Phụ thuộc hàm. và Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu. Nội dung trình bày. Chương 7. Nguyên tắc thiết kế. Ngữ nghĩa của các thuộc tính (1) Phụ thuộc hàm

Transcript

1 Nội dung trình bày hương 7 và huẩn hóa cơ sở dữ liệu Nguyên tắc thiết kế các lược đồ quan hệ.. ác dạng chuẩn. Một số thuật toán chuẩn hóa. Nguyên tắc thiết kế Ngữ nghĩa của các thuộc tính () Nhìn lại vấn đề thiết kế csdl ựa trên trực quan của người thiết kế. Thiếu một tiêu chuẩn hình thức để đánh giá. Đánh giá chất lượng thiết kế Ngữ nghĩa của các thuộc tính. Giảm các giá trị thừa trong các bộ. Giảm các giá trị null trong các bộ. Không để xuất hiện các bộ không có thực. NHNVIEN Ten PHONGN Ten MaP TRUSO_PHONG f.k. f.k. MaP Truso NgSinh f.k. THMGI f.k. hi UN Ten f.k. Ma Ma f.k. MaPhong SoGio iadiem f.k. PhongQly

2 Ngữ nghĩa của các thuộc tính () NHNVIEN_PHONGN NHNVIEN_UN Ma NgSinh Gio hi MaP Ten TenP iadiem Ý nghĩa của các thuộc tính càng dễ hiểu thì lược đồ thiết kế càng tốt. Tránh tổ hợp các thuộc tính của nhiều kiểu thực thể và cùng một lược đồ. f.k. f.k. Thông tin thừa trong các bộ () NHNVIEN Ten NgSinh hi MaPhong Hung /0/96 Nghia 08//9 Vuong /0/968 PHONGN Ten MaP Nghien cuu NHNVIEN_PHONGN NgSinh hi MaP TenP Hung /0/96 Nghien cuu Nghia 08//96... Nghien cuu ữ liệu bị trùng lặp Thông tin thừa trong các bộ () Thông tin thừa trong các bộ () ị thường khi thêm bộ ị thường khi sửa bộ NHNVIEN_PHONGN NgSinh Nghia 08//96 Hung /0/96 null null null ị thường khi xóa bộ NHNVIEN_PHONGN NgSinh Nghia 08//96 Hung /0/96 hi null hi MaP MaP TenP Nghien cuu Nghien cuu Hanh chinh TenP Nghien cuu Nghien cuu NHNVIEN_PHONGN Nghia Hung 6789 NgSinh 08//96 09/0/96 hi MaP Nghien cuu 6789 Tránh xảy ra các dị thường cập nhật dữ liệu. ó thể vi phạm nguyên tắc này để tăng hiệu quả truy vấn dữ liệu. Khi đó các dị thường cần được ghi chú cẩn thận. TenP Nghien cuu 6789

3 Giá trị null trong các bộ Phát sinh các bộ không có thực () Nếu nhiều thuộc tính trong lược đồ nhận giá trị null sẽ Lãng phí không gian lưu trữ. Khó khăn trong thực hiện các phép toán kết. Khó khăn khi sử dụng các hàm tập hợp. Tránh lưu trữ các thuộc tính nhận nhiều giá trị null. NHNVIEN_UN Ma Gio Hung Hung Nghia Ten San pham X iadiem Tan inh Thu uc Thu uc NHNVIEN_IIEM iadiem NHNVIEN_UN Ma SoGio Ten iadiem Phát sinh các bộ không có thực () Phát sinh các bộ không có thực () NHNVIEN_IIEM iadiem Hung Tan inh Hung Thu uc Nghia Thu uc NHNVIEN_UN Ma SoGio Ten San pham X iadiem Tan inh Thu uc Thu uc Xây dựng các lược đồ quan hệ sao cho việc thực hiện phép kết bằng giữa chúng chỉ áp dụng trên các thuộc tính khóa chính hoặc khóa ngoại. Kết tự nhiên Ma Gio Ten San pham X iadiem Tan inh Thu uc Thu uc Thu uc Thu uc Hung Hung Nghia Hung Nghia

