Функциональная зависимость базы данных. Нормализация данных
Функциональная зависимость.
Атрибут В функционально зависит от атрибута А, если одно значение А определяет точно одно значение В.
В том случае, если для данного отношения все его атрибуты функционально зависят от одного атрибута, то этот атрибут – потенциальный простой ключ, если его значения в пределах отношения уникальны. Какой-то из потенциальных ключей назначается ключом отношения.
В отношении иногда можно выделить совокупность нескольких атрибутов, от которой функционально зависят все остальные атрибуты. Если ее значения уникальны в совокупности в пределах отношения, то эта совокупность – сверхключ отношения ,
Если атрибут В функционально зависит от сверхключа, но нет функциональной зависимости от любого подмножества сверхключа, то имеет место полная функциональная зависимость В от сверхключа.
Если все атрибуты одного отношения функционально зависят от данного сверхключа, но нет функциональной зависимости от любого подмножества этого сверхключа, то сверхключ является потенциальным ключом .
Составной ключ отношения выбирается из потенциальных ключей.
Обратите внимание, что термин функциональная зависимость соответствует понятию функции в математике. Если неключевой атрибут зависит от всего составного ключа и не зависит от его частей, то говорят о полной функциональной зависимости атрибута от составного ключа.
Если атрибут А зависит от атрибута В, а В зависит от атрибута С, но обратная зависимость отсутствует, то говорят, что атрибут С зависит от А транзитивно.
Типы связей в реляционных базах
Связываются на самом деле записи разных отношений БД, однако принято говорить о связывании этих отношений. При связывании устанавливаются ссылки кортежей одного отношения на кортежи другого отношения, принадлежащих одной БД.
Всего поддерживается четыре типа связей (ссылок): «один к одному», «много к одному», «один ко многим», «много ко многим».
Связь «один ко многим»
ОтношениеХ связано с отношением У «один ко многим», если каждому кортежу из Х соответствует несколько кортежей из У . При этом указывается, на какое поле х из Х ссылается поле у из У .
Чтобы ссылки установить, в СУБД существует режим проектирования связей. Чтобы со связанной БД корректно работала СУБД, связи должны удовлетворять условиям, которые защищают целостность БД. Ограничения устанавливаются на свойства связываемых полей. В данном случае, в отношении Х (со стороны «один») связующее поле х должно обладать уникальностью значений, а поле у из У не должно содержать значений, отсутствующих в х . Поле х называется первичным ключом , а поле у – внешним ключом . В этой связи отношение Х , в котором размещен первичный ключ, называется главным отношением , а отношениеУ , в котором находится внешний ключ, называется подчиненным отношением .
Пример связей «один ко многим»:
отношение «Заказы» (подчиненная) и отношение «Товары» (главная);
отношение «Заказы» (подчиненная) и отношение «Клиенты» (главная).
В отношении ЗАКАЗЫ внешние ключи для связи с отношениями ТОВАРЫ и КЛИЕНТЫ:Товар_зак и Клиент_зак. В отношенияхТОВАРЫ и КЛИЕНТЫ первичные ключи Товар_код и Клиент_код, на которые внешние ключи ссылаются.
Связь «один к одному»
Если в связи «один ко многим»внешний ключ у содержит только уникальные значения, то это тип связи «один к одному» - каждой записи в У соответствует одна запись в Х и каждой записи в Х соответствует не более одной записи в У . При этом внешний ключ у не является, как х , первичным ключом связи, так как в поле х могут быть значения, которых нет в у . А в поле у таких значений, которых нет в поле х , быть не может. В отношениях Х и У может быть разное число кортежей.
Связь «много к одному»
Определяется как связь «один ко многим», но отношения Х и У в определении меняются местами.
Связь «много ко многим»
Устанавливается между двумя отношениями Х и У, еслив каждом из них расположен первичный ключ связи с третьим отношением С, в котором размещены два внешних ключа связей «один ко многим» между Х иС и«один ко многим» между С иУ. ОтношениеС называют связующим. В отношении С нужно назначать составной ключ (а не простой). В этот составной ключ должны входить внешние ключи двух связей (или большего числа, если таких пар, как Х и У, связываемых черезС, имеется несколько).
Фиксируются два базовых требования (ограничения) для сохранения целостности. Ограничения целостности по сущностям и по ссылкам должны поддерживаться реляционной СУБД.
