Простейшие функциональные зависимости. Нормализация данных

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.

a. При рассмотрении количественной стороны различных процессов мы почти всегда наблюдаем, что переменные величины зависят друг от друга; например, путь проходимый свободно падающим в пустоте телом зависит только от времени, давление в паровом котле зависит только от температуры пара.

Глубина океана в одном пункте постоянна, но в различных пунктах различна, она зависит только от двух переменных - от географической долготы и географической широты места.

Высота растущего дерева зависим от многих переменных - от солнечного освещения, от влажности, от количества питательных веществ в почве и т. д.

Мы видим, что некоторые переменные изменяются независимо, они и называются независимыми переменными или аргументами, другие же от них зависят их называют функциями.

Сама зависимость называется функциональной. Между прочим, функциональная зависимость представляет собой одно из самых важных понятий математики.

b. Следует всегда различать, от какого числа независимых переменных зависит функция. Проще всего поддаются изучению функции одной переменной, ими мы будем заниматься в первую очередь. Изучение функций многих переменных сложнее, но так или иначе сводится к изучению функций одной переменной.

c. Если мы желаем записать математически, что переменная у зависит от , то будем употреблять такое обозначение:

Эта запись читается так:

Не; следует думать, что буква умножается на , она является лишь сокращением слова «функция», а вся запись является сокращенной фразой (2).

Точно так же, если функция U зависит от двух аргументов то эта зависимость обозначается следующим образом:

Здесь буквы f, х и у также не являются сомножителями.

Совершенно ясно, как обозначается функция трех четырех и большего числа аргументов.

Вместо буквы употребляют и другие буквы чаще всего .

d. Записи типа (1) и (3) являются самыми общими обовначениями функций, так как под ними можно понимать какие угодно функции, а потому, имея в руках только эти обозначения, мы ничего не сможем узнать о свойствах этих функций.

Для того чтобы иметь возможность изучать функцию нужно ее задать.

e. Имеется много способов задать функцию, но все они сводятся к трем основным типам:

1) функцию можно задать таблицей ее числовых значений, соответствующих числовым значениям ее аргумента;

2) функцию можно задать графически;

3) функцию можно задать математической формулой.

f. Приведем примеры. Известно, что при вращении махового колеса возникают напряжения, которые стремятся разорвать его обод. Если обод колеса сделан из однородного материала, то напряжения зависят только от скорости вращения. Обозначая скорость через v, а напряжение в ободе через , мы можем записать что

Теория сопротивления материалов дает такую таблицу для значений функции (4), если обод сделан из литой стали:

Здесь v измеряется в метрах в секунду - в ньютонах на квадратный сантиметр.

Большим достоинством табличного способа Зсдания функции является то, что числа таблицы непосредственно могут быть использованы для различных вычислений.

Недостатком является то, что всякая таблица дается не для всех значений аргумента, а через некоторые интервалы, так что, если каких-либо значений функции в таблице нет, то нужно брать более подробную таблицу; если же последней нет, то приходится подбирать нужное число более или менее приблизительног сообразуясь с характером изменения чисел таблицы,

g. Большим недостатком является также и то, что если таблица содержит много чисел, то характер изменения функции уловить трудно. Наконец, третьим недостатком является то, что изучать свойства функции, заданной таблицей, трудно; кроме того, полученные свойства будут неточными.

h. От первых двух недостатков свободен графический способ задания функции.

Чтобы пояснить графический способ рассмотрим такой пример.

Если какой-либо материал подвергнуть растяжению, то сила, необходимая для растягивания, будет зависеть от того, какое растяжение необходимо сделать, т. е. сила есть функция от удлинения. Если удлинение в процентах обозначить через X, а растягивающую силу, которая обычно измеряется в ньютонах на квадратный сантиметр, обозначить через , то

Для различных материалов эта зависимость будет различной. Возьмем координатные оси и будем считать к за абсциссу, а за ординату, тогда для каждой пары их значений получим точку на плоскости.

Все эти точки расположатся на некоторой кривой, которая имеет различный вид для различных материалов. Существуют приборы, которые такие кривые чертят автоматически.

Для мягкой стали мы получим следующую кривую (рис. 31):

k. Как мы видим, действительно графический снособ нагляден и дает значения функции для всех значений аргумента. Но третий недостаток и здесь имеет место. Изучать свойства функции заданной графически, все-таки затруднительно.

l. Теперь покажем способ задания функции формулой Возьмем такой пример. Площадь круга очевидно зависит от радиуса. Если радиус обозначить через я, а площадь через у, то, как известно из геометрии, где - отношение длины окружности к длине диаметра. Мы видим, что зависимость здесь задается математической формулой, поэтому третий способ называется математическим способом. Еще пример: длина гипотенузы прямоугольного треугольника зависит от длин обоих катетов. Если длину гипотенузы обозначить через , а длины катетов через то по теореме Пифагора будем иметь

Так как оба катета мы можем изменять независимо друг от друга, то мы имеем здесь пример функции двух аргументов, заданной математически.

