关系数据库规范化理论中，起核心作用的是——————

•客观世界中的事物彼此相互联系、相互制约，•同样客观事物本身的各个属性之间也存在相互联系、相互制约。E-R图仅描述了实体之间的联系。属性之间的联系使关系模式存在 *** 作异常和数据冗余。关系规范理论的基本思想是逐步消除数据依赖中不合适的部分，使模式达到某种程度分离，让一个关系描述一个概念、实体或实体之间的联系，即概念单一化。

先求最小函数依赖集为：A->B，A->C, CD->E, B->D, E->A，

求候选键：

候选键应在函数依赖的左边，左边有属性A,B,C,D,E

从最小依赖集可知CD可以推出全部属性，所以CD为候选键，也是主键

ST为候选码，CR为非主属性，不存在非主属性对候选码的部分函数依赖，但存在传递函数依赖，ST→C故而是2NF。

因为P1∩P2=C，P1-P2=TR,P2-P1=S，C→TR，C→S均不成立，故这个分解不具有无损连接性。

π

p1（F）∪π

p2

（F）=｛TR→C｝

与F不等价，故不保持函数依赖。

数据依赖的公理系统

逻辑蕴含

定义511 对于满足一组函数依赖 F 的关系模式R <U，F>，其任何一个关系r，若函数依

赖X→Y都成立, 则称F逻辑蕴含X →Y。

一、Armstrong公理系统：

关系模式R <U，F >来说有以下的推理规则：

Al自反律（Reflexivity）：若Y≤X≤U，则X →Y为F所蕴含。

A2增广律（Augmentation）：若X→Y为F所蕴含，且Z≤U，则XZ→YZ为F所蕴含。

A3传递律（Transitivity）：若X→Y及Y→Z为F所蕴含，则X→Z为F所蕴含。

注意：由自反律所得到的函数依赖均是平凡的函数依赖，自反律的使用并不依赖于F。

定理 5l Armstrong推理规则是正确的

证明：

(1)自反律:若Y∈X∈U，则X →Y为F所蕴含

证: 设Y∈X∈U 对R <U，F> 的任一关系r中的任意两个元组t，s：

若t[X]=s[X]，由于Y≤X，有t[y]=s[y]，

所以X→Y成立，自反律得证

(2)增广律: 若X→Y为F所蕴含，且Z∈U，则XZ→YZ 为F所蕴含。

证：设X→Y为F所蕴含，且Z∈U。设R<U，F> 的任一关系r中任意的两个元组t,s；

若t[XZ]=s[XZ]，则有t[X]=s[X]和t[Z]=s[Z]；

由X→Y，于是有t[Y]=s[Y]，所以t[YZ]=s[YZ]；

所以XZ→YZ为F所蕴含，增广律得证。

(3) 传递律：若X→Y及Y→Z为F所蕴含，则X→Z为 F所蕴含。

证：设X→Y及Y→Z为F所蕴含。对R<U，F> 的任一关系 r中的任意两个元组 t,s。

若t[X]=s[X]，由于X→Y，有 t[Y]=s[Y]；再由Y→Z，有t[Z]=s[Z]；

所以X→Z为F所蕴含，传递律得证。

二、导出规则

1根据A1，A2，A3这三条推理规则可以得到下面三条推理规则：

合并规则：由X→Y，X→Z，有X→YZ。（A2， A3）

伪传递规则：由X→Y，WY→Z，有XW→Z。（A2， A3）

分解规则：由X→Y及 Z≤Y，有X→Z。（A1， A3）

2根据合并规则和分解规则，可得引理51

引理5l X→A1 A2…Ak成立的充分必要条件是X→Ai成立（i=l，2，…，k）。

三、函数依赖闭包

定义5l2 在关系模式R<U，F>中为F所逻辑蕴含的函数依赖的全体叫作F的闭包,记为F+。

定义513 设F为属性集U上的一组函数依赖，X≤U， XF+ ={ A|X→A能由F 根据

Armstrong公理导出}，XF+称为属性集X关于函数依赖集F 的闭包。

引理52 设F为属性集U上的一组函数依赖，X，Y≤U，X→Y能由F 根据Armstrong公理导

出的充分必要条件是Y≤XF+。

用途：将判定X→Y是否能由F根据Armstrong公理导出的问题， 就转化为求出XF+ ，判定

Y是否为XF+的子集的问题。

算法5l 求属性集X（X≤U）关于U上的函数依赖集F 的闭包XF+

输入：X，F

输出：XF+

步骤：

（1）令X（0）=X，i=0

(2）求B，这里B = { A |(ヨV)(ヨW)(V→W∈F∧V≤X（i）∧A∈W)}；

（3）X（i+1）=B∪X（i）

（4）判断X（i+1）= X （i）吗

（5）若相等或X（i）=U , 则X（i）就是XF+ , 算法终止。

（6）若否，则 i=i+l，返回第（2）步。

对于算法5l， 令ai =|X（i）|，{ai }形成一个步长大于1的严格增的序列，序列的上

界是 | U |，因此该算法最多|U| - |X| 次循环就会终止。

[例1] 已知关系模式R<U，F>，其中U={A，B，C，D，E}；F={AB→C，B→D，C→E，

EC→B，AC→B}。求（AB）F+ 。

解 设X（0）=AB；

(1)计算X（1）: 逐一的扫描F集合中各个函数依赖，找左部为A，B或AB的函数依赖。

得到两个：AB→C，B→D，于是X（1）=AB∪CD=ABCD。

(2)因为X（0）≠ X（1） ，所以再找出左部为ABCD子集的那些函数依赖，又得到

AB→C，B→D， C→E，AC→B，于是X（2）=X（1）∪BCDE=ABCDE。

(3)因为X（2）=U，算法终止，所以（AB）F+ =ABCDE。

四、Armstrong公理系统的有效性与完备性

有效性：由F出发根据Armstrong公理推导出来的每一个函数依赖一定在F+中

/ Armstrong正确

完备性：F+中的每一个函数依赖，必定可以由F出发根据Armstrong公理推导出来

/ Armstrong公理够用，完全

完备性：所有不能用Armstrong公理推导出来f, 都不为真。

若 f 不能用Armstrong公理推导出来， f∈ F+

有效性与完备性的证明（略）

Armstrong公理的完备性及有效性说明:

“蕴含” == “导出” 等价的概念；

F+ ==由F出发借助Armstrong公理导出的函数依赖的集合五、函数依赖集等价

定义514 如果G+=F+，就说函数依赖集F覆盖G(F是G的覆盖，或G是F的覆盖)或F与G等价。

引理53 F+ = G+ 的充分必要条件是F≤G+ ，和G≤F+

证: 必要性显然，只证充分性。

（1）若F≤G+ ，则XF+≤XG++ 。

（2）任取X→Y∈F+ 则有 Y≤XF+≤XG++ 。

所以X→Y∈(G+）+= G+。即F+≤G+。

（3）同理可证G+≤F+ ，所以F+ = G+。

六、最小依赖集

定义515 如果函数依赖集F满足下列条件，则称F为一个极小函数依赖集。亦称为最小依

赖集或最小覆盖。

(1) F中任一函数依赖的右部仅含有一个属性。

(2) F中不存在这样的函数依赖X→A，使得F与F-{X→A}等价。

(3) F中不存在这样的函数依赖X→A，X有真子集Z使得F-{X→A}∪{Z→A}与F等价。

[例2] 对于5l节中的关系模式S<U，F>，其中：U={ SNO，SDEPT，MN，CNAME，G }，

F={ SNO→SDEPT，SDEPT→MN，（SNO，CNAME）→G }

设F’={SNO→SDEPT，SNO→MN，SDEPT→MN，(SNO，CNAME)→G，(SNO，

SDEPT)→SDEPT}F是最小覆盖，而F ’不是。

因为：F ’-{SNO→MN}与F ’等价 F ’-{(SNO，SDEPT)→SDEPT}也与F ’等价

F ’-{(SNO，SDEPT)→SDEPT}∪{SNO→SDEPT}也与F ’等价

七、极小化过程

定理53 每一个函数依赖集F均等价于一个极小函数依赖集Fm。此Fm称为F的最小依赖集

证:构造性证明，依据定义分三步对F进行“极小化处理”，找出F的一个最小依赖集。

(1)逐一检查F中各函数依赖FDi：X→Y，

若Y=A1A2 …Ak，k > 2，则用 { X→Aj |j=1，2，…， k} 来取代X→Y。

引理51保证了F变换前后的等价性。

(2)逐一检查F中各函数依赖FDi：X→A，

令G=F-{X→A}，若A≤XG+， 则从F中去掉此函数依赖。

由于F与G =F-{X→A}等价的充要条件是A≤XG+ 。因此F变换前后是等价的。

(3)逐一取出F中各函数依赖FDi：X→A，

设X=B1B2…Bm，逐一考查Bi （i=l，2，…，m），若A∈（X-Bi ）F+ ，则以X-Bi 取

代X。由于F与F-{X→A}∪{Z→A}等价的充要条件是A≤ZF+ ，其中Z=X-Bi。因此F变换

前后是等价的。

由定义，最后剩下的F就一定是极小依赖集。因为对F的每一次“改造”都保证了改造

前后的两个函数依赖集等价，因此剩下的F与原来的F等价。 证毕

定理53的证明过程 也是求F极小依赖集的过程

[例3] F = {A→B，B→A，B→C，A→C，C→A}

Fm1、Fm2都是F的最小依赖集：

Fm1= {A→B，B→C，C→A}

