Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных технологий Механики и Оптики.

Реферат.

Тема:”Математическая модель структуры Базы Данных.”

Выполнили: Студенты Группы 5514

                      Шайхуллина Регина

Михайлов Сергей

Проверил: Куркин А.В.
СпбГУИТМО

2010 г.

Математическая модель структуры базы данны­­­­­­­х.

Математической моделью называется совокупность математических соотношений, уравнений, неравенств и т.п., описывающих основные закономерности, присущие изучаемому процессу, объекту или системе. Из всех существующих моделей баз данных  наиболее  под описание математической модели подходит реляционная модель базы данных.

Реляционная база данных - база данных, построенная на основе реляционной модели. В реляционной базе каждый объект задается записью (строкой) в таблице.

Реляционная база создается и затем управляется с помощью реляционной системы управления базами данных.

Реляционная модель данных - разработанная Э.Коддом в 1970г. логическая модель данных, описывающая:

- структуры данных в виде (изменяющихся во времени) наборов отношений;

- теоретико-множественные операции над данными: объединение, пересечение, разность и декартово произведение;

-специальные реляционные операции: селекция, проекция, соединение и деление; а также
- специальные правила, обеспечивающие целостность данных.

Реляционная модель состоит из трех частей:

- Структурной части.

- Целостной части.

- Манипуляционной части.

Структурная часть описывает, какие объекты рассматриваются реляционной моделью. Постулируется, что единственной структурой данных, используемой в реляционной модели, являются нормализованные n-арные отношения.

Целостная часть описывает ограничения специального вида, которые должны выполняться для любых отношений в любых реляционных базах данных. Это целостность сущностей и целостность внешних ключей.

Манипуляционная часть описывает два эквивалентных способа манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и реляционное исчисление. Доступ к реляционным данным осуществляется при помощи реляционной алгебры или эквивалентного ему реляционного исчисления. В реализациях конкретных реляционных СУБД сейчас не используется в чистом виде ни реляционная алгебра, ни реляционное исчисление. Фактическим стандартом доступа к реляционным данным стал язык SQL (Structured Query Language). Язык SQL представляет собой смесь операторов реляционной алгебры и выражений реляционного исчисления, использующий синтаксис, близкий к фразам английского языка и расширенный дополнительными возможностями, отсутствующими в реляционной алгебре и реляционном исчислении. Вообще, язык доступа к данным называется реляционно полным, если он по выразительной силе не уступает реляционной алгебре (или, что то же самое, реляционному исчислению), т.е. любой оператор реляционной алгебры может быть выражен средствами этого языка. Именно таким и является язык SQL.

Замкнутость реляционной алгебры

Реляционная алгебра представляет собой набор операторов, использующих отношения в качестве аргументов, и возвращающие отношения в качестве результата. Таким образом, реляционный оператор выглядит как функция с отношениями в качестве аргументов:



Реляционная алгебра является замкнутой, т.к. в качестве аргументов в реляционные операторы можно подставлять другие реляционные операторы, подходящие по типу:



Таким образом, в реляционных выражениях можно использовать вложенные выражения сколь угодно сложной структуры.

Каждое отношение обязано иметь уникальное имя в пределах базы данных. Имя отношения, полученного в результате выполнения реляционной операции, определяется в левой части равенства. Однако можно не требовать наличия имен от отношений, полученных в результате реляционных выражений, если эти отношения подставляются в качестве аргументов в другие реляционные выражения. Такие отношения будем называть неименованными отношениями. Неименованные отношения реально не существуют в базе данных, а только вычисляются в момент вычисления значения реляционного оператора.

Традиционно, вслед за Коддом [43], определяют восемь реляционных операторов, объединенных в две группы.

Теоретико-множественные операторы:

• Объединение
• Пересечение
• Вычитание
• Декартово произведение

Специальные реляционные операторы:

• Выборка
• Проекция
• Соединение
• Деление

Не все они являются независимыми, т.е. некоторые из этих операторов могут быть выражены через другие реляционные операторы.

Отношения, совместимые по типу

Некоторые реляционные операторы (например, объединение) требуют, чтобы отношения имели одинаковые заголовки. Действительно, отношения состоят из заголовка и тела. Операция объединения двух отношений есть просто объединение двух множеств кортежей, взятых из тел соответствующих отношений. Но будет ли результат отношением? Во-первых, если исходные отношения имеют разное количество атрибутов, то, очевидно, что множество, являющееся объединением таких разнотипных кортежей нельзя представить в виде отношения. Во-вторых, пусть даже отношения имеют одинаковое количество атрибутов, но атрибуты имеют различные наименования. Как тогда определить заголовок отношения, полученного в результате объединения множеств кортежей? В-третьих, пусть отношения имеют одинаковое количество атрибутов, атрибуты имеют одинаковые наименования, но определенны на различных доменах. Тогда снова объединение кортежей не будет образовывать отношение.