Можно привести еще много примеров функций, заданyых математически, из области различных наук.

m. Математический способ обладает огромным преимуществом перед другими способами задания функций, а именно: к изучению функций, заданных математически, можно привлечь математический анализ.

Помимо того, если необходимо, всегда можно математический способ превратить в табличный. Действительно, мы вправе задать аргументам желательные нам числовые значения и по формуле вычислить сколько угодно значений функции. Таким образом, одна формула заменяет всю таблицу.

n. Математический способ имеет только один недостаток, а именно, формула не дает наглядного представления об изменении функции. Однако этот недостаток мы всегда можем восполнить, так как всегда математический способ задания можно превратить в графический. Это делается так.

o. Если мы имеем функцию одной переменной, то составляем таблицу и каждую пару значений аргумента и функции принимаем за координаты, после этого строим возможно большее число точек. Все полученные точки расположатся на некоторой кривой линии, которая и будет графиком функции. Если мы имеем функцию двух или более аргументов, то и ее можно изобразить графически. Но это уже значительно сложнее, а потому этим вопросом мы займемся несколько позднее.

p. Все сказанное свидетельствует о том, что математический способ задания функций является наиболее выгодным.

Поэтому всегда стремятся, если функция задана таблицей или графиком, выразить ее формулой. Эта задача обычно очень трудная, но чрезвычайно важная для естествознания и технических наук. Без преувеличения можно сказать, что все проблемы механики, естествознания - прикладных наук сводятся к установлению и изучению функциональных зависимостей между теми переменными величинами, с которыми эти дисциплины имеют дело. Бела удается эти функциональные зависимости выразить формулами, то наука приобретает надежный рычаг для приложения всей огромной мощи математического анализа и далеко продвигается в своем развитии.

С другой стороны, математический анализ, получая эту прекрасную пищу, сам растет и совершенствуется.

q. Ввиду того, что перевод на язык формул функциональных зависимостей не является непосредственной задачей математики, мы будем предполагать, что функции уже выражены формулами. Таким образом, в дальнейшем мы будем заниматься только функциями, заданными матетатически.

Лекции № 8-9.

Функциональная зависимость. Нормальные формы.

Цель занятия: познакомить студентов с определением функциональной зависимости атрибутов, с понятием нормализации исходного отношения, рассказать о причинах, приводящих к необходимости нормализации файлов записи, ввести способы обеспечения требуемого уровня нормальности таблицы, определить нормальные формы на конкретном примере.

Функциональные зависимости

Теория нормализации, как и теория баз данных в целом, опирается на математический аппарат, основу которого составляют теория множеств и элементы алгебры.

Одни и те же данные могут группироваться в таблицы (отношения) различными способами. Группировка атрибутов в отношениях должна быть рациональной (т. е. дублирование данных д.б. минимальным) и упрощающей процедуры их обработки и обновления. Устранение избыточности данных является одной из важнейших задач проектирования баз данных и обеспечивается нормализацией.

Нормализация таблиц (отношений) - это формальный аппарат ограничений на формирование таблиц (отношений), который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение (ввод, корректировку) базы данных. Процесс нормализации заключается в разложении (декомпозиции) исходных отношений БД на более простые отношения. Каждая ступень этого процесса приводит схему отношений в последовательные нормальные формы. Для каждой ступени нормализации имеются наборы ограничений, которым должны удовлетворять отношения БД. Нормализация позволяет удалить из таблиц базы избыточную неключевую информацию.

Вначале вспомним некоторые понятия:

Простой атрибут - это атрибут, значения которого неделимы. Иными словами, в таблице нет полей типа ФИО или Адрес - они разложены на поля Фамилия, Имя, Отчество в первом случае и на поля Индекс, Город и т. д. во втором.

Сложный (составной) атрибут получается путем соединения нескольких атомарных атрибутов, иначе его называют вектором или агрегатом данных.

Определение функциональной зависимости: Пусть X и Y атрибуты некоторого отношения. Если в любой момент времени произвольному значению X соответствует единственное значение Y, то Y функционально зависит от X (X →Y)

Если ключ является составным, то любой атрибут должен зависеть от ключа в целом, но не может находиться в функциональной зависимости от какой-либо части составного ключа, т.е. функциональная зависимость имеет вид (X 1 , X 2 , ..., X) →Y.

Функциональная зависимость может быть полной или неполной.

Неполной зависимостью называется зависимость неключевого атрибута от части составного ключа.

Полной функциональной зависимостью называется зависимость неключевого атрибута от всего составного ключа, а не от его частей.

