Phụ thuộc hàm và các dạng chuẩn CSDL

-Sự dư thừa – Một số nguyên tắc Lý do cần có phụ thuộc hàm  NT1: Rõ ràng về mặt ngữ nghĩa, tránh các phụ thuộc giữa các thuộc tính với nhau NT2 T á h t ù lặ ề ội d  đả bả NT2: Tránh

C ở ở dữ dữ liệ liệ Cơ

Cơ sở sở dữ dữ liệu liệu

ễ Văn-Giang Nguyễn

ố

Bộ môn Hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin, Học viện Kỹ thuật quân sự

Email: giangnv@mta.edu.vn

Slides courtesy of : Đỗ Thị Mai Hường, HTTT, CNTT, HVKTQS

Nội dung môn học

 Chương 2: Mô hình liên kết thực thể (5)

 Chương 3: Mô hình dữ liệu quan hệ (10)

 Chương 3: Mô hình dữ liệu quan hệ (10)

 Chương 4: Phụ thuộc hàm và các dạng chuẩn CSDL (15

 Chương 5: Hệ quản trị SQL Server (10)

 Chương 6: Ngôn ngữ truy vấn CSDL (15)

 Chương 7: Lập trình T-SQL (15)

2

Hệ suy diễn Amstrong

Thuật toán tìm bao đóngậ g

Thuật toán tìm khóa

Các dạng chuẩn

Các dạng chuẩn

Chuẩn hóa quan hệ

 Tách kết nối không mất thông tin

3

-Giới hạn của lược đồ ER

Cung cấp một tập các hướng dẫn  không đưa

tới một lược đồ CSDL duy nhất

Không đưa ra cách đánh giá giữa các lược đồ

khác nhau

Lý thuyết về chuẩn hóa CSDL quan hệ cung cấp

kỹ thuật để phân tích và chuyển hóa từ lược đồ

ER sang lược đồ quan hệ

4

-Sự dư thừa

Sự phụ thuộc giữa các thuộc tính gây ra sự dư thừa

Ví dụ: Điểm các môn học  Điểm TB  Xếp loại

TENPHG MAPHG TRPHG NG_NHAMCHUC MANV TENNV HONV

Nghiên cứu 5 123456789 01/02/2012 123456789 Tùng Nguyễn

Điều hành 4 333444555 01/01/2010 333444555 Hưng Nguyễn

Quản lý 1 999888777 01/06/2012 999888777 Vĩnh Phạm

5

-Sự dư thừa

Thuộc tính đa trị trong lược đồ ER  Nhiều bộ số

liệu trong lược đồ quan hệ

Ví dụ

NHANVIEN(TENNV, HONV, NS, DCHI, GT,(

LUONG, BANGCAP)

TENNV HONV NS DIACHI GT LUONG BANGCAP

Tùng Nguyễn 12/08/1955 638 HQV CG Nam 6000 Trung cấp

Tùng Nguyễn 12/08/1955 638 HQV CG Nam 6000 Trung cấp

Chuyên Bùi 07/04/1970 255 XT CG Nữ 5500 Đại học

Dũng Hoàng 09/05/1965 51 NTH BĐ Nam 6000 Cao đẳng

Dũng Hoàng 09/05/1965 51 NTH BĐ Nam 6000 Đại học

6

-Sự dư thừa

Dư thừa  Dị thường

- Thao tác sửa đổi: cập nhật tất cả các giá trịliê

liên quan

- Thao tác xóa: người cuối cùng của đơn vị mất thông tin về đơn vị

- Thao tác chèn

TENPHG MAPHG TRPHG NG_NHAMCHUC MANV TENNV HONV

Nghiên cứu 5 123456789 01/02/2012 123456789 Tùng Nguyễn

Điều hành 4 333444555 01/01/2010 333444555 Hưng Nguyễn

Quản lý 1 999888777 01/06/2012 999888777 Vĩnh Phạm

7

-Sự dư thừa – Một số nguyên tắc

( Lý do cần có phụ thuộc hàm )