Определение 1. Будем называть отношения совместимыми по типу, если они имеют идентичные заголовки, а именно,

• Отношения имеют одно и то же множество имен атрибутов, т.е. для любого атрибута в одном отношении найдется атрибут с таким же наименованием в другом отношении,
• Атрибуты с одинаковыми именами определены на одних и тех же доменах.

Некоторые отношения не являются совместимыми по типу, но становятся таковыми после некоторого переименования атрибутов. Для того чтобы такие отношения можно было использовать в реляционных операторах, вводится вспомогательный оператор переименования атрибутов.

Табельный номер	Фамилия	Зарплата
1	Иванов	1000

Табельный номер	Фамилия	Зарплата
2	Петров	2000
3	Сидоров	3000

Номер поставщика	Наименование поставщика
1	Иванов
2	Петров
3	Сидоров

Номер детали	Наименование детали
1	Болт
2	Гайка
3	Винт

Номер поставщика	Наименование поставщика	Номер детали	Наименование детали
1	Иванов	1	Болт
1	Иванов	2	Гайка
1	Иванов	3	Винт
2	Петров	1	Болт
2	Петров	2	Гайка
2	Петров	3	Винт
3	Сидоров	1	Болт
3	Сидоров	2	Гайка
3	Сидоров	3	Винт

Табельный номер	Фамилия	Зарплата
1	Иванов	1000
2	Петров	2000
3	Сидоров	3000

Табельный номер	Фамилия	Зарплата
1	Иванов	1000
2	Петров	2000

Номер поставщика	Наименование поставщика	Город поставщика
1	Иванов	Уфа
2	Петров	Москва
3	Сидоров	Москва
4	Сидоров	Челябинск

Город поставщика

Уфа

Москва

Челябинск

Номер поставщика	Наименование поставщика	X (Статус поставщика)
1	Иванов	4
2	Петров	1
3	Сидоров	2

Номер детали	Наименование детали	Y (Статус детали)
1	Болт	3
2	Гайка	2
3	Винт	1

Номер поставщика	Наименование поставщика	X (Статус поставщика)	Номер детали	Наименование детали	Y (Статус детали)
1	Иванов	4	1	Болт	3
1	Иванов	4	2	Гайка	2
1	Иванов	4	3	Винт	1
2	Петров	1	3	Винт	1
3	Сидоров	2	2	Гайка	2
3	Сидоров	2	3	Винт	1

Номер поставщика PNUM	Наименование поставщика PNAME
1	Иванов
2	Петров
3	Сидоров

Номер детали DNUM	Наименование детали DNAME
1	Болт
2	Гайка
3	Винт

Номер поставщика PNUM	Номер детали DNUM	Поставляемое количество VOLUME
1	1	100
1	2	200
1	3	300
2	1	150
2	2	250
3	1	1000

Номер поставщика PNUM1	Наименование поставщика PNAME	Номер поставщика PNUM2	Номер детали DNUM	Поставляемое количество VOLUME
1	Иванов	1	1	100
1	Иванов	1	2	200
1	Иванов	1	3	300
2	Петров	2	1	150
2	Петров	2	2	250
3	Сидоров	3	1	1000

Номер поставщика PNUM	Наименование поставщика PNAME	Номер детали DNUM	Наименование детали DNAME	Поставляемое количество VOLUME
1	Иванов	1	Болт	100
1	Иванов	2	Гайка	200
1	Иванов	3	Винт	300
2	Петров	1	Болт	150
2	Петров	2	Гайка	250
3	Сидоров	1	Болт	1000

Номер поставщика PNUM	Номер детали DNUM
1	1
1	2
1	3
2	1
2	2
3	1

Номер детали DNUM

1

2

3

Номер поставщика PNUM

1

Примеры использования реляционных операторов

Пример 12. Получить имена поставщиков, поставляющих деталь номер 2.

Решение:



Пример 13. Получить имена поставщиков, поставляющих по крайней мере одну гайку.

Решение:



Ответ на этот запрос можно получить и иначе:



Пример 14. Получить имена поставщиков, поставляющих все детали.

