关系数据库原理(关系的完整性和规范化)讲解
数据库设计与规范化的基本原理
数据库设计与规范化的基本原理数据库设计是构建一个结构化和有效的数据库的过程，而规范化则是数据库设计中非常重要的一部分。
规范化的目标是消除冗余数据，提高数据存储的效率，并确保数据库的一致性和可靠性。
本文将介绍数据库设计和规范化的基本原理，包括关系模型、函数依赖性、范式以及一些常用的规范化技巧。
1. 关系模型关系模型是数据库设计的基础，它使用表格（关系）和行列（元组和属性）的概念来表示数据。
每个表格代表一个实体类型，每行代表一个实体实例，每列代表实体的属性。
关系模型提供了一种清晰而简洁的方式来组织和表示数据，使得数据的操作和管理更加方便和高效。
2. 函数依赖性函数依赖性是指在关系模型中，一个属性的值依赖于其他属性的值的情况。
我们可以使用箭头（→）表示函数依赖性。
例如，如果属性A的值取决于属性B的值，则可以表示为B→A。
函数依赖性在数据库设计中起着重要的作用，它帮助我们构建更合理和高效的关系模式。
3. 范式范式是一组规则，用于规范化数据库设计。
它们帮助我们避免数据冗余和不一致，提高数据库的性能和可靠性。
常见的范式包括第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）和BC范式（BCNF）。
每个范式都有自己的特定要求和规则，以确保数据库中的数据结构合理而高效。
4. 第一范式（1NF）第一范式要求关系模式中的每个属性具有原子性，即不可再分。
这意味着一个属性中不能包含多个值或多个属性。
例如，如果一个产品字段包含产品名称和价格，则需要将其拆分为两个独立的属性：产品名称和产品价格。
5. 第二范式（2NF）第二范式要求关系模式中的每个非主属性完全依赖于主键。
如果一个关系包含一个以上的候选键，那么每个候选键都应该被视为主键，并与其他属性形成函数依赖。
这可以避免数据冗余和不一致。
6. 第三范式（3NF）第三范式要求关系模式中的每个非主属性不相互依赖。
如果存在一个非主属性依赖于另一个非主属性的情况，应将其移动到一个单独的关系模式中。
数据库原理与应用：第5章 关系数据库规范化理论
∪
定义 在R（U）中，如果 X→Y，Y→Z，其中 Y X，Y→X， 则称Z对 X传递函数依赖，记作：X T Z。
【例】关系模式R（学号，姓名，出生年月，系编号，系负责人）
在此关系模式中有如下函数依赖： 学号→系编号 系编号→系负责人 系编号→学号
（相当于X→Y） （相当于Y→Z） （相当于Y→X）
下面通过例子对这些问题进行分析：
[例1] 要求设计教学管理数据库，其关系模式，SCD如下： SCD（SNO，SN，AGE，DEPT，MN，CNO，SCORE）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
其中
SNO 表示学生学号， AGE 表示学生年龄， MN 表示系主任姓名， SCORE 表示成绩。
SN 表示学生姓名， DEPT 表示学生所在系别， CNO 表示课程号，
按照一定的规范设计的关系模式，将结构复杂的关系分解成结构 简单的关系，从而把不好的关系数据库模式转变成为好的关系数据 库模式，这就是关系的规范化。
规范化又可以根据不同的要求而分成若干级别。
我们要设计的关系模式中的各属性是相互依赖、相互制约的，这 样才构成了一个结构严谨的整体。
在设计关系模式的时候，必须从语义上分析这些依赖关系。数据 库模式的好坏和关系中各属性间的依赖关系有关。因此，我们先讨 论关系规范化理论。
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当新插入一个系时，只要在关系D中添加一个记录就可以了；当某个学生 尚未选课时，只要在关系 S中添加一条学生记录就可以了，而与选课 关系无关，这就避免了插入异常。
当一个系的学生全部毕业时，只需在 S中该系的全部学生记录，而关系D 中有关该系的信息仍然保留，从而不会引起异常删除。
根据实际情况，这些数据有以下语义规定：
（1） （2）
关系数据库与SQL Server 2008第3讲 关系数据库原理(关系的完整性和规范化)
类型：
实体完整性规则
参照完整性规则（引用完整性规则）
域完整性规则（用户自定义完整性规则）
