Nghiên cứu, so sánh các phương pháp phân rã, dịch chuyển sơ đồ quan hệ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TRẦN VĂN SẢN NGHIÊN CỨU, SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ, DỊCH CHUYỂN SƠ ĐỒ QUAN HỆ Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: : 60.48.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT HÀ NỘI – 2012 1 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học : PGS-TS Nguyễn Bá Tường Phản biện 1: PGS-TS Đặng Văn Chuyết Phản biện 2: PGS-TS Đỗ Năng Toàn Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ 10h10 ngày.20 tháng 01 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 2 i. MỞ ĐẦU i.1. Giới thiệu đề tài Trong quản lý các cơ sở dữ liệu (CSDL), phụ thuộc dữ liệu được hiểu là những mệnh đề mô tả các ràng buộc mà dữ liệu phải đáp ứng trong thực tế. Nhờ có những mô tả phụ thuộc này mà hệ quản trị cơ sở dữ liệu có thể quản lý tốt được chất lượng dữ liệu. Lý thuyết về các phụ thuộc dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả thế giới thực, phản ánh ngữ nghĩa dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Phụ thuộc dữ liệu được Codd, tác giả của mô hình dữ liệu quan hệ đặt nền móng từ những năm 70 với khái niệm phụ thuộc hàm. Sau đó một loạt tác giả khác tiếp tục phát triển các dạng phụ thuộc bậc cao, phụ thuộc mờ cũng như xây dựng các hệ tiên đề cho các lớp phụ thuộc - tức là đặt cơ sở lý thuyết về phụ thuộc dữ liệu. Một điều khá tự nhiên là ngay từ những ngày đầu phát triển lý thuyết thiết kế cơ sở dữ liệu, logic đã được chọn như một ngôn ngữ hữu hiệu để đặc tả phụ thuộc dữ liệu, do đó, trong số các loại hình phụ thuộc dữ liệu rất đa dạng được đề xuất và phát triển sau này, các phụ thuộc 3 logic luôn luôn là trọng tâm chú ý của các nhóm nghiên cứu. Đề tài này tập trung vào tìm hiểu và nghiên cứu khái niệm các phép phân rã, phép dịch chuyển sơ đồ quan hệ, đưa chúng về dạng thu gọn và nhận được các biểu diễn quan trọng cho bao đóng, khóa và phản khoá. Các kết quả thu được sử dụng trong quá trình thiết kế các cơ sở dữ liệu. Một nhận xét tự nhiên là nếu kích thước của sơ đồ quan hệ càng nhỏ thì các thuật toán càng phát huy hiệu quả hơn. Một số hướng nghiên cứu tinh giản các sơ đồ cơ sở dữ liệu được thực hiện thông qua các phép biến đổi tương đương, chẳng hạn đưa tập phụ thuộc hàm về dạng thu gọn hoặc thu gọn tự nhiên, dạng không dư, dạng tối ưu … đã được công bố. Để giải quyết vấn đề trên ta dùng phép “phân rã”, tức là tách sơ đồ quan hệ trên thành các sơ đồ quan hệ con với mong muốn các sơ đồ quan hệ con mới này sẽ đạt dạng chuẩn cao hơn sơ đồ quan hệ ban đầu. Như vậy 4 sẽ giảm (hay không còn) các thông tin bị dư thừa trong các quan hệ mới. Mục đích của phép phân rã đó là nhằm loại bỏ các file dữ liệu dư thừa và loại bỏ các dị thường: không nhất quán, dị thường khi thêm dòng, dị thường khi xóa dòng của quan hệ, khi thực hiện phép cập nhật (sửa, thêm, xóa). Trong phép dịch chuyển sơ đồ quan hệ. Bản chất của kỹ thuật này là loại bỏ khỏi sơ đồ quan hệ ban đầu một số thuộc