luận văn thạc sỹ công nghệ thông tin

ứng dụng phép dịch chuyển lược đồ quan hệ trong cơ sở dữ liệu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NG UYÊ N KHO A CÔNG NGH Ệ T HÔ NG TI N ___________________________________ V Ũ T R Í D Ũ N G ỨNG DỤNG PHÉP DỊCH CHUYỂN LƯỢC ĐỒ QUAN HỆ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ____________________________ V Ũ T R Í DŨ N G ỨNG DỤNG PHÉP DỊCH CHUYỂN LƯỢC ĐỒ QUAN HỆ TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ : 60 48 35 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học PGS. TSKH. NGUYỄN XUÂN HUY Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ 4 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4 1.1.1. Giới thiệu đề tài. 4 1.1.2. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết. 4 1.1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu. 5 1.1.4. Phạm vi ứng dụng. 5 1.1.5. Kết quả đạt đƣợc. 5 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ 6 1.2.1. Quan hệ, thuộc tính, bộ. 7 1.2.2. Đại số quan hệ. 10 1.2.3. Phụ thuộc hàm, Hệ tiên đề Armstrong, Lƣợc đồ quan hệ. 13 1.2.4. Bao đóng của tập thuộc tính. 18 1.2.5. Phủ của tập phụ thuộc hàm 21 1.2.6. Khóa của lƣợc đồ quan hệ. 27 1.2.7. Chuẩn hoá LĐQH trên cơ sở phụ thuộc hàm. 31 CHƢƠNG 2. PHÉP DỊCH CHUYỂN LƢỢC ĐỒ QUAN HỆ 36 2.1. Phép dịch chuyển LĐQH. 37 2.2. Thuật toán dịch chuyển LĐQH. 38 2.3. Định lý cơ bản của phép dịch chuyển LĐQH. 39 2.4. Dạng biểu diễn thứ nhất của khóa 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.5. Dạng biểu diễn thứ hai của khóa 45 2.6. Kết luận 50 CHƢƠNG 3. CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH 51 3.1. Giới thiệu. 51 3.2. Các chức năng của chƣơng trình. 51 3.3. Một số giao diện của chƣơng trình. 52 3.4. Các thí dụ. 54 DANH MỤC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH NCKH 57 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 1NF 1 st normal form - dạng chuẩn 1 2NF 2 nd normal form - dạng chuẩn 2 3NF 3 rd normal form - dạng chuẩn 3 CSDL Cơ sở dữ liệu LĐQH Lƣợc đồ quan hệ PTH phụ thuộc hàm FD phụ thuộc hàm ╞ suy dẫn theo tiên đề (theo logic) ├ suy dẫn theo quan hệ  khác  với mọi  thuộc  là con  chứa  giao (của 2 tập thuộc tính)  hợp (của 2 tập thuộc tính) X + bao đóng của tập thuộc tính X  tƣơng đƣơng ≢ không tƣơng đƣơng \ phép trừ logic Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 1 LỜI NÓI ĐẦU 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 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 chuyển dịch lược 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. Nội dung đề tài được cấu trúc như sau: Chương 1 giới thiệu về đề tài và các khái niệm chung về mô hình quan hệ với trọng tâm là các khái niệm hình thức của mô hình quan hệ, trong đó vận dụng chủ yếu các cấu trúc rời rạc. Phụ thuộc hàm (PTH) là lớp phụ thuộc đầu tiên của phụ thuộc logic và đồng thời cũng là lớp phụ thuộc kinh điển theo nghĩa, được Codd, tác giả của mô hình dữ liệu quan hệ, đề xuất sớm nhất và được sử dụng như một công cụ thiết kế các cơ sở dữ liệu chuẩn hóa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 2 Chương 2 trình bày một kỹ thuật thu gọn lược đồ quan hệ (LĐQH) được gọi là phép dịch chuyển lược đồ quan hệ. Bản chất của kỹ thuật này là loại bỏ khỏi LĐQH 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 được quan tâm như bao đóng, khóa, phản khóa . Mặc dù LĐQH thu được qua phép dịch chuyển không tương đương với LĐQH 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 PTH sẽ được loại bỏ theo vì chúng trở thành các PTH tầm thường (có vế trái chứa về phải) hoặc mang thông tin tiền định (đó là các PTH dạng   X). Các phép dịch chuyển LĐQH 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. Chương 3 cài đặt chương trình mô phỏng ứng dụng phép dịch chuyển lược đồ quan hệ vào thiết kế cơ sở dữ liệu cùng với một số thí dụ. Phần cuối của luận văn là kết luận và hướng phát triển và các tài liệu tham khảo. Em xin bày tỏ lòng chân thành cảm ơn PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy - người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ thông tin - Đại học Thái Ngyên đã tạo điều kiện về tinh thần cũng như cơ sở vật chất để em được học tập, nâng cao kiến thức và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo ở Viện Công nghệ thông tin - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các Thầy, Cô giáo ở Khoa Công nghệ thông tin - Đại học Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy, hướng dẫn và cung cấp cho em những kiến thức vô cùng quí báu, để em có điều kiện nâng cao kiến thức và hiểu biết của mình trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 3 Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Liên đoàn Lao động tỉnh Hà Nam, Ban giám hiệu Trường trung cấp nghề Kinh tế - Kỹ thuật Hà Nam, gia đình, người thân và bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và làm luận văn tốt nghiệp. Học viên Vũ Trí Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1.1. Giới thiệu đề tài Trong quản lý các cơ sở dữ liệu lớn và phức tạp đòi hỏi nhiều thuật toán hữu hiệu để tính toán các đối tượng như bao đóng, khóa, phủ . Một số thuật toán tốt theo nghĩa độ phức tạp tính toán giới hạn ở các hàm tuyến tính hoặc đa thức theo chiều dài dữ liệu vào đã được công bố như thuật toán tính bao đóng của tập thuộc tính, thuật toán tìm một khóa, thuật toán xác định thành viên hay thuật toán xác định phụ thuộc hàm suy dẫn, thuật toán tìm giao các khóa, thuật toán xác định một lược đồ quan hệ có một khóa duy nhất… [1, 2, 8]. Một nhận xét tự nhiên là nếu kích thước của lược đồ quan hệ càng nhỏ thì các thuật toán càng phát huy hiệu quả hơn. Một số hướng nghiên cứu tinh giản các lược 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 (chứa ít ký hiệu nhất)… đã được công bố [3, 5, 6, 7]. Trong phép dịch chuyển lược đồ quan hệ. Bản chất của kỹ thuật này là loại bỏ khỏi lược 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 lược đồ quan hệ thu được qua phép thu gọn không tương đương với lược 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   X). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 5 1.1.2. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết Luận văn tập trung tìm hiểu và cải tiến các kỹ thuật và thuật toán thu gọn lược đồ quan hệ p thông qua phép dịch chuyển lược đồ quan hệ theo một tập thuộc tính X. Khảo sát sự phụ thuộc của phép dịch chuyển thông qua các tính chất của tập thuộc tính X. Khảo sát hai dạng biểu diễn khóa của lược đồ quan hệ qua phép dịch chuyển. Xây dựng một hệ trình minh họa và đánh giá các kết quả lý thuyết. 1.1.3. 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. 1.1.4. Phạm vi ứng dụng Các kết quả thu được có thể vận dụng cho các quy trình thiết kế các cơ sở dữ liệu quan hệ dùng trong các hệ thống thông tin, cụ thể là: - Tính bao đóng của các tập thuộc tính, - Tìm khóa của các lược đồ quan hệ. - Chuẩn hoá LĐQH [...]