规则要求：在任何关系的任何一个元组中，主键的值不能为空值、也不能取重复的值。
目的：用于保证数据库表中的每一个元组都是存在且唯一的。
例如：学生（学号，姓名，性别，年龄）中，学号是主键，其值必须非空，且不能重复。
重庆电子工程职业学院授课方案（教案）
课名：教师：
班级：编写时间：
课题：关系的完整性和规范化
教学目的及要求：
教学重点：
1.关系的完整性
2.范式类别的判别、范式的分解
教学难点：
范式类别的判别、范式的分解
教学步骤及内容:
复习并导入新课
1.什么是主关键字/主码/主键？
2.ER图转化为关系模式的原则是什么？
定义：是对关系的某种约束条件。
3．R(商店编号,商品编号,数量,部门编号,负责人)最高已达到2NF。因负责人是码的传递依赖。
4．要达到3NF，必须消除非主属性对码的传递依赖。对R分解后的两个模式如下：
R1(商店编号，商品编号，数量，部门编号)
R2(部门编号，负责人)
示例：设有关系模式STJ（学生，教师，课程），并有如下假设：
①每位教师只教一门课程；
范式的类型：第一范式(1NF)、第二范式(2NF)、第三范式(3NF)……
关系规范化的概念：将低级范式转换为若干个高级范式过程。
定义：如果关系模式R的每个属性都是不可分解的，则称R属于1NF。第一范式是对关系的最低要求。
示例：判断哪一张表是1NF？
定义：如果关系模式R为第一范式，且R中每个非主属性完全函数依赖于R的主码，则称R属于2NF模式。
关系数据库基本知识
关系数据库基本知识在计算机科学领域，关系数据库是一种基于关系模型的数据库管理系统。
它使用一种称为关系的二维表格来组织和存储数据。
关系数据库是现代应用程序开发中最常用的数据库类型之一，具有高度的灵活性和可扩展性。
关系数据库中的数据以表的形式组织，表由行和列组成。
每个表代表一个实体或概念，行代表表中的记录，列代表记录中的属性。
通过表之间的关系（例如主键和外键），可以实现数据的关联和查询。
关系数据库的核心概念包括以下几个方面：1. 实体和属性：关系数据库通过表来表示现实世界中的实体和它们的属性。
例如，一个学生表可以包含学生的姓名、年龄和性别等属性。
2. 主键和外键：主键是表中唯一标识每条记录的一列或一组列。
外键是表中指向另一个表的主键列，用于建立表之间的关系。
通过主键和外键，可以实现数据的关联和查询。
3. 数据完整性：关系数据库通过约束来保证数据的完整性。
常见的约束包括主键约束（保证主键的唯一性）、唯一约束（保证列的唯一性）和外键约束（保证外键的引用完整性）等。
4. 数据查询：关系数据库通过结构化查询语言（SQL）来进行数据查询和操作。
SQL提供了丰富的语法和功能，可以实现复杂的查询和数据操作。
5. 数据索引：为了提高数据的查询性能，关系数据库使用索引来加快数据的检索速度。
索引是一种数据结构，可以快速定位到满足查询条件的记录。
关系数据库的优点包括：1. 数据的结构化和规范化：关系数据库使用表格来组织数据，可以更好地控制数据的结构和格式，提高数据的一致性和规范性。
2. 数据的关联和查询：通过主键和外键，关系数据库可以实现不同表之间的关联和查询，方便用户获取所需的数据。
3. 数据的安全性和完整性：关系数据库提供了各种约束和权限控制机制，可以保证数据的安全性和完整性。
4. 数据的扩展性和可维护性：关系数据库可以轻松地扩展和修改表结构，而不会影响到已有的数据和应用程序。
需要注意的是，关系数据库并不适用于所有的数据存储需求。
数据库原理及应用数据库完整性
数据库原理及应用数据库完整性在当今数字化的时代，数据库成为了各类组织和系统存储、管理和处理数据的核心工具。
而数据库完整性则是确保数据库中数据的准确性、一致性和可靠性的关键因素。
理解数据库完整性的原理及应用，对于有效管理和利用数据库资源至关重要。
数据库完整性指的是数据库中的数据在逻辑上的正确性和合理性。
它涵盖了多个方面，包括实体完整性、域完整性、参照完整性和用户自定义完整性。
实体完整性确保表中的每一行都能唯一地标识一个实体。
例如，在一个学生信息表中，学号通常被设定为主键，不能有重复的值，这样就能保证每个学生在表中都有唯一的标识。
如果出现了学号重复的情况，就违反了实体完整性规则，可能导致数据的混乱和错误。
域完整性则关注的是列数据的有效性。
比如，学生成绩的列中，成绩的值应该在 0 到 100 之间。
