计算机科学与技术方法论3

1、 抽象抽象理论理论设计（三种形态）：计算学科中的基设计（三种形态）：计算学科中的基本内容，基本概念；同时反映了人们的认识是从感性认本内容，基本概念；同时反映了人们的认识是从感性认识（抽象）到理性认识（理论），再由理性认识（理论识（抽象）到理性认识（理论），再由理性认识（理论）回到实践（设计）中来的一般科学思维方法）回到实践（设计）中来的一般科学思维方法一般科学技术方法论中有关抽象形态的论述一般科学技术方法论中有关抽象形态的论述o 科学抽象是指在思维中对同类事物去除其现象的、次要的方面，抽取其共同的、主要共同的、主要的方面，从而做到从个别个别中把握一般一般，从现象现象中把握本质本质的认知过程和思

2、维方法。o 是科学认识由感性认识到理性认识飞跃的决定性环节o 计算作为一门学科报告认为：抽象源于实验科学、源于现实世界（建立对客观事物进行抽象描述的方法，建立概念模型）。o 包括以下4个步骤：（1）形成假设；（2）建造模型并作出预测；（3）设计实验并收集数据；（4）对结果进行分析。 o 抽象过程的目的-建立概念模型o 例：封建社会形成框架-天地君亲师。o 资本主义社会阶级斗争(资产阶级、无产阶级)。o 大学层次模型 （ 学校 院 系 组）一般科学技术方法论中有关理论形态的论述一般科学技术方法论中有关理论形态的论述o 科学认识由感性阶段上升为理性阶段，就形成了科学理论科学理论。科学理论是经过实践

3、检验的系统化了的科学知识体系科学知识体系，它是由科学概念、科学概念、科学原理以及对这些概念、原理的理论论证科学原理以及对这些概念、原理的理论论证所组成的体系所组成的体系。o 理论源于数学数学，是从抽象到抽象的升华抽象到抽象的升华，它们已经完全脱离现实事物，不受现实事物的限制，具有精确的、优美的特征，因而更能更能把握事物的本质把握事物的本质。 o 在计算学科中，源于数学（建立理论体系，建立数学模型）。o 包括以下4个步骤：（1）表述研究对象的特征（定义和公理）；（2）假设对象之间的基本性质和对象之间可能存在的关系（定理）；（3）确定这些关系是否为真（证明）；（4）结论。 o 例：封建社会形成框架

4、-天地君亲师，上升到理论-法则（约束）-天人合一，男女收授不亲等o 资本主义社会以私营经济为主，资产阶级政党掌权，或实行资本主义的民主政治制度。 一、生产力高度发展，社会富裕，鼓励自由的市场经济，政府对经济的干预尽量少。二，商品生产发展到很高的阶段，成为社会生产普遍的和统治的形式，劳动力变成了商品。 三，资本家占有生产资料，用雇佣劳动的方式剥削工人阶级，生产的目的是创造利润。四，以使用机器的大生产为特征，生产社会化同资本主义的私人占有之间的矛盾构成资本主义社会的基本矛盾。o 大学培养学生， 上下级管理。一般科学技术方法论中有关设计形态的论述一般科学技术方法论中有关设计形态的论述o 设计源于工程

5、，并用于系统或设备的开发，以实现给定的任务。o 设计必须以对自然规律的认识为前提。设计必须创造出相应的人工系统和人工条件，还必须认识自然规律在这些人工系统中和人工条件下的具体表现形式.o 设计形态的主要特征与抽象、理论两个形态的主要区别： 设计形态具有较强的实践性、社会性、综合性。o 源于工程（完成一个具体任务，总结与升华）源于工程（完成一个具体任务，总结与升华）o 包括以下4个步骤：（1）需求分析；（2）建立规格说明；（3）设计并实现该系统；（4）对系统进行测试与分析。 一般科学技术方法论中有关一般科学技术方法论中有关3个学科形态内在联系的简要论述个学科形态内在联系的简要论述o 在计算机科学

6、与技术方法论的原始命题中，蕴含着人类认识过程的两次飞跃，第一次飞跃是从物质到精神，从实践到认识的飞跃。这次飞跃包括两个决定性的环节：一个是科学抽象，另一个是科学理论。o 第二次飞跃是从精神到物质，从认识到实践的飞跃。这次飞跃的实质对技术学科（计算学科就是一门技术学科）而言，其实就是要在理论的指导下，以抽象的成果为工具来完成各种设计工作。 3个学科形态的内在联系个学科形态的内在联系 o 抽象源于现实世界。建立对客观事物进行抽象描述的方法，建立具体问题的概念模型，实现对客观世界的感性认识。 o 理论源于数学。建立完整的理论体系，建立具体问题的数学模型，从而实现对客观世界的理性认识。o 设计源于工程

