Размещено на http://www.allbest.ru/

Предмет: Теория Экономических информационных систем

тема: Нормализация отношений

Содержание

• Введение
• 1. Понятие и свойства отношений
• 2. Сущность нормализации отношений
• 3. Нормальные формы отношений
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

Аппарат нормализации был разработан американским ученым Э. Коддом. Каждая нормальная форма отношений ограничивает тип допустимых зависимостей между атрибутами Балдин К.В., Уткин В.Б. Информационные системы в экономике. М.: Дашков и К, 2008. С. 111..

Актуальность исследуемой темы объясняется тем, что при игнорировании нормализации эффективность проектирования стремительно снижается, что вкупе с прочими подобными вольностями может привести к критическим последствиям.

Таким образом, нормализация отношений - это важнейший итерационный обратный процесс декомпозиции начального отношения на несколько более простых отношений меньшей размерности.

Цель реферата заключается в изучении процесса нормализации отношений.

Для достижения указанной цели в ходе исследования необходимо решить ряд задач:

1. раскрыть понятие и свойства отношений;

2. дать определение нормализации отношений;

3. исследовать нормальные формы отношений.

В ходе написания реферата были использованы работы многих отечественных авторов: Балдина К.В., Барановской Т.П., Бородулина А.Н., Кузнецова В.Н., Лойко В.И., Уткина В.Б., и других.

Реферат состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы.

1. Понятие и свойства отношений

Реляционная база данных - это конечный (ограниченный) набор отношений. Отношения используются для представления сущностей, а также для представления связей между сущностями. Отношение - это двумерная таблица, имеющая уникальное имя и состоящая из строк и столбцов, где строки соответствуют записям, а столбцы - атрибутам.

Каждая строка в таблице представляет некоторый объект реального мира или соотношения между объектами.

Атрибут - это поименованный столбец отношения. Свойства сущности, его характеристики определяются значениями атрибутов. Порядок следования атрибутов не влияет на само отношение.

Отношение - это подмножество декартового произведения списка доменов Малова Е.В. Теория экономических информационных систем: конспект лекций. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2010. С. 18.. Объекты и атрибуты находятся между собой в определенных отношениях:

1. логические,

2. арифметические (бинарные однородные отношения между двумя отдельными значениями, совпадающими по структуре элементов),

3. множественные (отношения между однородными множествами элементов; можно применять операции соединения, выборки, и т.д.),

4. отношения между неоднородными множествами элементов,

5. семантические отношения - означают смысловую роль элементов в конкретном сообщении (информации) и могут быть использованы для формализации, передачи смысла этой информации.

Рассмотрим основные свойства отношений:

- отсутствие повторяющихся строк,

- порядок строк несущественен,

- все значения имеют единичный характер, их нельзя разбить на компоненты без потери информации.

В реляционной теории встречается несколько видов отношений, но не все они поддерживаются реальными системами. Различают:

1. именованное отношение - это переменная отношения, определенная в СУБД посредством специальных операторов;

2. базовое отношение - это именованное отношение, являющееся частью базы данных;

3. производное отношение - это отношение, определенное посредством реляционного выражения через базовые отношения;

4. представление - это именованное виртуальное производное отношение, представленное в системе исключительно через определение в терминах других именованных отношений;

5. снимки - это отношения, подобные представлениям, но они сохраняются, доступны для чтения и периодически обновляются;

6. результат запроса - это неименованное производное отношение, получаемое в результате запроса, которое для сохранения необходимо преобразовать в именованное отношение;

7. хранимое отношение - это отношение, которое поддерживается в физической памяти Барановская Т.П., Лойко В.И. Информационные системы и технологии в экономике. М.: Финансы и статистика, 2008. С. 200..

2. Сущность нормализации отношений

Каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений. Примером набора ограничений является ограничение первой нормальной формы - значения всех атрибутов отношения атомарны. Поскольку требование первой нормальной формы является базовым требованием классической реляционной модели данных, мы будем считать, что исходный набор отношений уже соответствует этому требованию Баканов М.И., Мельник М.В., Шеремет А.Д. Теория экономического анализа. М.: Финансы и статистика, 2009. С. 214..

