABD，A E，C B，D C(AC)+F=ACEB A E，C B(AC)+F=ACEBD AB D,99,计算关系模式的码 例,U=A,B,C,D,E F=ABD，A E，C B，D C(AD)+F=ADEC A E，D C(AD)+F=ADECB C B,K=A,B=A,C=A,D想一想为什么其余的幂集元素不必计

32、算？,函数依赖集的等价,定义 如果G+=F+，就说函数依赖集F覆盖G（F是G的覆盖，或G是F的覆盖），或F与G等价。引理 F+=G+的充分必要条件是F G+，和G F+证:必要性显然，只证充分性。（1）若FG+，则XF+XG+。（2）任取XYF+则有 Y XF+XG+。所以XY(G+）+=G+。即F+G+。（3）同理可证G+F+，所以F+=G+。,100,最小函数依赖集,定义 如果函数依赖集F满足下列条件，则称F为一个极小函数依赖集。亦称为最小依赖集或最小覆盖。(1)F中任一函数依赖的右部仅含有一个属性。(2)F中不存在这样的函数依赖XA，使得F与F-XA等价。(3)F中不存在这样的函数依赖X

33、A，X有真子集Z使得F-XAZA与F等价。,101,例2 关系模式S，其中：U=Sno，Sdept，Mname，Cno，Grade，F=SnoSdept，SdeptMname，(Sno，Cno)Grade 设F=SnoSdept，SnoMname，SdeptMname，(Sno，Cno)Grade，(Sno，Sdept)SdeptF是最小覆盖，而F不是。因为：F-SnoMname与F 等价 F-(Sno，Sdept)Sdept也与F 等价,102,最小化过程,定理 每一个函数依赖集F均等价于一个最小函数依赖集Fm。此Fm称为F的最小依赖集。证明:构造性证明，找出F的一个最小依赖集。,103,极

34、小化过程（续）,(1)逐一检查F中各函数依赖FDi：XY，若Y=A1A2 Ak，k 2，则用 XAj|j=1，2，k 来取代XY。(2)逐一检查F中各函数依赖FDi：XA，令G=F-XA，若AXG+，则从F中去掉此函数依赖。(3)逐一取出F中各函数依赖FDi：XA，设X=B1B2Bm，逐一考查Bi（i=l，2，m），若A（X-Bi）F+，则以X-Bi 取代X。,104,例3 F=AB，BA，BC，AC，CAFm1、Fm2都是F的最小依赖集：Fm1=AB，BC，CA Fm2=AB，BA，AC，CA F的最小依赖集Fm不唯一极小化过程(定理的证明)也是检验F是否为极小依赖集的一个算法,105,10

35、6,作业 计算关系模式的码,U=A,B,C,D,E F=BCD，A E，C B，D C,107,作业 计算关系模式的码,U=A,B,C,D F=A BC，C D，D A,108,作业 计算关系模式的码,U=A,B,C,D F=A B，A C，A D,CD A,关系数据理论,问题的提出规范化数据依赖的公理系统模式的分解小结,109,模式的分解,把低一级的关系模式分解为若干个高一级的关系模式的方法不是唯一的只有能够保证分解后的关系模式与原关系模式等价，分解方法才有意义,110,关系模式分解的标准,三种模式分解等价的定义：分解具有无损连接性 分解要保持函数依赖 分解既要保持函数依赖，又要具有无损连接

36、性,111,定义 关系模式R的一个分解：=R1，R2，Rn U=Ui，且不存在 Ui Uj，Fi 为 F在 Ui 上的投影定义 函数依赖集合XY|XY F+XY Ui 的一个覆盖 Fi 叫作 F 在属性 Ui 上的投影,i=1,n,112,例：S-L（Sno，Sdept，Sloc）F=SnoSdept,SdeptSloc,SnoSloc S-L2NF 分解方法可以有多种：1.S-L分解为三个关系模式：SN(Sno)SD(Sdept)SO(Sloc)2.SL分解为下面二个关系模式：NL(Sno,Sloc)DL(Sdept,Sloc)3.将SL分解为下面二个关系模式：ND(Sno,Sdept)NL

37、(Sno,Sloc),113,具有无损连接性的模式分解,关系模式R的一个分解=R1，R2，Rn 若R与R1、R2、Rn自然连接的结果相等，则称关系模式R的这个分解具有无损连接性（Lossless join）具有无损连接性的分解保证不丢失信息无损连接性不一定能解决插入异常、删除异常、修改复杂、数据冗余等问题,114,S-L的分解（续）,第3种分解方法具有无损连接性 问题:这种分解方法没有保持原关系中的函数依赖SL中的函数依赖SdeptSloc没有投影到关系模式ND、NL上,115,保持函数依赖的模式分解,设关系模式R被分解为若干个关系模式R1，R2，Rn（其中U=U1U2Un，且不存在Ui Uj

