Bài giảng Nhập môn cơ sở dữ liệu - Bài 3: Thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ - Vũ Tuyết Trinh
Thiết kế CSDL quan hệ
Vũ Tuyết Trinh
Bộ môn Các hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin
Đại học Bách Khoa Hà Nội
Các cách tiếp cận
{
{
Trên xuống (Top-down), nhắc lại
Dưới lên (bottom-up)
1. Biểu diễn dữ liệu người dùng (biểu mẫu, báo cáo)
dưới dạng các quan hệ
2. Chuẩn hoá các quan hệ này
3. Ghép các quan hệ có cùng khoá chính
2
ũ ếệ ố
Đặt vấn đề
{ Mục đích của chuẩn hoá là gi?
{ Thế nào là chuẩn? Có bao nhiêu chuẩn?
3
Ví dụ
{ 1 CSDL về các hãng cung ứng.
Suppliers(sid, sname, city, NOE, product,quantity)
Sids
S1
Sname
Smith
Smith
J&J
City
London
London
Paris
NOE
100
100
124
75
Product quantity
Screw
Nut
50
100
78
S1
S2
Screw
Bolt
S3
Blake
Tokyo
100
¾ Các vấn đề đặt ra
¾ Đề xuất các giải pháp
4
ũ ếệ ố
Mục đích của chuẩn hoá
{ Xác định được 1 tập các lược đồ quan hệ cho
phép tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng,
đồng thời tránh được dư thừa dữ liệu
{ Hướng tiếp cận:
Tách các lược đồ quan hệ “có vấn đề” thành những
lược đồ quan hệ “chuẩn hơn”
5
Nội dung
{ Phụ thuộc hàm
{ Phép tách các sơ đồ quan hệ
{ Các dạng chuẩn
{ Phụ thuộc đa trị
{ Kết luận
6
ũ ếệ ố
Phụ thuộc hàm
(Functional dependencies - FD)
{ Đ/N Phụ thuộc hàm trong 1 quan hệ
Cho
z R(U) là 1 sơ đồ quan hệ, U là tập các thuộc tính.
z X, Y ⊆ U
X xác định hàm Y hay Y phụ thuộc hàm vào X nếu
z với ∀quan hệ r xác định trên R(U) và với 2 bộ t1 và t2
bất kỳ mà t1[X] = t2[X] thì t1[Y] = t2[Y].
{ Ký hiệu: X→Y
7
Ví dụ
Supp(sid, sname, city, NOE)
{ sid→sname
{ sid→city
{ sid→NOE
Supply(sid, product,quantity)
{ sid→product
{ sid→quantity
8
ũ ếệ ố
Hệ tiên đề Amstrong
Cho
z R(U) là 1 sơ đồ quan hệ, U là tập các thuộc tính.
z X,Y,Z,W ⊆ U
(Ký hiệu: XY = X ∪ Y)
{ Phản xạ (reflexivity)
Nếu Y ⊆ X thì X→Y.
{ Tăng trưởng (augmentation)
Nếu X→Y thì XZ→YZ.
{ Bắc cầu (transitivity)
Nếu X→Y, Y→Z thì X→Z.
9
Hệ quả
{ Luật hợp (union)
Nếu X→Y, X→Z thì X→YZ.
{ Luật tựa bắc cầu (pseudotransitivity)
Nếu X→Y, WY→Z thì XW→Z.
{ Luật tách (decomposition)
Nếu X→Y, Z ⊆ Y thì X→Z.
10
ũ ếệ ố
Bao đóng của 1 tập phụ thuộc hàm
{ Đ/N : Bao đóng của tập phụ thuộc hàm F là tập
lớn nhất các phụ thuộc hàm có thể được suy
diễn logic từ F
z Ký hiệu là F+
{ Suy diễn logic
X → Y được suy diễn logic từ F nếu với mỗi quan hệ
r xác định trên R(U) thoả các phụ thuộc hàm trong F
thì cũng thoả X → Y
{ F là họ đầy đủ (full family) nếu
F = F+
11
Khoá
{ Đ/N: Cho lược đồ quan hệ R(U), tập các phụ
thuộc hàm F. K ⊆ U, K được gọi là khóa tối thiểu
của R nếu như
z KÆU ∈ F+
z với ∀ K’ ⊂ K thì K’ÆU ∉ F+
{ Nhận xét: Nếu K là một khóa tổi thiểu thì
z K+ = U
z K là tập thuộc tính nhỏ nhất có tính chất như vậy.
