第四章 关系数据模式设计(1)
关系数据库设计与数据模型规范化
关系数据库设计与数据模型规范化一、关系数据库设计关系数据库是计算机领域中最为常见的一种数据库类型。
其最大的优点在于能够将数据组织成易于理解和使用的表格形式。
在实际数据处理过程中，如何设计符合需求的关系数据库，就显得尤为重要。
1.需求分析在进行关系数据库设计之前，首先需要进行需求分析。
需求分析是数据库设计的前置条件。
在需求分析的阶段中，需要明确以下几点：（1）目标：明确数据处理的目标和应用范围，为之后的数据库设计打基础。
（2）分类：对数据分类进行划分，避免数据冗余。
（3）结构：建立明确的数据结构，便于数据管理和数据维护。
2.数据模型设计在确定了需求分析后，需要选择合适的数据模型来设计关系数据库。
目前常用的模型包括ER模型和UML模型。
（1）ER模型ER模型是实体关系模型(Entity-Relations)，用于描述现实世界中的实体和实体之间的关系。
但是ER模型较为简略，无法完全描述企业组织的复杂业务。
（2）UML模型UML(Unified Modeling Language, 统一建模语言)是由Rational Software从其原有的语言发展而来，也是一个面向对象的系统建模语言。
UML可以完全描述在业务领域中的实体、角色、流程、组织、行业标准、应用程序、计算机设备和网络等事物，并对它们之间的关系进行规范化处理。
3.关系数据库设计在确定了数据模型后，需要按照模型的规范进行关系数据库的设计。
（1）确定实体之间的关系，确定实体之间的主键和外键。
（2）每个实体需有一个表来存储其中的数据。
每个表应该只包含一个主题，表的内容不应该受到单个操作的影响。
（3）确定数据类型，遵循数据类型的规范。
（4）减少冗余，使表格的设计更为完善。
二、数据模型规范化数据模型规范化是指通过一定的方法对数据模型进行检验和优化，以避免数据冗余、不一致和失误等问题，提高数据的有效性和可信性。
其主要目的是将数据冗余减至最小，维护数据库稳定性。
关系数据库设计范式
BC范式
BC范式（Boyce-Codd范式）是更高级的范式，要求每个非主键列只依赖于候 选键。遵循BC范式可以消除冗余数据，减少数据更新的复杂性。
高阶式
除了前面提到的范式，还有其他更高级的范式，如第四范式、第五范式等。 这些范式在特定的数据库设计场景中起到关键的作用，提高了数据库的性能 和数据的一致性。
第一范式要求每个数据库表中的每个列都必须是原子性的，即不能存在重复 的列或多值列。遵循第一范式可以消除数据冗余和不一致性。
第二范式
第二范式要求每个非主键列只依赖于主键，而不是依赖于其他非主键列。遵循第二范式可以消除部分依赖，提 高数据的一致性和准确性。
第三范式
第三范式要求每个非主键列只依赖于主键，并且不存在传递依赖。遵循第三 范式可以进一步消除传递依赖，提高数据库的灵活性和可扩展性。
关系数据库设计范式
关系数据库设计范式是一组规则和准则，用于帮助我们设计高效和可靠的数 据库。了解不同的范式对于构建强大的数据库系统至关重要。
范式的定义和作用
范式是一种规范，用于规定数据库设计中各种依赖关系的要求和限制。通过遵循范式，可以减少数据冗余、提 高数据一致性，并最大程度上优化数据库性能。
第一范式
实践案例和总结
最后，通过实际案例来展示不同范式在数据库设计中的应用，以及范式设计 的优点和限制。结合实际应用场景，总结并提供实用的建议和技巧。
关系型数据模型设计
关系型数据模型设计1.引言1.1 概述概述部分的内容应该简要介绍关系型数据模型设计的主要内容和背景。
关系型数据模型是一种广泛应用于数据库管理系统的数据模型，它采用了表格的形式来组织和表示数据。
在关系型数据模型中，数据被组织成一个或多个表格，每个表格包含了若干列和行，其中每一列都代表了一个数据字段，而每一行则代表了一条数据记录。
关系型数据模型设计是指在建立关系型数据库之前需要进行的数据设计过程。
它涉及到定义表格的结构和关系、确定字段的属性和约束、选择适当的数据类型以及设计数据库的完整性规则等。
