數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用（MySQL版） 課件 第3章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫

第3章

關(guān)系數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用1本章內(nèi)容3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型3.2關(guān)系模型的基本術(shù)語與形式化定義3.3完整性約束3.4關(guān)系代數(shù)23.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型3.1.1關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.1.2關(guān)系操作

3.1.3數(shù)據(jù)完整性約束33.1.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)模型源于數(shù)學(xué)。用二維表來組織數(shù)據(jù)，這個(gè)二維表在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中就稱為關(guān)系。關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是表或者說是關(guān)系的集合。關(guān)系系統(tǒng)要求讓用戶所感覺的數(shù)據(jù)庫就是一張張表。在關(guān)系系統(tǒng)中，表是邏輯結(jié)構(gòu)而不是物理結(jié)構(gòu)。43.1.2關(guān)系操作傳統(tǒng)的關(guān)系運(yùn)算：并（Union）交（Intersection）差（Difference）廣義笛卡爾乘積（ExtendedCartesianProduct）專門的關(guān)系運(yùn)算：選擇（Select）投影（Project）連接（Join）除（Divide）5關(guān)系操作（續(xù)）查詢（Query）插入（Insert）刪除（Delete）修改（Update）關(guān)系模型的操作對(duì)象是集合，而不是行。集合處理能力是關(guān)系系統(tǒng)區(qū)別于其他系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。6關(guān)系操作與非關(guān)系操作的比較非關(guān)系模型各個(gè)數(shù)據(jù)記錄之間是通過指針等方式連接的，當(dāng)要定位到某條記錄時(shí)，需要用戶自己按指針的鏈接方向逐層查找。關(guān)系數(shù)據(jù)模型是按集合進(jìn)行操作，用戶只需指定數(shù)據(jù)的定位條件，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)就可以自動(dòng)定位到該數(shù)據(jù)記錄。7查找計(jì)算機(jī)學(xué)院軟件工程教研室張海濤8查找計(jì)算機(jī)系學(xué)號(hào)為202101003的學(xué)生學(xué)號(hào)姓名性別所在學(xué)院202101001李勇男計(jì)算機(jī)202101002劉晨男計(jì)算機(jī)202101003王敏女計(jì)算機(jī)202101004張小紅女計(jì)算機(jī)202102001張海男經(jīng)濟(jì)管理202102002劉琳女經(jīng)濟(jì)管理93.1.3數(shù)據(jù)完整性約束數(shù)據(jù)完整性是指保證數(shù)據(jù)正確性的特征。包括兩個(gè)方面：與現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)的相容性和正確性；數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)之間的相容性和正確性。如：學(xué)生的學(xué)號(hào)必須是惟一的。性別只能是‘男’和‘女。10本章內(nèi)容3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型3.2關(guān)系模型的基本術(shù)語與形式化定義3.3完整性約束3.4關(guān)系代數(shù)111.基本術(shù)語關(guān)系

：關(guān)系就是二維表。并滿足如下性質(zhì)：關(guān)系表中的每一列都是不可再分的基本屬性；表中的行、列次序并不重要。屬性

：表中的每一列是一個(gè)屬性值集，列可以命名，稱為屬性名。值域：屬性的取值范圍

。如，性別只能是‘男’和‘女’兩個(gè)值。12基本術(shù)語（續(xù)）元組：表中的每一行稱作是一個(gè)元組。分量：元組中的每一個(gè)屬性值稱為元組的一個(gè)分量。關(guān)系模式：是關(guān)系的“型”或元組的結(jié)構(gòu)共性的描述。設(shè)關(guān)系名為R，屬性分別為A1，A2，…，An，則關(guān)系模式可以表示為：

R（A1，A2，…，An）

13基本術(shù)語（續(xù)）關(guān)系數(shù)據(jù)庫：對(duì)應(yīng)于一個(gè)關(guān)系模型的所有關(guān)系的集合。候選鍵：能夠惟一標(biāo)識(shí)關(guān)系中的一個(gè)元組的一個(gè)屬性或最小屬性組。

