數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用技術(shù)教程電子教案3

1、 知知 識識 點點 關(guān)系定義、關(guān)系術(shù)語 關(guān)系查詢語言 關(guān)系模式與函數(shù)依賴 難難 點點 關(guān)系運算與關(guān)系語言 SQL語言的數(shù)據(jù)查詢 函數(shù)依賴與范式 返 回 要要 求求熟練掌握以下內(nèi)容： 關(guān)系定義與相關(guān)的術(shù)語 關(guān)系代數(shù)運算與SQL語言 關(guān)系模式 函數(shù)依賴與范式了解以下內(nèi)容： 了解域演算方法及其代表語言 了解第四范式與第五范式 2.1.1 關(guān)系定義及其基本術(shù)語關(guān)系定義及其基本術(shù)語 1關(guān)系定義 設(shè)有屬性1,2,Ak，其值域分別是D1,D2,Dk，這些值域中可以有相同的Di(i=1,2,k)，Di的度數(shù)為i ，它們構(gòu)成的笛卡爾空間D為：kiDddddDDDDiikK, 2 , 1,2121 其中（d1,d

2、2,dk）稱為一個元組，di (i =1,2,k)稱為一個分量（即元素）。D的度數(shù)是各值域度數(shù)mi的乘積：則稱D中的任意一個子集D為一個關(guān)系，記為R；其關(guān)系框架是由屬性i組成的一個有序集合，記為：D中的任意一個點稱為關(guān)系R的一個元組，可表示為：其中k為關(guān)系R的元素數(shù)，為R的k元元組變量，此時稱R為k元關(guān)系。 kiimM1KAAAR,21DDttRkk【例1】 設(shè)有值域D1(姓名)=王洪，張江，吳南，D2(性別)=男，女，D3(年齡)=28，30，由這三個值域構(gòu)成的笛卡爾積D為：其度數(shù)為: M = 322 = 12即D有12個元組，從其中取出任意一個子集D就構(gòu)成了一個關(guān)系R：圖2.1 子集D的關(guān)

3、系2. 關(guān)系的基本術(shù)語 關(guān)鍵字（Key） 候選關(guān)鍵字（Candidate key） 復(fù)合關(guān)鍵字（Composite key） 主關(guān)鍵字（Primary key） 外來關(guān)鍵字（Foreign key）2.1.2 關(guān)系的性質(zhì)關(guān)系的性質(zhì)2.2.1 關(guān)系代數(shù)與關(guān)系代數(shù)與ISBL語言語言 關(guān)系代數(shù)運算用到的運算符的意義及其運算級別如下： 集合運算符：、 比較運算符：、 邏輯運算符：、 并運算（Union）設(shè)有同類關(guān)系R1、R2，這兩個關(guān)系的并運算為: 式中“ ”為并運算符,t為元組變量,并運算后得到的關(guān)系是這兩個關(guān)系元組的并集，如圖2.3（a）所示，它是一個與R1、R2同類的關(guān)系。 差運算（Differ

4、ence）設(shè)有同類關(guān)系R1、R2這兩個關(guān)系的差運算為：式中“”為差運算符，t為元組變量。差運算所得到的是前者減去它與后者有相同的那些元組后組成的關(guān)系，如圖2.3（b）所示，2121RtRttRR2121RtRttRR它是一個與R1、R2同類的關(guān)系。 交運算（Intersection） 設(shè)有同類關(guān)系R1、R2，則其相交運算為: 式中“ ”為交運算符,t為元組變量,交運算后得到的是這兩個關(guān)系所具有的相同元組組成關(guān)系，如圖2.3（c）所示，它是一個與R1、R2同類的關(guān)系。 選擇運算（Selection）設(shè)F是一個運算條件，其運算對象是常量或元2121RtRttRR組的分量（分量可以是分量名或分量序號

