《数据库系统及应用教程》第2章：关系数据库

第2章 关系数据库,（时间：2次课，4学时）,第2章 关系数据库,教学提示：本章主要介绍关系模型的基本概念，包括关系的概念和性质；关系模型的体系结构；关系的完整性规则；关系代数的基本操作；关系数据库的规范化理论。 教学目标：了解关系模型的基本概念；掌握关系模式、关系子模式及存储模式的体系结构；掌握实体完整性、参照完整性及用户自定义完整性的含义；掌握关系的交、并、差、笛卡尔积、除及选择、投影、联接等关系操作；掌握范式的概念及关系模式的规范化方法。,第2章 关系数据库,2.1 关系模型的基本概念 2.2 关系代数 2.3 关系规范化 2.4 习题,2.1 关系模型的基本概念,2.1.1 关系模型的基本术语 2.1.2 关系的定义和性质 2.1.3 关系模型的三要素,2.1.1 关系模型的基本术语,1. 关系 2. 属性及值域 3. 关系模式 4. 元组 5. 键 6. 主属性与非主属性 7. 外键、参照关系与依赖关系,2.1.2 关系的定义和性质,关系定义： 关系是一个元数为K(K1)的元组的集合。即把关系看成是一个集合，集合中的元素是元组，每个元组的属性个数应相同。 尽管关系模型的数据结构表示为二维表，但不是任意的一个二维表都能表示一个关系。严格地说，关系是一种规范化了的二维表格。,2.1.2 关系的定义和性质,在关系模型中，对关系作了下列规范性限制： (1) 关系中的每一个属性值是不可分解的。也就是说，要求关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项，即表中不能含有表。这是关系数据库对关系的最基本的限制。 (2) 每一个关系模式中属性的数据类型以及属性的个数是固定的，并且每个属性必须命名，在同一个关系模式中，属性名必须是不同的。 (3) 每一个关系仅有一种关系模式。 (4) 在关系中元组的顺序是无关紧要的，即没有行序。 (5) 在关系中属性的顺序可任意交换，交换是应连同属性名一起交换，即没有列序。 (6) 在同一个关系中不允许出现完全相同的元组。,2.1.3 关系模型的三要素,关系模型是由三部分组成： 数据结构 关系操作 关系的完整性规则,2.1.3.1 数据结构,关系模型中所选用的数据结构为集合论中的关系，即用关系来描述实体集，同时也用关系来描述实体之间的关系。 关系模型已经成为数据库系统普遍选用的模型，其理由之一便是数据结构的简洁性和通俗性，同时又有坚实的数学理论为基础。,2.1.3.2 关系操作,关系操作能力的表达有两种不同的方法： (1) 代数方法，也称为关系代数。它是以集合操作为基础，应用对关系的专门运算来表达查询的要求。 (2) 逻辑方法，也称为关系演算。它是以谓词演算为基础，通过元组必须满足的谓词公式来表达查询要求。,2.1.3.3 关系模型的三类完整性规则,三类完整性规则： 1. 实体完整性，实体完整性规则是对关系中的主属性值的约束，即，设属性A是关系R的主属性，则属性A不能取空值。 2. 参照完整性，参照完整性规则是用于约束外键的，即，若F是关系R中对应关系S的外键，则对于R中每个元组在F上的值必须为以下值： (1) 或者取空值(F的每个属性值均为空)。 (2) 或者等于S中某个元组的主键值。 3. 用户定义的完整性，约束条件是对数据在语义范畴的描述，由具体应用环境来决定，这就是用户定义的完整性。,2.2 关系代数,2.2.1 传统的集合运算 2.2.2 专门的关系运算 2.2.3 关系代数表达式及其应用实例,2.2.1 传统的集合运算,1. 并(Union),2. 差(Difference),2.2.1 传统的集合运算,3. 交(Intersection),4. 广义笛卡尔积(Cartesian Product),图2.2 集合关系运算举例,2.2.2 专门的关系运算,专门的关系运算主要包括： 对单个关系进行水平分割(选择操作) 垂直分割(投影操作) 对多个关系的结合(连接操作),2.2.2.1 选择(Selection),2.2.2.2 投影(Projection),2.2.2.2 投影(Projection),图2.3 选择和投影关系运算举例,2.2.2.3 连接(Join),2.2.2.3 连接(Join),2.2.2.3 连接(Join),2.2.2.4 除法(Division),2.2.2.4 除法(Division),【例2.4】图2.5中(a)和(b)是两个关系R和S，(c)表示其除法运算。,图2.5 除法运算举例,2.2.3 关系代数表达式及其应用实例,【例2.5】设教学数据库中有三个关系： 学生关系(学号，姓名，性别，年龄，所在系，专业) 课程关系(课程号，课程名，学时数) 选课关系(学号，课程号，成绩) 要求用关系代数表达式表达每个查询语句。