Решение:



Пример 15. Получить имена поставщиков, не поставляющих деталь номер 2.

Решение:



Ответ на этот запрос можно получить и пошагово:

- получить список номеров всех поставщиков

- соединить данные о поставщиках и поставках

- в данных о поставщиках и поставках оставить только данные о поставках детали номер 2.

- получить список номеров поставщиков, поставляющих деталь номер 2.

- получить список номеров поставщиков, не поставляющих деталь номер 2.

- соединить список номеров поставщиков, не поставляющих деталь номер 2 с данными о поставщиках (получатся полные данные о поставщиках, не поставляющих деталь номер 2).

- искомый ответ (имена поставщиков, не поставляющих деталь номер 2).

Зависимые реляционные операторы

Как было сказано в начале главы, не все операторы реляционной алгебры являются независимыми - некоторые из них выражаются через другие реляционные операторы.

Оператор соединения

Оператор соединения определяется через операторы декартового произведения и выборки. Для оператора естественного соединения добавляется оператор проекции.

Оператор пересечения

Оператор пересечения выражается через вычитание следующим образом:

Оператор деления

Оператор деления выражается через операторы вычитания, декартового произведения и проекции следующим образом:



Таким образом показано, что операторы соединения, пересечения и деления можно выразить через другие реляционные операторы, т.е. эти операторы не являются примитивными.

Примитивные реляционные операторы

Оставшиеся реляционные операторы (объединение, вычитание, декартово произведение, выборка, проекция) являются примитивными операторами - их нельзя выразить друг через друга.

Оператор декартового произведения

Оператор декартового произведения - это единственный оператор, увеличивающий количество атрибутов, поэтому его нельзя выразить через объединение, вычитание, выборку, проекцию.

Оператор проекции

Оператор проекции - единственный оператор, уменьшающий количество атрибутов, поэтому его нельзя выразить через объединение, вычитание, декартово произведение, выборку.

Оператор выборки

Оператор выборки - единственный оператор, позволяющий проводить сравнения по атрибутам отношения, поэтому его нельзя выразить через объединение, вычитание, декартово произведение, проекцию.

Операторы объединения и вычитания

Доказательство примитивности операторов объединения и вычитания более сложны и мы их здесь не приводим.

Запросы, невыразимые средствами реляционной алгебры

Несмотря на мощь языка реляционной алгебры, имеется ряд типов запросов, которые принципиально нельзя выразить только при помощи операторов реляционной алгебры. Это вовсе не означает, что ответы на эти запросы нельзя получить вообще. Просто, для получения ответов на подобные запросы приходится применять процедурные расширения реляционных языков.

Плохая нормализация отношений

Данный пример взят из книги Гилуа М.М. [6, стр.43].

Пример 16. Пусть имеется отношение ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ с набором атрибутов (Наименование вещества, Водород, Гелий, …, 105_элемент). Значением атрибута "Вещество" являются наименования химических веществ, значениями остальных атрибутов - процентный состав соответствующих элементов в этом веществе. Такое отношение могло бы иметь, к примеру, следующий вид:

Таблица 24 Отношение ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ

Рассмотрим запрос "Найти все химические элементы, содержание которых в каком-либо из веществ превышает заданный процент (скажем, 90)".

С алгоритмической точки зрения этот запрос выполняется элементарно - просматриваются все столбцы таблицы, если в столбце присутствует хотя бы одно значение, большее 90, то запоминается заголовок этого столбца. Набор наименований запомненных столбцов и является ответом на запрос.

Формально невозможно выразить этот запрос в рамках реляционной алгебры, т.к. ответом на этот запрос должен быть список атрибутов отношений, удовлетворяющих определенному условию. В реляционной алгебре нет операторов, манипулирующих с наименованиями атрибутов.

На самом деле, этот пример показывает, что таблица плохо нормализована (нормализация отношений рассматривается в гл.6 и 7). В таблице есть набор однотипных атрибутов ("Водород", "Гелий" и т.д. в количестве 105 столбцов).

Правильнее разбить это отношение на три различных отношения:

1. ВЕЩЕСТВО(НОМ_ВЕЩЕСТВА, ВЕЩЕСТВО),
2. ЭЛЕМЕНТЫ(НОМ_ЭЛЕМЕНТА, ЭЛЕМЕНТ),
3. ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ(НОМ_ВЕЩЕСТВА, НОМ_ЭЛЕМЕНТА, ПРОЦЕНТ).