В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм:

- первая нормальная форма (1NF);

- вторая нормальная форма (2NF);

- третья нормальная форма (3NF);

- нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF);

- четвертая нормальная форма (4NF);

- пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF).

Основные свойства нормальных форм:

- каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

- при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.

Каждая нормальная форма налагает определенные ограничения на данные. Эти ограничения вводятся в каждом конкретном отношении, и соблюдение этих ограничений в отношении связано уже с наличием нормальной формы.

1НФ, 2НФ, ЗНФ - ограничивают зависимость непервичных атрибутов от ключей.

НФБК - ограничивает зависимость первичных атрибутов.

4НФ - формулирует ограничения на виды многозначных зависимостей.

5НФ - вводит другие типы зависимостей: зависимости соединений.

Процесс перехода от нормальной формы более низкого уровня к нормальной форме более высокого уровня и называется нормализацией отношений (НО) Мишенин А.И. Теория экономических информационных систем. М.: Финансы и статистика, 2011, С. 40..

Для реляционных баз данных необходимо, чтобы все отношения базы данных обязательно находились в 1НФ. Нормальные формы более высокого порядка могут использоваться разработчиками по своему усмотрению. Однако следует стремиться к тому, чтобы довести уровень нормализации базы данных хотя бы до ЗНФ, тем самым, исключив из базы данных избыточность данных и аномалии обновления.

В основе процесса проектирования лежит метод нормализации, декомпозиция отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме, в два или более отношения, удовлетворяющих требованиям следующей нормальной формы.

Наиболее важные на практике нормальные формы отношений основываются на фундаментальном в теории реляционных баз данных понятии функциональной зависимости. Рассмотрим несколько определений.

Определение 1. Функциональная зависимость

В отношении R атрибут Y функционально зависит от атрибута X (X и Y могут быть составными) в том и только в том случае, если каждому значению X соответствует в точности одно значение Y: R.X (r) R.Y.

Определение 2. Полная функциональная зависимость

Функциональная зависимость R.X (r) R.Y называется полной, если атрибут Y не зависит функционально от любого точного подмножества X.

Определение 3. Транзитивная функциональная зависимость

Функциональная зависимость R.X -> R.Y называется транзитивной, если существует такой атрибут Z, что имеются функциональные зависимости R.X -> R.Z и R.Z -> R.Y и отсутствует функциональная зависимость R.Z --> R.X. (При отсутствии последнего требования мы имели бы «неинтересные» транзитивные зависимости в любом отношении, обладающем несколькими ключами) Бородулин А.Н, Кузнецов В.Н, Мельник М.В. Теория экономического анализа. Тверь: ТГТУ, 2006. С. 98..

Определение 4. Неключевой атрибут .

Неключевым атрибутом называется любой атрибут отношения, не входящий в состав первичного ключа (в частности, первичного).

Определение 5. Взаимно независимые атрибуты

Два или более атрибута взаимно независимы, если ни один из этих атрибутов не является функционально зависимым от других.

Нормализация - это формальный метод анализа отношений на основе их первичного ключа (или потенциальных ключей, как в случае нормальной формы Бойса-Кодда) и существующих функциональных зависимостей. Он включает ряд правил, которые могут использоваться для проверки отдельных отношений таким образом, чтобы вся база данных могла быть нормализована до желаемой степени нормализации. Если некоторое требование не удовлетворяется, то нарушающее данное требование отношение должно быть декомпозировано на отношения, каждое из которых (в отдельности) удовлетворяет всем требованиям нормализации Хомоненко А.Д. Базы данных: пособие / под ред. А.Д. Хомоненко, В.М. Цыганкова. СПб.: Корона, 2008. С. 95..

Зачастую нормализация осуществляется в несколько последовательно выполняющихся этапов, каждый из которых соответствует некоторой нормальной форме, обладающей известными свойствами. В ходе нормализации формат отношений становится все более строгим и менее уязвимым по отношению к аномалиям обновления. При работе с реляционной моделью данных важно понимать, что только удовлетворение требований первой нормальной формы (1НФ) обязательно для создания отношений приемлемого качества. Все остальные формы могут использоваться по желанию проектировщиков. Однако нормализацию рекомендуется выполнять как минимум до ЗНФ.