5、），運算符為比較運算符和邏輯運算符。則關(guān)系R關(guān)于條件F的選擇為： 式中“”為選擇運算符，經(jīng)選擇運算后所得的關(guān)系是從R中選出滿足條件F為真的元組所構(gòu)成的與R是同類關(guān)系，如圖2.3（d）所示。 以上四種并、差、交和選擇運算屬同類關(guān)系運算，即結(jié)果與參與運算的關(guān)系都具有相同的屬性列，不同的只是在元組的選取上。 TruetFRttttttRkF)(,21 笛卡兒積（Cartesian product） 設(shè)有k1元關(guān)系R和k2元關(guān)系S，這兩個關(guān)系的笛卡兒積為： 式中“”為笛卡兒積運算符，乘積后的關(guān)系是一個k1k2元的新關(guān)系。若R關(guān)系有n個元組，S關(guān)系有n2個元組，則新關(guān)系的元組個數(shù)為nn2個。 StRtt

6、tttSRkkkk21211,圖2.2 已知五個關(guān)系圖2.3 8種運算結(jié)果 投影（Projection）設(shè)有k元關(guān)系R，其元組變量為, 則關(guān)系R在其分量Aj1,Aj2,Ajn（nk,j1,j2,jn為1到k之間互不相同的整數(shù)）上的投影為：式中“ ”為投影運算符,投影運算后所得的關(guān)系是從關(guān)系R中按照j1,j2,jn的順序取出n列，再除去重復(fù)的元組所組成，是一個以j1,j2,jn為順序的n元關(guān)系，如圖2.3（f）所示。 RttttttttRkjjjjjjnn,21,2111 連接（Join） 設(shè)有k1元關(guān)系R和k2元關(guān)系S,關(guān)系R的第i列和關(guān)系S的第j列的 連接運算為: 式中“ ”為連接運算符,

7、為比較運算符。式中“ I j ” 表示按照關(guān)系R的第i列與關(guān)系S的第j列之間滿足 運算的條件進(jìn)行連接， 表示關(guān)系R的元組變量 的第i個分量， 表示關(guān)系S的元組變量的第j個分量。 212121,kjkikkkkjittStRtttttSR1kit11,21kktttt2kjk22,21kktttt 除法（Division） 設(shè)有k1元關(guān)系R和k2元關(guān)系S，且k1k2，S（關(guān)系S不能是空關(guān)系），且關(guān)系S的k2個分量與關(guān)系R的（不限定位置的）k2個分量名相同，這k2個分量應(yīng)是連續(xù)的。則關(guān)系R關(guān)于S的商為： 式中“”是除法運算符。除法運算后所得的關(guān)系是一個k1k2元的關(guān)系。具體操作是：在關(guān)系R中摘出與

8、關(guān)系S有相同部分的元組， RttSttttttSRkkkkkkk1212111,21再去掉與S相同的列和重復(fù)的元組就得到了新的關(guān)系，如圖2.3（I）所示?！纠?】 設(shè)有學(xué)生（S）、課程（C）、選課（SC）三個關(guān)系如圖2.4所示，用關(guān)系代數(shù)方法完成下列各題： 試求選修C3，5課程的學(xué)生所在的系。 試求至少選修一門先行課2的學(xué)生名單。 試求S2學(xué)生所選的課程名。圖2.4中的符號說明：S#: 學(xué)號；SN: 姓名；SD: 系；SA: 年齡；SG: 成績；CN: 課程名；P#: 先行課號。圖2.4 學(xué)生、課程與選課關(guān)系 解：解： 設(shè)所求關(guān)系為R，則求解步驟為： R2 = R1* S 即： SCRCCCC

9、 5# 3#1 MACICSRRSD,2SSCRCCCCSD5#3#答：選修C3，5課程的學(xué)生所在的系為：SC、CI和MA。 設(shè)所求關(guān)系為PR，則求解步驟為： PR2 = PR1 * SC PR4 = PR3* S 即：答：至少選修先行課2的學(xué)生有B2，C9和F6。 CPRCP 2#1SCPRPRS2#3 6, 9, 24FCBPRPRSN SSCCPRCPSSN 2# 設(shè)所求關(guān)系為RX，則求解步驟為： RX2 = RX1 * SC RX4 = RX3 * C SRXSS 2#12#3PXPXCJHGRXRXCN,4答：S2學(xué)生所選的課程名為：G、H和J。 【例3】 設(shè)有三個關(guān)系如圖2.5所示

