An Introduction to Database System An Introduction To Database System

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1 An Introduction to Database System An Introduction To Database System
数据库系统概论 An Introduction to Database System 第五章 关系数据理论(续) 山东理工大学计算机学院 An Introduction To Database System

2 An Introduction To Database System
第五章 关系数据理论 5.1 数据依赖 5.2 规范化 5.3 数据依赖的公理系统 5.4 模式的分解 An Introduction To Database System

3 An Introduction To Database System
5.3 数据依赖的公理系统 逻辑蕴含 定义5.11 对于满足一组函数依赖 F 的关系模式R <U，F>，其任何一个关系r，若函数依赖X→Y都成立, 则称 F逻辑蕴含X →Y An Introduction To Database System

4 An Introduction To Database System
Armstrong公理系统 一套推理规则，是模式分解算法的理论基础 用途 求给定关系模式的码 从一组函数依赖求得蕴含的函数依赖 An Introduction To Database System

5 An Introduction To Database System
1. Armstrong公理系统 关系模式R <U，F >来说有以下的推理规则： Al.自反律（Reflexivity）： 若Y  X  U，则X →Y为F所蕴含。 A2.增广律（Augmentation）：若X→Y为F所蕴含，且Z  U，则XZ→YZ为F所蕴含。 A3.传递律（Transitivity）：若X→Y及Y→Z为F所蕴含，则X→Z为F所蕴含。 注意：由自反律所得到的函数依赖均是平凡的函数依赖，自反律的使用并不依赖于F An Introduction To Database System

6 定理 5.l 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 <U，F> 的任一关系r中的任意两个元组t，s： 若t[X]=s[X]，由于Y  X，有t[y]=s[y]， 所以X→Y成立. 自反律得证 An Introduction To Database System

7 An Introduction To Database System
定理5.l (2)增广律: 若X→Y为F所蕴含，且Z  U，则XZ→YZ 为F所蕴含。 证：设X→Y为F所蕴含，且Z  U。 设R<U，F> 的任一关系r中任意的两个元组t，s； 若t[XZ]=s[XZ]，则有t[X]=s[X]和t[Z]=s[Z]； 由X→Y，于是有t[Y]=s[Y]，所以t[YZ]=s[YZ]，所以XZ→YZ为F所蕴含. 增广律得证。 An Introduction To Database System

8 An Introduction To Database System
定理5.l (3) 传递律：若X→Y及Y→Z为F所蕴含，则 X→Z为 F所蕴含。 证：设X→Y及Y→Z为F所蕴含。 对R<U，F> 的任一关系 r中的任意两个元组 t，s。 若t[X]=s[X]，由于X→Y，有 t[Y]=s[Y]； 再由Y→Z，有t[Z]=s[Z]，所以X→Z为F所蕴含. 传递律得证。 An Introduction To Database System

9 An Introduction To Database System
2. 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X→Y，X→Z，有X→YZ。 （A2， A3） 伪传递规则：由X→Y，WY→Z，有XW→Z。 分解规则：由X→Y及 ZY，有X→Z。 （A1， A3） An Introduction To Database System

10 An Introduction To Database System
导出规则 2.根据合并规则和分解规则，可得引理5.1 引理5.l X→A1 A2…Ak成立的充分必要条件是 X→Ai成立（i=l，2，…，k）。 An Introduction To Database System

11 An Introduction To Database System
3. 函数依赖闭包 定义5.l2 在关系模式R<U，F>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+。 定义 设F为属性集U上的一组函数依赖，X U， XF+ ={ A|X→A能由F 根据Armstrong公理导出}，XF+称为属性集X关于函数依赖集F 的闭包 An Introduction To Database System

12 An Introduction To Database System
F的闭包 F={X Y,Y Z}, F+计算是NP完全问题，X A1A2...An F+={ X φ, Y φ, Z φ, XY φ, XZ φ, YZ φ, XYZ φ, X X, Y Y, Z Z, XY X, XZ X, YZ Y, XYZ X, X Y, Y Z , XY Y, XZ Y, YZ Z, XYZ Y, X Z, Y YZ, XY Z, XZ Z, YZ YZ, XYZ Z, X XY, XY XY, XZ XY, XYZ XY, X XZ, XY YZ, XZ XZ, XYZ YZ X YZ, XY XZ, XZ XY, XYZ XZ, X ZYZ, XY XYZ, XZ XYZ, XYZ XYZ } An Introduction To Database System

13 An Introduction To Database System
关于闭包的引理 引理5.2 设F为属性集U上的一组函数依赖，X，Y  U，X→Y能由F 根据Armstrong公理导出的充分必要条件是Y XF+ 用途 将判定X→Y是否能由F根据Armstrong公理导出的问题， 就转化为求出XF+ ，判定Y是否为XF+的子集的问题 An Introduction To Database System

