关系数据库与应用(第02章关系模型与关系代数).ppt

第2章 关系模型与关系代数,本章主要内容： 深入讨论关系模型的三要素（关系数据结构、关系操作和关系完整性约束条件）以及关系代数。,第2章 关系模型与关系代数,插入 参照第4章,4.1、 数据库设计过程,数据库设计步骤,关系1（属性1、属性2、属性3） 关系2（属性4、属性5、属性6） 关系3（属性1、属性2、属性7） 关系4（属性4、属性8、属性9） ,R1（A1、A2、A3） R2（A4、A5、A6） ,R3（A1、A2、A7） R4（A4、A8、A9） ,数据库,需求分析,概念结构 设计,逻辑结构 设计,物理结构 设计,数据库 实施,数据库 运行维护,4.2、E-R模型基本概念及表示,1、实体与实体集 2、属性 3、联系与联系集,学生,课程,上课,引子,一、现实世界的信息化过程,？,4.3、约束,一、现实世界的信息化过程,抽象化数字化,一、现实世界的信息化过程,第一步：现实世界向信息世界转化概念模型,厂名，厂址，生产产品，产品型号，邮政编码，联系电话， 传真，网址，电子信箱，,姓名，性别，出生年月，家庭住址，邮政编码，身份证号，籍贯，本人身份，电话，传真，手机，,景点名称，景点特色，景点地址，入门票价，行车路线， 景点所属省，景点所属市，,设备名称，设备型号，硬盘容量，显示器型号，光驱型号， 主频，内存，,设备名称，车牌，车型，尺寸，车排量，发动机型号， 纽距，,比赛名称，比赛项目，类（级）别，主办单位，协办单位， 比赛开始时间，比赛终止时间，基本规则,一、现实世界的信息化过程,厂名，厂址，生产产品，产品型号，邮政编码，联系电话， 传真，网址，电子信箱，,实体：客观存在的事物、概念或人 工厂、人、旅游景点、计算机设备、汽车、足球赛事,属性：实体固有的特征,域：属性的取值范围,一、现实世界的信息化过程,第一步的结果： 将现实世界转换成由实体、属性、域等概念组成的概念模型 概念模型的描述方式：ER图,二、概念模型及ER图,域：一个属性的取值范围。 例如：姓名的取值范围字符 出生日期的取值范围日期 电话号码的取值范围数字 入门票价的取值范围大于零的实数 码：惟一标识某一个具体实体的属性集。 人（姓名，性别，出生年月，家庭住址，邮政编码，身份证号，籍贯，本人身份，电话，传真，手机，） 姓名？ 本人身份？ 身份证号？ 人员编码,二、概念模型及ER图,图中实体的表示方法,学生,教师,学号,教工号,二、概念模型及ER图,联系：实体与实体之间客观存在着相互间的联系即称为实体间的联系。 例如： 一个学生只能属于某一个学院的某一个班级 一个学院有多个班级，一个班级只能属于某一个学院 一个教师只能属于某一个学院的某一个教研室 一个学院有多个教研室，一个教研室只能属于某一个学院 一个教师可以讲授多门课程，一个课程可以有多个教师来讲授。 一个学生可以选修多个课程，一门课程可以被多个学生选修 一个人（学生和教师）只能有一个身份证号,学院,班级,教研室,课程,学生,教师,身份证,班级编号,联系的种类,两个实体之间的联系 一对一联系（1:1）： 例如：学生和身份证之间、教师和身份证之间 一对多联系（1:n）： 例如：学生和班级、教师和教研室 班级和学院、教研室和学院 多对多联系（n:m）： 例如：学生选课、教师授课,三、数据模型暨关系模型,学生信息表,三、数据模型暨关系模型（实体转换为关系模型结果）,学生信息表（学号，姓名，性别，出生日期，籍贯，民族） 教师信息表（教工号，姓名，性别，出生日期，籍贯，民族） 课程信息表（课程号，课程名称，学时数，学分数，先修课程） 班级表（班级编号，班级名称，班级人数） 学院信息表（学院名称，学院地址） 教研室信息表（教研室名称，教研室人数） 身份证信息表（身份证号，发证单位）,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,多对多关系（n:m）向关系模型的转换,学生选课表（学号，课程号，成绩）,学生选课表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,多对多关系（n:m）向关系模型的转换,教师授课表（教工号，课程号）,教师授课表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,一对一联系向关系模型的转换,方案1：身份证信息1表（身份证号，发证单位，人员编号） 