主鍵：當(dāng)一個(gè)關(guān)系中有多個(gè)候選鍵時(shí)，可以從中選擇一個(gè)作為主碼。每個(gè)關(guān)系只能有一個(gè)主鍵。主屬性：包含在任一候選鍵中的屬性。非主屬性：不包含在任一候選鍵中的屬性。142.形式化定義關(guān)系的形式化定義——笛卡爾積設(shè)D1，D2，…，Dn為任意集合，定義笛卡爾積D1，D2，…，Dn為：

D1×D2×…×Dn＝{(d1，d2，…，dn)|di∈Di，i＝1，2，…，n}其中每一個(gè)元素（d1，d2，…，dn）稱為一個(gè)n元組，簡(jiǎn)稱元組。元組中每一個(gè)di稱為是一個(gè)分量。15笛卡兒乘積示例D1＝{計(jì)算機(jī)，經(jīng)濟(jì)管理}D2＝{李勇，王敏，張海}D3＝{男，女}則D1×D2×D3笛卡爾積為：D1×D2×D3＝{（計(jì)算機(jī)，李勇，男），（計(jì)算機(jī)，李勇，女），（計(jì)算機(jī)，王敏，男），（計(jì)算機(jī)，王敏，女），（計(jì)算機(jī)，張海，男），（計(jì)算機(jī)，張海，女），（經(jīng)濟(jì)管理，李勇，男），（經(jīng)濟(jì)管理，李勇，女），（經(jīng)濟(jì)管理，王敏，男），（經(jīng)濟(jì)管理，王敏，女），（經(jīng)濟(jì)管理，張海，男），（經(jīng)濟(jì)管理，張海，女）}16笛卡爾積實(shí)際上就是一個(gè)二維表17關(guān)系的形式化定義笛卡爾積D1，D2，…，Dn的任意一個(gè)子集稱為D1，D2，…，Dn上的一個(gè)n元關(guān)系。把關(guān)系看成二維表，給表中的每個(gè)列取一個(gè)名字，稱為屬性。一個(gè)關(guān)系中的屬性的名字必須是唯一的。屬性Di（i=1，2，…，n）的取值范圍稱為該屬性的值域。18對(duì)關(guān)系的限定關(guān)系中的每個(gè)分量必須是不可再分的最小屬性。

表中列的數(shù)據(jù)類型是固定的。

不同列的數(shù)據(jù)可以取自相同的值域。

關(guān)系表中行、列的順序不重要。同一個(gè)關(guān)系中的元組不能重復(fù)。19本章內(nèi)容3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型3.2關(guān)系模型的基本術(shù)語與形式化定義3.3完整性約束3.4關(guān)系代數(shù)203.3完整性約束3.3.1實(shí)體完整性

3.3.2參照完整性3.3.3用戶定義的完整性213.3.1實(shí)體完整性實(shí)體完整性是保證關(guān)系中的每個(gè)元組都是可識(shí)別的和惟一的。

而且表中不允許存在如下的記錄：無主鍵值的記錄主鍵值相同的記錄22缺少主鍵值的學(xué)生數(shù)據(jù)示例學(xué)

號(hào)姓

名性

別所

在

學(xué)

院

？李勇男計(jì)算機(jī)202101002劉晨男計(jì)算機(jī)202101003王敏女計(jì)算機(jī)

？李勇男計(jì)算機(jī)202102001張海男經(jīng)濟(jì)管理202102002劉琳女經(jīng)濟(jì)管理23主鍵值有重復(fù)的學(xué)生數(shù)據(jù)示例學(xué)

號(hào)姓

名性

別所

在

學(xué)