12
ũ ếệ ố
Bao đóng của 1 tập các thuộc tính
{ Đ/N Bao đóng của tập thuộc tính X là tập tất cả
các thuộc tính được xác định hàm bởi X thông
qua tập F
z ký hiệu là X+
X+ = {A ∈ U| X → A ∈F+}
13
Nhận xét
{ Hệ tiên đề Amstrong là đúng đắn và đầy đủ
{ X→Y được suy diễn từ hệ tiên đề Amstrong
⇔ Y ⊆ X+
{ Thiết kế CSDL ? Các khái niệm
z Phụ thuộc hàm
z Bao đóng của tập phụ thuộc hàm
z Khoá
z Bao đóng của 1 tập các thuộc tính
14
ũ ếệ ố
Tính bao đóng của 1 tập thuộc tính
{ Vào: Tập hữu hạn các thuộc tính U
tập các phụ thuộc hàm F trên U
X ⊆ U
{ Ra: X+
{ Thuật toán
B0 X0 = X.
Bi Tính Xi từ Xi-1
Nếu
∃ Y→Z ∈ F ^ Y ⊆ Xi-1 ^ A ∈ Z ^ A ∉ Xi-1
Xi = Xi-1 ∪ A
thì
ngược lại,
Nếu
Xi = Xi-1
.
Xi ≠ Xi-1
thì
thực hiện Bi
thực hiện Bn
ngược lai,
Bn X+ = Xi
15
Tìm khoá tối thiểu
{ Vào: U = {A1, A2, …, An} , F
{ Ra: khóa tối thiểu K xác định được trên U và F
{ Thuật toán
B0 K0= U
Bi Nếu
(Ki-1\{Ai})ÆU
Ki= Ki-1\ {Ai}
Ki= Ki-1
thì
ngược lại,
Nếu
thì
Ki≠ Ki-1
thực hiện Bi
thực hiện Bn
ngược lai,
Bn K = Ki
16
ũ ếệ ố
Ví dụ
{
Cho R(U) trong đó U = {A,B,C,D,E,F,G}. F = {AÆB,
ACDÆE, EFÆG}
1.
Tìm một khóa tối thiểu của R
K0 = ABCDEFG
K1 = K0 do nếu loại A thì BCDEFG Æ U không thuộc F+
K2 = K1 \{B} = ACDEFG do ACDEFG Æ U thuộc F+
K3 = K2 do nếu loại C thì ADEFG Æ U không thuộc F+
K4 = K3 do nếu loại D thì ACEFG Æ U không thuộc F+
K5 = K4 \{E} = ACDFG do ACDFG Æ U thuộc F+
K6 = K5 do nếu loại F thì ACDG Æ U không thuộc F+
K7 = K6 \{G} = ACDF do ACDF Æ U thuộc F+
Vậy khóa tối thiểu cần tìm là ACDF
17
Nhận xét về phụ thuộc hàm
{ từ một tập các phụ thuộc hàm có thể suy diễn
ra các phụ thuộc hàm khác
{ trong một tập phụ thuộc hàm cho sẵn có thể có
các phụ thuộc hàm bị coi là dư thừa.
¾ Làm thế nào để có được một tập phụ thuộc
hàm tốt?
18
ũ ếệ ố
Tập phụ thuộc hàm tương đương
{ Đ/N: Tập phụ thuộc hàm F là phủ của tập phụ thuộc
hàm G hay G là phủ của F hay F và G tương đương
nếu F+ = G+.
z
Ký hiệu là F ≈ G
{ Kiểm tra tính tương đương của 2 tập phụ thuộc hàm
B.1. Với mỗi Y→Z ∈ F, Z ⊆ Y+ (trên G) thì Y→Z ∈ G+
Nếu với ∀f ∈ F, f ∈ G+ thì F+ ⊆ G+
B.2. Tương tự, nếu ∀ f ∈ G, f ∈ F+ thì G+ ⊆ F+
B.3. Nếu F+ ⊆ G+ và G+ ⊆ F+ thì F ≈ G
19
Tập phụ thuộc hàm không dư thừa
{ Đ/N: Tập phụ thuộc hàm F là không dư thừa nếu !∃
XÆY∈ F sao cho F \ {XÆY} ≈ F.