38、，Fi为F在Ui上的投影），若F所逻辑蕴含的函数依赖一定也由分解得到的某个关系模式中的函数依赖Fi所逻辑蕴含，则称关系模式R的这个分解是保持函数依赖的（Preserve dependency）,116,117,分解保持函数依赖性的判定,计算G=ki=1 Fi若 FG+，则是保持函数依赖性的,118,例子,R（U，F），U=A，B，C，D，F=AB，BC，CD，DA，=R1(A,B,C)，R2(C,D)。是否保持函数依赖？,119,F1=AB,BC,CA F2=CD,DC,G=(F1F2)+=AB,BC,CA,CD,DC,对于DAFD+G=ABCD A D+G 即DAG+对于AB,BC和CD，它

39、们显然属于G+故对R的分解是保持函数依赖性的,S-L的分解（续）,4.将SL分解为下面二个关系模式：ND(Sno,Sdept)DL(Sdept,Sloc)这种分解方法就保持了函数依赖,120,模式的分解,如果一个分解具有无损连接性，则它能够保证不丢失信息如果一个分解保持了函数依赖，则它可以减轻或解决各种异常情况分解具有无损连接性和分解保持函数依赖是两个互相独立的标准。具有无损连接性的分解不一定能够保持函数依赖；同样，保持函数依赖的分解也不一定具有无损连接性。,121,S-L的分解（续）,第1种分解方法既不具有无损连接性，也未保持函数依赖，它不是原关系模式的一个等价分解第2种分解方法保持了函数依

40、赖，但不具有无损连接性第3种分解方法具有无损连接性，但未持函数依赖第4种分解方法既具有无损连接性，又保持了函数依赖,122,分解算法,算法 判别一个分解的无损连接性算法（合成法）转换为3NF的保持函数依赖的分解。算法 转换为3NF既有无损连接性又保持函数依赖的分解算法（分解法）转换为BCNF的无损连接分解算法 达到4NF的具有无损连接性的分解,123,124,判断一个分解具有无损连接性的算法,算法的输入：关系模式R(A1,A2,An),R上的函数依赖集F,R的一个分解=R1,R2,Rn,算法的输出：true 或 false,125,算法 LOSSLESSTEST(R,F,),构造一个k行n列的

41、二维表T，第i行对应于关系模式Ri，第j列对应于属性Aj，令,Tij=,aj 若AjRi,Bij 若AjRi,126,c1:=true,do while c1 c1:=false;for 每一个XYF do for 每一对ti,tk T do if tiX=tkX and tiYtkY then EQUY(ti,tk);c1=true;,for 任一个tT do if t=a1a2.an then return(true),return(false),127,EQUY(ti,tk)是使ti,tk两个元组的Y值相等的子处理过程，处理原则如下：,若tiY与tkY 有一个为aj 则将另一个也改为aj

42、,否则，tkY=tiY 假定ik,128,例：关系模式 R(A,B,C,D,E)F=AC,BC,CD,DEC,CEA 分解为=R1(A,D)，R2(A,B)，R3(B,E),R4(C,D,E),R5(A,E),用上述算法 判断是否具有无损连接性,129,构造二维表,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,b23,R4,R5,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b13,b33,b53,b12,b15,b24,b25,b34,b31,b54,b52,b42,b41,130,由AC,做的修改,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,b23,R4,R5

43、,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b13,b33,b53,b12,b15,b24,b25,b34,b31,b54,b52,b42,b41,b13,b13,131,由BC,做的修改,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,b13,R4,R5,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b13,b33,b13,b12,b15,b24,b25,b34,b31,b54,b52,b42,b41,b13,132,由CD做的修改,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,b13,R4,R5,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b13,b13,b13,b

44、12,b15,b24,b25,b34,b31,b54,b52,b42,b41,a4,a4,a4,133,由DEC做的修改,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,b13,R4,R5,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b13,b13,b13,b12,b15,a4,b25,a4,b31,a4,b52,b42,b41,a3,a3,134,由CEA做的修改,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,b13,R4,R5,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b13,a3,a3,b12,b15,a4,b25,a4,b31,a4,b52,b42,b41,