通过合理的关系型数据模型设计，可以保证数据在存储和访问过程中的一致性、完整性和有效性，从而提高数据管理的效率和可靠性。
关系型数据模型设计在数据库领域有着重要的地位和作用。
它为我们提供了一个结构化的数据管理方法，使得数据可以以统一的方式进行存储、查询和管理。
同时，关系型数据库的设计也是数据库系统设计的基础，它为数据库的构建和优化提供了重要的指导和参考。
在本文中，我们将深入探讨关系型数据模型的设计原则、方法和技巧。
我们将通过介绍关系型数据模型的基本原理和特点，解释关系型数据模型设计的重要性，并展望未来关系型数据模型的发展趋势。
通过学习和理解这些内容，读者将能够更好地掌握关系型数据模型设计的关键要点，为实际的数据库设计和应用提供有力的支撑。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下要点：本文主要围绕关系型数据模型设计展开，旨在介绍关系型数据模型的基本概念、设计原则，以及总结其重要性，并展望未来的发展趋势。
首先，在第一节中，将对文章的概述进行介绍。
这一部分会对关系型数据模型设计的主题进行简要说明，为读者提供一个整体的认识，并引发读者对该主题的兴趣。
接下来，在第二节中，将深入探讨关系型数据模型的基本概念和设计原则。
这一部分将从关系型数据模型的起源、关键概念、以及设计的一般原则等方面展开，帮助读者建立对关系型数据模型的基本了解和认知，为后续内容的理解打下基础。
关系数据库的数据模型设计方法
关系数据库的数据模型设计方法随着计算机技术的不断发展，我们正处于一个数据信息化的时代，数据的管理和处理已经成为企业、政府、个人等各个领域的重要问题。
而关系数据库（Relational Database）作为一种常见的数据存储方式，其数据模型设计方法也成为数据管理中的关键环节。
关系数据库的数据模型设计包括三个部分：实体(Entity)、属性(Attribute)和关系(Relationship)。
实体是指现实世界中可以独立、区分的事物或对象；属性是指实体的属性或特征；关系则是描述实体之间的联系或关联。
在进行关系数据库的数据模型设计时，需要进行以下几个步骤：第一步，确定需要存储的实体和属性。
这个步骤需要对用户需求进行分析，找出用户需求中涉及到的实体和属性，并进行分类归纳。
例如，在设计一个学生信息管理系统时，需要确定实体有“学生”、“教师”等，属性有“学生姓名”、“专业”等。
第二步，确定实体之间的关系。
这个步骤需要对实体之间的联系或关系进行分析，找出实体之间的联系或关系，并进行分类归纳。
例如，在设计一个学生信息管理系统时，需要确定学生与课程之间的关系，即“学生选修了某个课程”。
第三步，建立实体关系图（ER图）。
根据前两步的分析结果，将实体和关系以图形的形式表现出来，形成一个实体关系图。
ER图是关系数据库模型的基本设计工具，通过ER图可以清晰地把实体和关系之间的联系表达出来，是设计关系数据库的必要步骤。
第四步，建立数据库表结构。
根据ER图，将实体和关系转换为数据库中的表结构，包括表的名称、属性、主键等。
例如，在设计学生信息管理系统时，可以将“学生”实体转换为一个“学生信息”表，该表包括“学生姓名”、“专业”等属性，同时还需要确定一个主键，通常是一个唯一标识符，用于唯一标识每一个记录。
第五步，进行数据填充和查询操作。
在确定好数据库表结构之后，就可以进行数据填充和查询操作了。
数据填充是将现实世界中的数据转换为数据库中的数据，通常是通过应用程序实现；查询操作是通过SQL语句进行实现，以便用户对数据库中的数据进行操作和查询。
数据库第三版课后习题答案
数据库第三版课后习题答案数据库第三版课后习题答案在学习数据库的过程中，课后习题是巩固知识的重要方式。
本文将为大家提供数据库第三版课后习题的答案，希望对大家的学习有所帮助。
第一章：数据库基础1. 数据库是什么？答：数据库是一个存储、管理和操作数据的集合。
它可以用来存储和检索大量数据，并提供数据的安全性和完整性。
2. 数据库管理系统（DBMS）的作用是什么？答：DBMS是一种软件，用于管理数据库。