方案2：教师信息表（教工号，身份证号）,方案1：身份证信息1表,方案2：教师信息表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,一对一联系向关系模型的转换,方案1：身份证信息2表（身份证号，发证单位，人员编号） 方案2：学生信息表（学号，身份证号）,方案1：身份证信息2表,方案2：学生信息表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,一对多联系向关系模型的转换,方案：学生信息表（学号，班级编号）,方案：学生信息表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,一对多联系向关系模型的转换,方案：班级信息表（班级编号，班级名称。班级人数，学院名称）,方案：班级信息表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,一对多联系向关系模型的转换,方案：教研室信息表（教研室名称，教研室人数，学院名称）,方案：教研室信息表,三、数据模型暨关系模型（联系向关系模型的转换）,一对多联系向关系模型的转换,方案：教师信息表（教工号，教研室名称）,方案：教研室信息表,三、数据模型暨关系模型,ER图向关系模型转换的重要方法 实体 一个实体可以转换为一个关系 联系 N:M联系将联系转换为一个关系 1:1联系 将联系体现在任一个实体中 1:N联系 将联系体现在多端的实体中,概念模型与关系模型,实体N:M联系,实体1表,实体2表,联系1表,概念模型与关系模型,实体1:1联系,实体1表,实体2表,概念模型与关系模型,实体1:N联系,实体1表,实体2表,三、数据模型暨关系模型,E-R图完整的关系模式（教学管理系统关系模式） 学生信息表（学号，姓名，性别，出生日期，籍贯，民族，身份证号，班级编号） 教师信息表（教工号，姓名，性别，出生日期，籍贯，民族，身份证号，教研室名称） 课程信息表（课程号，课程名称，学时数，学分数，先修课程） 班级表（班级编号，班级名称，班级人数，学院名称） 学院信息表（学院名称，学院地址） 教研室信息表（教研室名称，教研室人数，学院名称） 身份证信息表（身份证号，发证单位） 学生选课表（学号，课程号，成绩） 教师授课表（教工号，课程号）,概念模型与关系模型练习,学院为学生建立档案 在通讯档案里要包括学生学号、姓名、入学年份、出生日期、家庭住址、家庭邮政编码、家庭联系电话、本人联系电话、家长姓名。 一个学生只能属于一个班级、一个班级可以有多名学生 一个学生只能来自一个省份、一个省份有多名学生 一个学生只能在一个专业学习，一个专业可以有多个班级，但一个班级只能属于一个专业 一个班级只有一位班长。,域域是一组具有相同数据类型的值的集合。 例如： 男人= 张晓，王和，李东 女人= 刘红，钱丽，孙倩 男人女人=（张晓、刘红），（张晓、钱丽），（张晓、孙倩）， （王和、刘红），（王和、钱丽），（王和、孙倩）， （李东、刘红），（李东、钱丽），（李东、孙倩） 数学表示： D1D2=（d1,d2) | diDi, i=1,2笛卡儿积,2.1 关系模型,2.1.1 关系数据结构,笛卡儿积的一般性描述： 给定一组域D1，D2 ， D3 ， DN ，则 D1D2D3DN =（d1,d2,d3,，dn) | diDi, i=1,2,n 其中： （d1,d2,d3,，dn) 称为一个元组，元组中的每个di是Di域中的一个值，称为分量。 当n=1时 单元组 当n=2时 二元组,2.1 关系模型,一、关系的定义,一、关系的定义,关系的定义： 给定一组域D1，D2 ， D3 ， DN ，则 D1D2D3DN的子集称为D1D2D3DN 上的关系 记为：R（ D1，D2 ， D3 ， DN ） 男人女人=（张晓、刘红），（张晓、钱丽），（张晓、孙倩）， （王和、刘红），（王和、钱丽），（王和、孙倩）， （李东、刘红），（李东、钱丽），（李东、孙倩） 夫妻（男人，女人）=（张晓、刘红），（王和、钱丽），（李东、孙倩）,一、关系的定义,关系的二维表表示：,夫妻关系,属性的取值范围称为域,关键字：用来唯一标识某个记录的一个或一组属性,笛卡儿积和关系的练习,关系的练习： 学校开设了一些课程，因此有课程集合是： 课程=（高等数学，信息专业），（英语，信息专业），（英语，人文专业）， （文学，人文专业） 学生=050001，050002，050003，050011，050012，050013,学生课程= （ 050001，高等数学，信息专业），（ 050001，英语，信息专业）， （ 