Процесс нормализации начинается с преобразования данных из формата источника (например, из формата стандартной формы ввода данных) в формат таблицы со строками и столбцами. На исходном этапе таблица находится в ненормализованной форме (ННФ) и часто называется ненормализованной таблицей. Для преобразования ненормализованной таблицы в первую нормальную форму (1НФ) в исходной таблице следует найти и устранить все повторяющиеся группы данных. Повторяющейся группой называется группа, состоящая из одного и более атрибутов таблицы, в которой возможно наличие нескольких значений для единственного значения ключевого атрибута таблицы. Обратите внимание на то, что в данном контексте термин «ключ» равным образом относится и к одному атрибуту, и к группе атрибутов, которые единственным образом идентифицируют каждую строку ненормализованной таблицы. Существует два подхода исключения повторяющихся групп из ненормализованных таблиц.

В первом подходе повторяющиеся группы устраняются путем ввода соответствующих данных в пустые столбцы строк с повторяющимися данными. Иначе говоря, пустые места при этом заполняются дубликатами неповторяющихся данных. Этот подход часто называют «выравниванием» («flattening») таблицы Харрингтон Д.Л. Проектирование реляционных баз данных. М.: Лори, 2006. С. 47.. Полученная в результате этих действий таблица, которая теперь будет называться отношением, содержит атомарные (или единственные) значения на пересечении каждой строки с каждымстолбцом, а потому находится в первой нормальной форме. В результате такого подхода в полученное отношение вносится некоторая избыточность данных, которая в ходе дальнейшей нормализации будет устранена.

Во втором подходе один атрибут или группа атрибутов назначаются ключом ненормализованной таблицы, а затем повторяющиеся группы изымаются и помещаются в отдельные отношения вместе с копиями ключа исходной таблицы. Далее в новых отношениях устанавливаются первичные ключи. Иногда ненормализованные отношения могут содержать одну или несколько повторяющихся групп внутри повторяющихся групп первого порядка. В таких случаях данный прием применяется до тех пор, пока повторяющихся групп совсем не останется. Полученный набор отношений будет находиться в первой нормальной форме только тогда, когда ни в одном из них не будет повторяющихся групп атрибутов Курс экономической теории / под ред. Чепурина М.Н., Киселевой Е.А. Киров: «АСА», 2012. С. 186..

Хотя оба этих подхода одинаково корректны, следует отметить, что при использовании второго подхода полученные отношения находятся как минимум в 1НФ и обладают меньшей избыточностью данных. При выборе первого подхода выравненное 1НФ-отношение декомпозируется в ходе дальнейшей нормализации на те же отношения, которые могли бы быть получены с помощью второго подхода.

нормализация реляционный база таблица

3. Нормальные формы отношений

Отношение находится в НФБК тогда и только тогда, когда каждый его детерминант является потенциальным ключом Калабухов Е.В. Базы данных, знаний и экспертные системы: лабораторный практикум для студентов. Минск: БГУИР, 2008. С. 22..

Для проверки принадлежности отношения к НФБК необходимо найти все его детерминанты и убедиться в том, что они являются потенциальными ключами. Напомним, что детерминантом является один атрибут или группа атрибутов, от которой полностью функционально зависит другой атрибут.

Различие между 3НФ и НФБК заключается в том, что функциональная зависимость А->В допускается в 3НФ-отношении, если атрибут В является первичным ключом, а атрибут А не обязательно является потенциальным ключом. Тогда как в НФБК-отношении эта зависимость допускается только тогда, когда атрибут А является потенциальным ключом. Следовательно, нормальная форма Бойса-Кодда является жесткой версией формы 3НФ, поскольку каждое НФБК-отношение является 3НФ-отношением, но не всякое 3НФ-отношение является НФБК-отношением.

Отношение находится в первой нормальной форме, если все его атрибуты являются простыми. Другими словами, значения в домене каждого атрибута отношения не являются ни списками, ни множествами простых или сложных значений.

Определить понятия атомарности трудно. Значение, атомарное в одном приложении, может быть неатомарным в другом. Можно руководствоваться общим принципом, что значение не атомарно, если в приложении оно используется по частям.

Вторая и третья нормальные формы возникли в результате стремления избежать аномалий обновления данных при работе с БД и избавиться от информационной избыточности в отношениях.

