数据库系统概论关系数据理论课件

数据库系统概论AnIntroductiontoDatabaseSystem第六讲关系数据理论12019年8月26数据库系统概论12019年8月26第六讲关系数据理论6.1问题的提出6.2规范化6.3数据依赖的公理系统*6.4模式的分解6.5小结22019年8月26第六讲关系数据理论6.1问题的提出22019年8月266.1问题的提出关系模式存在的问题32019年8月266.1问题的提出关系模式存在的问题32019年8月26关系模式存在的问题例1(P170)：描述学校的数据库：

学生的学号（Sno）、所在系（Sdept） 系主任姓名（Mname）、课程号（Cno） 成绩（Grade）问题：如何设计关系模式？提示：1.概念模型2.逻辑模型（关系模式）42019年8月26关系模式存在的问题例1(P170)：描述学校的数据库：420数据依赖对关系模式的影响（续）学校数据库的语义：

⒈一个系有若干学生，一个学生只属于一个系；⒉一个系只有一名主任；⒊一个学生可以选修多门课程，每门课程有若干学生选修；⒋每个学生所学的每门课程都有一个成绩。

52019年8月26数据依赖对关系模式的影响（续）学校数据库的语义：52019年假设设计成单一模式单一的关系模式：Student<U、F>U＝｛Sno,Sdept,Mname,Cno,Grade｝62019年8月26假设设计成单一模式单一的关系模式：Student<Student表SnoSdeptMnameCnoGradeS1计算机系张明C195S2计算机系张明C190S3计算机系张明C188S4计算机系张明C170S5计算机系张明C178

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72019年8月26Student表SnoSdeptM关系模式Student<U,F>中存在的问题⒈数据冗余太大浪费大量的存储空间

例：每一个系主任的姓名重复出现⒉修改复杂（UpdateAnomalies）数据冗余，修改数据时，维护数据完整性代价大。 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82019年8月26关系模式Student<U,F>中存在的问题⒈数据冗余太关系模式Student<U,F>中存在的问题⒊插入异常（InsertionAnomalies）该插的数据插不进去例，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。⒋删除异常（DeletionAnomalies）不该删除的数据不得不删 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时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。92019年8月26关系模式Student<U,F>中存在的问题⒊插入异常（数据依赖对关系模式的影响（续）结论：Student关系模式不是一个好的模式。“好”的模式：不会发生更新异常（插入异常、删除异常、修改复杂），数据冗余应尽可能少。102019年8月26数据依赖对关系模式的影响（续）结论：102019年8月26第六讲关系数据理论6.1问题的提出6.2规范化6.3数据依赖的公理系统*6.4模式的分解6.5小结112019年8月26第六讲关系数据理论6.1问题的提出112019年8月266.2规范化

规范化理论正是用来改造关系模式，通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖，以解决插入异常、删除异常、修改复杂和数据冗余问题。122019年8月266.2规范化122019年8月266.2规范化数据依赖（P170）

数据依赖是一个关系内部属性与属性之间的一种约束关系。这种约束关系是通过属性间值的相等与否体现出来的数据间的相关联系。是现实世界属性间相互联系的抽象，是数据内在的性质，是语义的体现。132019年8月266.2规范化数据依赖（P170）132019年8月266.2规范化数据依赖的类型函数依赖（FunctionalDependency，简记为FD）多值依赖（MultivaluedDependency，简记为MVD）142019年8月266.2规范化数据依赖的类型142019年8月266.2.1函数依赖一、函数依赖二、平凡函数依赖与非平凡函数依赖三、完全函数依赖与部分函数依赖四、传递函数依赖152019年8月266.2.1函数依赖一、函数依赖152019年8月26一、函数依赖（P172）定义6.1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X→Y。162019年8月26一、函数依赖（P172）定义6.1设R(U)是一个属性函数依赖（续）定义：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，对于X的每一个值，Y都有一个确定的值与之对应，则称“X函数确定Y”

或“Y函数依赖于X”，记作X→Y。172019年8月26函数依赖（续）定义：设R(U)是一个属性集U上的关系模式，一、函数依赖(续)

为什么叫函数依赖？

Y=f(X)X0---Y0X1---Y1XN---YN182019年8月26一、函数依赖(续)为什么叫函数依赖？182019年8月26说明：

1.函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满足的约束条件，而是指R的所有关系实例均要满足的约束条件。2.函数依赖是语义范畴的概念。只能根据数据的语义来确定函数依赖。例如“姓名→性别”这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立192019年8月26说明：1.函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满函数依赖（续）例:Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)

假设不允许重名，则有:Sno→Ssex，Sno→Sage,Sno→Sdept，Sno

←→

Sname,Sname→Ssex，Sname→SageSname→Sdept但Ssex→Sage若X→Y，并且Y→X,则记为X←→Y。若Y不函数依赖于X,则记为X─→Y。202019年8月26函数依赖（续）例:Student(Sno,Sname,二、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的子集X和Y，如果X→Y，但Y