Fm2= {A→B，B→A，A→C，C→A}

F的最小依赖集Fm不一定是唯一的。

它与对各函数依赖FDi 及X→A中X各属性的处置顺序有关。

极小化过程( 定理53的证明 )也是检验F是否为极小依赖集的一个算法。若改造后的

F与原来的F相同，说明F本身就是一个最小依赖集。

在R<U，F>中可以用与F等价的依赖集G来取代F

原因：两个关系模式R1 <U，F>，R2<U，G>，如果F与G等价，那么R1的关系一定是R2的

关系。反过来，R2的关系也一定是R1的关系。

关系模式的分解

1．模式分解的等价标准

规范化过程中将一个关系模式分解为若干个关系模式，应该保证分解后产生的模式和原来的模式等价。常用的等价标准有要求：

● 分解是具有无损连接性的；

● 分解是保持函数依赖的；

● 分解既要具有无损连接又要保持函数依赖两种。

将一个关系模式R(U,F)分解为若干个关系模式R1(U1,F1),R2(U2,F2)…Rn(Un,Fn)（其中U＝U1 U2 … Un，R1为F在U1上的投影），这意味着相应的将存储在一个二维表r中的数据分散到若干个二维表r1,r2,…,rn中（其中r1是r在属性组U1上的投影）。我们当然希望这样的分解不丢失信息，也就是说，希望能够通过对关系r1,r2…rn的自然连接运算重新得到关系r中的所有信息。

事实上，将关系r投影为r1,r2,…,rn时并不会丢失信息，关键是对r1,r2,…,rn作自然连接可能会产生一些原来r中没有的元组，从而无法区别那些元组是r中原来有的，即数据库中应该存在的数据，在这个意义上丢失了信息。

例如：设关系模式S(SNO,CLASSNO,DEPTNO)在某一时刻的关系r如下表5-14

表5-14

SNO CLASSNO DEPTNO

S1 C1 D1

S2 C2 D2

S3 C2 D2

S4 C3 D1

若按分解方案一将关系模式S分解为：

S11(SNO,DEPTNO)和

S12(CLASSNO,DEPTNO)，

则将r投影到S11和S12的属性上，得到关系r11如表5-15，r12如表5-16。

表5-15

SNO DEPTNO

S1 D1

S2 D2

S3 D2

S4 D1

表5-16

CLASSNO DEPTNO

C1 D1

C2 D2

C3 D1

对分解后的两个关系作自然连接r11r12，得到r'如表5-17如下：

表5-17

SNO CLASSNO DEPTNO

S1 C1 D1

S1 C3 D1

S2 C2 D2

S3 C2 D2

S4 C1 D1

S4 C3 D1

r'中的元组S1C3D1和S4C1D1都不是原来r中的元组。就是说，我们无法知道原来r中到底有哪些元组，这是我们不希望的。

定义1：设关系模式R(U,F)分解为关系模式R1(U1,F1)，R2(U2,F2)，…，Rn(Un,Fn)，若对于R的任何一个可能的关系r，都有r=r1r2…rn，即r在R1,R2,…,Rn上的投影的自然连接等于r，则称关系模式R的这个分解是具有无损连接性的。