Первое целостности сущностей . Объекту предметной области (или сущности в модели предметной области) в реляционных БД соответствуют кортежи отношений. Конкретно требование состоит в том, что любой кортеж любого отношения отличим от любого другого кортежа этого же отношения. Другими словами: любое отношение должно обладать ключом. Это требование автоматически удовлетворяется, если в системе не нарушаются базовые свойства отношений.
Для соблюдения целостности по сущностям достаточно гарантировать отсутствие в любом отношении кортежей с одним и тем же значением ключа .
Второе требование называется требованием целостности по ссылкам и является несколько более сложным. Очевидно, что сложные сущности модели предметной области представляются в реляционной БД в виде нескольких кортежей нескольких связанных отношений.
Требование целостности по ссылкам, или требование внешнего ключа, состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа подчиненного отношения, в главном отношении должен найтись кортеж с этим значением первичного ключа, либо значение внешнего ключа должно быть неопределенным (ни на что не указывать). Для примера связей записей отношений сотрудники и отделы это означает, что если для сотрудника в отношении сотрудник в поле отдел указан номер отдела, то этот отдел должен существовать в отношении отделы.
При обновлении подчиненного отношения (вставке новых кортежей или модификации значения внешнего ключа в существующих кортежах) СУБД достаточно следить за тем, чтобы не появлялись некорректные значения внешнего ключа (те значения, которых нет в поле первичного ключа главного отношения). При удалении кортежа из главного отношения, если на него ссылается подчиненное отношение, в СУБД есть несколько следующих приемов, каждый из которых поддерживает целостность по ссылкам.
1) Запрещается производить удаление кортежа, на который существуют ссылки (т.е. сначала нужно либо удалить ссылающиеся кортежи, либо соответствующим образом изменить значения их внешнего ключа).
2) При удалении кортежа, на который имеются ссылки, во всех ссылающихся кортежах значение внешнего ключа автоматически становится неопределенным.
3) Создается каскадное удаление, состоящее в том, что при удалении кортежа из главного отношения, из подчиненного отношения автоматически удаляются все ссылающиеся кортежи.
В развитых реляционных СУБД можно выбрать способ поддержания целостности по ссылкам для каждой отдельной ситуации. Для принятия решения необходимо анализировать требования конкретной предметной области.
Проектирование реляционных баз данных. Нормализация.
Понятие нормализации
Будет рассмотрен классический подход, при котором весь процесс проектирования производится в терминах реляционной модели данных методом последовательных приближений к удовлетворительному набору схем отношений.
Исходной точкой является представление предметной области в виде одного или нескольких отношений, и на каждом шаге проектирования производится преобразование исходной схемы отношений в некоторый набор, обладающий лучшими свойствами.
Процесс проектирования представляет собой процесс нормализации схем отношений , приведение отношений к «нормальным формам», причем каждая следующая нормальная форма обладает свойствами лучшими, чем предыдущая. Реально процесс нормализации осуществляется через декомпозицию отношений, следуя определенным правилам, которые будут рассмотрены ниже. Именно декомпозиция приводит отношение к очередной нормальной форме.
Каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений.
Требование первой нормальной формы является общим базовым требованием классической реляционной модели данных. Существенное ограничение первой нормальной формы - атрибуты отношения атомарны, то есть атрибуты не являются сами отношениями, далее не делятся (как атомы).
В теории реляционных баз данных известно теоретически 7 нормальных форм, здесь выделяется следующая последовательность 6 нормальных форм:
· первая нормальная форма (1NF);
· вторая нормальная форма (2NF);
· третья нормальная форма (3NF);
· нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF);
· четвертая нормальная форма (4NF);
· пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF).
Практическое значение имеют первые три нормальные формы.
Основные свойства нормальных форм
В основе процесса проектирования лежит метод декомпозиции отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме, в два или более отношения, удовлетворяющих требованиям следующей нормальной формы.
Наиболее важные на практике нормальные формы отношений основываются на фундаментальном в теории реляционных баз данных понятии функциональной зависимости. Это понятие было рассмотрено в лекции №4. Уточним определения, распространяя их на наборы полей.
Реляционная база данных содержит как структурную, так и семантическую информацию. Структура базы данных определяется числом и видом включенных в нее отношений, и связями типа "один ко многим", существующими между кортежами этих отношений. Семантическая часть описывает множество функциональных зависимостей, существующих между атрибутами этих отношений. Дадим определение функциональной зависимости.
Определение: Если даны два атрибута X и Y некоторого отношения, то говорят, что Y функционально зависит от X, если в любой момент времени каждому значению X соответствует ровно одно значение Y. Функциональная зависимость обозначается X -> Y. Отметим, что X и Y могут представлять собой не только единичные атрибуты, но и группы, составленные из нескольких атрибутов одного отношения. Можно сказать, что функциональные зависимости представляют собой связи типа "один ко многим", существующие внутри отношения.
2-аянормальная форма (2НФ) отношения. Определение полной функциональной зависимости и 2НФ. Характеристика отношения во 2НФ. Алгоритм приведения ко 2НФ. Теорема Хита. Примеры.
Понятие полной функциональной зависимости.
Определение: неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа если он функционально зависит от всего ключа в целом, но не находится в функциональной зависимости от какого-либо из входящих в него атрибутов.
Определение: избыточная функциональная зависимость - зависимость, заключающая в себе такую информацию, которая может быть получена на основе других зависимостей, имеющихся в базе данных.
2NF - вторая нормальная форма.
Определение второй нормальной формы: отношение находится во 2НФ , если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от ключа.
Корректной считается такая схема базы данных, в которой отсутствуют избыточные функциональные зависимости. В противном случае приходится прибегать к процедуре декомпозиции (разложения) имеющегося множества отношений. При этом порождаемое множество содержит большее число отношений, которые являются проекциями отношений исходного множества. (Операция проекции описана в разделе, посвященном реляционной алгебре). Обратимый пошаговый процесс замены данной совокупности отношений другой схемой с устранением избыточных функциональных зависимостей называется нормализацией.
Условие обратимости требует, чтобы декомпозиция сохраняла эквивалентность схем при замене одной схемы на другую, т.е. в результирующих отношениях:
1)не должны появляться ранее отсутствовавшие кортежи;
2)на отношениях новой схемы должно выполняться исходное множество функциональных зависимостей.
Теорема Хита
Пусть дано отношение .
Если r удовлетворяет функциональной зависимости , то оно равно соединению его проекцийи
3-я нормальная форма (3НФ) отношения. Определение транзитивной зависимости и 3НФ.Алгоритм приведения к 3НФ.Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК).Определение и алгоритм приведения к НФБК. Характеристика отношения в 3НФ и в НФБК. Примеры.
Информация всегда имела адекватный динамичный интерес. Развитие языков программирования, реляционных баз данных и информационных технологий кардинально изменило содержание и структуру интереса. Сложилась определенная строгая система представлений. Формализация, точная математика и бинарные отношения стали успешной и, стремительно развивающейся, областью знаний и опыта.
Естественный мир информации не поменял своей динамики и, развивая содержание и структуру, поднялся на новую высоту. Он имеет плавные формы, и в природе нет ничего «прямоугольного» . Информация, безусловно, поддается формализации, но у нее есть динамика, меняются не только данные и алгоритмы их обработки, меняются сами задачи и области их применения.
Информация > формализация >> данные
Информация, превращается в информационная структура, база данных…) так, как это видит программист. Нет никакой гарантии, что это видение правильно, но если его программа решает поставленную задачу, значит данные были представлены возможно надлежащим образом.
Вопрос о том, насколько была правильно формализована информация - вопрос времени. До сих пор понятие динамики (самоадаптации к изменяющимся условиям использования) - только лишь мечта программирования.
Функциональная зависимость: «правильное решение = программа (программист)» и условие: «непрерывное соответствие задаче» действительны в большинстве случаев, но только совместно. Но это не та математическая основа, которая применяется при создании баз данных.
Прямое утверждение: естественная и непрерывная динамика информации и алгоритмов решения задач действительно всегда. А это бинарные отношения + строгая математика + точные формальные конструкции, + ...
и базы данных
Как хранятся данные уже давно неважно: будь то оперативная память или внешнее устройство. Аппаратная составляющая достигла уверенных темпов развития и обеспечивает хорошее качество в больших объемах.
Основные варианты хранения, отличающиеся вариантами использования данных:
- файлы;
- базы данных.
Первое отдано на откуп программисту (что записывать, в каком формате, как это делать, как читать…), второе сразу приносит необходимость познания простой функциональной зависимости.
Скорость выборки и записи информации при работе с файлами (разумного размера, а не астрономического) очень быстра, а скорость аналогичных операций с базой данных может порой быть заметно медленной.
Личный опыт и коллективный разум
В истории были попытки выйти за достигнутые пределы, но по сей день властвуют реляционные базы данных. Накоплен большой теоретический потенциал, практика применения обширная, а разработчики - высококвалифицированные.