{ Tìm phủ không dư thừa của 1 tập phụ thuộc hàm
z Vào: Tập thuộc tính U, F = {Li ÆRi: i = 1..n}
z Ra : Phủ không dư thừa F’ của F
z Thuật toán
B0 F0= F
Bi Nếu
Fi-1\ {LiÆRi} ≈ Fi-1
Fi = Fi-1 \ {LiÆRi}
thì
ngược lại, Fi = Fi-1
Nếu
thì
Fi≠ Fi-1
thực hiện Bi
ngược lại, thực hiện Bn
20
Bn F’ = Fi
ũ ếệ ố
Phủ tối thiểu của 1 tập phụ thuộc hàm
{ Đ/N: Fc được gọi là phủ tối thiểu của 1 tập phụ
thuộc hàm F nếu thỏa mãn 3 điều kiện sau:
Đk1: Với ∀ f ∈ Fc, f có dạng X Æ A,
trong đó A là 1 thuộc tính
Đk2: Với ∀ f = XÆY ∈ Fc, !∃ A ∈X (A là 1 thuộc tính):
(Fc \ f) U {(X \ A)ÆY} ≈Fc
Đk3: !∃ XÆA ∈ Fc : Fc \ {XÆA} ≈ Fc
21
Tính phủ tối thiểu
{
{
{
Vào: Tập thuộc tính U, F = {LiÆRi: i = 1..n}
Ra: phủ tối thiểu Fc của tập phụ thuộc hàm F
Thuật toán
B.1. Biến đổi F về dạng F1={Li Æ Aj}
trong đó Aj là 1 thuộc tính bất kỳ thuộc U (thoả mãn đk1)
B.2. Loại bỏ thuộc tính thừa trong vế trái của các phụ thuộc hàm
Lần lượt giản ước từng thuộc tính trong vế trái của từng
phụ thuộc hàm trong F1 thu được F1’. Nếu F1’ ≈ F1 thì
loại bỏ thuộc tính đang xét
Khi không có sự giản ước nào xảy ra nữa ta thu được
F2 thỏa mãn đk2
B.3. Loại bỏ phụ thuộc hàm dư thừa
Lần lượt loại kiểm tra từng phụ thuộc hàm f. Nếu F2 \ f ≈ F2
thì loại bỏ f
Khi không cò phụ thuộc hàm nào có thể loại bỏ thi thu đươc
F3 thoả mãn đk3
B.4. Fc = F3
22
ũ ếệ ố
Mục đích của thiết kế CSDL –
nhắc lại
{ Xác định được 1 tập các lược đồ quan hệ cho
phép tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng,
đồng thời tránh được dư thừa dữ liệu (cf. slide
7)
¾ Phát biểu lại mục đích này sử dụng các khái
niệm vừa học ?
23
Phép tách các lược đồ quan hệ
{ Mục đích
z Thay thế một sơ đồ quan hệ R(A1, A2, …, An) bằng
một tập các sơ đồ con {R1, R2, …, Rk} trong đó Ri ⊆R
và R = R1 U R2 U … U Rk
{ Yêu cầu của phép tách
z Bảo toàn thuộc tính, ràng buộc
z Bảo toàn dữ liệu
24
ũ ếệ ố
Phép tách không mất mát thông tin
(Lossless join)
{ Đ/N: Cho lược đồ quan hệ R(U) phép tách R
thành các sơ đồ con {R1, R2, …, Rk} được gọi là
phép tách không mất mát thông tin đ/v một tập
phụ thuộc hàm F nếu với mọi quan hệ r xác định
trên R thỏa mãn F thì:
r = ΠR1(r)
{ Ví dụ:
Supplier(sid, sname,city,NOE,
pname,colour,quantity)
ÖS1(sid, sname, city, NOE)
SP1(sid,pname,colour,quantity)
ΠR2(r)
…
Π Rk (r)
25
Kiểm tra tính không mất mát thông tin
{ Vào: R(A1, A2, …, An), F, phép tách {R1, R2, …, Rk}
{ Ra: phép tách là mất mát thông tin hay không
{ Thuật toán
B.1. Thiết lập một bảng k hàng, n cột
Nếu Aj là thuộc tính của Ri thì điền aj vào ô (i,j).
Nếu không thì điền bij.
B.i. Xét f = XÆY ∈F.