它提供了对数据库的访问和操作，包括数据的增删改查、数据安全性和完整性的控制、数据备份和恢复等功能。
3. 数据库系统的组成部分有哪些？答：数据库系统由数据库、数据库管理系统和应用程序组成。
数据库是存储数据的仓库，数据库管理系统用于管理和操作数据库，应用程序用于访问和处理数据库中的数据。
4. 什么是关系型数据库？答：关系型数据库是一种基于关系模型的数据库。
它使用表格（称为关系）来组织和存储数据，每个表格包含行和列，行表示记录，列表示属性。
第二章：SQL基础1. SQL是什么？答：SQL（Structured Query Language）是一种用于管理关系型数据库的语言。
它可以用来创建、修改和查询数据库中的数据。
2. SQL语句分为哪几类？答：SQL语句分为数据定义语言（DDL）、数据操作语言（DML）、数据查询语言（DQL）和数据控制语言（DCL）四类。
3. 什么是DDL语句？举例说明。
答：DDL语句用于定义数据库的结构和模式，包括创建表格、修改表格结构、删除表格等。
例如，创建表格的语句如下：CREATE TABLE student (id INT PRIMARY KEY,name VARCHAR(50),age INT);4. 什么是DML语句？举例说明。
答：DML语句用于操作数据库中的数据，包括插入、更新和删除数据。
例如，插入数据的语句如下：INSERT INTO student (id, name, age) VALUES (1, 'Tom', 20);第三章：关系数据库设计1. 什么是关系数据库设计？答：关系数据库设计是指根据实际需求，设计数据库的结构和模式。
第四章 关系数据模式设计(1)
branch
branch manager A Frank B David C Frank
如何解决这些问题？
考虑另一种分解方案，如下所示
worker (name, branch, manager) → worker2 (name, manager), branch (branch, manager)
例如，以下是平凡的函数依赖
name, branch name
name name
例如，以下是非平凡的函数依赖
name, branch manager
思考与练习
平凡的函数依赖总是成立的，为什么？
换句话说，平凡的函数依赖是没有意义的，我们一般
所讨论的函数依赖都应该排除这种情况。
Y : R中一或多个属性的集合
X,
函数依赖
我们说关系模式R上存在以下函数依赖
X Y (读作：X蕴涵Y ，或Y依赖X)
的条件是当且仅当：两个元组如果在属性集X上相等， 则它们在属性集Y上也必然相等（ 同一个X对应同一 个Y）
t1[X] = t2 [X] t1[Y ] = t2 [Y ]
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B Debbie Curry C Frank Larry B David Julia C Frank
×
“坏”关系模式的问题
插入异常
思考：假设成立一个新部门D。经理是kevin，没有员 工。我们能增加关于部门D的信息么？ 如果一个部门还没有员工，我们就无法添加这个部门 的信息
什么导致了这些问题？
worker关系的这些函数依赖中,
数据库第四章 关系数据库设计理论PPT课件
4-
5
4.1 数据依赖
4.1.1 关系模式的形式化定义 4.1.2 函数依赖与存储异常 4.1.3 有关概念
4-
6
4.1.2 函数依赖与存储异常
数据依赖：通过一个关系中属性间值的相等与 否体现出来的数据间的相互关系的抽象，是数 据内在的性质，是语义的体现。
4-
20
4.2.1 1NF
例.SCL(Sno,Sdept,Sloc学生住处,Cno,Grade)假 设每个系学生住在同一地方.
该关系满足1NF
存在问题:
(1)插入异常 若要插入
3.插入异常:如一个系刚成立,尚无学生,则无法把系信息 存入
4.删除异常:如某系学生全毕业,学生全删,则系信息也丢 了.