10、，試完成下列各題： 用自然語言描述下列關(guān)系代數(shù)式的含義: 寫出下列語句的關(guān)系代數(shù)表達(dá)式： 找出所有男學(xué)生的學(xué)號和年齡。 找出年齡小于22歲且籍貫為上海的所有男SCSnp 上海7,6,2 CSCSOSCN，792 CSCS12132，學(xué)生的姓名，所學(xué)課程的課程號和成績。 找出陳強所學(xué)課程的課程名和相應(yīng)的成績。解：解： 關(guān)系代數(shù)式的自然語言的含義如下： 找出籍貫為上海的所有學(xué)生的姓名、課程號和成績。 找出選修OS課程的學(xué)生姓名和成績以及該課的任課教師。 找出選修全部課程的學(xué)生姓名和年齡。 圖2.5 有學(xué)籍的關(guān)系 圖2.5中的符號說明：S#: 學(xué)號；SN: 姓名；SA: 年齡；SE: 性別；NP:

11、籍貫；C#: 課程號；SG: 成績；CN: 課程名；CT: 任課教師。 關(guān)系代數(shù)表達(dá)式如下： SSE3, 1男 SCSNPSESA227,6,2上海男 CSCSSN13,4陳強2.3.1 數(shù)據(jù)定義 1. 基本關(guān)系定義 CREATE TABLE 基本關(guān)系名( 屬性名1 類型 NOT NULL ，屬性名2 類型 NOT NULL) IN SEGMENT 段名 2關(guān)系的擴(kuò)充 3動態(tài)導(dǎo)出關(guān)系定義 4索引定義 5刪除功能 基本關(guān)系的刪除 DROP TABLE 基本關(guān)系名 導(dǎo)出關(guān)系的刪除 DROP VIEW 窗口名 索引的刪除 DROP INDEX 索引名 【例34】 建立如圖2.4所示的S，C和SC關(guān)系

12、。 CREATE TABLE S(S# (CHAR(3)， NOT NULL)，SN (CHAR(2)， SD (CHAR(2)，SA (SMALLINT) CREATE TABLE C(C# (CHAR(3)， NOT NULL)，CN (CHAR(2)， P# (CHAR(3) CREATE TABLE SC(S# (CHAR(3)， NOT NULL)，C# (CHAR(3)， NOT NULL)，SG(CHAR(1) 【例35】 在S關(guān)系中增加一個SE屬性表示學(xué)生的性別。 EXPAND TABLE S ADD FIELD SE(CHAR(1)【例37】 建立一個按照課程號升序、成績降序

13、、學(xué)號升序的索引文件。 CREATE CLUSTERING INDEX SCG ON SC(C# ASC，SGDESC，S# ASC)【例38】 刪除已建立的窗口和索引。 DORP VIEW CSC DORP INDEX SCG2.3.2 數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)查詢 SELECT 屬性名表 FROM 基本關(guān)系名 WHERE 條件表達(dá)式 GROUP BY 屬性名1 HAVING 函數(shù)表達(dá)式 ORDER BY 屬性名2 ASC / DESC 【例39】查找年齡為22的學(xué)生的學(xué)號和姓名。 SELECT S，SN FROM S WHERE SA22【例40】 查詢?nèi)繉W(xué)生的年齡，并按大小進(jìn)行排序。 SELECT

14、 S，SN，SA FROM S ORDER BY SA DESC【例41】 查詢年齡不在19至21歲之間的學(xué)生的學(xué)號和姓名。 SELECT S，SN FROM S WHERE SA NOT BETWEEN 19 AND 21 【例42】 查找在CS和CI系中學(xué)習(xí)的學(xué)生姓名。 SELECT SN FROM S WHERE SD IN ( CS，CI)【例43】 查詢?nèi)繉W(xué)生所選課程的名稱和成績。 SELECT S，SN，CN，SG FROM S，C，SC WHERE S.SSC.S AND C.C SC.C 【例44】 查出選修CS和C5課程的學(xué)生名單。 SELECT SN FROM S WHE

