Лекции по "Информационному технологии"

Лекция. Классификация нормальных форм отношений

                                                                                   

                                                                                                      Лекция № 6

 

 

Цель лекции: изучить модифицированную классификацию нормальных форм отношений, а так же сущность подходов к проектированию БД ИС

 

Содержание

(Программные  вопросы лекции)

 

1. Подходы к проектированию  БД ИС.

2. Модифицированная классификация  нормальных форм отношений.

 

Литература

1. [12], с.27-44.
2. [9], с. 122-134.

Учебно-материальное обеспечение

1.

Организационно-методические указания

Лекция читается для  учебной группы методом устного  изложения учебного материала с отображением рисунков на классной доске.

 

Введение

 

 

В ходе последней лекции вами были изучены структурные элементы инфологической и концептуальной модели БД ИС, а также основные понятий теории РБД.

Данные понятия будут  полезны при рассмотрении проблемы разработки концептуальной схемы БД (проектирования БД), пути решения которой будут далее рассмотрены.

Лекция направлена на изучение модифицированной классификации нормальных форм отношений, а так же сущность подходов к проектированию БД АСОИУ.

 

 

Учебные вопросы

 

1. Подходы к  проектированию БД ИС

Свойства БД. База данных обладает свойством целостности, если значения ее атрибутов при всех модификациях (обновлениях) удовлетворяют некоторым определенным заранее условиям (ограничениям). База данных обладает свойством согласованности, если значения одних и тех же атрибутов в различных отношениях не противоречат друг другу. В этом случае разные пользователи на один и тот же запрос получают один и тот же ответ.

Центральным вопросом, который  требуется решить при разработке М_к, является вопрос разработки концептуальной схемы KS. Эта проблема на понятийном уровне формулируется следующим образом: сколько и каких (по составу атрибутов) отношений требуется для наилучшего отображения процессов функционирования организационной системы, представляемой с помощью М_ил.

Необходимо заметить, что под "наилучшим отображением процесса функционирования организационной системы" понимается адекватность БД реальному миру при выполнении пользователями операций добавления, удаления и корректировки строк отношений БД. Проблемы, которые могут при этом возникать, получили название аномалии обновления и обусловлены типом структуры ФЗ, локализованных в отношениях.

Наиболее продуктивная идея преодоления аномалий обновления принадлежит Е. Кодду и состоит в том, что структуры ФЗ отдельных отношений должны быть в максимальной степени простыми. Для реализации этой идеи осуществлялась классификация структур ФЗ, которые определяли, в свою очередь, соответствующие типы так называемых "нормальных форм отношений" (НФО), среди которых указывались наиболее "простые" и "хорошие". Процесс замены отношения с произвольной структурой ФЗ на совокупность отношений в определенных классах нормальных форм получил название нормализации отношения.

В современной теории и практике проектирования БД существуют три подхода  к нормализации отношений:

декомпозиция отношений;

синтез отношений;

семантическое моделирование  данных.

Суть первого подхода  заключается в последовательном разбиении каждого отношения исходной схемы БД, находящегося в предыдущей нормальной форме, на два или более отношения, удовлетворяющих требованиям следующей нормальной формы. Данный подход в настоящее время используется редко, ввиду следующих недостатков:

трудность описания предметной области  в виде одного универсального ненормализованного отношения, с которого необходимо начать декомпозицию;

высокая вычислительная сложность процесса декомпозиции и  проверки его правильности, связанная  с необходимостью манипулирования  расширениями отношений;

он не гарантирует, что в результате нормализации БД будет обладать свойствами целостности и согласованности.

Суть второго заключается  в построении на основе знания множеств атрибутов, их доменов и исходной системы ФЗ совокупности отношений, находящихся в наиболее "простых" классах нормальных форм. Для его реализации вводится понятие оптимальной концептуальной схемы БД и решается задача ее синтеза.

Оптимальной концептуальной схемой БД (ОКС БД)  называется такая схема БД Ks⁰, которая определяет систему минимальных по сложности алгоритмов контроля ее целостности и согласованности при условии сохранения ее адекватности реальному миру.

Если уровень сложности алгоритмов обозначить через J, то общий вид задачи синтеза ОКС БД имеет вид:

где å – множество допустимых КС БД для заданной М_ил.

Метод синтеза отношений свободен от недостатков, присущих методу декомпозиции отношений. Однако он является весьма трудоемким, требует глубоких знаний в области системного анализа и моделирования закономерностей предметной области и предполагает использование эффективных средств автоматизации процесса проектирования БД.

Для решения большинства практических задач находит широкое применение метод семантического моделирования данных, суть которого рассматривалась в ходе изучения дисциплины "Организация баз данных".

