Principle and Application of Database

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1 Principle and Application of Database
数据库原理及应用 Principle and Application of Database 第五章 关系数据理论(习题课)

2 基本知识点 需要了解的：什么是一个“不好”的数据库模式；什么是模式的插入异常、删除异常；规范化理论的重要意义。
需要牢固掌握的：关系的形式化定义；数据依赖的基本概念(函数依赖、平凡函数依赖、非平凡函数依赖、部分函数依赖、完全函数依赖、传递函数依赖、码、候选码、外码、多值依赖)；范式的概念；从1NF到4NF的定义；规范化的含义和作用。 需要举一反三的：四个范式的理解与应用，各个级别范式中存在的问题(插入异常、删除异常、数据冗余)和解决方法；能够根据应用语义，完整地写出关系模式的数据依赖集合，并能根据数据依赖分析某一个关系模式属于第几范式。 难点：各个级别范式的关系及其证明。

3 习题解答和解析 1.理解并给出下列术语的定义：函数依赖、部分函数依赖、完全函数依赖、传递依赖、候选码、主码、外码、全码、1NF、2NF、3NF、BCNF、多值依赖、4NF。 答：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X→Y。 解析：⑴函数依赖是最基本的、也是最重要的一种数据依赖。 ⑵函数依赖是属性之间的一种联系，体现在属性值是否相等。由定义可知，若X→Y，则 r中任意两个元组，如果它们在X上的属性值相等， 那么在Y上的属性值也一定相等。 ⑶要从属性间实际存在的语义来确定它们之间的函数依赖。 ⑷函数依赖不是指关系模式R在某个时刻的关系(值)满足的约束条件，而是指R在任何时刻的一切关系均要满足的约束条件。

4 完全函数依赖、部分函数依赖：在关系模式R(U)中，若X→Y，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X ｆ 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X P Y。 传递函数依赖：在关系模式R(U)中，若X→Y，Y→Z，且Y ⊈ X，Y ↛ X，则称Z传递函数依赖于X ，记作X t Z 。 候选码、主码：设K为关系模式R<U,F>中的属性或属性组合，若K ｆ U，则K称为R的一个侯选码。若候选码多于一个，则选定其中的一个为主码。 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。 全码：整个属性组是码，称为全码。

5 1NF：若关系模式R的所有属性都是不可分的基本数据项，则R1NF。1NF是对关系模式的最起码要求，不满足1NF的数据库模式不能称为关系数据库。1NF2NF3NFBCNF4NF。
2NF：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。 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X→Y，Y↛X，Y→Z成立，则称R3NF。 BCNF：设关系模式R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。 多值依赖：设关系模式R(U)中， X、Y和ZU，且Z＝U－X－Y，多值依赖 X→→Y成立当且仅当对R的任一关系r，r在(X,Z)上的每个值对应一组Y值，这组值仅决定于X值而与Z值无关。 4NF：关系模式R<U,F>1NF，如果对于R的每个非平凡多值依赖X→→Y(Y  X)，X都含有候选码，则R4NF。

6 2.建立一个关于系、学生、班级、学会等诸信息的关系数据库。
描述学生的属性有：学号、姓名、生日、系名、班号、宿舍区。 描述班级的属性有：班号、专业名、系名、人数、入校年份。 描述系的属性有：系号、系名、系办公室地点、人数。 描述学会的属性有：学会名、成立年份、地点、人数。 有关语义如下：一个系有若干专业，每个专业每年只招一个班，每个班有若干学生。一个系的学生住在同一宿舍区。每个学生可参加若干学会，每学会有若干学生。学生参加某学会有一个入会年份。 请给出关系模式，写出每个关系模式的极小函数依赖集，指出是否存在传递函数依赖，对于函数依赖左部是多属性的情况讨论函数依赖是完全函数依赖，还是部分函数依赖。指出各关系的候选码、外部码，有没有全码存在？