Понятие функциональной зависимости разработчики баз данных навязывают программисту, даже если тот не намерен использовать богатый математическо-логический опыт построения сложных информационных структур, процессов работы с ними, выборки и записи информации.
Даже в самом простом случае программист зависит от логики базы данных, какую бы он ни выбрал для работы. Нет желания следовать канонам, можно использовать файлы, получится много файлов и много личного опыта. Будет потрачено много личного времени и задача будет решена за длительное время.
Какими бы сложными ни казались примеры функциональной зависимости, вовсе не обязательно погружаться в глубины смысла и логики. Часто следует признать, что коллективный разум сумел создать отличные базы данных, различного размера и функциональности:
- солидный Oracle;
- требовательный MS SQL Server;
- популярный MySQL.
Прекрасные реляционные базы данных с хорошей репутацией, удобные в использовании, быстрые в умелых руках. Их применение экономит время и избавляет от необходимости писать очередные простыни вспомогательного кода.
Особенности программирования и данных
У программирования с давних пор болезнь что-то постоянно переписывать, повторять труд предшественников, чтобы как-то что-то адаптировать к изменившейся информации, задаче или условиями ее использования.
Особенность функциональной зависимости в том, что, как и в программировании, ошибка может стоить очень дорого. Задача редко бывает простой. Обычно, в ходе формализации информации, получается сложное представление данных. Обычно выделяются их элементы, потом они увязываются ключами в определенные отношения, потом налаживаются алгоритмы формирования таблиц, запросы, алгоритмы выборки информации.
Часто большое значение имеет привязка к кодировке. Не все базы данных предлагают мобильные решения, часто можно столкнуться с тем, как прекрасно настроенный MySQL, на котором лежит десяток баз данных, отлично и стабильно работающий, вынуждает разработчика делать одиннадцатую базу подобной тем, которые уже есть.
Бывают случаи, когда общий хостинг ограничивает функциональность PHP и это накладывает отпечаток на программирование доступа к базе данных.
В современном программировании ответственность за алгоритм программы эквивалентна ответственности за создание модели данных. Все должно работать, но не всегда следует погружаться в дебри теории.
БД: простая зависимость в данных
Прежде всего, понятие БД - это и база данных как система управления (например, MySQL), так и некая информационная структура, отражающая данные задачи и связи между ними. Одна база MySQL «держит» на себе сколько угодно информационных структур по различным сферам применения. Одна база Oracle, может обеспечивать информационные процессы крупной компании или банка, контролировать вопросы безопасности и сохранности данных на высочайшем уровне, располагаясь на множестве компьютеров, находящихся на различном удалении, в различных инструментальных средах.
Принято полагать, что отношение есть основное в реляционной модели. Элементарное отношение - это множество колонок с именами и строк со значениями. Классический «прямоугольник» (таблица) - простое и эффективное достижение прогресса. Сложности и функциональная зависимость базы данных начинаются, когда «прямоугольники» начинают вступать в отношения друг с другом.
Имя каждой колонки в каждой таблице должно быть уникальным в контексте задачи. Одно и то же данное не может быть в двух таблицах. Знать смысл понятий:
- «определить сущности»;
- «исключить избыточность»;
- «зафиксировать взаимосвязи»;
- «обеспечить достоверность».
Элементарная необходимость для использования базы данных и построения модели данных для конкретной задачи.
Нарушение любого из этих понятий - низкая эффективность алгоритма, медленная выборка данных, потеря данных, и другие неприятности.
Функциональная зависимость: логика и смысл
Можно не читать про кортежи отношений, про то что функция - это соответствие множества аргументов множеству значений, а функция - это не только формула или график, но может быть задана множеством значений - таблицей.
Не обязательно, но вовсе не помешает представлять функциональную зависимость как:
F(x1, x2, …, xN) = (y1, y2, …, yN).
Но обязательно понимать, что на входе - таблица, на выходе тоже таблица или конкретное решение. Обычно функциональная зависимость устанавливает логику отношений между таблицами, запросами, привилегиями, триггерами, хранимыми процедурами и другими моментами (компонентами) базы данных.
Обычно, таблицы преобразуются друг в друга, потом в результат. Но использование функциональной зависимости не ограничивается только такой идеей. Программист сам строит свое представление картины данных, информационной структуры… неважно, как это именовать, но если оно работает на конкретной базе данных, оно должно строиться по ее логике, учитывать ее смысл и диалект используемого языка, как правило, SQL.
Можно утверждать, что свойства функциональных зависимостей базы данных доступны через диалект используемого языка SQL. Но гораздо важнее понимать: после всех перипетий развития, не так много баз данных выжило, но диалектов этого языка много и особенностей внутренних конструкций в базах тоже.