,2.2.3 关系代数表达式及其应用实例,(1) 检索学习课程号为C201的学生的学号与成绩： 学号，成绩(课程号=C201(选课) (2) 检索学习课程号为C142的学生的学号与姓名： 学号，姓名(课程号=C142(学生选课) (3) 检索学习课程名为应用数学的学生的学号与姓名。 学号，姓名(课程名=应用数学(学生选课课程),2.3 关系规范化,2.3.1 关系模式的设计问题 2.3.2 函数依赖 2.3.3 关系模式的范式与规范化,2.3.1 关系模式的设计问题,【例2.6】有商品供应关系模式SUPPLY=SNO，SNAME，SCITY，CODE，PNO，PNAME，WEIGHT，QTY。,表2.1 商品供应关系模式SUPPLY的实例,2.3.1 关系模式的设计问题,表2.2 关系模式SUPPLY的分解实例,2.3.1 关系模式的设计问题,表2.2 关系模式SUPPLY的分解实例,2.3.2 函数依赖,注意： 设R(U)是属性集U上的关系模式，X，Y是U的子集，若对于R(U)的任意个可能的关系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函数决定Y”或“Y函数依赖于X”，称X为决定因素，Y为依赖因素。 函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系满足的约束条件，而是指R的一切关系均要满足的约束条件。因此不能仅考察关系模式R在某一时刻的关系r，就判定某函数依赖是否成立。,2.3.3 关系模式的范式与规范化,关系数据库的关系模式是要满足一定要求的，满足不同程度的要求关系模式称为范式(Normal Form)。满足最低要求关系模式的称为第一范式，简称lNF。第一范式中进一步满足一些要求的关系模式称为第二范式，其余以此类推。 范式的研究者主要是E. F. Codd，他提出了规范化的问题，并给出了范式的概念。19711972年，他系统地提出了1NF、2NF和3NF的概念。后来，人们又进一步讨论了规范化的问题。1974年，Codd和Boyce共同提出一个新的范式概念，即BCNF。1976年，Fagin又提出了4NF。,2.3.3 关系模式的范式与规范化,图2.6 各种范式之间的关系,2.3.3 关系模式的范式与规范化,第一范式： 设R是一个关系模式，如果R中每一个属性的值域中的每一个值都是不可分解的，则称R属于第一范式，简称1NF。 【例2.7】关系Study(学号，课程)给出了学生选修课程的记录：,2.3.3 关系模式的范式与规范化,关系Study对应的1NF形式是：,2.3.3 关系模式的范式与规范化,1.2. 第二范式 2NF消除了在1NF中的部分函数依赖。 【例2.8】对于如例2.6所示的商品供应关系模式SUPPLY，满足函数依赖的集F为： SNOSNAME，SCITY SCITYCODE PNOPNAME，WEIGHT (SNO，PNO)QTY,2.3.3 关系模式的范式与规范化,1.3. 第三范式 设R是一个关系模式，如果R属于2NF，且它的任何一个非主属性都不传递依赖于R的任一候选键，则称R是第三范式，简称3NF。 3NF就是不允许关系模式的属性之间有这样的非平凡函数依赖XY，其中X不包含候选键，Y是非主属性。X不包含候选键有两种情况：一种情况是X是候选键的真子集，这是2NF不允许的；另一种情况是X不是候选键的真子集，这是3NF不允许的。,2.3.3 关系模式的范式与规范化,图2.7 从1NF规范化到3NF的过程,2.4 习 题,2.4.1 填空题 2.4.2 选择题 2.4.3 简答题,2.4.1 填空题,(1) 在关系模型中现实世界的实体以及实体间的各种关系均用_表示，关系模型中数据的逻辑结构是一张_。 (2) 在对关系数据库执行_、_和_操作时要检查是否满足完整性规则。 (3) 在关系代数运算中，连接运算是笛卡尔积的_。 (4) 包含在任何一个候选码中的属性叫做_，不包含在任何候选码中的属性叫做_。 (5) 若关系模式R2NF，且每一个非主属性都不传递依赖于码，称为_。,2.4.2 选择题,(1) 关系数据模型通常由3部分组成，它们是( )。 A. 数据结构、数据通信、关系操作 B. 数据结构、关系操作、完整性约束 C. 数据通信、关系操作、完整性约束 D. 数据结构、数据通信、完整性约束 (2) 由数据库系统自动支持的完整性规则有( )。 A. 用户自定义完整性 B. 参照完整性和实体完整性 C. 参照完整性 D. 实体完整性、参照完整性和用户自定义完整性 (3) 关系代数的运算对象和结果均为( )。 A. 关系 B. 数据库 C. 表 D. 记录,2.4.2 选择题,(4) 在设计不好的关系模式中，存在的存储异常情况指( )。 A. 删除异常 B. 插入异常 C. 插入异常、数据冗余、删除异常、更新异常 D. 查询异常 (5) 设R是一个关系模式，如果R中的每一个属性值都是不可分解的，则( )。 A. R1NF B. R2NF C. R3NF D. R4NF,2.4.3 简答题,(1) 试述什么是关系模型的外键，它有什么作用