分解1不具有无损连接性，这是一个不好的分解方案。

在将一个关系模式分解为三个或者更多个关系模式的情况下，要判别分解是否具有无损连接性需要比较复杂的算法。然而若将一个关系模式分解为两个关系模式，则很容易判别分解是否具有无损连接性。

关系模式R(U,F)分解为关系模式R1(U1,F1),R2(U2,F2)是具有无损连接性的分解的充分必要条件是（U1∩U2→U1-U2）∈F+，或者（U2∩U1→U2-U1）∈F+。

让我们再考察第二种分解方案，将关系模式S分解为：

S21(SNO,CLASSNO)，

S22(SNO,DEPTNO)

由于U1∩U2＝SNO，U1-U2=CLASSNO，显然U1 U2→U1-U2，所以分解2具有无损连接性。然而分解2也不是一个很好的分解方案，将前面例子的关系r投影到S21,S22的属性上，得到关系r21如表5-18和r22如表5-19：

表5-18

SNO CLASSNO

S1 C1

S2 C2

S3 C2

S4 C3

表5-19

SNO DEPTNO

S1 D1

S2 D2

S3 D2

S4 D1

在这种分解中，假设学生S3从C2班转到C3班，于是我们需要在r21中将元组S3C2修改为S3C3，同时在r22中将元组S3D2修改为S3D1。如果这两个修改没有同时完成，数据库中就会存在不一致信息。这是因为分解得到的两个关系模式不是互相独立造成的。F中的函数依赖CLASSNO→DEPTNO既没有投影到关系模式R22中，而是跨在两个关系模式上。函数依赖是数据库中的完整性约束条件。在r中，若两个元组的X值相等，则Y值也必须相等。现在r的一个元组中的X值和Y值跨在两个不同的关系中，为维护数据库的一致性，在一个关系中修改X值时就需要相应的在另外一个关系中修改Y值，这当然是很麻烦而且是容易出错的，于是我们要求模式分解保持函数依赖这条等价标准。

定义2：设关系模式R(U,F)分解为关系模式R1(U1,F1)，R2(U2,F2)，…，Rn(Un,Fn)，若F=(F1F2…Fn) ，即F所逻辑蕴含的函数依赖一定也由分解得到的各个关系式中的函数依赖所逻辑蕴含，则称关系模式R的这个分解是保持函数依赖的。

分解方案二不是保持函数依赖的，因为分解得到的关系模式中只有函数依赖SNO→CLASSNO，丢失了函数依赖CLASSNO→DEPTNO。不是一个好的分解。

分解方案三是保持函数依赖的。

数据库设计原则2007-05-2601:08一个好的数据库产品不等于就有一个好的应用系统，如果不能设计一个合理的数据库模型，不仅会增加客户端和服务器段程序的编程和维护的难度，而且将会影响系统实际运行的性能。一般来讲，在一个MIS系统分析、设计、测试和试运行阶段，因为数据量较小，设计人员和测试人员往往只注意到功能的实现，而很难注意到性能的薄弱之处，等到系统投入实际运行一段时间后，才发现系统的性能在降低

数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础，它要求对于指定的应用环境，构造出较优的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能有效地存储数据，满足用户的各种应用需求。一般按照规范化的设计方法，常将数据库设计分为若干阶段：

系统规划阶段

主要是确定系统的名称、范围；确定系统开发的目标功能和性能；确定系统所需的资源；估计系统开发的成本；确定系统实施计划及进度；分析估算系统可能达到的效益；确定系统设计的原则和技术路线等。对分布式数据库系统，还应分析用户环境及网络条件，以选择和建立系统的网络结构。