О старом добром Excel
Когда компьютер показал себя с положительной стороны, мир сразу разделился на программистов и пользователей. Как правило, первые используют:
- PHP, Perl, JavaScript, C++, Delphi.
- MySQL, Oracle, Visual FoxPro.
- Word.
- Excel.
Некоторые пользователи умудряют делать самостоятельно (без помощи программистов) в Word базы данных - реальный нонсенс.
Опыт работы пользователей в Excel по созданию баз данных - практичен и интересен. Важно то, что Excel, сам по себе, функционален, красочен и практичен.
Табличная идея, определила понятие функциональной зависимости наглядно и доступно, но нюансы есть у каждой базы данных. У каждой свое «лицо», но все от Excel до Oracle манипулируют простыми квадратами, то есть таблицами.
Если учесть, что Excel - это совсем не база данных, но многие юзеры (не программисты) его именно так используют, а Oracle - это сложнейшее и мощнейшее достижение большого коллектива разработчиков именно в области баз данных, то становится естественным признать - база данных это представление конкретного программиста (коллектива) о конкретной задаче и ее решении.
Что такое функциональная зависимость, с чем, куда, почему… очевидно только автору или коллективу таковых.
О том, куда реляционные отношения идут
Научно-технический прогресс - весьма мучительная процедура, а местами жестокая. Если вспомнить с чего начинались базы данных, что такое *.dbf, как клеймили кибернетику, потом полюбили информатику и стали устраивать препоны перемещению высоких технологий на уровне стран, становится ясно почему реляционные базы данных так живучи и хороши. Почему классический стиль программирования по сей день живет, а объектно-ориентированное программирование просто ценится, но еще не властвует.
Как бы ни была прекрасна функциональная зависимость в контексте математики:
Это не бинарные отношения, точнее, это повод переосмыслить идею устанавливать отношения между множеством атрибутов, исследовать связи «один к многим», «многие к одному», «многие ко многим» или «многие вообще, а одни в частности».
Вариантов отношений можно придумать великое множество. Это математика с логикой, и она строгая! Информация - это своя математика, особенная. В ней о формальности можно говорить только с очень большим минусом.
Можно формализовать работу отдела кадров, написать АСУ для добычи нефти или производства молока, хлеба, сделать выборку в огромной базе гугла, яндекса или рамблера, но результат будет всегда статичен и каждый момент времени одинаков!
Если функциональная зависимость = строгая логика и математика = основа для баз данных, то о какой динамике можно вести речь. Любое решение будет формальным, любая формальная модель данных + строгий алгоритм = точное и однозначное решение. Информация и область применения любой программы меняются всегда.
Выборка поисковой системы на одной и той же поисковой фразе не может быть одной и той же через час или через два и, однозначно, через день - если поисковая фраза относится к области информации, в которой количество сайтов, ресурсов, знаний, прочих элементов непрерывно меняется.
Даже если программа чисто математическая и ее база данных даже не мыслит о динамике, все всегда есть строки . А у строки есть длинна. И бесконечной она быть не может. Она не может быть даже переменной, только условно-переменной. Помимо всего прочего, любая база данных своим математическим и бинарным-бюрократическим аппаратом накладывает массу формальностей, а это скорость+качество выборки и обработки информации.
А если те или иные поля в базе данных числа, особенно вещественные то в ограничения добавятся: разрядность числа, наличие буквы "е", формата представления - короче везде и всегда имеем важные свойства функциональных зависимостей базы данных: строки условно-переменной длины с массой бинарных формальностей и строгих математических ограничений.
Если сменить тон и прислушаться к пульсу динамики, то все можно расписать на объекты. В первом приближении имя колонки в таблице - это объект, список имен - тоже объект, короче таблица - это объект шапки и в нем имена колонок в шапке. И шапки может вовсе не быть...
Но в таблице могут быть строки. И в строке могут быть значения. И почему их всегда должно быть одинаковое количество. Полная квадратная таблица - это частность, причем в большинстве случаев, частная.
Если представить все конструкции в базе данных объектами, то, быть может, не придется выстраивать строгие бинарные отношения. В этом есть естественный и реальный смысл хотя бы потому, что это по объективной (однозначно не математической) логике отражает динамику информации и среды, в которой существуют задачи.