14 An Introduction To Database System
求闭包的算法 算法5.l 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)(V→WF ∧V  X（i）∧A W)}； （3）X（i+1）=B∪X（i） An Introduction To Database System

15 An Introduction To Database System
算法5.l （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。 对于算法5.l， 令ai =|X（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。 An Introduction To Database System

16 An Introduction To Database System
Algorithm Define XF+ = closure of X = set of attributes functionally determined byX Basis: XF+ :=X Induction: If Y XF+, and Y A is a given FD, then add A to XF+ End when XF+ cannot be changed. A y X+ New X+ An Introduction To Database System

17 An Introduction To Database System
Example U={A, B, C, D}; F={A B, BC D}; A+ = AB. C+ = C. (AC)+ = ABCD. B A C An Introduction To Database System

18 An Introduction To Database System
Example U={A, B, C, D}; A B, BC D. (AC)+ = ABCD. D A C B An Introduction To Database System

19 An Introduction To Database System
函数依赖闭包 [例1] 已知关系模式R<U，F>，其中 U={A，B，C，D，E}； F={AB→C，B→D，C→E，EC→B，AC→B}。 求（AB）F+ 。 解 设X（0）=AB； (1)计算X（1）: 逐一的扫描F集合中各个函数依赖， 找左部为A，B或AB的函数依赖。得到两个： AB→C，B→D。 于是X（1）=AB∪CD=ABCD。 An Introduction To Database System

20 An Introduction To Database System
函数依赖闭包 (2)因为X（0）≠ X（1） ，所以再找出左部为ABCD子集的那些函数依赖，又得到AB→C，B→D， C→E，AC→B， 于是X（2）=X（1）∪BCDE=ABCDE。 (3)因为X（2）=U，算法终止 所以（AB）F+ =ABCDE。 An Introduction To Database System

21 4. Armstrong公理系统的有效性与完备性
建立公理系统体系目的：从已知的 f 推导出未知的f 明确：1.公理系统推导出来的 f 正确？ 2. F+中的每一个 f 都能推导出来？ / f 不能由F 导出, f ∈ F+ F F f An Introduction To Database System

22 4. Armstrong公理系统的有效性与完备性
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 /* Armstrong正确 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 /* Armstrong公理够用，完全 完备性：所有不能用Armstrong公理推导出来f, 都不为真 若 f 不能用Armstrong公理推导出来， f∈ F+ An Introduction To Database System

23 An Introduction To Database System
有效性与完备性的证明 证明： 1. 有效性 可由定理5.l得证 2. 完备性 只需证明逆否命题: 若函数依赖X→Y不能由F从Armstrong公理导出，那么它必然不为F所蕴含 分三步证明： An Introduction To Database System

24 An Introduction To Database System
有效性与完备性的证明 (1)引理: 若V→W成立，且V  XF+，则W  XF+ 证 因为 V  XF+ ，所以有X→V成立； 因为X →V，V→W，于是X→W成立 所以W  XF+ (2)/* 若 f 不能用Armstrong公理推导出来， f∈ F+ /* 若存在r， F+中的全部函数依赖在 r上成立。 /* 而不能用Armstrong公理推导出来的f , 在r上不成立。 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。 An Introduction To Database System

25 Armstrong公理系统的有效性与完备性(续)
XF U-XF+     若r不是R<U，F> 的关系，则必由于F中有函数依赖V→W在r上不成立所致。由r的构成可知，V必定是XF+ 的子集，而W不是XF+ 的子集，可是由第（1）步，W  XF+，矛盾。所以r必是R<U，F>的一个关系。 An Introduction To Database System

26 Armstrong公理系统的有效性与完备性(续)
(3) )/* 若 f 不能用Armstrong公理推导出来， f∈ F+ /* 而不能用Armstrong公理推导出来的 f , 在r上不成立。 若X→Y 不能由F从Armstrong公理导出，则Y 不是 XF+ 的子集。（引理5.2） 因此必有Y 的子集Y’ 满足 Y’ U-XF+， 则X→Y在 r 中不成立，即X→Y必不为 R<U，F> 蕴含 /* 因为 F+中的全部函数依赖在 r上成立。 An Introduction To Database System

27 Armstrong公理系统的有效性与完备性(续)
“蕴含” == “导出” 等价的概念 F+ ==由F出发借助Armstrong公理导出的函数依赖的集合 An Introduction To Database System

28 An Introduction To Database System
5. 函数依赖集等价 定义5.14 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。 An Introduction To Database System

29 An Introduction To Database System
函数依赖集等价的充要条件 引理5.3 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FG+ ，则XF+  XG++ 。 （2）任取X→YF+ 则有 Y  XF+  XG++ 。 所以X→Y  (G+）+= G+。即F+  G+。 （3）同理可证G+  F+ ，所以F+ = G+。 An Introduction To Database System