7 答：关系模式有：学生S(S#,SN,SB,DN,C#,SA)
班级C(C#,CS,DN,CNUM,CDATE) 系D(D#,DN,DA,DNUM) 学会P(PN,DATE1,PA,PNUM) 学生–学会SP(S#,PN,DATE2) 其中：S#为学号，SN为姓名，SB为生日，DN为系名，C#为班号，SA为宿舍区，CS为专业名，CNUM为班级为数，CDATE为入校年份，D#为系号，DA为系办公室地点，DNUM为系人数，PN为学会名，DATE1为学会成立年月，PA为地点，PNUM为人数，DATE2为入会年份。 各关系模式的极小函数依赖集为： S：S#→SN，S#→SB，S#→C#，C#→DN，DN→SA C：C#→CS，C#→CNUM，C#→CDATE，CS→DN，(CS,CDATE)→C# D：D#→DN，DN→D#，D#→DA，D#→DNUM P：PN→DATE1，PN→PA，PN→PNUM SP：(S#,PN)→DATE2 S中存在传递函数依赖：S#→DN，S#→SA，C#→SA C中存在传递函数依赖：C#→DN (CS,CDATE)→C# 和(S#,PN)→DATE2都是完全函数依赖。

8 学生S(S#,SN,SB,DN,C#,SA) 班级C(C#,CS,DN,CNUM,CDATE) 系D(D#,DN,DA,DNUM) 学会P(PN,DATE1,PA,PNUM) 学生–学会SP(S#,PN,DATE2) S：S#→SN，S#→SB，S#→C#，C#→DN，DN→SA C：C#→CS，C#→CNUM，C#→CDATE，CS→DN，(CS,CDATE)→C# D：D#→DN，DN→D#，D#→DA，D#→DNUM P：PN→DATE1，PN→PA，PN→PNUM SP：(S#,PN)→DATE2 关系 候选码 外部码 全码 S S# C#,DN 无 C C#和(CS,CDATE) DN 无 D D#和DN 无 无 P PN 无 无 SP (S#,PN) S#,DN 无

9 3.试由Armostrong公理系统推导出下面三条推理规则：
⑴合并规则：若X→Z，X→Y，则有X→YZ ⑵伪传递规则：由X→Y，WY→Z，则有XW→Z ⑶分解规则：若X→Y，ZY，则有X→Z 证明： ⑴已知X→Z，由增广律知XY→YZ，又因X→Y，可得 XX→XY→YZ，根据传递律有X→YZ ⑵已知X→Y，由增广律知XW→WY，又因WY→Z，可得 XW→WY→Z，根据传递律有XW→Z ⑶已知ZY ，由自反律知Y→Z，又因X→Y，所以由传递律可得 X→Z

10 4.关于多值依赖的另一种定义是：给定一个关系模式R(X,Y,Z)，其中，X,Y,Z可以是属性或属性组。设xX，yY，zZ，xz在R中的像集为：Yxz={r.Y|r.X=x∧r.Z=z∧rR}。定义：R(X,Y,Z)当且仅当Yxz= Yxz’对于每一组(x,z,z’)都成立，则Y对X多值依赖，记作X→→Y。这里，允许Z为空集，在Z为空集时，称为平凡的多值依赖。 证明：设Yxz= Yxz’对于每一组(x,z,z’)都成立，并设s,t是关系r中的两个元组，s[X]=t[X]，由上述定义的条件可知对于每一个z值，都对应相同的一组y值。即对相同的x值，交换y值后所得的元组仍然属于关系r，即定义5.9的条件成立。 若定义5.9的条件成立，则对相同的x值，交换y值后所得的元组仍然属于关系r，由于任意性及其对称性，可知每个z值对应相同的一组y值，所以Yxz= Yxz’对于每一组(x,z,z’)都成立。 综上，本定义和定义5.9的条件是等价的，所以两定义等价。

11 5.试举出3个多值依赖的实例。 答：⑴关系模式MSC(M,S,C)中，M为专业，S为学生，C为该专业的必修课。假设每个专业有多个学生，有一组必修课。设同专业内所有学生选修的必修课相同。按照语义，对于M的每一个值Mi，S有一个完整的集合与之对应而不管C取何值，所以M→→S。由于C与S的完全对称性，必然有M→→C。 ⑵关系模式ISA(I,S,A)中，I为学生兴趣小组，S为学生，A为某兴趣小组的活动项目。假设每个兴趣小组有多个学生，有若干活动项目。每个学生参加所在兴趣小组的所有兴趣活动项目，每个活动项目要求该兴趣小组的所有学生参加。按照语义有I→→S，I→→A。 ⑶关系模式RDP(R,D,P)中，R为医院病房，D为责任医务人员，P为病人。假设每个病房住有多个病人，有多个责任医务人员负责医治和护理该病房的所有病人。按照语义有R→→D，R→→P。