鉴于以上种种,Student不是一个好的模式
以上四个问题称为存储异常
4-
9
4.1.2 函数依赖与存储异常
一个”好”的模式应当不会发生存储来自常：插入异常 更新异常 删除异常 数据冗余多
Y X,YZ, 则称Z对X传递函数依赖；
例：上例中SnoSdept SdeptMname 则 SnoMname
4-
15
4.1.3 有关概念
5.码（关键字） 定义:设K为R<U,F>中的属性或属性组合，若 K F U，则K为R的侯选码(Candidate key). 若
侯选码多于一个，则选定其中的一个为主码 (Primary key). 例：student中Sno F U（完全决定），则Sno为 主关键字
(Sno,Cname)Grade
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8
4.1.2 函数依赖与存储异常
数据库原理与设计-第四章
练习：
1、在关系R（R#，RN，S#）和S（S#，SN，SD）中，R的主键
是R#，S的主键是S#，则S#在R中称为 外键
。
2、用户选作元组元组标识的一个侯选键称为 主键
。
3、关系模式的任何属性（ A ）。
A、不可再分
B、可再分
C、命名在该关系模式中可以不惟一 D、以上都不是
4、一个关系数据库文件中的各条记录（ B ）
练习：
1、分别建立表dept1和emp1，并在二者之间定义关联。
表名
列名
数据约束
约束
DEPT1
Dno NAME
Decimal(3) VARCAHR(10)
PRIMARY KEY
LOC
VARCHAR(20)
表名 EMP1
列名 数据类型
Eno
Decimal(4)
NAME VARCHAR(10)
Salary Decimal(6,2)
Dno
Decimal(3)
约束
UNIQUE
FOREIGN KEY 级联删除
2、增加约束
（1）值唯一； （2）可有一个且仅有一个空值。
唯一约束既可以在列级定义，也可以在表 级定义。
【例4-4】示例。
（1）建立employee表，在employee表中定义一个phone字段， 并为phone字段定义指定名称的唯一约束。
CREATE TABLE employee ( empno DECIMAL(2) PRIMARY KEY, name VARCHAR(8), age DECIMAL(3), phone VARCHAR(12), deptno DECIMAL(2), CONSTRAINT emp_phone UNIQUE(phone) );
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的重复，解决了以上问题
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B David Curry C Frank Larry B David Julia C Frank
worker1
name branch Jones A Smith B Curry C Larry B Julia C
（ Z, A）组合取值重复，即冗余。
函数依赖集的闭包
R(U): 一个关系模式 F : R满足的函数依赖的集合
函数依赖集的闭包
可从F推出某些函数依赖
例如，如果有F={A
函数依赖A C
B, B C}，可以推导出新的
能从一个函数依赖集F推导出的全部函数依赖（包 括F自身）所构成的集合，就是F的闭包 (用F+表示)
判定其中的一个关系模式R是否“好”的，即有 有“坏”数据依赖
没
② ③
如果R不是好的，则要正确地分解为几个较小的 好关系 重复以上两步，直到全部关系模式都变成“好”
的
为止
关系模式设计理论
两个要点
如何知道一个关系模式是否“好”的（有否“坏”的
数据依赖）
判断属于哪一级别的范式。越高级的范式，不良数据 依赖就越少 进行规范化
第四章 关系数据模式设计
目标： 得到“好”的关系模式
关系模式是关系的结构 R(A1, A2, … An)
在实际应用中，关系数据库设计基本课题之一就是 怎样建立一些“好”的关系模式。 然而有时…… 包含“坏”关系模式的数据库设计具有某些问题
“坏”关系模式的问题
考虑以下关系模式设计
关系模式：worker
函数依赖
例如
考虑以下关系
选修
学号 课程号 课程名 分数 01 A 90 数据库 01 B 85 C语言 02 A 70 数据库 02 C 算法分析 100 03 B 80 C语言
以上关系满足什么函数依赖？
特殊类型的函数依赖
函数依赖X Y，当Y X 时是平凡的；否则是非 平凡的
f name manager f SNO, CNO result
意义：（右边）不可以依赖左边的一部分
特殊类型的函数依赖
函数依赖X Y是传递的，当
存在Y，使X 例如.