如果出现了超出这个范围的值，比如－5 或者 150，就违反了域完整性规则。
这就好像给一个变量设定了一个合理的取值范围，超出这个范围就是不合理的。
参照完整性在多个相关表之间起着重要的作用。
假设有一个“学生选课表”和一个“课程表”，“学生选课表”中的课程编号应该在“课程表”中存在对应的值。
如果在“学生选课表”中出现了一个不存在于“课程表”中的课程编号，那就违反了参照完整性。
这就好比是一个链条，每个环节都要相互衔接，不能出现脱节的情况。
用户自定义完整性则允许根据特定的业务规则来定义数据的约束条件。
比如，在一个订单表中，可以规定订单金额不能为负数，这就是根据业务需求自定义的完整性规则。
为了实现数据库完整性，数据库管理系统提供了多种机制。
约束是其中最常见的一种。
主键约束、唯一约束、检查约束、外键约束等都能有效地保证数据的完整性。
主键约束用于确保主键列的值唯一且不为空。
它就像是一个数据的“身份证号”，独一无二且必不可少。
唯一约束则保证了指定列的值不能重复，但可以为空。
检查约束可以定义一个条件，使得列中的值必须满足该条件。
第讲关系数据库原理关系的完整性和规范化
有如下的关系模式 SD（学号，姓名，系名，系主任）
“学号→系名，系名→系主任”，则系主任传递依赖 于学号。
第1章 关系数据库原理—关系的完整性规则、关系的规范化 14
第3讲 三、关系的规范化
✓引
在关系数据库的设计过程中，对于同一个问题 ，选用不同的关系模式，其性能的优劣是大不 相同的，为了区分关系模式的优劣，人们常常 把关系模式分为各种不同等级的范式。
“工厂编号+产品编号” →“计划数量”，是完全函 数依赖。
第1章 关系数据库原理—关系的完整性规则、关系的规范化 12
第3讲 二、函数依赖
3.部分函数依赖（局部依赖） ✓ 定义
对于一个函数依赖：X→Y，如果存在Z∈X（Z 属于X），且有Z→Y成立，则称“Y部分函数依 赖于X”。
✓ 示例
有如下的关系模式
教师年龄 34 45 34 27 45 34
办公室 2-14 1-01 2-14 3-15 1-01 2-14
第1章 关系数据库原理—关系的完整性规则、关系的规范化 18
第3讲 三、关系的规范化
3.第二范式(2NF)
✓ 定义
如果关系模式R为第一范式，且R中每个非主属性完全 函数依赖于R的主码(复合码)，则称R为2NF模式。
数据冗余：如各位老师的信息重复。
插入异常：如果要插入刘老师的个人信息，但刘老师未开 课，会造成缺关键字“学号”、“课程号”。
删除异常：当要删除 课程号=“C3” 的元组，会丢失李老师 的信息。
修改量大。
学号
课程号
成绩
01
C1
90
01
C2
78
02
C1
85
03
C3
数据库课件第4章关系数据库(RDB)规范化设计理论
3. 完全函数依赖与部分函数依赖
完全函数依赖： 在关系模式R(U)中，如果X→Y，并且对于X的任何一 个真子集X′，都有X′ Y，则称Y完全函数依赖于X， 记作X f Y。 部分函数依赖： 若X→Y，但Y不完全函数依赖于X，则称Y部分函数依 p Y。 赖于X，记作X
例8： 学生(学号，姓名，所在系，系主任姓名，课程号，成绩) 学生关系模式存在的部分函数依赖： p (学号，课程号) 姓名 p 所在系 (学号，课程号) p (学号，课程号) 系主任姓名
教师姓 名
李林 78号
住址
课程号
C1
课程名
N1
李林
李林 汪佳 吴仪
78号
78号 59号 79号
C2
C3 C4 C5
N2
N3 N4 N5
师帆
76号
C6
N6
⑷当执行数据插入时，DB中的数据不能产生插入 异常现象 所谓“插入异常”是指希望插入的信息由于不 能满足数据完整性的某种要求而不能正常地被 插入到DB中的异常问题。 比如:上例中插入一个尚未安排授课的新进教师 信息. 原因： 因多种信息混合放在一个表中，可能造成因一 种信息被捆绑在其他信息上而产生的信息之间 相互依附存储的问题，使得信息不能独立插入。
第4章
关系数据库(RDB)规范化理论
4.1 关系模式规范化的必要性 4.2 数值依赖 4.3 范式与规范化 、关系分解原则
