н22_Лекция_1_3_СУБД_Хакуринов_Р_А_691_12

1.

ВНИМАНИЕ!
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДСТВ СВЯЗИ, ФОТО,
ВИДЕО И ЗВУКОЗАПИСИ ЗАПРЕЩЕНО!

2.

ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ А.Ф. МОЖАЙСКОГО
Кафедра № 61 «Систем сбора и обработки информации»
Системы управления базами данных
Лекция
Тема 1. Основы построения БД
ктн, доц
Каливанов А.Ж.

3.

ПЛАН ЛЕКЦИИ
Лекция № 1.3. «Реляционная модель данных»
Цель занятия:
Ознакомить с основными конструкциями реляционной модели
данных.
Учебные вопросы:
1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели
данных
1.3.2. Основные операции над отношениями
1.3.3. Реляционные языки
3

4.

Контроль готовности обучающихся к учебному занятию
Контрольный вопрос № 1:
Перечислите основные компоненты банка данных (БнД).
Основными компонентами БнД являются:
БД – информационная компонента.
Языковые средства.
Пользователи.
Администратор БД.
СУБД – функциональная компонента.
Оборудование – физическая компонента.
4

5.

Контроль готовности обучающихся к учебному занятию
Контрольный вопрос № 2:
Перечислите основные конструкции логической структуры базы
данных (БД).
Основными конструкциями логической структуры БД являются:
элемент
группа
групповое отношение
запись
файл
БД
5

6.

Контроль готовности обучающихся к учебному занятию
Контрольный вопрос № 3:
Дайте определения следующим элементам логической структуры
БД: файл, БД.
Файл – совокупность записей различных типов. Как правило,
записи в файле одинаковы по структуре.
БД – это совокупность файлов, которые могут быть связаны между
собой.
6

7.

Учебный вопрос № 1
1.3.1.
Элементы логической структуры реляционной
модели данных
7

8.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
В реляционной модели данных реализован способ представления
данных в виде таблиц. В его основу положено предположение о том, что
любое представление данных может быть сведено к двумерной таблице.
8

9.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Например:
Рисунок 1 – Пример двумерной таблицы
Элементы
таких
таблиц
(столбцы,
строки)
представляют
взаимоотношения экземпляров объектов. Таблицы такого типа,
указывающие на связи элементов, называют отношениями.
9

10.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
В реляционной модели данных элементами структуры являются:
поле, атрибут, столбец, домен – элемент;
кортеж, строка – группа;
таблица – групповое отношение;
набор;
БД.
10

11.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Свойства отношений:
каждый элемент таблицы должен представлять один элемент данных,
т.е. на пересечении строки и столбца должно быть одно единственное
значение, т.е. каждый элемент таблицы должен быть атомарным;
каждый столбец в таблице должен быть однородным по значениям,
т.е. все значения одного столбца должны быть одинаковой природы;
столбцам присвоены уникальные имена;
в таблице не может быть двух одинаковых строк;
в операциях с такой таблицей строки и столбцы могут указываться в
произвольном порядке.
11

12.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Пример:
Рисунок 2 – Отношения R1 и R2
12

13.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Эквивалентом логической структуры является простая группа.
Тип (схема) отношения – это совокупность имен ее столбцов («шапка»
таблицы).
Сама таблица с конкретными отношениями – экземпляр отношения.
В экземпляре отношения собраны объекты реального мира из ПО в
конкретный момент времени.
Отношения, обладающие перечисленными свойствами называют
нормализованными.
13

14.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Любые взаимоотношения в БД можно представить в нормализованном
виде:
Рисунок 3 – Взаимоотношения в БД
14

15.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Каждое отношение имеет имя.
БД, представленная в виде набора нормализованных таблиц
(отношений), называется реляционной БД.
Строки таких отношений называются кортежами, а столбцы – доменами.
15

16.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Пусть даны множества
D1 , D2 ,..., Dn - не обязательно различные.
Отношение R на этих множествах есть множество кортежей типа
( d1 , d 2 ,...,d n ) , где d1 D1 ,..., d n Dn
Величина “n” – степень отношения:
R D1
D2 ... Dn
В реляционной БД порядок столбцов несущественен.
В реляционной модели данных предполагается, что кортежи
упорядочены.
Порядок определяется упорядоченностью значений одного или
нескольких доменов.
16

17.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Поле – наименьшая поименованная единица данных. С понятием поле
связаны понятия атрибут, столбец, домен.
Столбец в отношении в реляционной модели данных называют
атрибутом, который в общем случае отличается от домена.
Домен – это множество значений элемента данных. Имя домена – имя
множества значений.
Атрибут – представляет собой использование данных внутри
отношений.
Имена атрибутов в реляционной модели данных обычно обозначают
буквами латинского алфавита (A, B, C).
17

18.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Dom(A), Dom(B) – домен атрибута А, домен атрибута В.
Если существуют атрибуты A1 , A2 ,..., An , то их домены обозначаются
следующим образом: Dom ( A1 ),..., Dom ( An ) или D1 Dom ( A1 )
Тогда отношение R, построенное на множестве атрибутов A1 , A2 ,..., An
есть R Dom( A1 ) ... Dom( An )
18