Определение транзитивной функциональной зависимости: Пусть X, Y, Z - три атрибута некоторого отношения. При эtom X →Y и Y →Z, но обратное соответствие отсутствует, то есть Y не зависит от Z, а Х не зависит от Y. Тогда говорят, что Z транзитивно зависит от Х.

Определение многозначной зависимости: Пусть Х и Y атрибуты некоторого отношения. Атрибут Y многозначно зависит от атрибута X, если. каждому значению X соответствует множество значений Y, не связанных с другими атрибутами из отношения. Многозначные зависимости могут носить характер «один ко многим» (1:М), «многие к одному» (М:1) или «многие ко многим» (М:М), обозначаемые соответственно: X=>Y, Y<=X и X<=>Y. Например, преподаватель ведет несколько предметов, а каждый предмет может вестись несколькими преподавателями, тогда имеет место зависимость ФИО <=> Предмет.

Рассмотрим следующий пример: Предположим, что для учебной части факультета создается БД о преподавателях, которая включает следующие атрибуты:

ФИО - фамилия и инициалы преподавателя (совпадения фамилий и инициалов исключаются).

Должность - должность, занимаемая преподавателем.

Оклад- оклад преподавателя.

Стаж - преподавательский стаж. Д_Стаж - надбавка за стаж.

Кафедра - номер кафедры, на которой числится преподаватель.

Предмет - название предмета (дисциплины), читаемого преподавателем.

Группа - номер группы, в которой преподаватель проводит занятия.

Вид занятия - вид занятий, проводимых преподавателем в учебной группе.

Исходное отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

Атрибут В функционально зависит от атрибута А, если каждому значению А соответствует в точности одно значение В.

Обозначение : A → B. Это значит, что во всех кортежах с одинаковым значением атрибута А атрибут В будет иметь также одно и то же значение.

Если существует функциональная зависимость вида A→B и В→А, то между А и В имеется взаимно однозначное соответствие , или функциональная зависимость . О

Обозначение : A↔B или В↔А.

Если отношение находится в 1НФ, то все неключевые атрибуты функционально зависят от ключа с различной степенью зависимости.

Частичная зависимость (частичная функциональная зависимость) – зависимость неключевого атрибута от части составного ключа.

Полная функциональная зависимость – зависимость неключевого атрибута от всего составного ключа.

Транзитивная зависимость

Атрибут С зависит от атрибута А транзитивно (существует транзитивная зависимость ), если для атрибута А, В, С выполняются условия A→B и В→С, по обратной зависимости отсутствуют.

Множественная зависимость

В отношении R атрибут В многозначно зависит от атрибута А, если каждому значению А соответствует множество значений В, не связанных с другими атрибутами R.

Обозначения : А=>B, A<=B, A<=>B.

Взаимно независимые атрибуты

Два и более атрибута называются взаимно независимыми , если ни один из этих атрибутов не является функционально зависимым от других атрибутов.

Обозначения : А →В, А=В.

Нормальные формы:

Первая нормальная форма (1НФ). Отношение находится в 1НФ, если все его атрибуты являются простыми (имеют единственное значение).

Вторая нормальная форма (2НФ). Отношение находится в 2НФ, если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально зависит от первичного ключа (составного).

Третья нормальная форма (3НФ). Отношение находится в 3НФ в том и только в том случае, если все атрибуты отношения взаимно независимы и полностью зависят от первичного ключа.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК). Отношения находится в НФБК, если оно находится в 3НФ и в нем отсутствуют зависимости ключей (атрибутов составного ключа) от неключевых атрибутов.

Четвертая нормальная форма (4НФ). Отношения находится в 4НФ в том и только в том случае, когда существует многозначная зависимость А=>B, а все остальные атрибуты отношения функционально зависят от А.

Пятая нормальная форма (5НФ). Отношения находится в 5НФ, если оно находится в 4НФ и удовлетворяет зависимости по соединению относительно своих проекций.

Шестая нормальная форма (6НФ). Отношение находится в 6НФ тогда и только тогда, когда она не может быть подвергнута дальнейшей декомпозиции без потерь.

Обеспечение непротиворечивости и целостности данных в базе данных

Ответ :

Целостность – это свойство БД, означающее, что она содержит полную, непротиворечивую и адекватно отражающую предметную область информацию.

Различают:

Физическую целостность – наличие физического доступа к данным и то, что данные не утрачены.

Логическую целостность – отсутствие логических ошибок в БД, к которым относятся нарушение структуры БД или ее объектов, удаление или изменение установленных связей между объектами и т.д.

Поддержание целостности БД включает:

Проверку (контроль) целостности

Восстановление в случае обнаружения противоречий в базе.