 NT1: Rõ ràng về mặt ngữ nghĩa, tránh các phụ

thuộc giữa các thuộc tính với nhau

NT2 T á h t ù lặ ề ội d  đả bả

NT2: Tránh sự trùng lặp về nội dung  đảm bảo

tránh được các dị thường khi thao tác cập nhật

dữ liệu

- Phải có một số thao tác khi thêm mới và cập nhật vào

lược đồ quan hệ, cũng như có thể gây sai hỏng trong trường hợp xóa bỏ các bộ

NT3: Tránh đặt các thuộc tính có nhiều giá trị null

NT4: Thiết kế các lược đồ quan hệ sao cho

chúng có thể được nối với điều kiện bằng trên

các thuộc tính là khóa chính hoặc khóa ngoài

theo cách đảm bảo không sinh ra các bộ giả

theo cách đảm bảo không sinh ra các bộ giả

- Gây lỗi khi thực hiện các phép kết nối

9

-Phụ thuộc hàm

Lý thuyết về chuẩn hóa

- Các phân tích để đưa ra lược đồ thực thể liên

kết ầ hải đ ử hữ ở á b ớ tiế

kết cần phải được sửa chữa ở các bước tiếptheo

- Vấn đề nêu ở slide trên sẽ được giải quyếtVấn đề nêu ở slide trên sẽ được giải quyết

nếu có một phương pháp phân tích tích hợp

 Lý thuyết chuẩn hóa (dựa trên phụ thuộc

hà ) ẽ là ề tả ở để th hiệ iệ

hàm) sẽ là nền tảng cơ sở để thực hiện việcphân tích và chuẩn hóa lược đồ ER

10

-Phụ thuộc hàm (định nghĩa không chính thức)

Phụ thuộc hàm trong quan hệ r

Cho l ợc đồ q an hệ R à X Y là các tập con

Cho lược đồ quan hệ R và X, Y là các tập con

của R r là một quan hệ trên R

Ta nói X xác định phụ thuộc hàm Y, ký hiệu XYị p ụ ộ , ý ệ

trong r nếu với mọi t và t’ của r mà t,t’ bằng nhau

trên tập X thì chúng cũng bằng nhau trên tập Y,

-Ph th ộc hàm trên r là tr ờng hợp riêng của

Phụ thuộc hàm trong quan hệ r

Phụ thuộc hàm trên r là trường hợp riêng củaphụ thuộc hàm trên R

Phụ thuộc hàm trên r là một khái niệm hẹp,ụ ộ ộ ệ ẹp, nónó chỉchỉđúng

đúng chocho mộtmột quanquan hệhệ,

Trong một số trường hợp chỉ cần thay đổi một vài

iá t ị ủ á th ộ tí h t hệ hgiá trị của các thuộc tính trong quan hệ, phụthuộc hàm không còn đúng

Ví dụ phụ thuộc hàm

Phụ thuộc hàm trong quan hệ r

Ví dụ:Trong lược đồ quan hệ sau, nếu chúng ta

giả thiết rằng trong lớp các tên nhập vào là không

iố h thì lú đó th ộ tí h H t ké th

giống nhau thì lúc đó thuộc tính Hoten kéo theo

tất cả các thuộc tính khác nhưng nếu có sự thay

đổi thì thuộc tính đó có thể không còn đúng

Hoten Ngaysinh Lop

Hùng 01/05/1993 TH10A Hùng 01/05/1993 TH10A Minh 04/02/1993 TH10A Trang 20/09/1993 TH10B

Trang 21/01/1993 TH10A

15

-Phụ thuộc hàm trên lược đồ QH R

Cho lược đồ quan hệ R và X,Y là các tập con của

R Ta nói X xác định phụ thuộc hàm Y, ký hiệu

X Y t ê l đồ hệ R Nế ới i t ê

X Y trên lược đồ quan hệ R Nếu với mọi r trên

R xác định XY

16

-Các tính chất của phụ thuộc hàm

A1-Tính phản xạ

X X, hay tổng quát hơn nếu thì XY

A2 Tí h ở ô h i ế Y ⊂ X

A2- Tính mở rông hai vế

XY thì XZYZ (mở rộng hai vế Z)

với Y ⊂ X Vì vậy XY

18

-Các tính chất của phụ thuộc hàm (CM)