Объединение нескольких атрибутов в одно отношение выполняется не случайным образом. Данные, которые будут храниться в этом отношении, взаимосвязаны между собой. Эта взаимосвязь определяется множеством функциональных зависимостей между атрибутами отношения. Это означает, что значения одного атрибута зависят от значений других атрибутов, т. е. допустимы не любые сочетания значений атрибутов. Зависимости эти вытекают из ограничений предметной области. Например, в отношении Поставки существуют следующие ограничения:
· каждый поставщик имеет только один адрес,
· каждый поставщик поставляет товар по определенной цене,
· товары, поставленные разными поставщиками, могут быть распределены по разным складам, но товар одного наименования, поставляемый одним поставщиком, должен храниться только на одном складе,
· каждый склад имеет свой объем.
Эти ограничения являются зависимостями, которые можно сформулировать следующим образом:
· адрес функционально зависит от поставщика,
· цена функционально зависит от товара и поставщика,
· номер склада функционально зависит от товара и поставщика,
· объем функционально зависит от номера склада.
Функциональная зависимость имеет место, когда значения кортежа на одном множестве атрибутов однозначно определяют значения кортежа на другом множестве атрибутов (или на одном атрибуте).
Пусть отношение r имеет схему R , X и Y – подмножества R . Отношение r удовлетворяет функциональной зависимости X→Y , если π Y (σ X=x (r)) имеет не более чем один кортеж для каждого значения xÎX , т. е. значения атрибутов X однозначно определяют значения атрибутов Y.
Функциональную зависимость будем обозначать следующим образом:
· Поставщик → Адрес,
· {Товар, Поставщик}→ Цена,
· {Товар, Поставщик}→ Склад,
· Склад → Объем.
А читаются они так:
· Поставщик определяет Адрес,
· Товар и Поставщик определяют Цену,
· Товар и Поставщик определяют Склад,
· Склад определяет Объем.
На языке функциональных зависимостей ключ для схемы R – это подмножество KÍR , такое, что K →R , и никакое собственное подмножество K¢ÍK этим свойством не обладает.
Нормальные формы
Сформулируем правила, по которым следует проводить декомпозицию отношения. Этот процесс называется нормализацией, т. е. приведением отношения к нормальной форме.
Нормальные формы представляют собой ограничения на схему отношения, избавляющие ее от нежелательных свойств, которые были перечислены выше. Прежде чем приводить отношения к нормальной форме, следует построить все функциональные зависимости между атрибутами, которые существуют в предметной области.
Схема отношения R находится в первой нормальной форме (1НФ ), если значения всех атрибутов являются атомарными (не составными), т. е. значение каждого атрибута не является ни списком, ни множеством значений.
Например, атрибут ФИО является составным, состоит из трех данных: фамилии, имени и отчества.
Чтобы привести схему в 1НФ, нужно все составные атрибуты заменить простыми.
Чтобы избавиться от избыточности информации, хранящейся в базе данных, существуют вторая и третья нормальные формы.
Схема отношения R находится во второй нормальной форме (2НФ ), если она находится в первой нормальной форме, и каждый непервичный атрибут функционально полно зависит от первичного ключа.
Что такое неполная функциональная зависимость от ключа? Такая зависимость присутствует в отношении, если какой-либо атрибут, не входящий в ключ, функционально зависит от части атрибутов, входящих в ключ. Любой непервичный атрибут обязательно функционально зависит от всех первичных атрибутов по определению ключа отношения. А если какой-либо непервичный атрибут, кроме того, функционально зависит не от всех, а от части первичных атрибутов, то это и есть неполная функциональная зависимость.
Например, в отношении Поставка первичными атрибутами являются Товар и Поставщик . Атрибут Цена функционально полно зависит от ключа, а атрибут Адрес зависит от части ключа, т. е. только от атрибута Поставщик , это неполная функциональная зависимость. Значит, схема Поставки не находится во 2НФ.
Чтобы привести схему, находящуюся в 1НФ, ко 2НФ, нужно разбить ее на несколько схем:
· выполнить проекцию схемы R на первичные атрибуты и атрибуты, функционально полно зависящие от ключа, т. е. исключить непервичные атрибуты, которые неполно зависят от ключа,
· для каждой неполной функциональной зависимости выполнить проекцию схемы R на атрибуты, входящие в эту зависимость, т. е. оставить часть ключа отношения R и атрибуты, функционально зависящие от этой части.
В примере с отношением Поставки в результате приведения схемы ко 2НФ получатся два отношения:
Поставки_1 (Товар , Поставщик , Цена, Склад, Объем ),
Поставки_2 (Поставщик , Адрес ).