Отношение находится во второй нормальной форме, если оно находится в первой нормальной форме (каждый атрибут является простым) и каждый не ключевой атрибут функционально полно зависит от первичного ключа, причем ключ, как правило, составной.

Вторая нормальная форма применяется к отношениям с составными ключами, т.е. к таким отношениям, первичный ключ которых состоит из двух и более атрибутов. Дело в том, что отношение с первичным ключом на основе единственного атрибута всегда находится, по крайней мере, в 2НФ. Отношение, которое не находится в 2НФ, может страдать от аномалий обновления. Например, предположим, что необходимо изменить арендную плату (Rent) для объекта недвижимости с номером `PG4'. Для этого потребуется обновить две строки отношения Customer Rental. Если значение арендной платы будет обновлено только в одной строке, то в результате база данных будет приведена в противоречивое состояние Информатика для экономистов: учебник для вузов / под ред. Матюшка В.М. М.: Инфра-М, 2009. С. 650..

2НФ - отношение, которое находится в первой нормальной форме и каждый атрибут которого, не входящий в состав первичного ключа, характеризуется полной функциональной зависимостью от этого первичного ключа.

Если имеет место частичная функциональная зависимость, то для ее устранения необходимо использовать операцию проекции различных отношений на два новых следующим образом: построить проекцию без атрибутов, находящихся в частичной функциональной зависимости от составного ключа и построить проекции на части составного первичного ключа и атрибутов, зависящих от этих частей. Перевод таблиц во вторую нормальную форму обычно позволяет устранить явное избыточное дублирование.

Отношение находится в третьей нормальной форме, если оно находится во второй нормальной форме и каждый не ключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа. Транзитивные зависимости порождают избыточное дублирование информации. Для устранения транзитивных зависимостей необходимо с помощью операции проекции преобразовать исходное отношение таким образом, чтобы в получаемом отношении отсутствовала транзитивная зависимость между атрибутами.

На практике построение третьей нормальной формы в большинстве случаев является достаточным и приведенный к ней процесс проектирования баз данных завершается. Если же в отношении имеет место зависимость атрибутов составного ключа от не ключевых атрибутов, то необходимо перейти к усиленной третьей нормальной форме. Отношение находится в НФБК, если оно находится в третьей нормальной форме и в нем отсутствуют зависимости ключей от не ключевых атрибутов.

Кроме метода нормальных форм применяется метод ER-диаграмм. Если метод нормальных форм используется обычно при проектировании отношений небольших БД, то метод «сущность-связь» позволяет проектировать большие БД. Каждая сущность (информационный объект) представляется как отношение, а связи между сущностями позволяют установить связи между таблицами (отношения) и ввести ключевой атрибут в таблицу для установления этих связей.

Четвертая нормальная форма (4НФ). В ходе исследований был выявлен еще один тип зависимости - многозначная зависимость, которая может вызвать проблемы, связанные с избыточностью данных.

В случае многозадачной зависимости, существующей между атрибутами А, В и С некоторого отношения, для каждого значения А имеется набор значений атрибута B и набор значений атрибута C. Однако входящие в эти наборы значения атрибутов B и С не зависят друг от друга.

4НФ - это отношение в нормальной форме Бойса-Кодда, которое не содержит нетривиальных многозадачных зависимостей.

Отношение находится в 4НФ, если оно находится в НФБК и в нем отсутствуют многозначные зависимости, не являющиеся функциональными.

Тот факт, что отношение может быть восстановлено без потерь соединением некоторых его проекций, известен как зависимость по соединению. Говорят, что отношение находится в 5НФ тогда и только тогда, когда любая зависимость по соединению в R определяется возможными ключами R. Другими словами, каждая проекция R содержит не менее одного возможного ключа и, по крайней мере, один непервичный атрибут.

Во всех рассмотренных до этого момента ситуациях нормализация отношений производилась декомпозицией одного отношения на два.

Иногда нормализовать отношение путем декомпозиции на два отношения без потерь не удается, но просматривается возможность декомпозиции исходного отношения без потерь на большее число отношений, каждое из которых обладает лучшими свойствами. Такое отношение называется термином «n-декомпозитируемое отношение» для некоторого n > 2. Это значит, что для данного отношения возможна декомпозиция без потерь на n проекций, а на меньшее число проекций декомпозиция без потерь невозможна.