t name manager是传递的, 因为 name branch, 且branch manager 。但branch name 不成立
思考
如何证明
对候选键的部分/传递依赖是”坏”的
若K→A是部分函数依赖，且K是候选键
存在K'，使K→A K„不是候选键（为什么？），所以K‟取值出现重复，
导致（ K„, A）组合的取值重复，即冗余。
若K→A是传递函数依赖，且K是候选键
存在Z，使K→Z→A，但Z→K不成立
Z不是候选键（为什么？），所以Z取值重复，导致
(name, branch, manager)
假设一个部门仅有一位经理。但反过来，一个经理可
以是多个部门的经理。
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B David Curry C Frank Larry B David Julia C Frank
例如，以下是平凡的函数依赖
name, branch name
name name
例如，以下是非平凡的函数依赖
name, branch manager
思考与练习
平凡的函数依赖总是成立的，为什么？
换句话说，平凡的函数依赖是没有意义的，我们一般
所讨论的函数依赖都应该排除这种情况。
特殊类型的函数依赖
函数依赖X Y是部分的，当
存在
X' X , 使X' Y成立
p
例如，以下函数依赖是部分的
name, branch manager
意义：（右边）可以依赖左边的一部分
函数依赖X Y是完全的，当
不存在
X' X , 使X' Y
例如，以下函数依赖是完全的
X
Y 是部分的
存在X' X, X' Y
X X' ， X' Y X Y 是传递的
键和函数依赖
在关系R中
K是一个超键，当且仅当
K U (U 是R中全部属性的集合)
K是一个候选键，当且仅当
K U, 且 任何K的真子集K'都不满足: K' U
如何解决这些问题？
思考
在分解后，你能找出Jones在哪个部门么？
不正确的分解可能带来新的问题：丢失某些信息
例如，这里会丢失有关员工属于哪个部门的信息
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B David Curry C Frank Larry B David Julia C Frank
Y : R中一或多个属性的集合
X,
函数依赖
我们说关系模式R上存在以下函数依赖
X Y (读作：X蕴涵Y ，或Y依赖X)
的条件是当且仅当：两个元组如果在属性集X上相等， 则它们在属性集Y上也必然相等（ 同一个X对应同一 个Y）
t1[X] = t2 [X] t1[Y ] = t2 [Y ]
branch
branch manager A Frank B David C Frank
如何解决这些问题？
考虑另一种分解方案，如下所示
worker (name, branch, manager) → worker2 (name, manager), branch (branch, manager)
worker2
Branch
name manager branch manager Jones Frank A Frank Smith David B David Curry Frank C Frank Larry David Julia Frank
关系模式设计理论
如何获得“好”的关系模式设计？
①
Z, Z Y 同时成立，但Y X不成立
意义：传递的函数依赖，说明右边与左边不是直接依
赖
函数依赖X Y是非传递的，当
不存在Z 例如.
，使X Z, Z Y 同时成立
name branch 是非传递的
意义：传递的函数依赖说明右边与左边是直接依赖
思考与练习
如果X Y是部分的，那么它也是传递的。为什么？
如何正确地分解某个关系(没有信息的丢失)
思考与练习
观察以下关系模式，然后回答问题
问题1：在这个关系模式上能找到哪些函数依赖？它
们是“好”的还是“坏”的？
问题2:
它是一个“好”的关系模式么？如果不是，存 在哪些问题？
选修
学号 课程号 课程名 分数 01 A 90 数据库 01 B 85 C语言 02 A 70 数据库 02 C 算法分析 100 03 B 80 C语言
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B David Curry C Frank Larry B David Julia C Frank
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B David Curry C Frank Larry B David Julia C Frank null D Kevin
X Y in F+ X Y 能从 F 中推导出
例如，对
F={A B, B C}, F+ = ？
{A B, B C, A C, A A, B B, ……}
函数依赖集的闭包
我们可以应用Armstrong公理来找到F+中的所有(函 数依赖)
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B David Curry C Frank Larry B David Julia C Frank
worker2
Branch
name manager branch manager Jones Frank A Frank Smith David B David Curry Frank C Frank Larry David Julia Frank
“坏”关系模式的问题
该关系模式设计有如下问题
冗余
思考：有几个元组存储了David是部门B经理的信息？
一个部门有多个员工，每个员工都要重复存储谁是部 门经理的信息
worker
name branch manager Jones A Frank Smith B DavidFrank
目录*
4.1 模式设计与数据冗余
4.2 函数依赖
4.2.1 函数依赖的基本概念
4.2.2 函数依赖集的闭包
4.2.3 Armstrong公理系统
4.2.2 最小函数依赖集Fmin
4.4 范式
函数依赖
定义
R:
r:
U:
一个关系模式 R的一个关系实例 R中的所有属性，此时R又可表示为R(U)