Nếu
∃ 2 hàng t1, t2 thuộc bảng : t1[X] = t2[X]
t1[Y] = t2[Y], ưu tiên đồng nhất về giá trị a
thì
Lặp cho tới khi không thể thay đổi được giá trị nào trong bảng
B.n. Nếu
bảng có 1 hàng gồm các kí hiệu a1, a2, … , an
phép tách là không mất mát thông tin.
phép tách không bảo toàn thông tin.
thì
ngược lại,
26
ũ ếệ ố
Phép tách bảo toàn tập phụ thuộc hàm
{ Hình chiếu của tập phụ thuộc hàm
Cho sơ đồ quan hệ R, tập phụ thuộc hàm F, phép tách
{R1, R2, … , Rk} của R trên F.
Hình chiếu Fi của F trên Ri là tập tất cả XÆY ∈ F+ :
XY ⊆ Ri .
{ Phép tách sơ đồ quan hệ R thành {R1, R2, … , Rk} là
một phép tách bảo toàn tập phụ thuộc hàm F nếu
(F1 ∪ F2 … ∪ Fk)+ = F+
hay hợp của tất cả các phụ thuộc hàm trong các hình
chiếu của F lên các sơ đồ con sẽ suy diễn ra các phụ
thuộc hàm trong F.
27
Bài tập
{ Kiểm tra xem 1 phép tách có bảo toàn tập phụ
thuộc hàm không
{ Kiểm tra xem 1 phép tách có mất mát thông tin
không
28
ũ ếệ ố
Các dạng chuẩn
{ Vấn đề đặt ra
z Có cần phải tinh chỉnh thiết kế nữa hay không?
z Thiết kế đã là tốt hay chưa?
¾ Định nghĩa về các dạng chuẩn.
{ Mục đích:
Mỗi dạng chuẩn đảm bảo ngăn ngừa (giảm thiểu) một
số các dạng dư thừa hay dị thường dữ liệu
{ Các dạng chuẩn hay sử dụng
z Dạng chuẩn 1 (1NF)
z Dạng chuẩn 2 (2NF)
z Dạng chuẩn 3 (3NF)
z Dạng chuẩn Boye-Code (BCNF)
z Dạng chuẩn 4 (4NF)
29
Dạng chuẩn 1 (1NF)
{ Đ/N: Một sơ đồ quan hệ R được gọi là ở dạng
chuẩn 1 nếu tất cả các miền giá trị của các
thuộc tính trong R đều chỉ chứa giá trị nguyên
tố.
z Giá trị nguyên tố là giá trị mà không thể chia nhỏ ra
được nữa
{ Ví dụ: Quan hệ không ở 1NF và quan hệ sau
khi chuẩn hóa về 1NF
sname
city
product
sname
city
item
price
name
price
100
120
75
Blake London
Blake London
Nut
100
Blake London
Nut
Bolt
Bolt
120
75
Smith
Paris
Screw
Smith
Paris
Screw
30
ũ ếệ ố
Dạng chuẩn 2 (2NF)
{ Đ/N: Một sơ đồ quan hệ R được coi là ở dạng
chuẩn 2 nếu
z Sơ đồ quan hệ này ở 1NF
z Tất cả các thuộc tính không khóa đều phụ thuộc hàm
đầy đủ vào khóa chính
(Lưu ý, A là một thuộc tính khóa nếu A thuộc một
khóa tối thiểu nào đó của R. Ngược lại A là thuộc tính
không khóa)
31
Phụ thuộc hàm đầy đủ
{ Đ/N: Cho lược đồ quan hệ R(U), F là tập phụ
thuộc hàm trên R. X, Y ⊆ U. Y được gọi là phụ
thuộc đầy đủ vào X nếu:
- XÆY thuộc F+
- !∃ X’ ⊂ X : X’ÆY ∈ F+
{ Các phụ thuộc hàm không đầy đủ còn gọi là
phụ thuộc bộ phận
32
ũ ếệ ố
Ví dụ
Sales(sid, sname, city, item, price)
F = {sid Æ (sname,city), (sid, item) Æ price}
{ Khóa chính (sid,item)
{ sname, city không phụ thuộc hàm đầy đủ vào khóa chính
Ö Sales không thuộc 2NF
Ö Chuẩn hoá
S(sid, sname, city)
Sales (sid, item, price)
33
Dạng chuẩn 3 (3NF)
{ Đ/N: Một sơ đồ quan hệ R được coi là ở dạng
chuẩn 3 nếu
z Sơ đồ quan hệ này ở 2NF
z Mọi thuộc tính không khóa đều không phụ thuộc bắc
cầu vào khóa chính
34
ũ ếệ ố
Ví dụ
S (sid, sname, city)
Sales(sid, item, price)
F = {sid Æ sname, city}
¾ S, Sales thuộc dạng chuẩn 3
ItemInfo(item, price, discount).