12 6. 第五章图5.12表示一个公司各部门的层次结构。 对每个部门，数据库中包含部门号(唯一的)D#、预算费(BUDGET)以及此部门领导人员的职工号E#(唯一的)信息。 职工信息包括：职工号、他所参加的生产与科研项目号(J#)、他所在办公室的电话号码(PHONE#)。 生产与科研项目包含：项目号(唯一的)、预算费。 办公室信息包含办公室房间号(唯一的)、面积。 对每个职工，数据库中有他曾担任过的职务以及担任某一职务时的工资历史。 对每个办公室包含此办公室中全部电话号码的信息。 请给出你认为合理的数据依赖，把这个层次结构转换成一组规范化的关系。提示：此题可分步完成，第一步先转换成一组1NF的关系，然后逐步转换为2NF，3NF，BCNF。

13 答：⑴根据题中的语义假设给出一组函数依赖。语义假设为：一个职工不能同时成为多个部门的领导人；一个职工不能同时在多个部门就职；一个职工不能同时参加多个生产与科研项目；一个职工不能同时在两个不同的办公室办公；一个职工不能同时拥有两部或两部以上的电话；一个生产与科研项目不能同时分配给多个部门；一个办公室不能同时分配给多个部门；部门号、职工号、项目号、办公室号码及电话号码是全局唯一的。 ⑵ 设计一组关系模式，它们都是属于1NF的。 部门DEPT(DEPT#,DBUDGET,MGR_EMP#)，其中DEPT#和MGR_EMP#都是候选码 职工EMP1(EMP#,DEPT#,PROJ#,OFF#,PHONE#)，候选码为EMP# ，但有PHONE#→OFF#, OFF#→DEPT#,PROJ#→DEPT# 职务JOB(EMP#,JOBN)，工资史SALHIST(EMP#,DATE,JOBN,SALARY) 生产与科研项目PROJ(PROJ#,DEPT#,PBUDGET) 办公室OFFICE(OFF#,DEPT#,AREA)， 电话PHONE(PHONE#,OFF#) ⑶ 分析可知，JOB的属性全包含在SALHIST中，所以JOB可消去。 EMP1中OFF#,DEPT#都传递函数依赖于主码EMP#，故将EMP#分解。

14 分解为4个3NF的关系模式： EMP(EMP#,PROJ#,PHONE#)、X(PHONE#,OFF#)、 Y (PROJ#,DEPT#) 和Z(OFF#,DEPT#) 然而X就是PHONE，Y是PROJ的投影，Z是OFFICE的投影，所以X、Y和Z都可以消去。最后得到如下6个关系模式，它们都是3NF，也是BCNF。 DEPT(DEPT#,DBUDGET,MGR_EMP#) EMP(EMP#,PROJ#,PHONE#) SALHIST(EMP# ,DATE,JOBN,SALARY) PROJ(PROJ#,DEPT#,PBUDGET) OFFICE(OFF#,DEPT#,AREA) PHONE(PHONE#,OFF#)

15 12.下面的结论哪些是正确的，哪些是错误的？对于错误的结论请给出理由或给出一个反例说明之。
答：⑴任何一个二目关系都是属于3NF的。 √ ⑵任何一个二目关系都是属于BCNF的。 √ ⑶任何一个二目关系都是属于4NF的。 √ ⑷当且仅当函数依赖A→B在R上成立，关系R(A,B,C)等于其投影R1(A,B) 和R2(A,C)的连接。 × 当A→B在R上成立，关系R(A,B,C)等于其投影R1(A,B) 和R2(A,C)的连接。反之则不然。正确的是当且仅当函数依赖A→→B在R上成立，关系R(A,B,C)等于其投影R1(A,B) 和R2(A,C)的连接。 ⑸若R.A→R.B，R.B→R.C，则R.A→R.C √ ⑹若R.A→R.B，R.A→R.C，则R.A→R.(B,C) √ ⑺若R.B→R.A，R.C→R.A，则R.(B,C) →R.A √ ⑻若R.(B,C) →R.A，则R.B→R.A，R.C→R.A × 反例：关系模式SC(S#,C#,G)，(S#,C#)→G，但S# ↛ G，C# ↛ G。

16 作业 预习6.1～6.3。

17 下课了。。。 追求 休息