45、a1,a1,135,结果二维表,A B C D E,R1,R2,R3,a1,a3,a2,a1,R4,R5,a5,a4,a2,a4,a1,a5,a5,b12,b15,b25,b52,b42,a3,a3,a1,a1,a4,a4,a4,算法输出true 是无损的,b13,b13,136,定理：关系模式R(U)，分解为=R(U1),R(U2),是无损连接的当且仅当,U1U2 U1-U2 或U1 U2 U2-U1,137,算法2 保持函数依赖的分解,R=(U,F)计算F的最小依赖集Fm若Fm中仅有一个函数依赖XY，且XY=U，则=R(U,Fm),并结束算法把U中与Fm的所有函数依赖的左部和右部都无关的属

46、性，从U中分离出去，并使它们构成一个关系模式R0令：此时Fm剩余的属性构成属性集U,138,算法2 保持函数依赖的分解 续,按照Fm中各函数依赖的左部属性，把Fm划分为F1，Fk，使得每个Fi（i=1，2，k）的所有函数依赖的左部都相同。根据Fi所包含的属性构造Ui。并由此构造关系模式Ri(Ui,Fi)。于是，可得R的一个分解=R0，R1，Rk，且有 ki=1 Ui=U对于1i,jk(ij),若Ui Uj,则把Ri合并到Rj,139,求R的保持函数依赖分解,关系模式R（Eno，Ename,Es，Eg）F=Eno(Ename,Es，Eg)，EnameEno,EsEg 1)求F的最小函数依赖集Fm

47、,140,1)求F的最小函数依赖集Fm,F中同时存在 EnoEs 和 EsEg，EnoEg是F中多余的函数依赖。故Fm=EnoEname，EnoEs，EnameEno,EsEg,141,2)按照Fm 中不同的决定因素，创建子模式,U1=Eno，Ename,Es，F1=Eno(Ename,Es)U2=Es，Eg，F2=EsEg U3=Ename，Eno，F3=EnameEno=R1(U1，F1)，R2(U2，F2),R3(U3，F3),142,3)合并有包含关系的属性集,U3 U1 把R3“并入”R1得到：=R1(U1，F1)，R2(U2，F2)U1=Eno，Ename,Es，F1=Eno(En

48、ame,Es)，EnameEno U2=Es，Eg，F2=EsEg,转换为3NF既有无损连接性又保持函数依赖的分解,143,144,作业,习题判断属于哪级范式不是BCNF的，进行保持函数依赖分解，然后判断属于哪级范式,145,无损连接分解的充要条件,R(U，F)=R1(U1，F1)，R2(U2，F2)无损连接分解的充要条件：(U1U2)(U1-U2)F+,或者(U1 U2)(U2-U1)F+,146,无损连接分解到BCNF的算法,R(U，F)初始，令=R(U，F),147,无损连接分解到BCNF的算法,重复以下步骤，直到的所有关系模式都属于 BCNF找出中不是BCNF的关系模式。不妨假设它就是

49、Ri(Ui，Fi)。其中必有：XYFi，而X不含Ri的码。计算：X+Fi，并令：A=X+Fi X把Ri分解成为子模式Ri1和Ri2，其中：URi1=XA，URi2=Ui A。计算Fi在Ri1和Ri2的投影，以及Ri1和Ri2的码。,148,无损连接分解到BCNF的例子,R（U，F）U=C，T，H，R，S，G F=CSG，CT，HRC，HSR，THRKEY=HS,149,U=CGHRST F=CSG，CT HRC，HSRTHR KEY=HS,计算:(CS)F+=CSGT,计算:(C)F1+=CT,计算:(CH)F2+=CHR,KEY=CS,KEY=HS,F2=CHR，HRC,HSC，HSR,F1

50、=CT,CSG,150,CSGTF1=CT,CSG KEY=CS,CHRSF2=CHR，HRC,HSC，HSRKEY=HS,BCNF,BCNF,BCNF,BCNF,注：失去函数依赖THR。,KEY=C,KEY=CS,KEY=CH/HR,KEY=HS,(C)F1+=CT,(CH)F2+=CHR,151,达到4NF的无损连接分解,把R保持无损连接分解为BCNF某个子模式Ri中必存在非平凡的非函数依赖的多值依赖 XY，且有：Ui=X，Y，Z，Z=Ui X Y 对Ri进行分解，使之成为：Ri(X，Y)和 Ri(X，Z),152,作业,习题要求无损连接分解到4NF写清步骤,关系数据理论,问题的提出规范化