7、 。对客观世界的感性认识和理性认识的基础上，完成一个具体的任务；对工程设计中所遇到的问题进行总结，提出问题，由理论界去解决它。4、各领域中三个形态的主要内容、各领域中三个形态的主要内容 （p54-p59）二、例子二、例子1 信息系统（数据库）三种形信息系统（数据库）三种形 态实例态实例 （p44-p48）1、问题：实体：学生与课程，联系：多对多，要、问题：实体：学生与课程，联系：多对多，要 建立一个信息管理系统。建立一个信息管理系统。o 信息管理系统涉及的软件：信息管理系统涉及的软件： 应用软件应用软件 中间件及工具软件中间件及工具软件 数据库管理系统数据库管理系统 dbms (databas

8、e management system) 操作系统（操作系统（operating system，os）高低语言 实体：客观存在并可相互区别的事物实体：客观存在并可相互区别的事物 实体集实体集 属性：实体所具有的某一方面的特性属性：实体所具有的某一方面的特性 关键字（码）：能唯一标识实体的属性集关键字（码）：能唯一标识实体的属性集 联系：不同实体集之间的联系联系：不同实体集之间的联系 1:1， 1:n， n:m2、抽象形态、抽象形态建模建模（1）实体（）实体（entity）、属性（）、属性（atribute）、关键字（）、关键字（key） 与联系（与联系（relationship）联系联系o 联

9、系：不同实体集之间的联系联系：不同实体集之间的联系o 1:1（一对一）对于实体集（一对一）对于实体集e1 和和e2，如果如果e1 和和e2中每一个中每一个实体至多与另一个实体集中的一个实体有联系。实体至多与另一个实体集中的一个实体有联系。n 例：例： 省省省长，国家省长，国家国旗，学生国旗，学生学号学号身份证（约身份证（约束条件）。束条件）。o 1:n （一对多）对于实体集（一对多）对于实体集e1 和和e2，如果如果e1 中至少有一个中至少有一个实体与实体与e2中的多个实体有联系，且中的多个实体有联系，且e2 中每一个实体至多与中每一个实体至多与与与e1中的一个实体有联系。中的一个实体有联系。

10、n 例：例： 班主任班主任学生，经理学生，经理员工（约束条件）。员工（约束条件）。o n:m （多对多）对于实体集（多对多）对于实体集e1 和和e2，如果如果e1 中至少有一中至少有一个实体与个实体与e2中的多个实体有联系，且中的多个实体有联系，且e2 中至少有一个实体中至少有一个实体与与e1中的多个实体有联系。中的多个实体有联系。n 例：例： 老师老师学生，学生学生，学生社团，学生社团，学生课程。课程。 三种图元素：实体三种图元素：实体(矩形矩形)、属性、属性(椭圆椭圆)、联系、联系(菱形菱形) p45 图图3.1 学生选课学生选课e-r图图（2）e-r模型模型图3.1 学生选课e-r图 学

11、 生 课 程 选 修 课 程 号 课 程 名 成 绩 学 号 姓 名 年 龄 性 别 n m 学生选课e-r图扩展实体集与实体集之间的实体集与实体集之间的联系，同时要便于计算机实现。联系，同时要便于计算机实现。 实体及实体之间的联系均用关系（二维表）表示实体及实体之间的联系均用关系（二维表）表示 笛卡尔积：设笛卡尔积：设d1，d2，dn为任意集合，定义为任意集合，定义 d1，d2，dn笛卡尔积为：笛卡尔积为：d1 d2 dn = (d1, d2, , dn)|di di, i=1, , n 关系：笛卡尔积关系：笛卡尔积d1 d2 dn的任意一个子集，称为的任意一个子集，称为 d1，d2，dn上

12、的一个上的一个n元关系元关系 关系模式：二维表的表框架，关系模式：二维表的表框架，r = u：关系中所有属性的集合：关系中所有属性的集合 f：属性集合：属性集合u上的一组函数依赖上的一组函数依赖（3）关系模型）关系模型关系模式设计的问题例：描述学校的数据库：教务管理系统，需要存储下列信息 学号，姓名， 系名，系主任名，课名， 成绩 sno, sname, sdept, mname, cname, grade设计一个关系模式：s=sno, sname, sdept, mname, cname, grade关系模式设计的问题学校数据库的语义： 一个系有若干学生， 一个学生只属于一个系； 一个系只有

13、一名主任； 一个学生可以选修多门课程， 每门课程有若干学生选修； 每个学生所学的每门课程都有一个成绩。 s=sno, sname, sdept, mname, cname, grade学号系别系主任课程名成绩01001电子系张三c+语言9501001电子系张三密码学9001001电子系张三数字信号处理8501002电子系张三c+语言9401002电子系张三密码学9001002电子系张三数字信号处理8801003计科系李四c+语言9201003计科系李四操作系统9101003计科系李四编译原理9001004数学系王五数学分析963、理论形态、理论形态规范化理论规范化理论 定义：设有关系模式定义：

14、设有关系模式r（a1, a2, , an），），x和和y均为均为 a1, a2, , an的子集，的子集，r是是r的任一具体关系（的任一具体关系（r-型，型， r-值）。如果值）。如果r的所有关系的所有关系r都存在着：对于都存在着：对于x的每一的每一 个具体值，都有个具体值，都有y唯一的具体值与之对应，则称唯一的具体值与之对应，则称x函数函数 决定决定y，或，或y函数依赖于函数依赖于x。记为。记为x y（1）函数依赖：属性间的关系）函数依赖：属性间的关系 函数依赖判别简法：设有属性集函数依赖判别简法：设有属性集x、y及关系模式及关系模式r 如果如果x、y之间是之间是“1:1”关系，则关系，则