... cột biểu thị thuộc tính thông tin cần quản lý của một đối tượng, thuộc tính này còn gọi là tiêu đề cột và các giá trị trong cột đó có cùng một kiểu Tập hợp tất cả các giá trị thuộc tính trên một hàng (gọi là bộ) là dữ liệu về một đối tượng đang quản lý Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 6 http://www.lrc-tnu.edu.vn... Mỗi quan hệ R(U) có hình ảnh là một bảng, mỗi cột ứng với một thuộc tính, mỗi dòng là một bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 7 http://www.lrc-tnu.edu.vn Ta ký hiệu t(U) là một bộ trên tập thuộc tính U Một quan hệ rỗng, ký hiệu , là quan hệ không chứa bộ nào Vì mỗi quan hệ là một tập các bộ nên trong... chứa một giá trị duy nhất thì ta có thể loại bỏ cột tương ứng của thuộc tính đó trong quan hệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn Ta chấp nhận quy ước sau đây: Mọi cặp bộ t và v trong mọi quan hệ giống nhau trên miền rỗng các thuộc tính, t. = v.  Hàm Attr(R) cho tập thuộc... S (B D) b d x d b e Khi đó t*S cho ta quan hệ P(ABCD) sau đây P (A B C D) a b c d a b c e Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 9 http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.2 Đại số quan hệ Đại số quan hệ được xây dựng trên tập các quan hệ với các phép toán cơ sở là chọn, chiếu, kết nối tự nhiên, chia, hợp, giao... t.X | tR } R[X] được tính theo 2 bước như sau: (i) Xoá các cột không thuộc X của bảng R, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn (ii) Lược bớt các dòng giống nhau trong bảng kết quả: chỉ giữ lại một dòng trong số các dòng giống nhau Phép kết nối tự nhiên Định nghĩa Cho hai... quan hệ R không có trong quan hệ S, P(U) = R \ S = { t | tR, t S } Phép giao Định nghĩa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn Phép giao (theo lý thuyết tập hợp hoặc lấy phần chung) hai quan hệ tương thích R(U) và S(U), ký hiệu RS, hoặc R&S cho ta quan hệ chứa các bộ xuất... quan hệ R AvgR, A: cho trung bình cộng các giá trị trong thuộc tính cột A của quan hệ R Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 12 http://www.lrc-tnu.edu.vn MaxR, A: cho giá trị lớn nhất trong thuộc tính cột A của quan hệ R MinR, A: cho giá trị nhỏ nhất trong thuộc tính cột A của quan hệ R Nếu... nhau trên X thì chúng cũng giống nhau trên Y, R(XY)  (u,v  R): (u.X = v.X)  (u.Y = v.Y) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 13 http://www.lrc-tnu.edu.vn Ta dùng ký hiệu X ↛ Y với ý nghĩa tập thuộc tính Y không phụ thuộc hàm vào tập thuộc tính X Cho tập PTH F trên tập thuộc tính U Ta nói quan hệ R(U)... PTH trên U đúng trong mọi quan hệ của  Hệ tiên đề Armstrong Bao đóng của tập PTH Định nghĩa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 14 http://www.lrc-tnu.edu.vn Cho tập PTH F trên tập thuộc tính U Bao đóng của F, ký hiệu F+ là tập nhỏ nhất các PTH trên U chứa F và thoả các tính chất F1-F3 của hệ tiên đề... tập PTH F và viết F├ f, nếu mọi quan hệ R(U) thoả F thì R cũng thoả f F├ f  SAT(F)  SAT(f) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên _ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 15 http://www.lrc-tnu.edu.vn Cho tập thuộc tính U và tập PTH F trên U, ta định nghĩa F* là tập các PTH f trên U được suy dẫn theo quan hệ từ tập PTH F F * = { f: XY | X,Y  . _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 5 1.1.2. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết Luận văn tập trung tìm hiểu. _______________________________________________________ Vũ Trí Dũng, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trang 6 1.1.5. Kết quả đạt được Về lý thuyết, luận văn tập trung vào các kết quả