院202101001李勇男計(jì)算機(jī)202101002劉晨男計(jì)算機(jī)202101003王敏女計(jì)算機(jī)202101001李勇男計(jì)算機(jī)202102001張海男經(jīng)濟(jì)管理202102002劉琳女經(jīng)濟(jì)管理243.3.2參照完整性參照完整性也稱為引用完整性?，F(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體之間往往存在著某種聯(lián)系，在關(guān)系模型中，實(shí)體以及實(shí)體之間的聯(lián)系都是用關(guān)系來表示的，這樣就自然存在著關(guān)系與關(guān)系之間的引用。參照完整性描述實(shí)體之間的聯(lián)系，這里的實(shí)體之間可以是不同的實(shí)體，也可以是同一個(gè)實(shí)體。25參照完整性示例示例1學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，所在學(xué)院名）學(xué)院（學(xué)院名，辦公地點(diǎn)，辦公電話）示例2學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，所在學(xué)院）課程（課程號(hào)，課程名，學(xué)分，開課學(xué)期）選課（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）示例3職工（職工號(hào)，姓名，性別，直接領(lǐng)導(dǎo)職工號(hào)）26外鍵定義設(shè)F是關(guān)系R的一個(gè)或一組屬性，如果F與關(guān)系S的主鍵相對(duì)應(yīng)，則稱F是關(guān)系R的外鍵（ForeignKey），并稱關(guān)系R為參照關(guān)系（ReferencingRelation），關(guān)系S為被參照關(guān)系（ReferencedRelation）。關(guān)系R和關(guān)系S不一定是不同的關(guān)系。27參照表示圖28示例：參照完整性規(guī)則參照完整性規(guī)則就是定義外鍵與主鍵之間的引用規(guī)則。對(duì)于外鍵，一般應(yīng)符合如下要求：或者值為空；或者等于其所應(yīng)用的關(guān)系中的某個(gè)元組的主鍵值。29示例職工（職工號(hào)，職工名，部門號(hào)，工資級(jí)別）部門（部門號(hào)，部門名）如果某新來職工還沒有被分配到具體的部門，則其“部門號(hào)”就為空值；如果職工已經(jīng)被分配到了某個(gè)部門，則其“部門號(hào)”就有了確定的值（非空值）。303.3.3用戶定義的完整性也稱為域完整性或語義完整性。用戶定義的完整性實(shí)際上就是指明關(guān)系中屬性的取值范圍，也就是屬性的域，以限制關(guān)系中屬性的取值類型及取值范圍，防止屬性的值與應(yīng)用語義矛盾。例如：學(xué)生的考試成績(jī)的取值范圍為0~100，或取{優(yōu)，良，中，及格，不及格}31本章內(nèi)容3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型3.2關(guān)系模型的基本術(shù)語與形式化定義3.3完整性約束3.4關(guān)系代數(shù)323.4關(guān)系代數(shù)關(guān)系模型源于數(shù)學(xué)，關(guān)系是由元組構(gòu)成的集合，可以通過關(guān)系的運(yùn)算來表達(dá)查詢要求，關(guān)系代數(shù)是關(guān)系操作語言的一種傳統(tǒng)的表示方式，它是一種抽象的查詢語言。關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算可分為兩大類：傳統(tǒng)的集合運(yùn)算：廣義笛卡爾積運(yùn)算、并、交和差運(yùn)算。專門的關(guān)系運(yùn)算：選擇、投影、連接和除運(yùn)算。33關(guān)系代數(shù)運(yùn)算符運(yùn)算符含義傳統(tǒng)的集合運(yùn)算∪并∩交－差×廣義笛卡爾積專門的關(guān)系運(yùn)算∏選擇σ投影連接÷除34關(guān)系代數(shù)運(yùn)算符（續(xù)）運(yùn)算符含義比較運(yùn)算符>大于<小于=等于≠不等于≤小于等于≥大于等于邏輯運(yùn)算符?

非∧與∨或353.4.1傳統(tǒng)的集合運(yùn)算傳統(tǒng)的集合運(yùn)算是二目運(yùn)算，設(shè)關(guān)系R和S均是n元關(guān)系，且相應(yīng)的屬性值取自同一個(gè)值域，則可以定義三種運(yùn)算：并運(yùn)算（∪）交運(yùn)算（∩）差運(yùn)算（―）36并、交、差運(yùn)算示意圖371.并運(yùn)算設(shè)關(guān)系R與關(guān)系S均是n目關(guān)系，關(guān)系R與關(guān)系S的并運(yùn)算記為：