tính không quan trọng theo nghĩa chúng không làm ảnh hưởng đến kết quả tính toán các đối tượng đang quan tâm như bao đóng, khóa, Mặc dù sơ đồ quan hệ thu được qua phép thu gọn không tương đương với sơ đồ quan hệ ban đầu, nhưng ta có thể thu được các đối tượng cần tìm bằng những phép toán đơn giản như loại bỏ hoặc thêm một số thuộc tính. Điều lý thú là sau khi loại bỏ một số thuộc tính thì một số phụ thuộc hàm sẽ được loại bỏ theo, vì chúng trở thành các phụ thuộc hàm tầm thường (có vế trái chứa về phải) hoặc mang thông tin tiền định (đó là các phụ thuộc hàm dạng Ø→X). 5 i.2. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu kỹ thuật thu gọn sơ đồ quan hệ dựa trên “phương pháp phân rã sơ đồ quan hệ” và “phương pháp dịch chuyển sơ đồ quan hệ”. - Sử dụng một số thuật ngữ như dịch chuyển, phân rã, chiếu của các sơ đồ quan hệ để làm sáng tỏ khái niệm thu gọn sơ đồ quan hệ là nội dung chính của luận văn. Vấn đề cần quan tâm là phân rã, dịch chuyển SĐQH có đảm bảo tái thiết được sơ đồ quan hệ hay không, quá trình phân rã, dịch chuyển có làm mất thông tin không? Các đối tượng chúng ta sẽ phân rã, dịch chuyển là các sơ đồ quan hệ W thông qua phép phân rã, dịch chuyển sơ đồ quan hệ theo một tập thuộc tính U. Khảo sát sự phụ thuộc của phép phân rã, dịch chuyển thông qua các tính chất của tập thuộc tính U. Khảo sát hai dạng biểu diễn khóa của lược đồ quan hệ qua phép phân rã, 6 dịch chuyển. Xây dựng một hệ trình minh họa mô phỏng kết quả thực tế và đánh giá các kết quả lý thuyết. i.3. Phương pháp nghiên cứu 1. Tiếp cận chủ yếu để giải quyết các vấn đề đặt ra trong phạm vi đề tài là tiên đề hóa. Các hệ tiên đề được xây dựng trên cơ sở một hệ suy dẫn hình thức với các tính chất cơ bản về các đối tượng cơ sở và các mối liên hệ giữa chúng. Cơ sở toán học của các hệ tiên đề là định lý về tính xác đáng và đầy đủ cùng với các định lý về điều kiện cần và đủ cho các hệ tiên đề tương đương. 2. Tiếp cận hình thức vận dụng chủ yếu các phương pháp và các cấu trúc của toán học rời rạc (bao gồm cả logic hình thức), kết hợp với các phương pháp đối sánh, mô hình hóa, tối ưu và quy hoạch rời rạc. 3. Kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực hành, sử dụng và phát triển các phần mềm nói chung và các phần mềm toán học nói riêng để kiểm định và thể hiện các kết quả lý thuyết. i.4. Phạm vi ứng dụng 7 Các kết quả thu được có thể vận dụng cho các quy trình thiết kế các cơ sở dữ liệu dùng trong các hệ thống thông tin, cụ thể là: Bảo toàn phụ thuộc hàm, không mất mát thông tin, loại bỏ dư thừa dữ liệu. Đây là các tiêu chuẩn cơ bản của hệ thống thông tin. Với các CSDL lớn và phức tạp có nhiều thuộc tính, chúng ta phải dùng các phương pháp biến đổi SĐQH để đưa chúng về dạng tối ưu, đáp ứng được các tiêu chuẩn trên. Về lý thuyết, luận văn tập trung vào các kết quả sau đây: - Khái niệm cơ sở lý thuyết của mô hình quan hệ. - Khái niệm về phép phân rã sơ đồ quan hệ. - Khái niệm về phép dịch chuyển sơ đồ quan hệ. - Phát biểu và chứng minh các phương pháp phân rã dọc sơ đồ quan hệ, phân rã có nối không tổn thất, phân rã bảo toàn phụ thuộc, phân rã thành các dạng chuyển BCNF. - Phát biểu và chứng minh công thức tính bao đóng qua phép dịch chuyển lược đồ quan hệ, 8 - Phân tích thuật toán Chase kiểm tra việc phân rã có nối không tổn thất không, kiểm tra phân rã có bảo toàn phụ thuộc không, thuật toán phân rã thành dạng chuẩn BCNF. - Phân tích thuật toán dịch chuyển SĐQH, Về thực hành luận văn sẽ cài đặt chương trình ứng dụng nhằm mục đích mô phỏng kết quả nghiên cứu được của học viên. Nội dung : Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH QUAN HỆ Chương 1 Giới thiệu về mô hình dữ liệu quan hệ là một mô hình được sử dụng rộng rãi trong đời sống xã hội của mọi tổ chức, cơ quan, xí nghiệp bởi tính do tính trực quan, kiến trúc đơn giản và có cơ sở toán học chặt chẽ của nó. Mô hình quan hệ biểu thị dữ liệu trong một CSDL như một tập các quan hệ, có thể coi như là một bảng giá trị gồm các hàng và các cột. Mỗi hàng trong bảng là một tập các giá trị có liên quan với nhau, các giá 9 trị này biểu thị một sự kiện tương ứng với một thực thể hay một mối quan hệ trong thế giới thực. Trong chương này chúng ta sẽ nêu một số khái niệm cơ bản về quan hệ và cơ sở quan hệ. 1.1.Khái niệm về quan hệ Cho U={A 1 ,A 2 , ,A n } là một tập hữu hạn, không rỗng các thuộc tính. Mỗi thuộc tính A i có một miền giá trị là D(A i ). 1.2. Các phép toán đại số quan hệ. Trên các quan hệ ta có thể thực hiện các phép toán tập hợp như hợp, giao, hiệu, các phép toán đó người ta thường gọi là các phép toán đại số quan hệ, 1.2.1. Phép hợp 1.2.1. Phép giao 1.2.3. Phép trừ 1.2.3. Phép chiếu 1.2.5. Tích Descartes 1.2.6. Phép chọn 1.2.7. Phép chia [...]... 3N FBCN F 4N F Hình 1.1: Sơ đồ biểu thị mối liên hệ của các lớp chuẩn 15 Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ SƠ ĐỒ QUAN HỆ Chương này giới thiệu các phép phân rã sơ đồ quan hệ , tức là tách sơ đồ quan hệ trên thành các sơ đồ quan hệ con với mong muốn các sơ đồ quan hệ con mới này sẽ đạt dạng chuẩn cao hơn sơ đồ quan hệ ban đầu Các đối tượng chúng ta sẽ phân rã là các sơ đồ quan hệ W= trong đó U={A1,... có nối không tổn thất nếu phép phân rã thỏa mãn cả 3 điều kiện trên Chương 3 PHÉP DỊCH CHUYỂN, PHÉP CHIẾU SƠ ĐỒ QUAN HỆ, NHẬN XÉT, SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ VÀ DỊCH CHUYỂN SƠ ĐỒ QUAN HỆ Chương 3 trình bày một kỹ thuật thu gọn sơ đồ quan hệ (SĐQH) được gọi là phép dịch chuyển sơ đồ quan hệ Bản chất của kỹ thuật này là loại bỏ khỏi SĐQH ban đầu một số thuộc tính không quan trọng theo nghĩa chúng không... Nhận xét, so sánh phương pháp phân rã và dịch chuyển SĐQH 24 3.3.1 Một vài nhận xét đối với các phương pháp phân rã: Khi phân rã SĐQH ta nên phân rã thành bao nhiêu sơ đồ con? và trong mỗi sơ đồ con nên lấy những thuộc tính nào? phụ thuộc hàm nào thì tốt? Đây là vấn đề lý thuyết mà em chưa tìm được câu trả lời chắc chắn 3.32 Một vài nhận xét đối với phương pháp dịch chuyển: Đối với phép dịch chuyển M,... thuộc tính M  U Ta nói sơ đồ quan hệ W2 nhận được từ sơ đồ quan hệ W1 qua phép dịch chuyển theo tập thuộc tính M, nếu sau khi loại bỏ mọi xuất hiện của các thuộc tính của M trong sơ đồ W1 thì thu được sơ đồ W2 19 Nếu sau khi thực hiện phép dịch chuyển theo M cho SĐQH W1 ta thu được SĐQH W2 thì ta viết W2 = W1\M Thao tác loại bỏ M được thực hiện trên sơ đồ W1 = để thu được sơ đồ W2= như sau:... hạn không rỗng các thuộc tính, F là tập phụ thuộc hàm trên U Phân rã W thực chất là phân rã U và kéo theo nó là phân rã F 2.1 Phân rã dọc sơ sơ đồ quan hệ W= Định nghĩa : Phân rã dọc W = là phân chia W = thành W1 = , W2 = , .,Wk=, ký hiệu: W| ->{W1, W2, , Wk} trong đó Fi Ui(F+) và U = k  Ui i 1 2.2 .Các phương pháp phân rã dọc sơ đồ quan hệ 16 2.2.1 Phân rã W=... phép dịch chuyển ta nên lấy tập M như thế nào? Vì sau phép dịch chuyển M của SĐQH W1 ta nhận được SĐQH W2 và trong W2 có thể có những PTH kiểu   X Đây cũng là dạng PTH em không hiểu Dạng PTH này có trong thực tế không? Tuy nhiên theo yêu cầu của Thầy hướng dẫn nội dung chính luận văn của em Nghiên cứu, so sánh các phương pháp dịch chuyển và phân rã sơ đồ quan hệ Sau đây ta có bảng nhận xét so sánh. .. thông tin tiền định (đó là các PTH dạng Ø→X) Các phép dịch chuyển SĐQH được phát triển cho lớp các phụ thuộc logic đầu tiên là phụ thuộc hàm cho ta một số kết quả lý thú về biểu diễn bao đóng, khóa, phản khóa cùng một số dấu hiệu cần và đủ để nhận biết các đặc trưng tương quan giữa các đối tượng nói trên 3.1 Phép dịch chuyển sơ đồ quan hệ 3.1.1 Định nghĩa Cho hai sơ đồ quan hệ W1 = , W2 = ... bảng nhận xét so sánh sau: 1 Bảng 3.1 Bảng so sánh các phương pháp dịch chuyển và phân rã SĐQH Bảo Bảo toàn Số sơ đồ con toàn phụ thuộc tập hàm F thuộc Có nối Các PTH Fi sau khi thực không sau khi thực thực hiện hiện phép tổn thất hiện phép phép toán có toán có nghĩa là 2NF toán có là là BCNF toán tính U 1 Phân rã Có tổng quát 2 Phân rã có nối không tổn Có Sơ đồ sau khi không? Không bắt buộc Không bắt... dữ liệu vào (của SĐQH W1) Sau khi thực hiện thủ tục G = F\M nếu:  G chứa các PTH tầm thường (dạng XY, X Y) thì ta loại các PTH này khỏi G G chứa các PTH trùng lặp thì ta bớt các PTH này 3.1.2 Thuật toán dịch chuyển sơ đồ quan hệ 20 3.1.3 Bổ đề về siêu khoá trong phép dịch chuyển SĐQH Bổ đề : Bổ đề về siêu khóa trong phép dịch chuyển SĐQH Cho hai SĐQH W1 = , W2 = và XU Biết W2=W1\X Khi... là siêu khoá của W2 thì Z là siêu khoá của W1 3.1.4 Dịch chuyển sơ đồ quan hệ về dạng cân bằng 3.1.4.1 Định nghĩa sơ đồ cân bằng SĐQH W = được gọi là cân bằng nếu tập PTH F trong W thoả 4 tính chất sau: 1 Hợp các vế trái, các vế phải của các PTH trong F đúng bằng tập thuộc tính U: LS(F) = RS(F) = U 21 2 F không chứa các PTH tầm thường, tức là các PTH có vế trái chứa vế phải: X,YU: XY  (XYF) . phép phân rã sơ đồ quan hệ. - Khái niệm về phép dịch chuyển sơ đồ quan hệ. - Phát biểu và chứng minh các phương pháp phân rã dọc sơ đồ quan hệ, phân. này giới thiệu các phép phân rã sơ đồ quan hệ , tức là tách sơ đồ quan hệ trên thành các sơ đồ quan hệ con với mong muốn các sơ đồ quan hệ con mới này