050001，英语，人文专业），（ 050001，文学，人文专业）， （ 050002 ，高等数学，信息专业），（ 050002 ，英语，信息专业），（ 050002，英语，人文专业）， （ 050002 ，文学，人文专业）， （ 050003 ，高等数学，信息专业），（ 050003 ，英语，信息专业），（ 050003，英语，人文专业）， （ 050003 ，文学，人文专业）， （ 050011 ，高等数学，信息专业），（ 050011 ，英语，信息专业），（ 050011，英语，人文专业），（ 050011 ，文学，人文专业）， （ 050012 ，高等数学，信息专业），（ 050012 ，英语，信息专业），（ 050012，英语，人文专业），（ 050012 ，文学，人文专业）， （ 050013 ，高等数学，信息专业），（ 050013 ，英语，信息专业），（ 050013，英语，人文专业），（ 050013 ，文学，人文专业）,课程=（高等数学，信息专业），（英语，信息专业），（英语，人文专业）， （文学，人文专业） 学生=050001，050002，050003，050011，050012，050013,笛卡儿积和关系的练习,课程=（高等数学，信息专业），（英语，信息专业），（英语，人文专业），（文学，人文专业） 学生=050001，050002，050003，050011，050012，050013 假设学号中的第五位是“0”表示该学生是信息专业，第五位是“1”表示该学生是人文专业。求学生选课关系，条件是本专业学生只能选本专业的课程。,学生课程= （ 050001，高等数学，信息专业），（ 050001，英语，信息专业）， （ 050001，英语，人文专业）， （ 050001，文学，人文专业）， （ 050002 ，高等数学，信息专业），（ 050002 ，英语，信息专业）， （ 050002，英语，人文专业）， （ 050002 ，文学，人文专业）， （ 050003 ，高等数学，信息专业），（ 050003 ，英语，信息专业）， （ 050003，英语，人文专业）， （ 050003 ，文学，人文专业）， （ 050011 ，高等数学，信息专业），（ 050011 ，英语，信息专业）， （ 050011，英语，人文专业）， （ 050011 ，文学，人文专业）， （ 050012 ，高等数学，信息专业），（ 050012 ，英语，信息专业）， （ 050012，英语，人文专业）， （ 050012 ，文学，人文专业）， （ 050013 ，高等数学，信息专业），（ 050013 ，英语，信息专业）， （ 050013，英语，人文专业）， （ 050013 ，文学，人文专业）,学生选课= （ 050001，高等数学，信息专业），（ 050001，英语，信息专业）， （ 050002 ，高等数学，信息专业），（ 050002 ，英语，信息专业）， （ 050003 ，高等数学，信息专业），（ 050003 ，英语，信息专业）， （ 050011，英语，人文专业），（ 050011 ，文学，人文专业）， （ 050012，英语，人文专业），（ 050012 ，文学，人文专业）， （ 050013，英语，人文专业），（ 050013 ，文学，人文专业）,关系的二维表表示,二、关系的性质,1、关系可以是空关系 2、关系中的列为属性，N度关系必有N个属性，属性必须命名。 3、不同的属性可以来自同一个域；同一列中的分量只能来自同一个域，是同类型的数据,二、关系的性质,4、列的次序无关紧要，可以任意交换 5、关系中的元组顺序无关紧要，但在同一个关系中不能有相同的元组。,二、关系的性质,6、关系中的每个属性必须是原子的，是不可分的数据项（属性）。 7、由于在对关系数据库操作时，随时都可能做修改性操作，则会使关系发生变化。,二、关系的性质,8、判断两个关系是否相等，与属性次序无关，与关系的命名也无关。如果两个关系的差别只是关系名不同，属性次序不同或元组次序不同，那么这两个关系相等。,A,B,C,关系模型中的完整性约束,实体完整性规则 关系中每一个元组中的主键不能为空且取值必须唯一。 例如： 学生信息表（学号，姓名，性别，出生年月，籍贯，民族，身份证号，所属班级） 学院信息表（学院名称，学院地址） 学生选课表（学号，课程号，成绩）,2.1.2 关系完整性约束条件,关系模型中的完整性约束,学生信息表（学号，姓名，性别，出生日期，家庭地址，身份证号，班级名称） 班级信息表（班级名称，班级人数，学院名称） 学院信息表（学院名称，学院地址）,学生信息表,班级表,学院信息表,？