30 An Introduction To Database System
函数依赖集等价 要判定F  G+，只须逐一对F中的函数依赖X→Y，考察 Y 是否属于XG++ 就行了。因此引理5.3 给出了判断两个函数依赖集等价的可行算法。 An Introduction To Database System

31 An Introduction To Database System
6. 最小依赖集 定义5.15 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X→A，使得F与 F-{X→A}等价。 (3) F中不存在这样的函数依赖X→A， X有真 子集Z使得F-{X→A}∪{Z→A}与F等价。 An Introduction To Database System

32 An Introduction To Database System
最小依赖集 [例2] 对于5.l节中的关系模式S<U，F>，其中： U={ SNO，SDEPT，MN，CNAME，G }， F={ SNO→SDEPT，SDEPT→MN， （SNO，CNAME）→G } 设F’={SNO→SDEPT，SNO→MN， SDEPT→MN，(SNO，CNAME)→G， (SNO，SDEPT)→SDEPT} F是最小覆盖，而F ’不是。 因为：F ’-{SNO→MN}与F ’等价 F ’-{(SNO，SDEPT)→SDEPT}也与F ’等价 F ’-{(SNO，SDEPT)→SDEPT} ∪{SNO→SDEPT}也与F ’等价 An Introduction To Database System

33 An Introduction To Database System
7. 极小化过程 定理5.3 每一个函数依赖集F均等价于一个极小 函数依赖集Fm。此Fm称为F的最小依赖集 证:构造性证明，依据定义分三步对F进行“极小 化处理”，找出F的一个最小依赖集。 (1)逐一检查F中各函数依赖FDi：X→Y， 若Y=A1A2 …Ak，k > 2， 则用 { X→Aj |j=1，2，…， k} 来取代X→Y。 引理5.1保证了F变换前后的等价性。 An Introduction To Database System

34 An Introduction To Database System
极小化过程 (2)逐一检查F中各函数依赖FDi：X→A， 令G=F-{X→A}， 若AXG+， 则从F中去掉此函数依赖。 由于F与G =F-{X→A}等价的充要条件是AXG+ 因此F变换前后是等价的。 An Introduction To Database System

35 An Introduction To Database System
极小化过程 (3)逐一取出F中各函数依赖FDi：X→A， 设X=B1B2…Bm， 逐一考查Bi （i=l，2，…，m）， 若A （X-Bi ）F+ ， 则以X-Bi 取代X。 由于F与F-{X→A}∪{Z→A}等价的充要条件是AZF+ ，其中Z=X-Bi 因此F变换前后是等价的。 An Introduction To Database System

36 An Introduction To Database System
极小化过程 由定义，最后剩下的F就一定是极小依赖集。 因为对F的每一次“改造”都保证了改造前后的两个函数依赖集等价，因此剩下的F与原来的F等价。 证毕 定理5.3的证明过程 也是求F极小依赖集的过程 An Introduction To Database System

37 An Introduction To Database System
极小化过程 [例3] F = {A→B，B→A，B→C， A→C，C→A} Fm1、Fm2都是F的最小依赖集： Fm1= {A→B，B→C，C→A}   Fm2= {A→B，B→A，A→C，C→A} F的最小依赖集Fm不一定是唯一的它与对各函数依赖FDi 及X→A中X各属性的处置顺序有关 An Introduction To Database System

38 An Introduction To Database System
极小化过程 极小化过程( 定理5.3的证明 )也是检验F是否为极小依赖集的一个算法 若改造后的F与原来的F相同，说明F本身就是一个最小依赖集 An Introduction To Database System

39 An Introduction To Database System
极小化过程 在R<U，F>中可以用与F等价的依赖集G来取代F 原因：两个关系模式R1 <U，F>，R2<U，G>，如果F与G等价，那么R1的关系一定是R2的关系。反过来，R2的关系也一定是R1的关系。 An Introduction To Database System

40 An Introduction To Database System
第五章 关系数据理论 5.1 数据依赖 5.2 规范化 5.3 数据依赖的公理系统 5.4 模式的分解 An Introduction To Database System

41 An Introduction To Database System
5.4 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并不是唯一的 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 An Introduction To Database System

42 An Introduction To Database System
关系模式分解的标准 三种模式分解的等价定义 ⒈ 分解具有无损连接性 ⒉ 分解要保持函数依赖 ⒊ 分解既要保持函数依赖，又要具有无损连接性 An Introduction To Database System

43 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 定义5.16 关系模式R<U,F>的一个分解： ρ={ R1<U1,F1>，R2<U2,F2>，…，Rn<Un,Fn>} U=U1∪U2∪…∪Un，且不存在 Ui  Uj，Fi 为 F在 Ui 上的投影 定义5.17 函数依赖集合{X→Y | X→Y  F+∧XY Ui} 的一个覆盖 Fi 叫作 F 在属性 Ui 上的投影 An Introduction To Database System