A2 Tí h ở ô h i ế

A2- Tính mở rông hai vế

XY thì XZYZ (mở rộng hai vế Z)

-Hệ tiên đề Armstrong

• Hệ A bao gồm các tính chất {A1,A2,A3} của phụ

thuộc hàm được gọi là hệ tiên đề Armstrong của

lớ á h th ộ hà

lớp các phụ thuộc hàm

• Các tính chất còn lại ({A4,A5,A6,A7}) đều được

suy ra từ hệ tiên đề Armstrong

Chứng minh: A4-Tính tựa bắc cầu

-Hệ tiên đề Armstrong

Ngoài ra có tính chất sau hay được dùng

Tí h hất hiế XYZ thì XY à XZ

Tính chất chiếu: XYZ thì XY và XZ

-Hệ tiên đề Armstrong

Phép suy dẫn theo hệ tiên đề Armstrong

Phụ thuộc hàm f được suy dẫn theo hệ tiên

đề A t là f ó thể hậ đ từ F

đề Armstrong là f có thể nhận được từ F saumột số hữu hạn bước áp dụng các luật củatiên đề Armstrong Ký hiệu F|=f

Phép suy dẫn theo quan hệ

Phụ thuộc hàm f suy dẫn được từ tập PTH Ftheo quan hệ (hoặc PTH f được suy dẫn theoquan hệ từ tập PTH F) ký hiệu F|-f nếu với mọi

hệ ê l đồ R à F hỏ hì f

quan hệ r trên lược đồ R mà F thỏa mãn thì fcũng thỏa mãn

23

của F và ta phải chứng minh R thỏa mãn

Ta lấy thực thể bất kỳ t, t’ của R mà t[X]=t’[X], ta phải

chứng tỏ t[Y]=t’[Y] do nên t[Y]=t’[Y] (đpcm)

-Hệ tiên đề Armstrong

Ta thấy R thỏa mãn tất cả các phụ thuộc hàm của

F Vì lấy một fd PQ của F thì R phải thỏa PQ

thuộc F nên hay t[Q] t [Q]

• Vậy, trong mọi trường hợp R thỏa các phụ thuộc hàm của F.

• Do giả thiết mà R thỏa tất cả các fds

-Thuật toán tím bao đóng của tập PTH

“Áp dụng hệ tiên đề Armstrong cho đến khi không

tìm ra thêm phụ thuộc hàm mới”p

30

-A1-Tính phản xạ

X X, hay tổng quát hơn nếu thì XY

A2 Tí h ở ô h i ế Y ⊂ X

A2- Tính mở rông hai vế

XY thì XZYZ (mở rộng hai vế Z)

Ví dụ

and…?

32

-Bao đóng X+ của tập thuộc tính

Định nghĩa:

Cho lược đồ quan hệ R={A1,…,An} Giả sử F là

tậ PTH t ê R X là tậ ủ tậ th ộ tí h R

tập PTH trên R X là tập con của tập thuộc tính R

Bao đóng X đối với F, ký hiệu X+(X+

F để chỉ baođóng lấy theo tập F) là tập thuộc tính A của R mà

XA được suy dẫn từ tập F

Bao đóng X+ của tập thuộc tính

Ví dụ bao đóng của tập thuộc tính

Thuật toán tìm bao đóng X+

Bài toán thành viên:

Vấn đề được đưa ra ở đây là: Cho trước một tập

PTH F ó h khô ột khẳ đị h f F+

PTH F có hay không một khẳng định

Để giải quyết bài toán này người ta sử dụng tính

chất 6 của tập bao đóng hay bổ đề 2.1:

f ∈ F+

chất 6 của tập bao đóng hay bổ đề 2.1:

Do vậy, chỉ cần tìm được X+ ta sẽ giải quyết được

bài t á XY ó th ộ F+

X → ∈ Y F+ ⇔ ⊂ Y X +

bài toán XY có thuộc F+

37

-Thuật toán tìm bao đóng X+

Thuật toán tìm bao đóng X+

Thuật toán của Beeri và Bernstein

Ch R {A1 A } F là tậ PTH t ê R X là tậ

Cho R={A1,…,An} F là tập PTH trên R X là tập

thuộc tính

Ta xây dựng tập X0,…,Xk như sau:

Ta xây dựng tập X ,…,X như sau:

-Thuật toán tìm bao đóng X+

Input: Lược đồ quan hệ R

Ví dụ

R={A,B,C,D,E,G}

Cho tập PTH

F {ABC CA BCD ACDB DEG

F={ABC, CA, BCD, ACDB, DEG,

BEC, CGDB, CEAG}

{ , } { , }, { , }( )

Chứng minh tính đúng đắn của t toán

-Tại sao tìm bao đóng

Chứng minh sự đúng đắn của các quy tắc sửdụng trong suy diễn phụ thuộc hàm

Kiể t ột PTH hà ới đ diễ

Kiểm tra xem một PTH hàm mới được suy diễn

từ một tập của PTH S

Tìm khóa

Tìm khóa

Bao đóng PTH VS bao đóng thuộc tính

Bài tập về phụ thuộc hàm và bao đóng

1 Cho lược đồ quan hệ <R,F>

R= {A, B, C, D, E, I} và

F {BCDE BEC BIA CEI}

F = {BCDE, BEC, BIA, CEI}

Bài tập về phụ thuộc hàm và bao đóng

3 Cho F={ABC, BD, CDE, CEGH, GA}

Trong các PTH sau, PTH nào không thỏa mãn r

AB, AC, BA, CD, DC, DA

46

-Do đâu có phụ thuộc hàm?

“Tính khóa (duy nhất)” của các thuộc tính

Các ràng buộc trên miền giá trị và ràng buộc ứng

Các ràng buộc trên miền giá trị và ràng buộc ứng

dụng

ế

Các ràng buộc của thế giới thực

Phụ thuộc hàm giúp chúng ta định nghĩa “khóa”

48

-Khóa của sơ đồ quan hệ

Trong lược đồ quan hệ, một số thuộc tính đóng

vai trò quan trọng, và từ các thuộc tính này có thể

á đị h á th ộ tí h khá

xác định các thuộc tính khác

Khái niệm sơ đồ quan hệệ q ệ

Cho lược đồ quan hệ R={A1,A2,…,An}, F là tập

các phụ thuộc hàm trên R Sơ đồ quan hệ là cặp

R F h t ê ký hiệ SĐQH là W <R F>

R, F như trên, ký hiệu SĐQH là W=<R,F>

Sơ đồ quan hệ là một lược đồ quan hệ và tậpq ệ ộ ợ q ệ ập

phụ thuộc hàm trên nó

49

-Định nghĩa khóa SĐQH

 được gọi là khóa tối thiểu của SĐQH trên W

nếu k là tập tối thiểu kéo theo R, tức là k là khóa tối

thiể ế à ế bớt khỏi k dù ột

k ⊂ R

k+ R k R

thiểu nếu: và nếu bớt khỏi k dù một

phần tử thì bao đóng của tập còn lại khác R

khóa, những thuộc tính không thuộc khóa gọi là

thuộc tính không khóa (thuộc tính thứ cấp)

50

-X là siêu khóa nếu X thỏa mãn điều kiện 1

Định lý 2.4

a Nếu k là khóa của sơ đồ quan hệ W = <R,F>, r làquan hệ trên R thì với mọi cặp phần tử khác nhaut1 t2 ủ t l ô ó t k t k ≠

t1, t2 của r ta luôn có

b Ngược lại nếu k là tập tối thiểu và với mọi quan hệ r

1. 2.

t k t k ≠

b Ngược lại nếu k là tập tối thiểu và với mọi quan hệ r

trên R mà mọi cặp t 1 , t 2 của r mà thì k làkhóa của sơ đồ quan hệ W=<R,F> 1 2

.