Итак, ведущим понятием теории проектирования реляционных БД является понятие нормальных форм отношений. Рассмотрим их.

 

2. Модифицированная классификация  нормальных форм отношений

Понятие "нормальной формы" (НФ) отношения было введено Э.Ф.Коддом. Он предложил следующие виды НФ отношений: 1НФ, 2НФ, У2НФ, 3НФ, У3НФ. Данная классификация имеет ряд существенных недостатков, в частности сложность классификационных признаков и процедуры классификации.

Доктором технических наук Ветошкиным В.М. была предложена более совершенная модифицированная классификация нормальных форм отношений. Целью этой, по существу новой, классификации является устранение недостатков классификации Э.Ф.Кодда, а также определение точных признаков структуры ФЗ, свойственных только одному конкретному виду НФ. Для обозначения нормальных форм, соответствующих вводимым определениям, будем к их аббревиатуре добавлять букву «М», обозначающую «модифицированная классификация» например, 1НФМ.

Введем понятие, которое необходимо для освещения модифицированной классификации НФО.

Определение 1. Отношение называется нормализованным, тогда и только тогда, когда входящие в него атрибуты содержат атомарные (несоставные, неделимые) значения, т.е.

RÎN Û ["AÎAR, A – простой],

где N – символ нормализованности.

Таким образом, в таком  отношении на пересечении каждой строки с каждым столбцом существует только один элемент.

Определение 2. Атрибут или набор атрибутов XÍAR некоторого отношения , будем называть возможным ключом структуры ФЗ этого отношения, если одновременно выполняются условия:

а) каждый атрибут отношения R функционально полно зависит от Х;

б) ни один атрибут из Х не может быть удален без нарушения  условия "а".

Определение 3. Отношение имеет форму не выше модифицированной 1НФ (1НФМ) тогда и только тогда, когда оно нормализовано и не имеет возможных ключей, то есть

RÎ1НФМ Û RÎN & K=Æ,

где К – множество  возможных ключей.

На рис.1 представлен пример структуры ФЗ для отношения R1(A,B,C,D,E,H) в 1НФМ. Оно действительно нормализовано, т.к. в правой части любой локализованной в нем функциональной зависимости присутствует только один простой атрибут и для этого отношения не существует ни одного возможного ключа (K={Æ}). В данном случае для идентификации кортежей применяется суперключ (SK), который (в отличии от возможного ключа) допускает наличие неполных ФЗ. Тогда SK=(A,B,C), DFC={A®D, C®H}, DFA=Æ, где DFC, DFA – существенные и несущественные d-ограничения.

Определение 4. Отношение имеет форму не выше модифицированной 2НФ (2НФМ) тогда и только тогда, когда оно нормализовано, имеет хотя бы один возможный ключ (т.е. К¹Æ) и в структуре его ФЗ существует d-ограничение вида f:X®A, где X и A – неключевые атрибуты, то есть

RÎ2НФМ Û RÎN & К¹Æ & ($fÎ

, f:X®A, XÏK, AÎ ),

где – множество неключевых атрибутов.

Таким образом, характерным  признаком 2НФМ отношения является наличие хотя бы одной КФЗ между детерминантой ХÏК и неключевым атрибутом или, другими словами, между его неключевыми атрибутами.

Пример структуры в 2НМФ представлен  на рис.2. В отношении R2(A,B,C,D,E,H) множество возможных ключей K={(A,B,C)}, d-ограничения: DFC={E®H}, DFA=Æ.

Далее всегда будем говорить о классе третьих нормальных, форм, в который включаются каноническая нормальная форма (КНФ), модифицированная усиленная третья (или Бойса-Кодда) нормальная форма (УЗНФМ или БКНФМ), и собственно модифицированная ЗНФ (ЗНФМ).

Определение 5. Отношение принадлежит классу модифицированных ЗНФ (ЗНФМ) тогда и только тогда, когда оно нормализовано, имеет хотя бы один возможный ключ (т.е. К¹Æ) и в структуре его ФЗ не существует d-ограничения вида f:X®A, X и A – неключевые атрибуты, т.е.

RÎЗНФМ-класс Û RÎN & K¹Æ & ( fÎ , f:X®A, XÏK, AÎ ), при этом отношение имеет форму:

не выше ЗНФМ, если KÌDT;

не выше УЗНФМ или  БКНФМ, если (КºDT) & (½K½=½DT½>1);

КНФ, если (KºDT) & (½K½=½DT½=1).

Примеры характерных  структур ФЗ для класса ЗНФМ представлены на рис.3: ЗНФМ (а), БКНФМ (б), КНФ (в).

Рис. 3.

Данная классификация НФО обладает свойствами полноты, простоты, стройности,  целостности и фундаментальности.