19.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Множество атрибутов обычно обозначают X, Y, Z. Эти множества иначе
называют составными атрибутами. Символом U обозначают множество
всех атрибутов, о которых идет речь.
U { A1 , A2 ,..., An } или U A1 A2 ... An
Все кортежи, принадлежащие отношению R , обозначают следующим
образом ( a1 , a2 ,...,an ) R( A1 A2 ... An ) , где ai Dom ( Ai )
Для обозначения кортежей используют: u, v, y, z.
a i - значение атрибута, Ai - называют i компонентой кортежа u ,
и обозначают u[ Ai ]
Размером (мощностью) множества Х называют количество элементов
этого множества и обозначают X
19

20.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
В некоторых результирующих отношениях могут образоваться следующие
петли:
Рисунок 4 – Образовавшаяся петля
Тогда требуется формировать имя атрибута из имени домена и
уточняющего префикса роли. Все имена атрибутов внутри отношения
должны быть уникальными.
Рисунок 5 – Уникальные имена атрибутов
20

21.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Атрибуты, которые однозначно идентифицируют кортеж, называются
уникальными. Такие уникальные атрибуты выбирают в качестве
возможных ключей. Если таких атрибутов много, то один из них
выбирают в качестве основного (первичного). Не всякое отношение
имеет один уникальный атрибут, однако каждое отношение имеет
комбинацию атрибутов, которая однозначно идентифицирует кортежи
отношений.
Каждое отношение имеет первичный ключ.
Атрибут некоторого отношения называется внешним ключом, если
этот атрибут не является первичным ключом рассматриваемого
отношения, но его значение является первичным ключом другого
отношения.
Внешний ключ позволяет моделировать связи между отношениями.
21

22.

1.3.1. Элементы логической структуры реляционной модели данных
(продолжение)
Рисунок 6 – Пример внешнего ключа в отношениях
22

23.

Учебный вопрос № 2
1.3.2.
Основные операции над отношениями
23

24.

1.3.2. Основные операции над отношениями
Для манипулирования данными используется следующие основные
операции:
Проекция
Пусть R – отношение степени “m”. Будем обозначать проекцию
отношения R на множество атрибутов Х: R X {u [ X ] | u R}
Если X U , то u[X ] - это кортеж размерности X , содержащий все
элементы, входящие в Х.
Проекция размерности меньшей, чем Х должна быть нормализованной
(по кр. мере, соответствовать свойствам реляционного отношения – 1
НФ).
24

25.

1.3.2. Основные операции над отношениями (продолжение)
Пусть u R , u = a1a2…am, тогда,
Пример проекции:
если Х = А1А2А5 , то u[X]=а1а2а5
25

26.

1.3.2. Основные операции над отношениями (продолжение)
26
Соединение
Пусть дано R = R (X Y Z), и S (X Y) и T (Y Z); X Y Z попарно не пересекаются.
Естественным соединением S◦T называют множество
S◦T= {(xyz) | (xy) ϵ S, (yz) ϵ T}=R
(3)
Если S и T являются такими проекциями R, что их естественное
соединение дает R, то R называют декомпозируемым отношением и о
представлении R в виде S и T говорят о декомпозиции R.
Соединения применяются к таким множествам, которые имеют
одинаковые атрибуты. Если в R1, R2 …Rn нет одинаковых атрибутов, то их
соединение является пустым ( Ø ):
R1○R2○…○Rn = Ø
(4)

27.

1.3.2. Основные операции над отношениями (продолжение)
Пример соединения:
Степень результата естественного соединения равна сумме степеней
объединяемых отношений минус степень набора атрибутов, по которым
выполняется соединение:
n = (3 + 2) – 1 = 4
27

28.

1.3.2. Основные операции над отношениями (продолжение)
Следствие:
Θ – тета-соединение
Если в (A,B) – A и B одинаковой природы. Кроме того, отношения можно
соединить по условию (A,B): A < B
{>, ≤, ≥}.
(5)
28

29.

1.3.2. Основные операции над отношениями (продолжение)
29
Произведение
Результатом произведения отношения R степени «m» на отношение S
степени «n» является множество
R S {r * s | r R, s S}
конкатенация
Степень отношения R
S: n+m
(6)

30.

1.3.2. Основные операции над отношениями (продолжение)
Пример произведения:
Эти три операции составляют реляционно-полный набор, т.е. с их
помощью можно получить любое отношение, составляемое из атрибутов
БД.
30

31.

Учебный вопрос № 3
1.3.3. Реляционные языки
31

32.

1.3.3. Реляционные языки
Для манипулирования данными наибольшее распространение получили
следующие языки:
языки, основанные на реляционном исчислении (SQL [dBase,
семейство SQL]);
языки, основанные на реляционной алгебре;
языки, основанные на отображении (SEQUEL, SLICK, SQUARE);
графические языки (QBE – [DBdesktop, Access]).
32

33.