,关系模型中的完整性约束,学院,班级,学生,隶属1,隶属2,1,n,n,1,学生信息表（学号，姓名，性别，出生日期，籍贯，民族，身份证号，班级编号） 班级信息表（班级编号，班级名称，班级人数，学院名称） 学院信息表（学院名称，学院地址）,外键：关系与关系之间的联系是通过公共属性相联系的，这个公共属性是一个关系的关键字和另一个关系的非关键字属性,班级信息表是学生信息表的参照表 学院信息表是班级信息表的参照表 利用外键可以实现了E-R图中的联系,关系模型中的完整性约束,参照完整性规则 一个关系中的外键的取值或者为空，或者取参照关系中的某个关键字值。 删除参照关系时： 受限删除。禁止删除，即如果删除参照关系中的元组会破坏参照完整性规则，则不允许删除。例如：删除学院信息表中的“管理学院”，将破坏完整性规则，不允许删除。 级联删除。如果要删除参照关系中的元组，则同时将依赖该关系的表中对应的元组都全部删除。例如：删除学院信息表中的“管理学院”，则同时将班级表中对应的四个元组都删除，而删除了班级表中的四个元组后，应同时删除学生信息表中与这四个元组相对应的两个元组。 置空值删除。在删除参照关系中的元组时，同时将依赖该关系的表中的外键置为空值。,关系模型中的完整性约束,用户定义的完整性规则 例如： 学生信息表（学号，姓名，性别，出生日期，籍贯，民族，身份证号，班级编号） 性别 男，女 出生日期1992.2.30 用户定义的完整性规则是根据具体的应用需求来确定的，它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。,2.2 关系代数,关系代数中常用的运算及运算符： 集合运算符：（并）， （差），（交），（笛卡儿积）； 关系运算符：（投影），（选择）， （连接）； 算术比较符：（大于），（大于等于）， （小于），（小于等于），（不等于） 逻辑运算符： （非），（与），（或）,2.2 关系代数,集合运算：（并）， （差），（交），（笛卡儿积）；,并运算,交运算,差运算,2.2 关系代数,A,B,AB,含义：信息专业和人文专业学生的选课情况,2.2 关系代数,A,B,AB,含义：学生在地和地进行选课，学生在两个地方同时选修了哪些课程,AB,含义：学生在地和地进行选课，学生仅在地选的课程,AB,含义：学生在地和地共选修了哪些课程,？,2.2 关系代数,学生信息表,A,1、有新生入学，将学生吴东的信息输入到学生信息表中,答案：学生信息表 A,2、有学生退学，退学的学生是050002，将该生信息从学生信息表中删除,答案：学生信息表 B,B,3、信息管理专业学生信息放在学生信息表1中，人文专业学生信息放在学生信息表2，查询获得两个专业全部的学生信息,2.2 关系代数,关系运算符：（投影），（选择）， （连接）；,学生信息表,1、投影运算（ ）Project 对单个关系的运算，从一个关系中选择所需要的属性，并重新排列组成一个新的关系。是列方向的运算。,例如：求学生的学号、姓名和所学专业,学生名单,数学表达：学号，姓名，所学专业（学生信息表）,2.2 关系代数,投影运算的数学描述： 设R是k度关系，Ai1，Ai2，Aik分别是它的第i1，i2，ik个属性， 即：R(Ai1，Ai2，Aik) 则关系R在Ai1，Ai2，Aik上的投影是一个m度关系，记做 Ai1， Ai2，Aim （R）（m k）,2.2 关系代数,投影运算练习： 关系课程信息（课程号，课程名称，考试方式，学分，学时数，周学时数，上机时数，开课学期） 问题： 1、学生需要从课程信息中了解课程号，课程名称，学分，考试方式。 2、教师需要从课程信息中了解课程号，课程名称，学分，学时数，周学时数，上机时数，考试方式。 3、教学管理人员需要从课程信息中了解全部课程信息。,答案： 1、课程号，课程名称，学分，考试方式（课程信息） 2、课程号，课程名称，学分，学时数，周学时数，上机时数，考试方式（课程信息） 3、课程号，课程名称，考试方式，学分，学时数，周学时数，上机时数，开课学期（课程信息）,2.2 关系代数,2.2 关系代数,2、选择运算（）Select 对单个关系的运算，从一个关系中选择出满足条件的元组构成新的关系，这个新关系是原关系的子集。是行方向的运算。 