X，则称X→Y是非平凡的函数依赖若X→Y，但Y

X,则称X→Y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)→CnoCno→Cno212019年8月26二、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平凡函数依赖与非平凡函数依赖（续）对于任一关系模式，平凡函数依赖都是必然成立的，它不反映新的语义，因此若不特别声明，我们总是讨论非平凡函数依赖。222019年8月26平凡函数依赖与非平凡函数依赖（续）对于任一关系模式，平凡函数三、完全函数依赖与部分函数依赖定义6.2在关系模式R(U)中，如果X→Y，并且对于X的任何一个真子集X’，都有X’Y,则称Y完全函数依赖于X，记作Xｆ

Y。若X→Y，但Y不完全函数依赖于X，则称Y部分函数依赖于X，记作XPY。

232019年8月26三、完全函数依赖与部分函数依赖定义6.2在关系模式R(U完全函数依赖与部分函数依赖（续）例:在关系SC(Sno,Cno,Grade)中，由于：Sno→Grade，Cno→Grade，因此：(Sno,Cno)ｆGrade例:在关系SC(Sno,Sname,Cno,Cname,Grade)中，

(Sno,Cno)pSname(Sno,Cno)pCname

242019年8月26完全函数依赖与部分函数依赖（续）例:在关系SC(Sno,四、传递函数依赖定义6.3在关系模式R(U)中，如果X→Y，Y→Z，且Y

X，Z

Y，Y→X，则称Z传递函数依赖于X。

注:如果Y→X，即X←→Y，则Z直接依赖于X。例:在关系Std(Sno,Sdept,Mname)中，有：

Sno→Sdept，Sdept→MnameMname传递函数依赖于Sno252019年8月26四、传递函数依赖定义6.3在关系模式R(U)中，如果X→6.2.2码（与第二章P44的定义比较）定义6.4设K为关系模式R<U,F>中的属性或属性组合。若KｆU，则K称为R的一个侯选码（CandidateKey）。若关系模式R有多个候选码，则选定其中的一个做为主码（Primarykey）。主属性与非主属性ALLKEY262019年8月266.2.2码（与第二章P44的定义比较）定义6.4设K外部码定义6.5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的外部码（Foreignkey）也称外码主码又和外部码一起提供了表示关系间联系的手段。272019年8月26外部码定义6.5关系模式R中属性或属性组X并非R6.2.3范式关系数据库中的关系模式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范式(BCNF)

第四范式(4NF)

第五范式(5NF)282019年8月266.2.3范式关系数据库中的关系模式必须满足一定的要求。满6.2.3范式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R∈nNF。292019年8月266.2.3范式各种范式之间存在联系：292019年8月266.2.42NF1NF的定义 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R∈1NF。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。但是满足第一范式的关系模式并不一定是一个好的关系模式。302019年8月266.2.42NF1NF的定义302019年8月262NF例:关系模式SLC(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：

(Sno,Cno)fGradeSno→SdeptSdept→Sloc(Sno,Cno)PSdept(Sno,Cno)PSlocSno→Sloc

312019年8月262NF例:关系模式SLC(Sno,Sdept,S2NFSLC的码为(Sno,Cno)SLC满足第一范式。非主属性Sdept和Sloc部分函数依赖于码(Sno,Cno)SnoCnoGradeSdeptSlocSLC322019年8月262NFSnoCnoGradeSdeptSlocSLC322SLC不是一个好的关系模式(1)插入异常 假设Sno＝95102，Sdept＝IS，Sloc＝N的学生还未选课，因课程号是主属性，因此该学生的信息无法插入SLC。(2)删除异常假定某个学生本来只选修了3号课程这一门课。现在因身体不适，他连3号课程也不选修了。因课程号是主属性，此操作将导致该学生信息的整个元组都要删除。

332019年8月26SLC不是一个好的关系模式(1)插入异常332019年8月SLC不是一个好的关系模式(3)数据冗余度大如果一个学生选修了10门课程，那么他的Sdept和Sloc值就要重复存储了10次。(4)修改复杂例如学生转系，在修改此学生元组的Sdept值的同时，还可能需要修改住处（Sloc）。如果这个学生选修了K门课，则必须无遗漏地修改K个元组中全部Sdept、Sloc信息。

342019年8月26SLC不是一个好的关系模式(3)数据冗余度大342019年2NF原因

Sdept、Sloc部分函数依赖于码。解决方法

SLC分解为两个关系模式，以消除这些部分函数依赖

SC（Sno，Cno，Grade）

SL（Sno，Sdept，Sloc）352019年8月262NF原因352019年8月262NF函数依赖图：SnoCnoGradeSCSLSnoSdeptSloc362019年8月262NF函数依赖图：SnoCnoGradeSCSLSnoSde2NF2NF的定义 定义6.6若关系模式R∈1NF，并且每一个非主属性都完全函数依赖于R的码，则R∈2NF。2NF的定义（等价定义） 若关系模式R∈1NF，并且消除了非主属性对码的部分函数依赖，则R∈2NF。372019年8月262NF2NF的定义372019年8月26例：SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)∈2NF SC（Sno，Cno，Grade）∈2NFSL（Sno，Sdept，Sloc）∈2NF382019年8月26例：SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,G如果关系模式R的码只有一个属性，那么R一定满足二范式。392019年8月26如果关系模式R的码只有一个属性，那么R一定满足二范式。392判断关系模式R(U,F)是否符合二范式U={A,B,C,D}F={AB→C,B→D,C→D}