4 () Xét lược đồ quan hệ gồm n thuộc tính R(U), U={,,, n } PTH giữa hai tập thuộc tính X, Y U Ký hiệu: X Y. r R, t, t r nếu t [X] = t [X] thì t [Y] = t [Y]. X là vế trái và Y là vế phải của PTH. r(r) 7 r không thỏa, nhưng thỏa () NHNVIEN_PHONGN NgSinh iachi MaP MaP TenP MaP {TenP, } r R thỏa các ràng buộc PTH được gọi là trạng thái hợp lệ của R. ác PTH xuất phát từ các ràng buộc trong thế giới thực. r R, t r, t [X] là duy nhất thì X là một khóa của R. Nếu K là một khóa của R thì K xác định hàm tất cả các tập thuộc tính của R. PTH dùng để đánh giá một thiết kế SL. ao đóng của tập PTH F là tập PTH trên R F = {, MaP {TenP, }, MaP}. r R thỏa F và {TenP, } cũng đúng với r thì {TenP, } gọi là được suy diễn từ F. ao đóng của F, ký hiệu F +, gồm F và Tất cả các PTH được suy diễn từ F. F gọi là đầy đủ nếu F = F +. Luật suy diễn Luật suy diễn dùng để suy diễn một PTH mới từ một tập PTH cho trước. Hệ luật suy diễn rmstrong Phản xạ: Y X X Y. Tăng trưởng: X Y XZ YZ, với XZ = X Z. ắc cầu: X Y, Y Z X Z. ác luật khác: Phân rã: X YZ X Y, X Z. Hợp: X Y, X Z X YZ. ắc cầu giả: X Y, WY Z WX Z. Hệ luật rmstrong là đầy đủ.

5 ao đóng của tập thuộc tính Làm thế nào để biết một PTH X Y được suy diễn từ tập PTH F cho trước? ao đóng của tập thuộc tính X đối với F, ký hiệu X +, là Tập các thuộc tính PTH vào X. X + = { U X F + } X Y F + Y X +. Nếu K là khóa của R thì K + = U. Thuật toán tìm X + Nhập: U, F và X U Xuất: X + Thuật toán 7. : X + = X; : Nếu tồn tại Y Z F và Y X + thì X + := X + Z; và tiếp tục. Ngược lại qua. : xuất X +. Ví dụ tìm X + ho: F = {,, EG}. X =. Tính X + : X + =. Lặp : - Tìm các PTH có vế trái là tập con của X + = + EG, thêm EG vào X + ta được X + = EG. Lặp : - Tìm các PTH có vế trái là tập con của X + = EG + Không có PTH nào. Vậy X + = EG. Kiểm tra PTH suy diễn ho F = {,, E, } Hai PTH E và có được suy diễn từ F hay không? X X F + E E Được suy diễn từ F

6 ác tập PTH tương đương Tập PTH F được nói là phủ tập PTH G nếu G F +. Hai tập PTH F và G là tương đương nếu F phủ G và G phủ F. X Y G, nếu Y X F+ thì F phủ G. F và G tương đương nếu và chỉ nếu F + = G +. Tập PTH tối thiểu () Thừa PTH {,, }, vì được suy diễn từ {, }, (luật bắc cầu). Thừa thuộc tính {,, }, vì được suy diễn từ {,, }, (luật bắc cầu), (luật hợp). {,, }, vì được suy diễn từ {,, }, (luật hợp) (luật tăng trưởng) (luật phân rã). Tập PTH tối thiểu () Tập PTH F là tối thiểu nếu thỏa các điều kiện sau Mọi PTH của F chỉ có một thuộc tính ở vế phải. Không thể thay X thuộc F bằng Y với Y X mà tập mới tương đương với F. Nếu bỏ đi một PTH bất kỳ trong F thì tập PTH còn lại không tương đương với F. Phủ tối thiểu của tập PTH E là tập PTH tối thiểu F tương đương với E. Mọi tập PTH có ít nhất một phủ tối thiểu. Thuật toán tìm phủ tối thiểu Nhập: tập PTH E. Xuất: phủ tối thiểu F của E. Thuật toán 7. : F :=. : Với mọi X Y E, Y = {,, k }, i U F := F {X { i }}. : Với mỗi X {} F, X = {,, l }, i U Với mỗi i, nếu (X - { i }) F+ thì F := (F - {X {}}) {(X - {}) {}}. : Với mỗi X {} F G := F - {X {}} Nếu X G+ thì F := F - {X {}}.