R∪S={t|t∈R∨t∈S}其結(jié)果仍是n目關(guān)系，由屬于R或?qū)儆赟的元組組成。38并運(yùn)算示例顧客號(hào)姓名性別年齡S01張宏男45S02李麗女34S03王敏女2839顧客號(hào)姓名性別年齡S02李麗女34S04錢景男50S06王平女24顧客號(hào)姓名性別年齡S01張宏男45S02李麗女34S03王敏女28S04錢景男50S06王平女242.交運(yùn)算設(shè)關(guān)系R與關(guān)系S均是n目關(guān)系，則關(guān)系R與關(guān)系S的交運(yùn)算記為：R∩S={t|t∈R∧t∈S}其結(jié)果仍是n目關(guān)系，由屬于R并且也屬于S的元組組成。40交運(yùn)算示例顧客號(hào)姓名性別年齡S02李麗女3441顧客號(hào)姓名性別年齡S01張宏男45S02李麗女34S03王敏女28顧客號(hào)姓名性別年齡S02李麗女34S04錢景男50S06王平女243.差運(yùn)算設(shè)關(guān)系R與關(guān)系S均是n目關(guān)系，則關(guān)系R與關(guān)系S的差運(yùn)算記為：R-S={t|t∈R∧t?S}其結(jié)果仍是n目關(guān)系，由屬于R并且不屬于S的元組組成。42差運(yùn)算示例顧客號(hào)姓名性別年齡S01張宏男45S03王敏女2843顧客號(hào)姓名性別年齡S01張宏男45S02李麗女34S03王敏女28顧客號(hào)姓名性別年齡S02李麗女34S04錢景男50S06王平女244．廣義笛卡爾積兩個(gè)分別為m目和n目的關(guān)系R和關(guān)系S的廣義笛卡爾積是一個(gè)有（m＋n）目的元組的集合。元組的前m個(gè)列是關(guān)系R的一個(gè)元組，后n個(gè)列是關(guān)系S的一個(gè)元組。若R有K1個(gè)元組，S有K2個(gè)元組，則關(guān)系R和關(guān)系S的廣義笛卡爾積有K1×K2個(gè)元組，記做：R×S＝｛tr^ts|tr∈R∧ts∈S｝tr^ts表示由兩個(gè)元組tr和ts前后有序連接而成的一個(gè)元組44廣義笛卡爾積示例45ABa1b1a2b2CDEc1d1e1c2d2e2c3d3e3ABCDEa1b1c1d1e1a1b1c2d2e2a1b1c3d3e3a2b2c1d1e1a2b2c2d2e2a2b2c3d3e33.4.2專門的關(guān)系運(yùn)算1．選擇（Selection）2．投影（Projection）3．連接（join）4．除（Division）46二元一元1．選擇（Selection）σF(R)＝{r|r∈R∧F（t）＝‘真’}

σ是選擇運(yùn)算符，R是關(guān)系名，r是元組，F(xiàn)是邏輯表達(dá)式，取邏輯“真”值或“假”值。47ＲσF（R）……示例例3-1．查詢“計(jì)算機(jī)學(xué)院”學(xué)生信息。σcollege

=‘計(jì)算機(jī)學(xué)院’(students)482．投影（Projection）

∏A(R)={t.A|t∈R}∏是投影運(yùn)算符，R是關(guān)系名，A是被投影的屬性或?qū)傩越M。r.A表示r這個(gè)元組中相應(yīng)于屬性（集）A的分量，也可以表示為r[A]。49投影運(yùn)算示意圖50RΠA（R）投影投影運(yùn)算步驟(1)選取出指定的屬性，形成一個(gè)可能含有重復(fù)行的新關(guān)系；(2)刪除重復(fù)行，形成結(jié)果關(guān)系。51示例例3-5．在sname、college兩個(gè)列上進(jìn)行投影運(yùn)算：∏sname，college(Student)52A和B分別是關(guān)系R和S上可比的屬性組，θ是比較運(yùn)算符，連接運(yùn)算從R和S的廣義笛卡爾積R×S中選擇（R關(guān)系）在A屬性組上的值與（S關(guān)系）在B屬性組上值滿足比較運(yùn)算符θ的元組。53連接運(yùn)算主要形式θ連接，θ為比較運(yùn)算符。等值連接（θ連接的特例）。自然連接。外部連接（簡(jiǎn)稱外連接）。54等值連接當(dāng)θ為“=”時(shí)的連接為等值連接，從關(guān)系R與關(guān)系S的廣義笛卡爾積中選取A、B屬性組值相等的那些元組。55自然連接是一種特殊的等值連接，要求兩個(gè)關(guān)系中進(jìn)行比較的分量必須是相同的屬性或?qū)傩越M，在連接結(jié)果中去掉重復(fù)的屬性列，使公共屬性列只保留一個(gè)。56自然連接與等值連接的區(qū)別自然連接要求相等的分量必須有共同的屬性名，等值連接無此要求；自然連接要求把重復(fù)的屬性去掉，等值連接無此操作。57外連接如果希望不滿足連接條件的元組也出現(xiàn)在連接結(jié)果中，則可通過外連接（OUTERJOIN）操作實(shí)現(xiàn)。外連接有三種形式：左外連接（LEFTOUTERJOIN）右外連接（RIGHTOUTERJOIN）全外連接（FULLOUTERJOIN）58外連接形式左外連接的連接形式為：