1.3.3. Реляционные языки (продолжение)
Языки, основанные на реляционном исчислении
Язык РИ состоит из букв, логических символов, кванторов , ,
двухместных предикатов , , , , , , разделителей { (, ), [, ], :, , }.
Выражения РИ состоят из предикатов первого порядка, которому должны
удовлетворять кортежи и домены отношений. Запросы на языке РИ
описывают требуемое результирующее отношение. СУБД сама должна
решить, какие действия необходимо выполнить для его получения.
Примером языка РИ является Structured Query Language (SQL).
33

34.

1.3.3. Реляционные языки (продолжение)
Преимущества РИ: Пользователя не интересует, каким способом будет
получено данное отношение. Для пользователя естественной является
возможность описывать данные по именам, нежели описывать
операции.
Недостатки РИ: сложность реализации.
34

35.

1.3.3. Реляционные языки (продолжение)
Языки, основанные на реляционной алгебре
Язык РА обычно включает в себя ТМО { , , , \ }. Кроме того, полная РА
включает специальные операции: проекцию, соединение, выбор,
деление. Каждая из операций в языке имеет определенное имя и
формат. Запрос в БД представляет собой запись последовательности
операций над отношениями, в результате выполнения которых, будет
также получено требуемое отношение.
35

36.

1.3.3. Реляционные языки (продолжение)
Языки, основанные на отображении
SEQUEL (разработка IBM), SLICK, SQUARE
В процессе отображения (выполнения запросов) сопоставляются столбцы
или группы столбцов отношений. При этом в запросе не формулируется,
что выбрать и при каких условиях. Т.о. столбцам, на значения которых
наложены условия, сопоставляются столбцы, элементы которых надо
выдать на запрос.
36

37.

1.3.3. Реляционные языки (продолжение)
Графические языки
QBE – разработка IBM
Особенности QBE:
оформление запросов сводится к заполнению табличной формы,
высвечиваемой на экране монитора;
написание запроса предполагает построение табличной формы,
которая потом будет заполняться, т.о. пользователь, определяя
табличную форму, определяет внешнюю схему.
37

38.

1.3.3. Реляционные языки (продолжение)
При описании запросов на реляционных языках всегда определяется
поисковый образ и поисковое предписание. Описывая поисковый образ
мы, тем самым, определяем цель поиска, тогда как поисковое
предписание определяет условие, по которому из всего множества
объектов будет выделена часть, является ответом на запрос.
38

39.

1.3.3. Примеры операций манипулирования
В общем виде операции могут быть представлены следующим образом:
ОПЕРАЦИЯ <имя атрибуты>
ИЗ <имя отношения>
ГДЕ <условие>
ГРУППОВАЯ ОБРАБОТКА <способ>
где
ОПЕРАЦИЯ: Выбрать (Выдать), Вставить, Изменить, Удалить –
поисковый образ;
ИЗ – список исходных отношений;
ГДЕ – поисковое предписание – условие выборки;
ГРУППОВАЯ ОБРАБОТКА – способ упорядочивания выбранных
объектов
39

40.

1.3.3. Примеры операций манипулирования (продолжение)
Примеры:
Условие может быть сложным: < ГДЕ К-во < 300 и Д№ = Р3 >
40

41.

1.3.3. Примеры операций манипулирования (продолжение)
41

42.

1.3.3. Примеры операций манипулирования (продолжение)
Вложенные конструкции позволяют формулировать запросы любой
сложности.
42

43.

Контроль освоения обучающимися учебного материала
Контрольный вопрос № 1:
Перечислите элементы структуры реляционной модели данных.
Элементами структуры реляционной модели данных являются:
поле, атрибут, столбец, домен – элемент;
кортеж, строка – группа;
таблица – групповое отношение;
набор;
БД.
43

44.

Контроль освоения обучающимися учебного материала
Контрольный вопрос № 2:
Перечислите свойства реляционных отношений.
Свойства реляционных отношений:
каждый элемент таблицы должен представлять один элемент
данных, т.е. на пересечении строки и столбца должно быть одно
единственное значение (атомарность элементов);
каждый столбец в таблице должен быть однородным по значениям,
т.е. все значения одного столбца должны быть одинаковой
природы;
столбцам присвоены уникальные имена;
в таблице не может быть двух одинаковых строк;
в операциях с такой таблицей строки и столбцы могут указываться в
произвольном порядке.
44

45.

Контроль освоения обучающимися учебного материала
Контрольный вопрос № 3:
Дайте определения следующим понятиям: поле, домен, атрибут.
Поле – наименьшая поименованная единица данных.
Домен – множество значений элемента данных.
Атрибут – представляет собой использование элемента данных
внутри отношений .
45

46.

Задание на самостоятельную работу
Задание:
1. Дополнить конспект лекций.
2. Изучить дополнительную литературу.
3. Подготовиться к устному опросу.
Рекомендуемая литература:
1. Каливанов А.Ж. Системы управления базами данных. Курс
лекций. –СПб.:ВКА, 2021г. [E/E].
2. Дейт.К. Введение в системы баз данных: Пер. с англ. –2–е изд –
К.: “Наука”, 1980 г. –484с.
3. Соколов А.В. Информационно-поисковые системы - М:РиС,
1981 г.
4. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных
системах. –М.:“Мир”,1980г.
46