7 Ví dụ tìm phủ tối thiểu Tìm phủ tối thiểu của E = {,,, } : F =. : F = {,,, }. : Xét () F+ = F = {,, }. : thừa. F = {, }. Siêu khóa và khóa ho R(U) S U là siêu khóa nếu r R, t, t r, t t thì t [S] t [S]. K U là khóa nếu K là siêu khóa nhỏ nhất. - K được gọi là thuộc tính khóa. S xác định hàm tất cả các thuộc tính của R. R có thể có nhiều khóa. Xác định khóa của lược đồ Nhập: tập PTH F xác định trên lược đồ R(U). Xuất: khóa K của R. Thuật toán 7.. : K = U = {,, n }; i = ; : Nếu U (K - { i }) F+ thì K = K - { i }. i = i + ; Nếu i > n thì sang. Ngược lại, tiếp tục. : Xuất K. Ví dụ tìm khóa của lược đồ ho R(U), U = {,,,, E, F, G}. F = {,, E, F G}. Tìm khóa của R : K = EFG. : - Lặp : (EFG) F+ = EFG K = EFG. - Lặp : (EFG) F+ = EFG K = EFG. - Lặp : (EFG) F+ = EFG K = EFG. - Lặp : (EFG) F+ = EFG. - Lặp : (FG) F+ = FGE K = FG. - Lặp 6: (G) F+ = GE. - Lặp 7: (F) F+ = FEG K = F. : Khóa là K = F.

8 Xác định tất cả khóa của lược đồ Nhập: tập PTH F xác định trên lược đồ R(U). Xuất: tất cả khóa của R. Thuật toán 7.. : Xây dựng n tập con của U = {,, n }; S = {}; : Với mỗi tập con X U Nếu U X F+ thì S = S {X}. : X, Y S, nếu X Y thì S = S - {X}. : S là tập các khóa của R. Ví dụ tìm tất cả khóa của lược đồ ho R(U), U = {,,,, E, F}. F = {E, F, F, F E}. Tìm tất cả khóa của R Tập siêu khóa S = {,,, E, E, E, F, F, F, EF, EF, EF}. F E E F EF E F EF EF huẩn hóa lược đồ SL huẩn hóa là gì? ác dạng chuẩn là gì? ác dạng chuẩn ạng ( Normal Form - NF). ạng ( Normal Form - NF). ạng ( Normal Form - NF). ạng oyce - odd (oyce - odd Normal Form - NF). ạng chuẩn () Lược đồ quan hệ R được gọi là thuộc dạng chuẩn nếu và chỉ nếu mọi thuộc tính của R là thuộc tính đơn. PHONGN TenP Nghien cuu Hanh chinh PHONGN TenP Nghien cuu Nghien cuu Hanh chinh MaP MaP TrPhg 9876 TrPhg actruso Tan inh, Thu uc Go Vap Truso Tan inh Thu uc 9876 Go Vap Không thuộc dạng chuẩn Thuộc dạng chuẩn

9 ạng chuẩn () Mọi lược đồ quan hệ đều thuộc dạng chuẩn. ạng chuẩn có thể dẫn đến sự trùng lặp dữ liệu. o đó gây ra các dị thường về cập nhật dữ liệu. ạng chuẩn theo khóa chính () Lược đồ quan hệ R được gọi là thuộc dạng chuẩn nếu mọi thuộc tính không khóa của R phụ thuộc đầy đủ vào khóa chính của R. R(U), K U là khóa chính của R U là thuộc tính không khóa nếu K. X Y là PTH đầy đủ nếu X thì (X - {}) Y không đúng trên R. Ngược lại X Y là PTH bộ phận. Ví dụ Thuộc tính không khóa PTH đầy đủ PTH bộ phận NVIEN_UN Ma F F F SoGio Ten iadiem ạng chuẩn theo khóa chính () ạng chuẩn theo khóa chính () NVIEN_UN Ma F F F SoGio Ten iadiem F F NHNVIEN_PHONGN NgSinh hi MaP TenP Thuộc dạng chuẩn NV_ NV_ NV_ Ma SoGio Ma Ten F F F lược đồ NV_, NV_, NV_ thuộc dạng chuẩn iadiem Mọi lược đồ quan hệ thuộc dạng chuẩn cũng thuộc dạng chuẩn. Nếu R chỉ có một khóa K và card(k) = thì R thuộc dạng chuẩn. òn xuất hiện sự trùng lặp dữ liệu. o đó gây ra các dị thường về cập nhật dữ liệu.