15、RE S IN SELECT S FROM SC WHERE CC3 AND CC5 【例45】 找出選修課程名為H和I的學(xué)生名單。 SELECT SN FROM S WHERE S IN SELECT S FROM SC WHERE C IN SELECT C FROM C WHERE CNH AND CNI 【例46】 查找選修2門以下課程的學(xué)生姓名。 SELECT S，SN FROM SC，S WHERE S.SSC.S GROUP BY S HAVING COUNT(*)= 2 其中COUNT( )是庫函數(shù)，COUNT(*)表示求記錄個數(shù)，SQL中還有其它的庫函數(shù)，均可用于條件中。2.

16、3.3 數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)更新 1. 數(shù)據(jù)修改 修改語句的一般格式為： UPDATE 關(guān)系名 SET 屬性名1 = 表達(dá)式1 ，屬性名2 = 表 達(dá)式2， WHERE 條件表達(dá)式 【例47】 將所有學(xué)生的年齡加1。 UPDATE S SET SASA1 【例48】 修改學(xué)號為S6的學(xué)生姓名為“F8”。 UPDATE S SET SNF8 WHERE SS6 2數(shù)據(jù)刪除 刪除語句的一般格式為： DELETE FROM 關(guān)系名 WHERE 條件表達(dá)式 【例49】 刪除學(xué)號為“S6”的學(xué)生數(shù)據(jù)。 DELETE FROM S WHERE SS6 DELETE FROM SC WHERE SS6 【例50】

17、清除C關(guān)系中的全部數(shù)據(jù)。 DELETE FROM C 3. 插入數(shù)據(jù) 插入語句的一般格式為： INSERT INTO 關(guān)系名 ( 屬性名表 ) VALUE ( 常量表 ) INSERT INTO 關(guān)系名 ( 屬性名表 ) SELECT 語句 【例51】 在S關(guān)系中插入一個學(xué)生的數(shù)據(jù)：“S6 F6 CS 22” INSERT INTO S VALUE （S6，F(xiàn)6，CS，22） 根據(jù)關(guān)系語言的結(jié)構(gòu)特點，可以將關(guān)系語言分成四類：即關(guān)系代數(shù)語言（如ISBL）、關(guān)系演算語言（如QUEL）、基于顯示的語言（如QBE）和基于映像的語言（如SQL）。這些語言根據(jù)其數(shù)學(xué)特征和含義又可分成兩類：即關(guān)系代數(shù)語言、

18、關(guān)系演算語言。后一種又細(xì)分為元組關(guān)系演算語言（如QUEL）和域關(guān)系演算語言（如QBE）。SQL語言是一種具有關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算雙重特點的語言。 評價一個關(guān)系語言的優(yōu)劣應(yīng)從以下四個方面考慮： 1非過程化程度 2語言的功能 3語言的完備性 4對高級語言的支持2.5.1 關(guān)系模型評價 關(guān)系模式的一般形式為： R U,D,DOM,F 其中R為關(guān)系名；U為組成R的全部屬性的集合，U = t1, t2, , tk ；D為域的集合，即為屬性取值范圍的集合；DOM為屬性到域的映像，UD；F為屬性集合U上的一組約束，即函數(shù)依賴。 由于域的集合對關(guān)系模式設(shè)計影響不大，因此可以將關(guān)系模式看作是一個三元組： R 當(dāng)且

19、僅當(dāng)U上的一個關(guān)系r滿足F時,r稱為關(guān)系模式R的一個關(guān)系。 【 例52】 設(shè)有一個描述學(xué)校的數(shù)據(jù)庫，其中有學(xué)生（S），系（SD），系主任（DM），課程（C）和成績（PG）則： U S，SD，DM，C，PG 在現(xiàn)實世界中可知: 1一個系可以有若干學(xué)生，每個學(xué)生只能屬于一個系。 2一個系只有一個主任。 3一個學(xué)生可以選修專門課程，每門課程可以有若干學(xué)生同時選修。 4一個學(xué)生學(xué)習(xí)一門課程只能有一個成績。由此可知屬性集合U上的屬性具有以下的函數(shù)依賴，如圖2.9所示。 F = S#D,SDM,(S#,C# )PG圖2.9 數(shù)據(jù)依賴關(guān)系 學(xué)校數(shù)據(jù)庫模式為S，其中S、C為該模式的關(guān)鍵字，不能取空值。這如S分