RDB规范化理论的目的是要设计“好的”RDB模式。要设计 好的关系模式，必须是关系满足一定的约束条件，此约束 形成了规范。 范式(Normal Form)：衡量DB规范的层次或深度，DB规范化 层次由范式来决定。简记作NF. 根据关系模式满足的不同性质和规范化的程度，将关系模 式分为第一范式(1NF)、第二范式(2NF)、第三范式(3NF)、 BC范式、第四范式(4NF)、第五范式(5NF)，范式越高规范 化程度越高。 规范化：低级关系模式通过模式分解转换为若干高级范式 的关系模式集合的过程。 规范化是在RDB中减少数据冗余的过程。
第讲 关系的完整性和规范化
第讲关系的完整性和规范化什么是关系完整性在关系数据库中，关系完整性是指对数据库中的数据进行完整性保护的一种约束规则，它们限制了数据库中数据的输入，更新和删除操作，以确保数据库中维护的数据是正确、一致和可靠的。
关系完整性约束可以分为以下几类：实体完整性约束实体完整性约束保证表中的数据是唯一的。
比如，在一个员工表中，员工编号应该是唯一的。
因此，我们可以在员工编号列上建立一个唯一约束，以确保每个员工拥有唯一编号。
如果在插入或者更新员工信息时，唯一约束被违反了，数据库会返回一个错误。
参照完整性约束参照完整性约束建立在表之间的关系上。
在关系模型中，表之间的关系可以被表示为外键约束。
外键约束保证了在表之间的数据关联是有效的。
比如，在员工表中，有一个外键约束，指向部门表中唯一部门编号列。
这意味着，员工表中的每个员工都必须关联到部门表中的一个部门。
如果尝试插入一个无效的员工，即员工表中的一个员工没有关联到部门表中的任何部门，数据库会返回一个错误。
域完整性约束域完整性约束保证了表中每个列的数据都满足指定的条件。
比如，在员工表中，工资列的数值应该大于等于0。
因此，我们可以添加一个CHECK约束，以确保工资列中的值符合规定。
什么是关系规范化关系规范化是一种将数据库中的表拆分成更小、更规范化的表的过程。
关系规范化的目的是消除重复数据、减少数据冗余，并提高数据的一致性和可靠性。
在实践中，关系规范化可以分为以下几个步骤：第一范式(1NF)在第一范式中，每个表列都应该只包含不可再分的原子值。
这个过程通常由将数据分解为更小的相关表完成。
第二范式(2NF)在第二范式中，整个数据表中的每个列都应该与该表的主键密切相关。
为了满足这个需求，我们可能需要将数据表继续拆分成新的表。
第三范式(3NF)在第三范式中，每个非主属性都应该完全依赖于主键。
如果存在非主属性互相依赖的情况，我们需要将其分解为更小的表以遵循3NF。
关系完整性和规范化的意义关系完整性是确保数据库中数据正确、一致和可靠的重要保障，它可以帮助避免无效和不良数据的插入，更新和删除。
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三、关系的规范化 2.第一范式(1NF)
第一范式可能存在的问题：
数据冗余：如各位老师的信息重复。
插入异常：如果要插入刘老师的个人信息，但刘老师未开 课，会造成缺关键字“学号”、“课程号”。
01
03102 王萍华 女
20
03223 王平
男
21
05
说明
从表的“系编号（外键）”的取值只能为两种情况： 若取非空值，则它必须是主表中存在的值。 取空值(null)。表明尚未给学生分配专业。Null不等于0或空字符串。
二、函数依赖 1.概念、类型
函数依赖
是指关系中各属性或属性组之间的相互依赖关系。它是关系 规范化的理论基础。
示例
有如下的关系模式
SCD(学号，姓名，课程号，成绩，系名，系主任) 主码为复合码：学号+课程号 “姓名、系名、系主任”与主码是部分函数依赖
二、函数依赖 4.传递函数依赖
定义
在关系模式中，如果X→Y(不能Y→X)，Y→Z，若 存在X→Z ，则称“Z传递依赖于X”。
示例
有如下的关系模式 SD（学号，姓名，系名，系主任）
“学号→系名，系名→系主任”，则系主任传递依赖于学号。
三、关系的规范化
引
在关系数据库的设计过程中，对于同一个问题，选 用不同的关系模式，其性能的优劣是大不相同的， 为了区分关系模式的优劣，人们常常把关系模式分 为各种不同等级的范式。
三、关系的规范化 1. 概念和范式的类型Байду номын сангаас
类型
第一范式(1NF)
函数依赖的定义
给定一个关系模式R，X和Y都是R的属性或属性组，对于X的每 个确定值在任何时刻Y只有一个确定的值与之对应，则称“X 函数决定Y”，或称为“Y函数依赖于X”，X称为决定因素， 记为：X→Y。