10 ạng chuẩn theo khóa chính () Lược đồ quan hệ R được gọi là thuộc dạng chuẩn nếu R thuộc dạng chuẩn. Mọi thuộc tính không khóa của R không phụ thuộc bắt cầu vào khóa chính của R. ho R(U) X Y là PTH bắt cầu nếu Z U, Z không là khóa và cũng không là tập con của khóa của R mà X Z và Z Y đúng trên R. Ví dụ PTH bắt cầu F F F NHNVIEN_PHONGN NgSinh hi MaP TenP ạng chuẩn theo khóa chính () NV_P NgSinh iachi Thuộc dạng chuẩn MaP NV_P MaP TenP TrPhg Mọi lược đồ quan hệ thuộc dạng chuẩn cũng thuộc dạng chuẩn. PTH bắt cầu là nguyên nhân dẫn đến trùng lặp dữ liệu. ạng chuẩn là dạng chuẩn tối thiểu trong thiết kế SL. ạng chuẩn tổng quát Lược đồ quan hệ R được gọi là thuộc dạng chuẩn nếu mọi thuộc tính không khóa của R phụ thuộc đầy đủ vào các khóa của R. ho R(EF) có khóa là và. R F F F F F Lược đồ R không thuộc dạng chuẩn E F ạng chuẩn tổng quát Lược đồ quan hệ R được gọi là thuộc dạng chuẩn nếu PTH không hiển nhiên X đúng trên R thì X là siêu khóa của R, hoặc là thuộc tính khóa của R. R(E) có khóa là và. R F F F F Định nghĩa tổng quát cho phép kiểm tra dạng chuẩn mà không cần kiểm tra dạng chuẩn. E Lược đồ bên thuộc dạng chuẩn, nhưng không thuộc dạng chuẩn

11 ạng chuẩn oyce - odd () ạng chuẩn oyce - odd () Lược đồ quan hệ R được gọi là thuộc dạng chuẩn nếu PTH không hiển nhiên X Y đúng trên R thì X là siêu khóa của R. R() R F F F Lược đồ R thuộc dạng chuẩn,nhưng không thuộc dạng chuẩn R R a a b b a b a b a b a b R Trùng lặp dữ liệu a b ạng chuẩn oyce - odd () R F R F lược đồ trên thuộc dạng chuẩn Mọi lược đồ quan hệ thuộc dạng chuẩn cũng thuộc dạng chuẩn. ạng chuẩn đơn giản và chặt chẽ hơn dạng chuẩn. Mục tiêu của quá trình chuẩn hóa là đưa các lược đồ quan hệ về dạng chuẩn hoặc. Thiết kế Top-own ác bước thực hiện Thiết kế lược đồ mức khái niệm với mô hình dữ liệu cấp cao (EER). huyển lược đồ khái niệm thành tập hợp các quan hệ. Với mỗi quan hệ xác định tập PTH. Áp dụng các quy tắc chuẩn hóa để loại bỏ các PTH bộ phận và bắt cầu trong các quan hệ.