经计算，属性AB是唯一的码请问是否符合二范式？402019年8月26判断关系模式R(U,F)是否符合二范式402019年8月26

第二范式（续）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。412019年8月26第二范式（续）采用投影分解法将一个1NF的关系分解为多个26.2.53NF请分析关系模式SL(Sno,Sdept,Sloc)，依然存在更新异常和数据冗余422019年8月266.2.53NF请分析关系模式SL(Sno,Sdep6.2.53NF例：2NF关系模式SL(Sno,Sdept,Sloc)中函数依赖：

Sno→SdeptSdept→Sloc

Sno→Sloc Sloc传递函数依赖于Sno，即SL中存在非主属性对码的传递函数依赖。432019年8月266.2.53NF例：2NF关系模式SL(Sno,Sd3NF函数依赖图：SLSnoSdeptSloc442019年8月263NF函数依赖图：SLSnoSdeptSloc442013NF解决方法采用投影分解法，把SL分解为两个关系模式，以消除非主属性的传递函数依赖：

SD（Sno，Sdept）

DL（Sdept，Sloc）SD的码为Sno，DL的码为Sdept。452019年8月263NF解决方法452019年8月263NFSD的码为Sno，DL的码为Sdept。SnoSdeptSDSdeptSlocDL462019年8月263NFSD的码为Sno，DL的码为Sdept。SnoS3NF3NF的定义 定义6.7关系模式R<U，F>

中若不存在这样的码X、属性组Y及非主属性Z（Z

Y）,使得X→Y，Y→X，Y→Z，成立，则称R<U，F>∈3NF。3NF的定义（等价定义）若关系模式R∈2NF，并且消除了非主属性对码的传递函数依赖，则R∈3NF。472019年8月263NF3NF的定义472019年8月26例，SL(Sno,Sdept,Sloc)∈2NFSL(Sno,Sdept,Sloc)∈3NFSD（Sno，Sdept）∈3NFDL（Sdept，Sloc）∈3NF482019年8月26例，SL(Sno,Sdept,Sloc)∈2NF4判断关系模式R(U,F)是否符合三范式U={A,B,C,D}F={AB→C,AB→D,C→D}

经计算，属性AB是唯一的码请问是否符合三范式？492019年8月26判断关系模式R(U,F)是否符合三范式492019年8月263NF若R∈3NF，则R的每一个非主属性既不部分函数依赖于候选码也不传递函数依赖于候选码。如果R∈3NF，则R也是2NF。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，并不能完全消除关系模式中的各种异常情况和数据冗余。502019年8月263NF若R∈3NF，则R的每一个非主属性既不部分函数依赖于3NF例：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。每一教师只教一门课。每门课由若干教师教，某一学生选定某门课，就确定了一个固定的教师。某个学生选修某个教师的课就确定了所选课的名称：

(S，J)→T，(S，T)→J，T→J候选码：(S，J)，(S，T)512019年8月263NF例：在关系模式STJ（S，T，J）中，S表示学生，TSTJ（S，T，J）符合三范式依然存在更新异常和数据冗余原因：T→J，T中没有码522019年8月26STJ（S，T，J）符合三范式522019年8月266.2.6BC范式（BCNF）定义6.8设关系模式R<U，F>∈1NF，如果对于R的每个函数依赖X→Y，若Y不属于X，则X必含有候选码，那么R∈BCNF。532019年8月266.2.6BC范式（BCNF）定义6.8设关系模BCNF（P177）[例5] C(CNO,CNAME,PCNO)[例6] S(SNO,SNAME,SDEPT,SAGE)[例7] SJP(S,J,P)学生\课程\名次候选码：(S,J)和(J,P)

函数依赖：(S,J)→P

，(J,P)→S542019年8月26BCNF（P177）[例5] C(CNO,CNAME,PC以上三个关系模式符合三范式，同时也符合BC范式552019年8月26以上三个关系模式符合三范式，同时也符合BC范式552019年BCNF的性质，若R∈BCNF：R∈2NFR∈3NF消除了主属性对不包含它的码的部分函数依赖。消除了主属性对码的传递依赖562019年8月26BCNF的性质，若R∈BCNF：R∈2NF562019年83NF与BCNF的关系如果关系模式R∈BCNF，必定有R∈3NF若R∈3NF则R不一定∈BCNF如果R∈3NF，且R只有一个候选码，则R必属于BCNF。572019年8月263NF与BCNF的关系如果关系模式R∈BCNF，572019

如果只有一个候选码，对于主属性来说，不包含它的候选码不存在，所以，自然就不存在主属性对不包含它的候选码的部分依赖、传递依赖。582019年8月26如果只有一个候选码，对于主属性来说，不包含它的候选码不存在3N