Однако информация об объеме склада продолжает дублироваться. Для устранения этого недостатка схемы существует третья нормальная форма.
Схема отношения R находится в третьей нормальной форме (3НФ ), если она находится во второй нормальной форме и в ней отсутствуют транзитивные зависимости непервичных атрибутов от ключа.
Что такое транзитивные зависимости? Транзитивная зависимость имеет место, если какой-либо непервичный атрибут функционально зависит от другого непервичного атрибута, а тот в свою очередь функционально зависит от ключа.
Схема отношения Поставки_1 (Товар , Поставщик , Цена, Склад, Объем ) не находится в 3НФ, так как в ней присутствует транзитивная зависимость:
{Товар, Поставщик } → Склад , Склад → Объем .
Чтобы привести схему, находящуюся во 2НФ, в 3НФ, нужно:
· выполнить проекцию схемы R на первичные атрибуты и атрибуты, транзитивно не зависящие от ключа, т. е. исключить непервичные атрибуты, которые транзитивно зависят от ключа,
· для каждого транзитивно зависимого непервичного атрибута выполнить проекцию схемы R на атрибуты, входящие во вторую часть транзитивной зависимости, т. е. оставить только непервичные атрибуты отношения R , между которыми имеется функциональная зависимость.
В примере с отношением Поставки_1 в результате приведения схемы к 3НФ получатся два отношения:
Поставки_1_1 (Товар , Поставщик , Цена, Склад ),
Поставки_1_2 (Склад , Объем ).
Таким образом, последовательно выполняя разделение исходной схемы отношения на несколько других схем согласно рассмотренным правилам, получаем схему в 3НФ, свободную от аномалий обновления и дублирования информации, о чем говорилось в начале раздела.
Процесс разделения схемы отношения на несколько других схем называется декомпозицией схемы отношения. Декомпозиция, приводящая отношение к одной из нормальных форм, называется нормализацией .
В рассмотренном примере в результате декомпозиции вместо одного отношения Поставки мы получили три новых отношения:
Поставки_1_1 (Товар , Поставщик , Цена, Склад ),
Поставки_1_2 (Склад , Объем ),
Поставки_2 (Поставщик , Адрес ).
При такой схеме, состоящей из трех связанных внешними ключами отношений, не будет дублирования информации об адресе поставщика и объеме склада, если склад пуст, то объем его останется в базе данных, если поставщик не поставляет товары, то его адрес все равно будет храниться в базе данных.
Как вы заметили, схема в 3НФ избавляет базу данных от дублирования информации и аномалий обновления, но не всегда.
Рассмотрим отношение Лекции (Студент , Предмет , Преподаватель ), которое хранит информацию о том, какие предметы изучают студенты и кто ведет эти предметы. Предметная область накладывает следующие ограничения:
· каждый студент, изучающий данный предмет, обучается только одним преподавателем,
· каждый преподаватель ведет только один предмет, но каждый предмет может вести несколько преподавателей.
Из этих ограничений вытекают следующие функциональные зависимости:
· {Студент, Предмет} → Преподаватель;
· Преподаватель → Предмет.
Из функциональных зависимостей вытекает, что ключом отношения Лекции будет набор атрибутов {Студент , Предмет }.
Отношение Лекции находится в 3НФ. Но оно страдает аномалиями обновления. Если требуется удалить информацию о том, что Петров изучает Физику, то утратится информация о том, что профессор Серов преподает Физику. В то же время информация о том, что профессор Белый ведет Алгебру, дублируется.
Эти трудности вызваны тем, что существует функциональная зависимость первичного атрибута от непервичного. Эта проблема решается в нормальной форме Бойса–Кодда.
Отношение находится в нормальной форме Бойса–Кодда (НФБК) , если оно находится в 3НФ и в нем отсутствуют зависимости первичных атрибутов от непервичных. Эквивалентное определение требует, чтобы все левые части функциональных зависимостей были потенциальными ключами.
Приведя отношение к НФБК, мы получим два отношения: Лекции_1 (Студент, Преподаватель ) и Лекции_2 (Преподаватель, Предмет ).
Многозначные зависимости
Атрибут X многозначно определяет атрибут Y в R (или Y многозначно зависит от X ), если каждому значению атрибута X соответствует множество (возможно, пустое) значений атрибута Y , никак не связанных с другими атрибутами R . То есть для наличия в отношении многозначной зависимости необходимо иметь как минимум три атрибута.
Многозначная зависимость обозначается двойной стрелкой: X→→Y .