Целостное состояние задается с помощью ограничений целостности (условий, которыми должны удовлетворять данные). Два типа ограничений целостности :

Ограничение значений атрибутов отношений . Например : требование недопустимости NULL-значений, недопустимости повторяющихся значений в атрибутах, контроль принадлежности значений атрибутов заданного диапазона.

Структурные ограничения на кортежи отношений . Определяет требования целостности сущностей и целостности ссылок .

Требование целостности сущностей состоит в том, что любой кортеж отношения должен быть отличным от любого другого кортежа этого отношения , иными словами, любое отношение должно обладать первичным ключом .

Требование целостности ссылок состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа родительской таблицы должна найтись строка в дочерней таблице с таким же значением первичного ключа.

Метод «сущность - связь»

Ответ :

Метод «сущность-связь» (метод «ER-диаграмм») – это метод, основанный на использование диаграмм, называемых соответственно диаграммами ER-экземпляров и диаграммами ER-типа.

Основные понятия

Сущность – это объект, информация о котором хранится в БД.

Атрибут – это свойство сущности.

Ключ сущности – это атрибут (набор атрибутов), используемый для идентификации экземпляра сущности.

Связь между сущностями – это зависимость между атрибутами этих сущностей.

Графические средства , используемые для получения наглядности и удобства проектирования:

Диаграмма ER- экземпляров ;

Диаграмма ER -типа или ER -диаграмма .

На основе анализа ER-диаграмм формируется отношения проектируемой БД. При этом учитывается степень связи сущностей и класс их принадлежности.

Степень связи – это характеристика связи между сущностями (1:1, 1:М; М:1; М:М).

Класс принадлежности сущности может быть: обязательным и необязательным .

Обязательный – если все экземпляры сущности обязательно участвуют в рассматриваемой связи.

Необязательный – не все экземпляры участвуют в рассматриваемой связи.

Этапы проектирования баз данных

Ответ :

I . Концептуальное проектирование – сбор, анализ и редактирование требований к данным.

Цель : создание концептуальной модели данных, исходя из представлений пользователя о предметной области.

Процедуры :

Определение сущностей и их документирование;

Определение связей между сущностями и их документирование;

Создание модели предметной области;

Определение значений атрибутов;

Определение первичных ключей для сущностей.

II . Логическое проектирование – на основе концептуальной модели создается структура данных.

Цель : преобразование концептуальной модели на основе выбранной модели данных в логическую модель, независимую от особенностей используемой в дальнейшем СУБД для физической реализации БД.

Процедуры :

Выбор модели данных;

Определение набора таблиц и их документирование;

Нормализация таблиц;

Определение требований к поддержке целостности данных и их документирование.

III . Физическое проектирование – определение особенностей данных и методов доступа.

Цель: описание конкретной реализации БД, размещение во внешней памяти компьютера.

Процедуры:

Проектирование таблиц БД;

Проектирование физической организации БД;

Разработка стратегии защиты БД.

Жизненный цикл базы данных

Ответ :

Жизненный цикл БД – это процесс проектирования, реализации и поддержания систем БД.

Стадии жизненного цикла БД:

Анализ – анализ предметной области и выявление требований к ней, оценка актуальности системы.

Проектирование – создание логической структуры БД, функциональное описание программных моделей и информационных запросов.

Реализация – разработка ПО для БД, проводится тестирование.

Эксплуатация и сопровождение .

Этапы жизненного цикла БД:

Предварительное планирование – планирование БД, выполнения стратегического плана разработки БД (какие приложения используются, какие функции они выполняют, какие файлы связаны с каждым из этих приложений и какие новые файлы и приложения находятся в процессе разработки).

Проверка осуществимости – проверка технологической, операционной и экономической осуществимостей.

Определение требований – выбор цели БД, выявление информационных требований к БД, требования к оборудованию и к ПО, определение пользовательских требований.

Концептуальное проектирование – создание концептуальной схемы.

Реализация – приведение концептуальной модели ф функциональную БД.

Выбор и приобретение необходимой СУБД.

Преобразование концептуальной модели в логическую и физическую модели.

На основе инфологической модели строится схема данных для конкретной СУБД.

Определяются какие прикладные процессы необходимо реализовать как хранимые процедуры.

Реализовать ограничения, предназначенные для обеспечения целостности данных.

Спроектировать триггеры.

Разработать стратегию индексирования и кластеризации, выполнить оценку размеров таблицы, кластеров и индексов.

Определить уровни доступа пользователей, разработать и внедрить правила безопасности.

Разработать сетевую топология БД.

Создание словаря данных.

Заполнение БД.

Создание прикладного ПО, контроль управления.

Обучение пользователя.

Оценка и усовершенствование схемы БД .

Правила формирования отношений

Ответ :

Правила формирования отношений основываются на учете следующего:

Степень связи между сущностями (1:1, 1:М, М:1, М:М);

Класса принадлежности экземпляров сущностей (обязательный и необязательный).

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">