右外連接的連接形式為：

全外連接的連接形式為：594．除（Division）設(shè)關(guān)系S的屬性是關(guān)系R的屬性的一部分，則R÷S為這樣一個(gè)關(guān)系：此關(guān)系的屬性是由屬于R但不屬于S的所有屬性組成；R÷S的任一元組都是R中某元組的一部分。但必須符合：任取屬于R÷S的一個(gè)元組t，則t與S的任一元組連接后，都是R中原有的一個(gè)元組。60除運(yùn)算示意圖61除法的一般形式設(shè)有關(guān)系R(X，Y)和S(Y，Z)，其中X、Y、Z為關(guān)系的屬性組，則：

R(X,Y)÷S(Y,Z)＝R(X,Y)÷∏Y(S)

62象集給定一個(gè)關(guān)系R（X，Y），X和Y為屬性組。定義，當(dāng)t［X］＝x時(shí)，x在R中的象集為：

Yx={t[Y]|t∈R∧t[X]=x}t[Y]和t[X]分別表示R中的元組t在屬性組Y和X上的分量的集合。63象集示例SIDsnamegendercollege202101001李勇男計(jì)算機(jī)學(xué)院202101002劉晨男計(jì)算機(jī)學(xué)院202101003王敏女計(jì)算機(jī)學(xué)院202101004張小紅女計(jì)算機(jī)學(xué)院202101005王立東男計(jì)算機(jī)學(xué)院64有元組：（202101001，李勇，男，計(jì)算機(jī)學(xué)院）設(shè)X=｛gender，college｝，Y=｛SID，Sname｝，則上式中的t[X]的一個(gè)值:X=（男，計(jì)算機(jī)學(xué)院）

則Yx為t[X]=x=（男，計(jì)算機(jī)學(xué)院）時(shí)所有t[Y]的值，即：Yx={(202101001，李勇)，(202101002，劉晨)，（202101005，王立東）}除運(yùn)算的一般形式設(shè)有關(guān)系R（X，Y）和S（Y，Z），其中X、Y、Z為關(guān)系的屬性組，則：

R÷S＝｛tr[X]|trR∧∏Y（S）Yx}

65除運(yùn)算示例66ISBNSID

9787115546081202101004

9787115546081202102001

9787115546081202102003

9787302505945202101001

SIDsname

ISBN9787302505945202101002÷202101001李勇=97871155460819787302505945202101004

202101004張小紅

97873025059459787302563839202101001

9787302563839202102003

9787541154256202102002

9787541154256202101004

3.4.3關(guān)系代數(shù)示例例3-7.查詢計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生學(xué)號(hào)和姓名。

∏SID,sname(σcollege=‘計(jì)算機(jī)學(xué)院’(students))例3-8.查詢借過“數(shù)據(jù)分析思維”圖書的學(xué)生學(xué)號(hào)和借書時(shí)間。

∏SID,borrow_time(σbname=‘?dāng)?shù)據(jù)分析思維’(booksborrow))

也可以寫成：∏SID,borrow_time(σbname=‘?dāng)?shù)據(jù)分析思維’(books)borrow)67示例（續(xù)1）例3-9．查詢借過“數(shù)據(jù)分析思維”圖書的學(xué)生姓名和所在學(xué)院。∏sname,college(σbnam