15、xy yx 例：国家例：国家 国旗国旗 ， 国旗国旗 国家国家 如果如果x、y之间是之间是“n:1”关系，则关系，则 xy 例：员工例：员工 经理，反之则不行。经理，反之则不行。 如果如果x、y之间是之间是“n:m”关系，则关系，则 x、y之间不存在函数依赖之间不存在函数依赖属性组s上的一组函数依赖f： f sno sdept, sdept mname, (sno, cname) grade snocnamesdeptmnamegrades=sno, sname, sdept, mname, cname, gradeo 数据冗余太大数据冗余太大n浪费大量的存储空间浪费大量的存储空间o 例：每一

16、个系主任的姓名重复出现例：每一个系主任的姓名重复出现o 更新异常（更新异常（update anomalies）n数据冗余数据冗余 ，更新数据时，维护数据完整性代价大。更新数据时，维护数据完整性代价大。o例：某系更换系主任后，系统必须修改与该系学生有关的每一个元例：某系更换系主任后，系统必须修改与该系学生有关的每一个元组组o3.插入异常（插入异常（insertion anomalies）n该插的数据插不进去该插的数据插不进去o 例，如果一个系刚成立，尚无学生，我们就无法把这个系及其系主任例，如果一个系刚成立，尚无学生，我们就无法把这个系及其系主任的信息存入数据库。的信息存入数据库。o 删除异常（

17、删除异常（deletion anomalies）n不该删除的数据不得不删不该删除的数据不得不删o例，如果某个系的学生全部毕业了，例，如果某个系的学生全部毕业了， 我们在删除该系学生信息的同我们在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。s=sno, sname, sdept, mname, cname, grade 插入异常插入异常 删除异常删除异常 冗余太大冗余太大（2）感性认识中存在的问题）感性认识中存在的问题 1nf（1 normal form）:每个属性值都是不可再分的每个属性值都是不可再分的 最小单元最小单元 2nf：若：若r 1

18、nf，且每一非主属性不存在对关键字的，且每一非主属性不存在对关键字的 部分依赖，则部分依赖，则r 2nf。 部分依赖：设部分依赖：设r中中xy，yx ，如果存在如果存在x的真的真 子集子集x1y成立，则称成立，则称y部分依赖于部分依赖于x，否则称，否则称y完完 全函数依赖于全函数依赖于x。（3）规范化理论）规范化理论 3nf：若：若r 2nf，且每一非主属性不存在对关键字，且每一非主属性不存在对关键字 的传递依赖，则的传递依赖，则r 3nf。 传递依赖：对传递依赖：对r，x、y、z均为均为r的属性子集，如果的属性子集，如果 xy，yz，则称则称z传递依赖于传递依赖于x。规范化理论规范化理论 结

19、论：从感性认识（抽象）而来的关系模式，必须结论：从感性认识（抽象）而来的关系模式，必须 用规范化（理论）方法，使之在用规范化（理论）方法，使之在3nf以上。以上。结论：从感性认识（抽象）而来的关系模式，必须结论：从感性认识（抽象）而来的关系模式，必须 用规范化（理论）方法，使之在用规范化（理论）方法，使之在3nf以上。以上。4、设计形态、设计形态依赖具体的依赖具体的dbms进行定义与应用进行定义与应用 （sql语句）语句）o 依赖具体的依赖具体的dbms进行定义与应用进行定义与应用 （sql语句）语句）47页页。o 广泛应用于各种大型数据库，如广泛应用于各种大型数据库，如sybase、info

20、rmix、 oracle、db2、ingres等，也用于各种小型数据库，等，也用于各种小型数据库，如如foxpro、access。关系课程c：课程号: char 4; 课程名称: char 10 非空；任课教师姓名: char 8; 主关键字: 课程号select从数据库中检索行，并允许从一个或多个表中选择一个或多个行或列。虽然 select 语句的完整语法较复杂，但是其主要的子句可归纳如下：select select_list into new_table from table_source where search_condition group by group_by_expressio

21、n having search_condition order by order_expression asc | desc 行条件子句分组子句组条件子句排序子句n查询的结果是仍是一个表。nselect语句的执行过程是: 根据where子句的检索条件，从from子句指定的基本表或视图中选取满足条件的元组，再按照select子句中指定的列，投影得到结果表。 如果有group子句，则将查询结果按照相同的值进行分组。 如果group子句后有having短语，则只输出满足having条件的元组。 如果有order子句，查询结果还要按照的值进行排序。 4 from子句selectpname , sal , dname from prof , dept where sal 2000 and prof.d# = dept.d#ex 2: 查询工资在1000-2000之间的老师姓名 select pname from prof where sal between 1000 and 2000三、例子三、例子2 程序设计语言三种形态实例程序设计语言三种形态实例自然语言自然语言应用语言应用语言（4gl）高级语言高级语言汇编语言汇编语言机器语言机