Таблица 25 Отношение ВЕЩЕСТВО

Таблица 26 Отношение ЭЛЕМЕНТЫ

Таблица 27 Отношение ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ

Для отношений, нормализованных таким образом, исходный запрос реализуется следующей последовательностью операторов:

1. R1(НОМЕР_ВЕЩЕСТВА,НОМ_ЭЛЕМЕНТА,ПРОЦЕНТ)= ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ[ПРОЦЕНТ>90]. (Выборка из отношения).
2. R2(НОМ_ЭЛЕМЕНТА) = R1[НОМ_ЭЛЕМЕНТА]. (Проекция отношения).
3. R3(НОМ_ЭЛЕМЕНТА,ЭЛЕМЕНТ)= R2[НОМ_ЭЛЕМЕНТА=НОМ_ЭЛЕМЕНТА]ЭЛЕМЕНТЫ. (Естественное соединение)
4. ОТВЕТ(ЭЛЕМЕНТ) = R3[ЭЛЕМЕНТ]. (Проекция таблицы).

На языке SQL такой запрос реализуется одной командой:

SELECT ЭЛЕМЕНТЫ.ЭЛЕМЕНТ

  FROM ЭЛЕМЕНТЫ, ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ

  WHERE

    ЭЛЕМЕНТЫ.НОМ_ЭЛЕМЕНТА=ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ.НОМ_ЭЛЕМЕНТА

    AND ХИМИЧЕСКИЙ_СОСТАВ_ВЕЩЕСТВ.ПРОЦЕНТ>90;

Невыразимость транзитивного замыкания реляционными операторами

Следующий пример иллюстрирует класс запросов, невыразимых средствами реляционной алгебры или реляционного исчисления по причине невыразимости средствами реляционной алгебры транзитивного замыкания отношений (см. гл. 1).

Пример 17. Рассмотрим отношение, описывающее сотрудников некоего предприятия. Отношение содержит данные о табельном номере сотрудника, фамилии, должности и табельном номере руководителя сотрудника – СОТРУДНИКИ (ТАБ_НОМ, ФАМИЛИЯ, ДОЛЖНОСТЬ, ТАБ_НОМ_РУК):

Таблица 28 Отношение СОТРУДНИКИ

Рассмотрим запрос "Перечислить всех руководителей (прямых и непрямых) данного сотрудника".

Ответом на запрос может быть получен при помощи понятия транзитивного замыкания. Однако транзитивное замыкание не может быть выражено операторами реляционной алгебры.

Кросс-таблицы

Одной из задач, связанных с представлением табличных данных является построение так называемых кросс-таблиц.

Пусть имеется отношение с тремя атрибутами и потенциальным ключом, включающим первые два атрибута. Примером такого отношения могут быть данные с объемами продаж различных товаров за некоторые промежутки времени:

Таблица 29 Данные о продажах

Требуется представить эти данные в виде таблицы, по строкам которой идут наименования товаров, по столбцам - месяцы, а в ячейках содержатся объемы продаж. Это и будет кросс-таблицей:

Таблица 30 Кросс-таблица

Построение кросс-таблицы средствами реляционной алгебры невозможно, т.к. для этого требуется превратить данные в ячейках таблицы в наименования новых столбцов таблицы.

Выводы

Доступ к реляционным данным возможен при помощи операторов реляционной алгебры. Реляционная алгебра представляет собой набор операторов, использующих отношения в качестве аргументов, и возвращающие отношения в качестве результата. Реляционная алгебра замкнута таким образом, что результаты одних реляционных выражений можно использовать в других выражениях.

Традиционно определяют восемь реляционных операторов, объединенных в две группы.

Теоретико-множественные операторы: объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение.

Специальные реляционные операторы: выборка, проекция, соединение, деление.

Для выполнения некоторых реляционных операторов требуется, чтобы отношения были совместимы по типу.

Не все операторы реляционной алгебры являются независимыми - некоторые из них выражаются через другие реляционные операторы. Операторы соединения, пересечения и деления можно выразить через другие реляционные операторы, т.е. эти операторы не являются примитивными. Оставшиеся реляционные операторы (объединение, вычитание, декартово произведение, выборка, проекция) являются примитивными операторами - их нельзя выразить друг через друга.

Имеется несколько типов запросов, которые нельзя выразить средствами реляционной алгебры. К ним относятся запросы, требующие дать в ответе список атрибутов, удовлетворяющих определенным условиям, построение транзитивного замыкания отношений, построение кросс-таблиц. Для получения ответов на подобные запросы приходится использовать процедурные расширения реляционных языков.