函数依赖的类型
完全函数依赖
部分函数依赖
传递函数依赖
二、函数依赖 2.完全函数依赖
定义
如果属性Y函数依赖于复合属性X，且不与X的任 何子集函数相依赖，则称“Y完全函数依赖于X”。
示例
有如下的关系模式:
生产(工厂编号,产品编号,计划数量)
“工厂编号+产品编号” →“计划数量”，是完全函 数依赖。
二、函数依赖 3.部分函数依赖（局部依赖）
定义
对于一个函数依赖：X→Y，如果存在Z∈X（Z属 于X），且有Z→Y成立，则称“Y部分函数依赖于 X”。
3.参照完整性规则（引用完整性规则）
请思考：下面两个关系是否违反参照完整性规则？
系表（主表）
学生表（从表）
系编号 系名 系主任 办公室 电话
01 计算机 龚小勇 205 6003
02
通信 谭中华 207 6025
03
电子 袁 勇 210 6018
学号 姓名 性别 年龄 系编号
03001 马力刚 男
21
第1章 关系数据库原理
——关系的完整性和关系的规范化
复习
什么是关键字/码/键？
答：是能用来惟一标识元组的属性或属性组合。
什么是主关键字/主码/主键？
答：被指定为关键字的候选关键字，称为~。
ER图转化为关系模式的原则是什么？
答：（1）每个实体转换为一个关系。 （2）每个联系也转换成一个关系。 （3）有相同码的关系可以合并。
复习
关系应具备什么性质？
答：（1）关系中每一个属性值都是不可分解的。 （2）关系中不允许出现相同的行。 （3）关系中不允许出现相同的列。 （4）关系中没有行序、没有列序。
第1章 关系数据库原理
——关系的完整性规则、规范化
教学内容
1. 关系的完整性规则
实体完整性、参照完整性、域完整性
2. 函数依赖
5.各范式间的关系
三、关系的规范化
分析 与 解答
四、综合应用
概述 与 结论
本课小结
一、关系的完整性规则
定义
是对关系的某种约束条件。
目的
用于保证关系数据库中数据的正确性和可靠性。
类型
是关系模型必须满足 的完整性约束条件。
实体完整性规则
参照完整性规则（引用完整性规则 ）
目的
用于保证给定字段中数据的有效性,即保证数据 的取值在有效的范围内。
一、关系的完整性规则
3.参照完整性规则（引用完整性规则）
规则要求：
“不引用不存在的实体”。即：不允许在一个 关系中引用另一个关系中不存在的元组。
目的
用于确保相关联的表间的数据保持一致。
一、关系的完整性规则
03001
姓名 马力刚 王萍华 王平 张华 李萍
性别 男 女 男 男 女
年龄 21 20 21 22 19
系编号 01 02 03 04 05
一、关系的完整性规则
2.域完整性规则(用户定义完整性规则)
规则要求
由用户根据实际情况，定义表中属性的取值范 围
例如：性别只能是男和女、年龄不能为负值、成绩 在0—100之间等。
完全函数依赖、部分函数依赖、传递函数依 赖
3. 关系的规范化
第一范式、第二范式、第三范式
第1章 关系数据库原理
——关系的完整性规则、规范化
学习目标
认知目标：
理解关系的完整性规则 了解函数依赖、关系规范化的含义 理解三种范式的定义
能力目标:
能判别关系的范式类别 (重点、难点) 能进行范式的分解（重点、难点）
1.实体完整性规则 2.域完整性规则(用户定义完整性规则)
3.参照完整性规则（引用完整性规则）
一、关系的完整性规则
1.概念、类型 2.完全函数依赖 3.部分函数依赖（局部依赖）
4.传递函数依赖
二、函数依赖
1. 概念和范式的类型 2.第一范式(1NF) 3.第二范式(2NF) 4.第三范式(3NF)
域完整性规则（用户自定义完整性规则）
一、关系的完整性规则
1.实体完整性规则 规则要求：
在任何关系的任何一个元组中，主键的值不能为空 值、也不能取重复的值。
目的：用于保证数据库表中的每一个元组都是惟 一的。
请思考：下面的关系是否违反实体完整性规则？
学号 03001 03102 03223
低
第二范式(2NF)
第三范式(3NF)……
高
关系规范化的概念
将低级范式转换为若干个高级范式过程。
三、关系的规范化 2.第一范式(1NF)
定义
如果关系模式R的所有属性的值域中第一个值都是不可再 分解值，则称R是属于1NF模式。
第一范式是对关系的最低要求。
示例:判断哪一张表是1NF？