20、解成下述三個模式： SDS#,SD,S#SD SGS#,C#,PG,(S#,C# )G DESD,DM,SDM 2.5.2 函數(shù)依賴 設(shè)R(U )是屬性集U上的關(guān)系模式，X、Y是U的子集，若對于R(U )的任意一個可能的關(guān)系r，其中不可能有兩個元組在X上的屬性值相等，而在Y上的屬性值不等，則稱“X函數(shù)決定Y”或稱“Y函數(shù)依賴于X”，記XY。有關(guān)的述語： 1非平凡函數(shù)依賴：若XY而且Y X，則稱XY是非平凡函數(shù)依賴。以后除特別聲明外,所討論的函數(shù)依賴均屬非平凡函數(shù)依賴。2決定因素：若XY，則稱X為決定因素。3若XY，YX，則記為X Y。4若不函數(shù)依賴于，則記作 。 在關(guān)系模式R（U）中，如果XY

21、，并且對的任意一個真子集 都有X Y，則稱對完全函數(shù)依賴，記作X Y；反之，若XY,則稱對部分函依賴,記作X Y。【例53】 在關(guān)系S( S#,SN,SD,SA )中，有S# SN,S#SD,S#SA 【例54】 在關(guān)系SC(C#,S#，PG)中,有C# PG,S# PG， (C#,S# ) PG 在R（U）中，如果XY，且Y X，YZ，則稱Z對X傳遞函數(shù)依賴。 在定義中，之所以要加上“Y X”的限制，是因為如果YX，則X Y。實際上Z與X的依賴，就不是傳遞函數(shù)依賴了，而是X Z。 2.5.3 關(guān)鍵字關(guān)鍵字 在關(guān)系模式R（U）中，設(shè)K為U的屬性或?qū)傩约希鬕 U，則稱K為R的一個候選關(guān)鍵字（

22、Candidate key），若候選關(guān)鍵字多于一個時，可以指定其中一個為主關(guān)鍵字（Primary key）。 包含在任意一個候選關(guān)鍵字中的屬性，稱為主屬性（Prime attribute）。不包含在任意一個候選關(guān)鍵字中的屬性稱為非主屬性(Nonprime attribute）或非關(guān)鍵字屬性(Non-key attribute）。最簡單的是單個屬性為一候選關(guān)鍵字，最特殊的是全部屬性為一候選關(guān)鍵字，稱為全關(guān)鍵字（All-key）。 f 在關(guān)系模式R( U )中，若屬性或?qū)傩约喜⒎鞘荝的關(guān)鍵字，而是另一個關(guān)系模式的關(guān)鍵字，則稱X是R的外部關(guān)鍵字。 主關(guān)鍵字與外部關(guān)鍵字提供了一個關(guān)系之間的聯(lián)系方法。

23、【例55】 在關(guān)系SC（S#,C#,PG）中，S# 不是候選關(guān)鍵字，但S# 在關(guān)系S（S#, SN,SD,SA）中，都是候選關(guān)鍵字，則S# 稱為關(guān)系SC的外部關(guān)鍵字，而關(guān)系S與SC之間的聯(lián)系就是通過S# 實現(xiàn)的。 2.5.4 關(guān)系模式的規(guī)范理論基礎(chǔ) 在已知的范式中，最高級是5NF，最低級是1NF，它們之間的關(guān)系是: 5NF 4NFB CNF 3NF 2NF 1NF圖2.10 范式之間的關(guān)系 1. 第一范式（1NF） 如果一個關(guān)系模式R( U )的所有屬性都是基本的、不可分的，則關(guān)系R是規(guī)范化的關(guān)系，稱為第一范式例如， 將 SS#,SD,DM,C#,PG,S#SD, (S#,C# )G,SDDM