44 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 例: SL（Sno， Sdept， Sloc） F={ Sno→Sdept,Sdept→Sloc,Sno→Sloc} SL∈2NF 存在插入异常、删除异常、冗余度大和修改复杂等问题 分解方法可以有多种 An Introduction To Database System

45 An Introduction To Database System
模式的分解（续） SL ────────────────── Sno Sdept Sloc ────────────────── CS A IS B MA C IS B PH B An Introduction To Database System

46 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 1. SL分解为下面三个关系模式： SN(Sno) SD(Sdept) SO(Sloc) An Introduction To Database System

47 An Introduction To Database System
分解后的关系为： SN ────── SD ────── SO ────── Sno Sdept Sloc ────── ────── ────── CS A IS B MA C PH ───── ────── ────── An Introduction To Database System

48 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 分解后的数据库丢失了许多信息 例如无法查询95001学生所在系或所在宿舍。 如果分解后的关系可以通过自然连接恢复为原来的关系，那么这种分解就没有丢失信息 An Introduction To Database System

49 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 2. SL分解为下面二个关系模式： NL(Sno, Sloc) DL(Sdept, Sloc) 分解后的关系为： NL ──────────── DL ──────────── Sno Sloc Sdept Sloc ──────────── ──────────── A CS A B IS B C MA C B PH B B ──────────── ────────── An Introduction To Database System

50 An Introduction To Database System
模式的分解（续） NL DL ───────────── Sno Sloc Sdept A CS B IS B PH C MA B IS B PH B IS B PH An Introduction To Database System

51 An Introduction To Database System
模式的分解（续） NL DL比原来的SL关系多了3个元组 无法知道95002、95004、95005 究竟是哪个系的学生 元组增加了，信息丢失了 An Introduction To Database System

52 An Introduction To Database System
第三种分解方法 3. 将SL分解为下面二个关系模式： ND(Sno, Sdept) NL(Sno, Sloc) 分解后的关系为： An Introduction To Database System

53 An Introduction To Database System
模式的分解（续） ND ──────────── NL ────────── Sno Sdept Sno Sloc ──────────── ────────── CS A IS B MA C IS B PH B ──────────── ─────────── An Introduction To Database System

54 An Introduction To Database System
模式的分解（续） ND NL ────────────── Sno Sdept Sloc CS A IS B MA C CS A PH B 与SL关系一样，因此没有丢失信息 An Introduction To Database System

55 An Introduction To Database System
具有无损连接性的模式分解 关系模式R<U,F>的一个分解 ρ={ R1<U1,F1>，R2<U2,F2>， …，Rn<Un,Fn>} 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ρ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 An Introduction To Database System

56 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 第三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Sdept→Sloc 没有投影到关系模式ND、NL上 An Introduction To Database System

57 An Introduction To Database System
保持函数依赖的模式分解 设关系模式R<U,F>被分解为若干个关系模式 R1<U1,F1>，R2<U2,F2>，…，Rn<Un,Fn> （其中U=U1∪U2∪…∪Un，且不存在Ui  Uj，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）。 An Introduction To Database System

58 An Introduction To Database System
第四种分解方法 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。 An Introduction To Database System

59 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 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。 An Introduction To Database System

60 An Introduction To Database System
模式的分解（续） 第一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 第二种分解方法保持了函数依赖，但不具有无损连 接性 第三种分解方法具有无损连接性，但未持函数依赖 第四种分解方法既具有无损连接性，又保持了函数 依赖 An Introduction To Database System

61 An Introduction To Database System
分解算法 算法5.2 判别一个分解的无损连接性 算法5.3 （合成法）转换为3NF的保持函数依赖的分解。 算法5.4 转换为3NF既有无损连接性又保持函数依赖的分解 算法5.5 转换为BCNF的无损连接分解（分解法） 算法5.6 达到4NF的具有无损连接性的分 解P196 图5 .11 An Introduction To Database System

62 An Introduction To Database System
分解算法 解P196 图5 .11 若要求分解具有无损连接性，那么模式分解一定能够达到4NF。 若要求分解保持函数依赖，那么模式分解一定能够达到3NF，但不一定能够达到BCNF。 若要求分解既具有无损连接性，又保持函数依赖，则模式分解一定能够达到3NF，但不一定能够达到BCNF。 An Introduction To Database System

63 An Introduction To Database System
泛关系假设 “假设已知一个模式Sφ，它仅由单个关系模式组成，问题是要设计一个模式SD，它与Sφ‘等价’，但在某些方面更好一些” 从一个关系模式出发，而不是从一组关系模式出发实行分解 “等价”的定义也是一组关系模式与一个关系模式的“等价” An Introduction To Database System