F = {itemÆprice, priceÆdiscount}
{ thuộc tính không khóa discount phụ thuộc bắc cầu vào
khóa chính item.
¾ Vậy quan hệ này không ở 3NF.
¾ Chuẩn hoá
ItemInfo(item, price)
Discount(price, discount)
35
Dạng chuẩn Boye-Codd
{ Đ/N: Một sơ đồ quan hệ R(U) với một tập phụ
thuộc hàm F được gọi là ở dạng chuẩn Boye-Codd
(BCNF) nếu với ∀ XÆA ∈ F+ thì
z A là thuộc tính xuất hiện trong X hoặc
z X chứa một khóa của quan hệ R.
{ Ví dụ
z R = {A,B,C} ; F = {ABÆC , CÆB}.
z R không phải ở BCNF vì ∃ CÆB, C không phải là khóa
{ Chú ý:
z Một quan hệ thuộc 3NF thì chưa chắc đã thuộc BCNF.
Nhưng một quan hệ thuộc BCNF thì thuộc 3NF
36
ũ ếệ ố
Tách bảo toàn tập phụ thuộc hàm về
3NF
{
Vào: R(U), F (giả thiết F là phủ tối thiểu)
Ra: Phép tách bảo toàn tập phụ thuộc hàm về 3NF
Thuật toán
{
{
B1. Với các Ai ∈ U, Ai ∉ F thì loại Ai khỏi R và lập 1 quan hệ
mới cho các Ai
B2. Nếu ∃ f ∈ F, f chứa tất cả các thuộc tính của R thì kết
quả là R
B3. Ngược lại, với mỗi XÆ A ∈F, xác định một quan hệ
Ri(XA).
Nếu ∃ XÆAi, XÆAj thì tạo một quan hệ chung R’(XAiAj)
37
Ví dụ
Cho R = {A,B,C,D,E,F,G}
F = {AÆB, ACDÆE, EFÆG}
{ Xác định phép tách bảo toàn tập phụ thuộc hàm
về 3NF
B1. không lập được quan hệ nào mới.
B2. !∃ f ∈ F: f chứa tất cả các thuộc tính của R
B3. AÆB
ACDÆE
EFÆG
Ö R1(AB)
Ö R2(ACDE)
Ö R3(EFG)
38
ũ ếệ ố
Tách không mất mát thông tin và bảo
toàn tập phụ thuộc hàm về 3NF
{
Yêu cầu:
z
Bảo toàn tập phụ thuộc hàm (như thuật toán trên)
z
Đảm bảo là có một lược đồ con chứa khóa của
lược đồ được tách
{
Các bước tiến hành
B1. Tìm một khóa tối thiểu của lược đồ quan hệ R đã
cho
B2. Tách lược đồ quan hệ R theo phép tách bảo toàn
tập phụ thuộc
B3. Nếu 1 trong các sơ đồ con có chứa khóa tối thiểu
thì kết quả của B2 là kết quả cuối cùng.
Ngược lại, thêm vào kết quả đó một sơ đồ quan hệ
được tạo bởi khóa tối thiểu tìm được ở 1.
39
Ví dụ
Cho R(A,B,C,D,E,F,G).
F = {AÆB, ACDÆE, EFÆG}
B1. Khóa tối thiểu cần tìm là ACDF (xem slide 19)
B2. Phép tách bảo toàn tập phụ thuộc hàm R cho 3 sơ đồ con
R1(AB), R2(ACDE), R3(EFG) (xem slide 40)
B3. Do khóa ACDF không nằm trong bất kỳ một sơ đồ con
nào trong 3 sơ đồ con trên, ta lập một sơ đồ con mới
R4(ACDF)
Kết quả cuối cùng ta có phép tách R thành 4 sơ đồ con
{R1, R2, R3, R4} là một phép tách không mất mát thông tin
và bảo toàn tập phụ thuộc hàm
40
ũ ếệ ố
Tải về để xem bản đầy đủ
25 trang
26/04/2022
7960
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Nhập môn cơ sở dữ liệu - Bài 3: Thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ - Vũ Tuyết Trinh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_nhap_mon_co_so_du_lieu_bai_3_thiet_ke_co_so_du_lie.pdf