24、分解為： SDS#,SD,S#SD和 SGS#,C#,PG,(S#,C#)PG 2. 第二范式（2NF） 如果關(guān)系模式R( U )是1NF，并且非關(guān)鍵字的屬性完全函數(shù)依賴于關(guān)鍵字屬性，則關(guān)系模式R( U )屬于第二范式，記為2NF。 并不是什么樣的分解都能達(dá)到消除異常，減少冗余的目的。例如，關(guān)系S-M為： S-MS#,C#,SD,SL,PG,S#SD,S#SL, SDSL,(S#,C# )G分解成如圖2.11所示， SSS#,SD,SL,S#SL ,S#S D,SDSL 和 SGS#,C#,PG, (S#,C# )G。 其中SL為學(xué)生所住的樓，規(guī)定一個系的學(xué)生住在一個樓內(nèi)。此時，SS關(guān)系約是有

25、缺陷的，雖然它是一個2NF的關(guān)系模式，但它仍然有缺陷，存在缺陷的原因是因為其中有非關(guān)鍵字的屬性傳遞依賴于關(guān)鍵字。 因此將SS再分解成如圖2.12所示的關(guān)系，即：SS-DS#,SD,S#SD和SS-L SD,SL,SDSL。圖2.11 S-M關(guān)系的分解 圖2.12 SS關(guān)系的分解 3. 第三范式 (3NF ) 如果關(guān)系模式R( U )是第二范式，并且每個非關(guān)鍵字的屬性，不是傳遞依賴關(guān)鍵字，則稱關(guān)系模式R( U )是第三范式，記為3NF。 如關(guān)系S-M最終分解為關(guān)系SGS#,C#,PG,( S#,C# )PG、SS-DS#,SD,S#SD和SS-LSD,SL,SDSL。 這三個關(guān)系都屬于3NF范式

26、。 4. BC范式(BCNF) 在關(guān)系模式R(U)中，X、Y分別是屬性集的兩個子集，且X與Y無公共屬性，Y完全函數(shù)依賴X(XY)，則稱X為關(guān)系模式R(U )的決定因素。 若關(guān)系模式R(U)屬第一范式，且其中的每一個決定因素都是R的候選關(guān)鍵字，則稱關(guān)系R(U)是BC范式，記為BCNF。 例如例如，在關(guān)系SCT(S#,C#,T)如圖4.13所示中，S#為學(xué)生號，C#為課程號，T為教師。規(guī)定每個教師只教一門課，每門課有若干教師教，一個學(xué)生選定某門課就對應(yīng)一個教師。由上述語義可得如下的函數(shù)依賴關(guān)系，如圖4.14所示。圖4.13 SCT關(guān)系 圖4.14 SCT數(shù)據(jù)依賴 圖4.15 關(guān)系SCT分解后的關(guān)系

27、組 2.5.5 多值依賴與第四范式（4NF） 1多值依賴（MVD） 設(shè)R( U )是一關(guān)系模式，U為R（U）的全部屬性，其中X、Y、Z是U的不相交子集，ZUXY。若R的任一個關(guān)系r，對于X的一個給定值Y，有一組值與之對應(yīng)，而Y的這組值與Z的值無關(guān)，則稱Y多值依賴于X，記為Y。 2多值依賴公理 多值依賴的互補性（又稱對稱性） 若成立，則。 若XY，則XY 多值依賴的擴(kuò)展性 若且，則XWYZ 多值依賴的傳遞性 若且，則Z 3多值依賴的規(guī)則 多值依賴的合并規(guī)則 若XY且YZ, 則XYZ 多值依賴的偽傳遞規(guī)則 若XY且WYZ, 則WXZWY，此規(guī)則簡單證明如下： 由擴(kuò)展性知：XY XWZ 由傳遞性： WXWY 且 WYZ 得： WXZWY 多值依賴的分解規(guī)則 若且，則 ，-，- 4第四范式 設(shè)關(guān)系模式R( U )屬于第一范式，若存在，且R( U )的其他所有屬性都函數(shù)依賴于，那么稱R( U )為第四范式，記為4NF。