Рассмотрим отношение Преподаватель (Номер , Имя_ребенка , Предмет , Должность ). Предметная область накладывает следующие ограничения:
· каждый преподаватель может иметь несколько детей,
· каждый преподаватель может вести несколько предметов,
· каждый преподаватель может занимать только одну должность,
· каждый предмет могут вести несколько преподавателей.
Тогда отношение Преподаватель имеет две многозначные зависимости и одну функциональную:
· Номер→→Имя_ребенка,
· Номер→→Предмет,
· Номер→Должность.
Отношение Преподаватель , во-первых, содержит избыточную информацию – должность преподавателя повторяется несколько раз. Во-вторых, оно не свободно от аномалий обновления: если у преподавателя появляется еще один ребенок, необходимо добавить в отношение не один кортеж, а столько, сколько предметов ведет этот преподаватель. Аналогично, при добавлении еще одного предмета требуется добавить столько кортежей, сколько детей имеет преподаватель. А если преподаватель не имеет детей, то информацию о том, какие предметы он ведет, вообще нельзя занести в отношение.
Для избавления от этих аномалий необходимо привести отношение к четвертой нормальной форме.
Отношение находится в четвертой нармальной форме (4НФ ), если оно находится в нормальной форме Бойса–Кодда и в нем отсутствуют многозначные зависимости, которые не являются функциональными.
После приведения отношения Преподаватель к 4НФ мы получим три отношения:
Преподаватель_1 (Номер , Должность ),
Преподаватель_2 (Номер , Имя_ребенка ),
Преподаватель_3 (Номер , Предмет ).
Свойства декомпозиции
Что такое функция? Функциональная зависимость, или функция, - это такая зависимость между двумя переменными, при которой каждому значению независимой переменной соответствует единственное значение зависимой переменной. Независимую переменную иначе называют аргументом, а о зависимой говорят, что она является функцией от этого аргумента. Все значения, которые принимает независимая переменная, образуют область определения функции.
Существует несколько способов задания функции: 1.С помощью таблицы. 2.Графический. 3.С помощью формулы. Графиком функции называется множество всех точек координатной плоскости, абсциссы которых равны значениям аргумента, а ординаты - соответствующим значениям функции.
Линейной функцией называется функция, которую можно задать формулой вида y=kx+b, где x – независимая переменная, k и b – заданные числа. Для построения графика линейной функции достаточно найти координаты двух точек графика, отметить эти точки в координатной плоскости и провести через них прямую. Прямая пропорциональность – функция вида у=кх, где х – независимая переменная, к – не равное нулю число. Графиком прямой пропорциональности является прямая, проходящая через начало координат.
Построение графика линейной функции Для построения графика линейной функции необходимо: - выбрать любые два значения переменной х (аргумента), например 0 и 1; - вычислить соответствующие значения переменной y (функции). Полученные результаты удобно записывать в таблицу x01 y - полученные точки А и В изображаем в системе координат; - соединяем по линейке точки А и В. Пример. Построим график линейной функции y = -3·x+6. x01 y63
Обратной пропорциональностью называется функция, которую можно задать формулой вида у=k/х, где х - независимая переменная и k - не равное нулю число. Областью определения такой функции является множество всех чисел, отличных от нуля. Если величины x и y обратно пропорциональны, то функциональная зависимость между ними выражается уравнением y = k / x, где k есть некоторая постоянная величина. График обратной пропорциональности есть кривая линия, состоящая из двух ветвей. Этот график называют гиперболой. В зависимости от знака k ветви гиперболы расположены либо в 1 и 3 координатных четвертях (k положительно), либо во 2 и 4 координатных четвертях (k отрицательно). На рисунке изображен график функции y = k/х, где k – отрицательное число.
ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ЛИНЕЙНОЙ ФУНКЦИИ. y=kx, k0, b=0 - прямая пропорциональность,. График - прямая, проходящая через начало координат; y=b, k=0, b0. (b>0, выше оси OX; b 0, выше оси OX; b"> 0, выше оси OX; b"> 0, выше оси OX; b" title="ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ЛИНЕЙНОЙ ФУНКЦИИ. y=kx, k0, b=0 - прямая пропорциональность,. График - прямая, проходящая через начало координат; y=b, k=0, b0. (b>0, выше оси OX; b"> title="ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ ЛИНЕЙНОЙ ФУНКЦИИ. y=kx, k0, b=0 - прямая пропорциональность,. График - прямая, проходящая через начало координат; y=b, k=0, b0. (b>0, выше оси OX; b">