需求分析阶段

要在用户调查的基础上，通过分析，逐步明确用户对系统的需求，包括数据需求和围绕这些数据的业务处理需求。通过对组织、部门、企业等进行详细调查，在了解现行系统的概况、确定新系统功能的过程中，收集支持系统目标的基础数据及其处理方法。

概念设计阶段

要产生反映企业各组织信息需求的数据库概念结构，即概念模型。概念模型必须具备丰富的语义表达能力、易于交流和理解、易于变动、易于向各种数据模型转换、易于从概念模型导出与DBMS有关的逻辑模型等特点。

逻辑设计阶段

除了要把E－R图的实体和联系类型，转换成选定的DBMS支持的数据类型，还要设计子模式并对模式进行评价，最后为了使模式适应信息的不同表示，需要优化模式。

物理设计阶段

主要任务是对数据库中数据在物理设备上的存放结构和存取方法进行设计。数据库物理结构依赖于给定的计算机系统，而且与具体选用的DBMS密切相关。物理设计常常包括某些 *** 作约束，如响应时间与存储要求等。

系统实施阶段

主要分为建立实际的数据库结构；装入试验数据对应用程序进行测试；装入实际数据建立实际数据库三个步骤。

另外，在数据库的设计过程中还包括一些其他设计，如数据库的安全性、完整性、一致性和可恢复性等方面的设计,不过，这些设计总是以牺牲效率为代价的,设计人员的任务就是要在效率和尽可能多的功能之间进行合理的权衡。

一个好的数据库产品不等于就有一个好的应用系统，如果不能设计一个合理的数据库模型，不仅会增加客户端和服务器段程序的编程和维护的难度，而且将会影响系统实际运行的性能。一般来讲，在一个MIS系统分析、设计、测试和试运行阶段，因为数据量较小，设计人员和测试人员往往只注意到功能的实现，而很难注意到性能的薄弱之处，等到系统投入实际运行一段时间后，才发现系统的性能在降低

数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础，它要求对于指定的应用环境，构造出较优的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能有效地存储数据，满足用户的各种应用需求。一般按照规范化的设计方法，常将数据库设计分为若干阶段：

系统规划阶段

主要是确定系统的名称、范围；确定系统开发的目标功能和性能；确定系统所需的资源；估计系统开发的成本；确定系统实施计划及进度；分析估算系统可能达到的效益；确定系统设计的原则和技术路线等。对分布式数据库系统，还应分析用户环境及网络条件，以选择和建立系统的网络结构。

需求分析阶段

要在用户调查的基础上，通过分析，逐步明确用户对系统的需求，包括数据需求和围绕这些数据的业务处理需求。通过对组织、部门、企业等进行详细调查，在了解现行系统的概况、确定新系统功能的过程中，收集支持系统目标的基础数据及其处理方法。

概念设计阶段

要产生反映企业各组织信息需求的数据库概念结构，即概念模型。概念模型必须具备丰富的语义表达能力、易于交流和理解、易于变动、易于向各种数据模型转换、易于从概念模型导出与DBMS有关的逻辑模型等特点。

逻辑设计阶段

除了要把E－R图的实体和联系类型，转换成选定的DBMS支持的数据类型，还要设计子模式并对模式进行评价，最后为了使模式适应信息的不同表示，需要优化模式。

物理设计阶段

主要任务是对数据库中数据在物理设备上的存放结构和存取方法进行设计。数据库物理结构依赖于给定的计算机系统，而且与具体选用的DBMS密切相关。物理设计常常包括某些 *** 作约束，如响应时间与存储要求等。

系统实施阶段

主要分为建立实际的数据库结构；装入试验数据对应用程序进行测试；装入实际数据建立实际数据库三个步骤。

另外，在数据库的设计过程中还包括一些其他设计，如数据库的安全性、完整性、一致性和可恢复性等方面的设计,不过，这些设计总是以牺牲效率为代价的,设计人员的任务就是要在效率和尽可能多的功能之间进行合理的权衡。

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