12 Phân rã lược đồ quan hệ Lược đồ quan hệ chung R(,, n ) Tập hợp tất cả các thuộc tính của các thực thể. Xác định tập PTH F trên R. Phân rã Sử dụng các thuật toán chuẩn hóa để tách R thành tập các lược đồ = {R,, R m }. Yêu cầu ảo toàn thuộc tính. ác lược đồ R i phải ở dạng chuẩn hoặc oyce-odd. Phân rã bảo toàn PTH () Tính chất bảo toàn PTH Xét lược đồ R và tập PTH F. Giả sử R được phân rã thành = {R,, R m }. - Đặt π Ri (F) = {X Y F + : X Y R i }. - được gọi là phân rã bảo toàn phụ thuộc hàm đối với F nếu (π R (F) π Rm (F)) + = F +. Ví dụ R F F F R F R F Phân rã bảo toàn PTH () Phân rã bảo toàn PTH () R α α R β γ δ β β β α β α β γ δ R α β α Thêm bộ (, β, ) vào R và (, α) vào R thì trạng thái csdl sẽ không thỏa PTH F Định lý 7. Tồn tại một phân rã bảo toàn PTH = {R,, R m } của lược đồ R đối với tập PTH F sao cho các R i ở dạng chuẩn. Thuật toán 7. Nhập: R(U), U = {,, n } và tập PTH F. Xuất: = {R,, R m }, R i ở dạng chuẩn. : - Tìm phủ tối thiểu G của F. : - Với mỗi X j G, xây dựng lược đồ R i (U i ), U i = X { j }. Khóa chính của R i là X.

13 Phân rã bảo toàn PTH () : - Giả sử xong ta có các lược đồ R,, R m. Nếu U U m U thì xây dựng thêm lược đồ R m+ (U m+ ), U m+ = U - (U U m ). Khóa chính của R m+ là U m+. : - Xuất các lược đồ R i. Ví dụ phân rã bảo toàn PTH () ho R(EFG) F = {,, E, F G} Tách về dạng chuẩn, bảo toàn PTH : - Phủ tối thiểu G = {,,, E, F G}. : R(EFG) R () R() R() R(E) R (FG) : - Xuất = {R, R, R }. R (E) Ví dụ phân rã bảo toàn PTH () ho R(EFGHI) F = {,, E, F G} Tách về dạng chuẩn, bảo toàn PTH : - Phủ tối thiểu G = {,,, E, F G}. : R(EFG) R () R (E) R (FG) : - Vì U U U = {EFG} nên đặt R (HI). : - = {R, R, R, R }. Phân rã không mất thông tin () Tính chất không mất thông tin Xét lược đồ R và tập PTH F. Giả sử R được phân rã thành = {R,, R m }. - được gọi là phân rã không mất thông tin đối với F nếu với mọi trạng thái r R thì (π R (r) * * π Rm (r)) = r. Định lý 7. Phân rã = {R (U ), R (U )} của R(U) không mất thông tin đối với tập PTH F nếu và chỉ nếu: - (U U ) (U U ) F +, hoặc - (U U ) (U U ) F +. Định lý 7. Nếu phân rã = {R,, R m } của R không mất thông tin đối với F và phân rã i = {Q,, Q k } của R i không mất thông tin đối với π Ri (F) thì = {R,, R i-, Q,, Q k, R i+,, R m } của R cũng không mất thông tin.

14 Phân rã không mất thông tin () Thuật toán 7. Nhập: R(U), U = {,, n } và tập PTH F. Xuất: = {R,, R m }, R i ở dạng chuẩn oyce-odd. : - = {R}; : - Nếu có lược đồ Q(U Q ) không ở dạng chuẩn thì + Tìm X Y π Q (F) làm Q vi phạm điều kiện. + = ( - {Q}) Q (U Q ) Q (U Q ) với U Q = U Q -Y vàu Q = X Y. +Quay lại. - Ngược lại, chuyển sang. : - Xuất. Ví dụ phân rã không mất thông tin () ho: R(EFG) F = {,, E, F G} Tách về dạng chuẩn, không mất thông tin. { }, K R = R () {, E}, K R = R(EFG) R (E) F, K R = F R (EFG) E {, E, F G}, K R = F R (FG) {F G}, K R = F Ví dụ phân rã không mất thông tin () Phụ lục về Thuật toán 7. { E}, K R = R (E) R(EFG) E F, K R = F R (EF) {, E}, K R = F Với X {}, X = {,, l }. Tại sao (X - { i }) F+ thì i thừa? Đặt G = (F - {X {}}) {(X - { i }) {}} F + G + là hiển nhiên vì X {} G + - X (X - { i }) và (X - { i }) {} X {}. Khi nào G + F +? - (X - { i }) {} F + hay (X - { i }) F+. { }, K R = R () R (FG) {F G}, K R = F