例如：选择开课学期是“一上”的课程,课程信息表,“一上”学期课程信息表,数学表达： 开课学期 一上 （课程信息表）,2.2 关系代数,选择运算的数学描述： 设F是一个条件，则在关系R上的F选择运算记做F(R)，且 F(R)t R |满足F 其中：t为元组，F是条件表达式，是属性名或常数，但不能同时为常数；是算术比较运算符（大于），（大于等于）， （小于），（小于等于），（不等于）,2.2 关系代数,选择运算练习： 关系课程信息（课程号，课程名称，考试方式，学分，学时数，周学时数，上机时数，开课学期） 问题： 1、学生需要知道“一下”学期有哪些课程。 2、教师需要知道“三上”学期上机时数30的课程有哪些。 3、教学管理人员需要知道考试方式为“考试”且上机时数为0的课程有哪些。,答案： 1、 开课学期 一下 （课程信息表） 2、 开课学期 三上 上机时数30（课程信息表） 3、 考试方式 考试 上机时数0 （课程信息表）,2.2 关系代数,学生的角度,教师的角度,教学管理人员的角度,2.2 关系代数,投影与选择的混合运算：,R,1、信息管理专业的女生? 2、信息管理专业女生的学号和姓名?,2.2 关系代数,投影与选择的混合运算：,R,信息专业的女生,信息专业女生的学号和姓名, 所学专业 信息管理 性别 女 （R）,学号，姓名（ 所学专业 信息管理 性别 女 （R） ）,2.2 关系代数,投影与选择的混合运算： 课程信息（课程号，课程名称，考试方式，学分，学时数，周学时数，上机时数，开课学期） 考试方式为“考查”的课程号、课程名称 学时数大于40 的课程号、课程名称、考试方式 开课学期是“三上”且上机时数大于等于30的课程号、课程名称、学分 考试方式为“考试”的全部课程信息 周学时数小于8的全部课程信息 考试方式为“考试”且周学时为8的课程的学分 开课学期是“二上”的全部课程信息 考试方式为“考查”且周学时大于等于4的课程号、课程名称,2.2 关系代数,3、连接运算（ ）Join,R,S,RS,2.2 关系代数,等值连接,RS,2.2 关系代数,自然连接,S,R,RS,第一步：连接,第二步：条件选择,第三步：去掉重复属性,RS,S,R,关系代数操作综合练习（一）,学生信息表（学号，姓名，性别，出生日期，民族，身份证号，班级编号） 教师信息表（教工号，姓名，性别，出生日期，民族，身份证号，教研室名称） 课程信息表（课程号，课程名称，学时数，学分数，上机时数，考试方式） 学生选课表（学号，课程号，成绩） 教师授课表（教工号，课程号）,1、全部女生信息 2、“信息管理”教研室的教师信息 3、班级编号是“CS0801”年龄大于21的学生信息 4、学时数大于等于60且考试方式为“考查”的课程信息 5、学号为“080001”的学生所选修课程的课程号 6、学号为“080001”的学生所选修课程的全部课程信息 7、姓名为“李鸿”的学生所选修课程的课程号，课程名称，学分数,2.2 关系代数,4、除运算（ ） 关系R和S，R能被S除的条件有两个： 、R中的属性包含S中的属性 、R中的有些属性不出现在S中 R除以S表示为 R S，设商为T： 、T的属性由R中那些不出现在S中的属性组成 、T的元组是S中所有元组在R中对应值相同的那些元组值。,4、除运算（ ）,必修课,选课,选修课,选课 必修课,学号，课号（选课） 必修课,选课 选修课,4、除运算（ ）,选课 必修课,学号，课号（选课） 必修课,选课 选修课,含义：表示选择必修课表中给定的全部课程“C1”和“C3”，且成绩一样的学生的学号和成绩。,含义：表示选择选修课表中给定的全部课程（本例中只有C2一门课），且成绩一样的学生的学号和成绩。,含义：表示学过必修课中规定的全部课程的学生学号。,关系代数操作综合练习（二）,学生信息表S（SNO，SNAME，SEX，AGE） 教师授课表T（CNO，CNAME，TEACHER） 学生选课表ST（SNO，CNO，SCORE）,1、 查询“隋老师”所授课程的课程号（CNO）和课程名（CNAME） 2、 查询年龄大于20岁的男生学号（SNO）和姓名（SNAME） 3、 查询至少选修“隋老师”所授全部课程的学生姓名（SNAME） 4、 查询“吴梅”同学不学课程的课程号（CNO） 5、 查询全部学生都选修的课程的课程号（CNO）和课程名（CNAME） 6、 查询选修课程包含“隋老师”所授课程之一的学生学号（SNO） 7、 查询选修了“C语言”的学生学号（SNO） 8、 查询选修了全部课程的学生姓名（SNAME） 9、查询选修张岳同学所修课程的学生学号（SNO）和姓名（SNAME）,总结,关系的基本概念 笛卡儿积、域、关系、元组（记录）、属性、关键字 关系的性质 关系中列、行顺序 关系中的属性的规定 关系代数 集合操作 关系操作,