Если в процессе естественного соединения декомпозированных отношений в сравнении с первоначальным отношением генерируются ложные кортежи, то такая декомпозиция характеризуется зависимостью соединения.

Пятая нормальная форма (5НФ) - при любой декомпозиции отношения на два других отношения полученные отношения имеют свойство соединения без потерь. Это значит, что полученные отношения можно снова соединить и получить прежнее отношение в исходном виде. Однако бывают случаи, когда требуется декомпозировать отношение на более чем два отношения. В таких (достаточно редких) случаях возникает необходимость учитывать зависимость соединения, которая устраняется с помощью пятой нормальной формы.

Зависимость соединения - это свойство декомпозиции, которое вызывает генерацию ложных строк при обратном соединении декомпозированных отношений с помощью операции естественного соединения.

Таким образом, 5НФ - это отношение без зависимостей соединения. Пятая нормальная форма - это последняя нормальная форма, которую можно получить путем декомпозиции. Ее условия достаточно нетривиальны, и на практике 5NF не используется. Следует отметить, что зависимость соединения является обобщением, как многозначной зависимости, так и функциональной зависимости.

Заключение

В современном мире реляционные базы данных являются самыми распространенными, благодаря своей простоте и наглядности, как в процессе создания, так и на уровне пользователей.

Избыточность данных в БД относится к нежелательным явлениям, поскольку ведет к увеличению объема памяти, необходимого для физического хранения отношений. Избыточность вызывается, прежде всего, дублированием данных. Для устранения подобных недостатков и применяется процесс нормализация отношений. Данный процесс представляет собой формальный метод анализа отношений на основе их первичных или потенциальных ключей и существующих функциональных зависимостей. Он включает ряд формальных правил, используемых для проверки всех отношений базы данных Гальчина О.Н., Пожидаева Т.А. Теория экономического анализа: учебное пособие. М.: Дашков и К, 2009. С. 98..

Нормальными формами отношений называются отношения с допустимыми ограничениями на хранимые данные.

Таким образом, нормализация отношений - это фактически исправление огрехов, допущенных при проектировании баз данных. Как известно, зачастую оказывается гораздо проще не допускать этих огрехов с самого начала, нежели потом заниматься их оптимизацией. Неоценимую помощь в проектировании баз данных оказывают соответствующие методологии, а также инструментальные средства для поддержки этих методологий.

Список использованной литературы

1. Баканов М.И., Мельник М.В., Шеремет А.Д. Теория экономического анализа. М.: Финансы и статистика, 2009. - 536 с.

2. Балдин К.В., Уткин В.Б. Информационные системы в экономике. М.: Дашков и К, 2008. - 395 с.

3. Барановская Т.П., Лойко В.И. Информационные системы и технологии в экономике. М.: Финансы и статистика, 2008. - 416 с.

4. Бородулин А.Н, Кузнецов В.Н, Мельник М.В. Теория экономического анализа. Тверь: ТГТУ, 2006. - 148 с.

5. Гальчина О.Н., Пожидаева Т.А. Теория экономического анализа: учебное пособие. М.: Дашков и К, 2009. - 236 с.

6. Информатика для экономистов: учебник для вузов / под ред. Матюшка В.М. М.: Инфра-М, 2009. - 880 с.

7. Калабухов Е.В. Базы данных, знаний и экспертные системы: лабораторный практикум для студентов. Минск: БГУИР, 2008. - 32 с.

8. Курс экономической теории / под ред. Чепурина М.Н., Киселевой Е.А. Киров: «АСА», 2012. - 832 с.

9. Малова Е.В. Теория экономических информационных систем: конспект лекций. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2010. - 39 с.

10. Мишенин А.И. Теория экономических информационных систем. М.: Финансы и статистика, 2011, 240 с.

11. Харрингтон Д.Л. Проектирование реляционных баз данных. М.: Лори, 2006. - 230 с.

12. Хомоненко А.Д. Базы данных: пособие / под ред. А.Д. Хомоненко, В.М. Цыганкова. СПб.: Корона, 2008. - 355 с.

Размещено на Allbest.ru