t k t k ≠

51

-Thuật toán tìm khóa

Do bao đóng của k là R nên ban đầu ta coi k=R

Ta loại trừ dần các phần tử và kiểm tra xem k+=R

Ta loại trừ dần các phần tử và kiểm tra xem k+=R

 Bước 2: Lặp quá trình loại khỏi k phần tử A

 Bước 2: Lặp quá trình loại khỏi k phần tử A

mà (k-A)+=R

52

-Thuật toán tìm khóa

Mô tả thuật toán bằng ngôn ngữ tựa Pascal

Begin

k=Rfor each A in k do

if (k-A)+=R then k=k-AEnd

Thuật toán sẽ tìm được một khóa k cho R

 Nếu muốn tìm được khóa khác, ta có thể thay

đổi thứ tự loại trừ các phần tử A ra khỏi k

53

-đổi thứ tự loại trừ các phần tử A ra khỏi k

Các tính chất của khóa

1 Các thuộc tính không xuất hiện trong cả hai vế

trái hoặc phải của tập F phải có trong mọi khóa k

2 Cá th ộ tí h hỉ ất hiệ bê t ái ủ á PTH

2 Các thuộc tính chỉ xuất hiện bên trái của các PTH

trong F cũng phải thuộc mọi khóa k

3 Những thuộc tính xuất hiện, và chỉ xuất hiện bên

vế phải của tập PTH sẽ không thuộc bất kỳ khóanào

4 Th ật t á khẳ đị h i SĐQH W đề ó

4 Thuật toán khẳng định mọi SĐQH W đều có

khóa, tuy nhiên thuật toán không khẳng định cóbao nhiêu khóa và số lược các phần tử trongkhóa có như nhau hay không

5 Họ tất cả các khóa của một SĐQH W là hệ

Sperner (tức là không có hai khóa bao nhau)

54

-Thuật toán tìm mọi khóa

Ý tưởng

Cho W=<R F>

1 Tìm tất cả các tập con khác rỗng của R

2 Loại tập con có bao đóng khác R

3 Tạo tập con bao tập con khácạ ập ập

4 Những tập còn lại là khóa của W

55

-Thuật toán tìm mọi khóa

Cho W=<R,F>

R={A,B,C}, F={AB, AC, BA, BC, ACB}

Bao đóng Tập con có

bao đóng bằng R

-Thuật toán tìm mọi khóa

Một số cải tiến

*Theo tính chất của khóa, chúng ta sẽ có một số

thuộc tính luôn thuộc khóa Trong thuật toántìm khóa sẽ không xét nó và thêm vào khóa

* Một số thuộc tính không thuộc khóa nào cả Ta

loại bỏ nó trong quá trình tìm kiếm khóa

57

-Thuật toán tìm mọi khóa

Cho W = <R,F>, R={A,B,C,D,E,H}

F = {AB, AC, BA, BC, ACB, EC,

CH BH}

• Chắc chắn D, E tham gia mọi khóa

• H sẽ không tham gia vào khóa nàoH sẽ không tham gia vào khóa nào

Thuật toán tìm khóa: sẽ không cố gắng loại trừ D,

E ra khỏi tập Tập khởi tạo ban đầu có thể là

K=R\{H}

Th ật t á tì i khó Thê ột ột ới l ô

Thuật toán tìm mọi khóa: Thêm một cột mới luôn

chứa D, E Trong các tập con của thuộc tính còn

lại không xem xét đến H

58

-ạ ô g e ét đế

Thuật toán

Bao đóng Siêu khóa Khóa

-Tìm khóa từ mô hình ER

Bài tập

Các bài tập trong chương 2

63

-Các dạng chuẩn

Mỗi dạng chuẩn là một tập các điều kiện trên

lược đồ nhằm đảm bảo các tính chất của nó (liên

tới d thừ à bất th ờ t ậ hật)quan tới dư thừa và bất thường trong cập nhật)

Chuẩn hóa dữ liệu: quá trình phân tích lược đồ

Chuẩn hóa dữ liệu: quá trình phân tích lược đồ

quan hệ dựa trên FD và các khóa chính để đạt

-Các dạng chuẩn

Thủ tục chuẩn hóa cung cấp:

• Một cơ cấu hình thức để phân tích các lược

đồ hệ d t ê á khó ủ ó à á

đồ quan hệ dựa trên các khóa của nó và các

phụ thuộc hàm giữa các thuộc tính của nó

• Một loạt các kiểm tra dạng chuẩn có thể Một loạt các kiểm tra dạng chuẩn có thể

thực hiện trên các lược đồ quan hệ riêng rẽsao cho CSDL có thể được chuẩn hóa đến

Phân loại các dạng chuẩn

Codd đề nghị 3 dạng

• 1NF (first normal form): tương đương với định

hĩ ủ l đồ hệ ( hệ à bộ)

nghĩa của lược đồ quan hệ (quan hệ và bộ)

• 2NF: không có giá trị trong thực tiễn

• 3NFBCNF: thường được sử dụng nhiều3NFBCNF: thường được sử dụng nhiều

nhất (BCNF do Boyce và Codd đề xuất)

4NF, 5NF do tính đa trị và phụ thuộc hàm nối

66

-Dạng chuẩn 1

Định nghĩa: 1NF nếu miền giá trị của một thuộc

tính chỉ chứa giá trị nguyên tử (đơn, không phân

hi đ ) à iá t ị ủ ỗi th ộ tí h ũ là

chia được) và giá trị của mỗi thuộc tính cũng là

một giá trị đơn lấy từ miền giá trị của nó

Trong 1NF

• Không có thuộc tính lặp lại

Không có th ộc tính đa trị

• Không có thuộc tính đa trị

Ví dụ: PHONGBAN(MaPHG, TenPHG, DDIEM) Không phải 1NF

PHONGBAN(M PHG T PHD) DDIEM PHG(M PHG DDIEM )

67

-PHONGBAN(MaPHG, TenPHD) DDIEM_PHG(MaPHG, DDIEM )

Là 1NF

Dạng chuẩn 2

Phụ thuộc hàm đầy đủ: Một phụ thuộc hàm XY

là một phụ thuộc hàm đầy đủ nếu loại bỏ bất kỳ

XY là phụ thuộc hàm bộ phận nếu có thể bỏ

một thuộc tính ra khỏi X phụ thuộc hàm

-Dạng chuẩn 2

2NF

• Thỏa mãn 1NF

Ph th ộ hà đầ đủ à khó hí h

• Phụ thuộc hàm đầy đủ vào khóa chính

Với các quan hệ có thuộc tính khóa đơn thì

-Ví dụ Dạng chuẩn 2

Phụ thuộc vào cả 2 MaNV, MaDA

NV_DA (MaNV, MaDA, Sogio, TenDA, DDiemDA)

Chỉ phụ thuộc vào MaDA

72

-Ví dụ Dạng chuẩn 2

Phụ thuộc vào cả 2 MaNV, MaDA

NV_DA (MaNV, MaDA, Sogio, TenDA, DDiemDA)

Chỉ phụ thuộc vào MaDA

NV_DA (MaNV, MaDA, Sogio)

73

-DUAN (MaDA, TenDA, DDiemDA)

Dạng chuẩn 3

3NF dựa trên khái niệm phụ thuộc bắc cầu

Định nghĩa: Một lược đồ quan hệ R là ở dạng

3NF nếu nó thỏa mãn (theo Codd)( )

• Thỏa mãn 2NF

• Không có thuộc tính không khóa nào của R là

phụ thuộc bắc cầu vào khóa chínhphụ thuộc bắc cầu vào khóa chính

75

-Dạng chuẩn 3

Ph th ộ à M NV Phụ thuộc vào MaNV

NV_DV (MaNV, TenNV, NS, DCHI, MaDV, TenDV, TruongPHG)

Phụ thuộc vào MaDV

Tất cả các thuộc tính phải phụ thuộc vào thuộc

tính khóa

Một ài th ộ tí h h th ộ à th ộ tí h

• Một vài thuộc tính phụ thuộc vào thuộc tính

không phải là khóa

• Để chuẩn hóa  Tách nhóm các thuộc tính

76

-Để chuẩn hóa  Tách nhóm các thuộc tính

đó thành quan hệ mới