2013年自考《數(shù)據(jù)庫原理》串講-關(guān)系模型
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第二章 關(guān)系模型
本章為次重點章，我們經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)庫均采用關(guān)系模型，本章主要介紹了關(guān)系模型的關(guān)系運算理論，主要在于對關(guān)系演算運算的理解，為后面章節(jié)的SQL作準備。
一、關(guān)系模型的基本概念( 識記 )
1、關(guān)系模型的基本術(shù)語：
用二維表格 結(jié)構(gòu)表示實體集、外鍵表示實體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型稱為 關(guān)系模型 .
基本術(shù)語有： 字段(屬性)、字段值(屬性值)、記錄(元組)、二維表格(元組集合、關(guān)系或?qū)嵗?。 在這里，括號中的表述為關(guān)系模型中的術(shù)語。它與表格中術(shù)語可以一一對應。還有，關(guān)系中屬性個數(shù)稱為元數(shù)，元組個數(shù)為基數(shù)。
鍵 ：由一個或幾個屬性組成。(注意鍵不一定是唯一的一個屬性)。
超鍵 ：在關(guān)系中能唯一標識元組的屬性集稱為關(guān)系模式的超鍵。(注意，超鍵也是一個屬性集，不一定只是一個屬性)
候選鍵 ：不含有多余屬性的超鍵稱為候選鍵。
主鍵 ：用戶選作元組標識的一個候選鍵為主鍵。
外鍵 ：某個關(guān)系的主鍵相應的屬性在另一關(guān)系中出現(xiàn)，此時該主鍵在就是另一關(guān)系的外鍵，如有兩個關(guān)系S和SC，其中S#是關(guān)系S的主鍵，相應的屬性S#在關(guān)系SC中也出現(xiàn)，此時S#就是關(guān)系SC的外鍵。
2、關(guān)系模式、關(guān)系子模式和存儲模式
關(guān)系模式 ：關(guān)系模式實際上就是記錄類型。它包括：模式名，屬性名，值域名以及模式的主鍵。關(guān)系模式僅是對數(shù)據(jù)特性的描述。 (這通常在數(shù)據(jù)庫中表現(xiàn)為一個數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu))
關(guān)系子模式 ：就是用戶所用到那部分數(shù)據(jù)的描述。
存儲模式 ：關(guān)系存儲時的基本組織方式是文件，元組是文件中的記錄。
3、關(guān)系模型的三類完整性規(guī)則
實體完整性規(guī)則 ：要求關(guān)系中組成主鍵的屬性上不能有空值。
參照完整性規(guī)則 ：要求不引用不存在的實體。
用戶定義完整性規(guī)則 ：由具體應用環(huán)境決定，系統(tǒng)提供定義和檢驗這類完整性的機制。
4、關(guān)系模型的形式定義：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性規(guī)則。
二、關(guān)系代數(shù)運算(簡單應用)
1、關(guān)系代數(shù)的五個基本操作：并、差、笛卡爾積、投影和選擇。
并 (∪)：兩個關(guān)系需有相同的關(guān)系模式，并的對象是元組，由兩個關(guān)系所有元組構(gòu)成。
差 (-)：同樣，兩個關(guān)系有相同的模式，R和S的差是由屬于R但不屬于S的元組構(gòu)成的集合。
投影( σ)：對關(guān)系進行垂直分割，消去某些列，并重新安排列的順序。
選擇 (π)：根據(jù)某些條件關(guān)系作水平分割，即選擇符合條件的元組。
2、關(guān)系代數(shù)的四個組合操作：交、聯(lián)接、自然聯(lián)接和除法
交 (∩)：R和S的交是由既屬于R又屬于S的元組構(gòu)成的集合。
聯(lián)接 包括θ聯(lián)接和F聯(lián)接，是選擇R×S中滿足iθ(r+j)或F條件的元組構(gòu)成的集合，特別注意 等值聯(lián)接 (θ為等號“=”)。
自然聯(lián)接 (R|X|S)：在R×S中，選擇R和S公共屬性值均相等的元組，并去掉R×S中重復的公共屬性列。如果兩個關(guān)系沒有公共屬性，則自然聯(lián)接就轉(zhuǎn)化為笛卡爾積。
除法 (÷)：首先除法的結(jié)果中元數(shù)為兩個元數(shù)的差，以例2.6為例，我們可以直接用觀察法來得到結(jié)果，把S看作一個塊，拿到R中去和相同屬性集中的元組作比較，如果有相同的塊，且除去此塊后留下的相應元組均相同，那么可以得到一條元組，所有這些元組的集合就是除法的結(jié)果。
對于上述的五個基本操作和組合操作，應當從實際運算方面進行理解和運用，對其形式定義可不必深究。注意課本上的例子。
3、關(guān)系代數(shù)表達式及應用
在關(guān)系代數(shù)表達式中，復合了上述五個基本操作，在給出相應的表格(關(guān)系)中，應該能夠根據(jù)給出的關(guān)系代數(shù)表達式計算關(guān)系值，也要能根據(jù)相應查詢要求列出關(guān)系表達式。
在列關(guān)系表達式時，通常有以下形式：
π……(σ……(R×S))或者π……(σ……(R|X|S))
首先把查詢涉及到的關(guān)系取來，執(zhí)行笛卡爾積或自然聯(lián)接操作得到一張大的表格，然后對大表格執(zhí)行水平分割(選擇)和垂直分割(投影)操作。但是注意當查詢涉及到否定或全部值時，就不能用上述形式，而要用到差或除法操作。
三、關(guān)系演算( 領(lǐng)會 )
關(guān)系演算分為元組關(guān)系演算或域關(guān)系演算，前者以元組為變量，后者以域為變量。
元組演算表達式的一般形式為：{t|P(t)}，其含義為：這是一個元組集合，其中的每個元組t(t是元組變量)滿足公式P所規(guī)定的條件。所以在書寫演算表達式時，應該注重理解公式P如何表達。
域演算表達式的一般形式為：{t1……tk|P(t1……，tk)}，其含義為：這是一個域集合，其中每個域變量的取值關(guān)系滿足公式P所規(guī)定的條件。也是注意公式P的表達。
以上兩類演算需要一定的離散數(shù)學基礎(chǔ)，如果不能很深刻的掌握，問題也不大，主要應看懂表達式即可，對于給定的表達式和給定的關(guān)系，應當能計算表達式的結(jié)果(得到一個關(guān)系)
四、查詢優(yōu)化
查詢優(yōu)化的目的就是為了系統(tǒng)在執(zhí)行時既省時間又能提高效率，在關(guān)系代數(shù)運算中，通常是先進行笛卡爾積或聯(lián)接運算，再進行選擇和投影，恰當?shù)匕才胚x擇、投影和聯(lián)接的順序，就可實現(xiàn)查詢優(yōu)化。
優(yōu)化的策略主要有以下幾點：
(1)在關(guān)系代數(shù)表達式中盡可能早地執(zhí)行選擇操作(早選擇)。
(2)把笛卡爾積和隨后的選擇操作合并成F聯(lián)接運算(F聯(lián)接)
(3)同時計算一連串的選擇和投影操作(同時算)
(4)保留同一子表達式的結(jié)果
(5)適當對關(guān)系文件進行預處理
(6)計算表達式之前先估計一下怎么計算合算。
以上幾點需要理解。根據(jù)表達式優(yōu)化的算法步驟對給定表達式進行優(yōu)化。
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