Chuẩn hóa nhờ phép tổng hợp trong cơ sở dữ liệu quan hệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THƠNG TIN CHUẨN HĨA NHỜ PHÉP TỔNG HỢP TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ NGUYỄN VĂN HÒA HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUẨN HÓA NHỜ PHÉP TỔNG HỢP TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ NGUYỄN VĂN HỊA CHUN NGÀNH : CƠNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: 60.48.02.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐINH TUẤN LONG HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân, xuất phát từ yêu cầu phát sinh cơng việc để hình thành hướng nghiên cứu Các kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, 31 tháng 10 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hòa LỜI CẢM ƠN Thực luận văn thạc sỹ thử thách với em, đòi hỏi phải tập trung kiên trì nghiên cứu vấn đề liên quan Em thực hạnh phúc với kết đạt đề tài nghiên cứu Những kết đạt khơng nỗ lực cá nhân, mà có hỗ trợ giúp đỡ giáo viên hướng dẫn, nhà trường, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Em muốn bày tỏ tình cảm chân thành em đến với họ Trước tiên, em xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn TS Đinh Tuấn Long tận tình dẫn phương pháp nghiên cứu st q trình thực luận văn Em xin trân trọng cảm ơn thầy nhiều hướng dẫn bảo nhiệt tình, nghiêm túc khoa học Em xin trân trọng cảm ơn Khoa đào tạo sau đại học, Phòng đào tạo, Ban giám hiệu Viện Đại Học Mở Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực luận văn Em cảm ơn tất người bạn em, người chia sẻ cổ vũ em lúc khó khăn em ln ghi nhớ điều Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn cha mẹ gia đình ln bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ em Hà Nội, 31 tháng 10 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hòa MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu luận văn Các đóng góp luận văn Bố cục luận văn CHƯƠNG I : CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VÀ LIÊN QUAN ĐẾN CHUẨN HÓA CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Định nghĩa Cơ Sở Dữ Liệu (Data Base) 1.1.2 Các tính chất sở liệu 1.2 Các mơ hình liệu 1.3 Mơ hình sở liệu quan hệ 1.3.1 Mơ hình sở liệu quan hệ ? 1.3.2 Các khái niệm mơ hình quan hệ 1.4 Phụ thuộc hàm 12 1.4.1 Định Nghĩa Phụ Thuộc Hàm 12 1.4.2 Cách xác định phụ thuộc hàm cho lược đồ quan hệ 13 1.4.3 Một Số Tính Chất Của Phụ Thuộc Hàm - hệ luật dẫn Armstrong 14 1.5 Baođóng 14 1.5.1 Bao Đóng Của Tập Phụ Thuộc Hàm F 14 1.5.2 Bao Đóng Của Tập Thuộc Tính X 15 1.5.3 Bài Toán Thành Viên 16 1.5.4 Thuật Tốn Tìm Bao Đóng Của Một Tập Thuộc Tính 17 1.6 Khóa lược đồ quan hệ 19 1.6.1 Định Nghĩa Khoá Của Quan Hệ (relation key) 19 1.6.2 Thuật Toán Tìm Một Khố Của Một Lược Đồ Quan Hệ Q 19 1.6.3 Thuật Tốn Tìm Tất Cả Các Khoá Của Một Lược Đồ Quan Hệ 20 1.7 Phủ tối thiểu 23 1.7.1 Tập Phụ Thuộc Hàm Tương Đương (equivalent functional dependancy) 23 1.7.2 Phủ Tối Thiểu 24 1.7.3 Thuật Tốn Tìm Phủ Tối Thiểu 25 1.8 Tổng quan chuẩn hóa sở liệu 27 1.9 Các dạng chuẩn 29 1.9.1 Dạng chuẩn – 1NF (First Normal Form) 30 1.9.2 Dạng chuẩn – 2NF 32 1.9.3 Dạng chuẩn – 3NF 34 1.9.4 Dạng chuẩn BCNF (Boyce Codd Normal Form) 35 1.9.5 Định nghĩa tổng quát dạng chuẩn thuật toán liên quan đến q trình chuẩn hóa CSDL 38 1.10 Phép tách 41 1.10.1 Khái niệm phép tách 42 1.10.2 Phép tách bảo tồn thơng tin 42 1.10.3 Phép tách bảo toàn phụ thuộc hàm 44 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHUẨN HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỔNG HỢP 46 2.1 Phương pháp tiếp cận tổng hợp 46 2.2 Biểu diễn đồ thị phụ thuộc hàm 49 2.2.1 Đồ thị phụ thuộc hàm 49 2.2.2 Đồ thị phụ thuộc ma trận 51 2.2.3 Đồ thị ma trận có hướng 52 2.3 Nghiên cứu q trình chuẩn hóa 59 2.3.1 Dạng chuẩn thứ hai (2NF) 59 2.3.2 Dạng chuẩn thứ ba (3NF) 60 2.3.3 Dạng chuẩn BCNF 61 2.4 Nghiên cứu thuật toán 65 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHO CÁC BÀI TỐN HÌNH THỨC HĨA 66 3.1 Thực nghiệm 66 3.1.1 Bài toán thực nghiệm 66 3.1.2 Tìm khóa dự tuyển 68 3.1.3 Chuẩn hóa 2NF 69 3.1.4 Chuẩn hóa 3NF 70 3.1.5 Dạng chuẩn Boyce-Codd (BCNF) 71 3.2 Đánh giá 72 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải CSDL Cơ sở liệu 1NF First Normal Form (Dạng chuẩn 1NF) 2NF Second Normal Form (Dạng chuẩn 2NF) 3NF Three Normal Form (Dạng chuẩn 3NF) BCNF Boyce Codd Normal Form (Dạng chuẩn BCNF) CNTT Công nghệ thông tin DBMS Hệ quản trị sở liệu TN Tập nguồn TG Tập trung gian SQL Structured Query Language DFS Tìm kiếm theo chiều sâu STG Cây khung DM Phụ thuộc ma trận DG đồ thị ma trận có hướng PTT Phủ tối thiểu DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Lược đồ sở liệu COMPANY Hình 1.2 Một thể sở liệu COMPANY 10 Hình 1.3 Một thể sở liệu COMPANY 11 Hình 1.4 Các ràng buộc tham chiếu sở liệu COMPANY 11 Hình 2.1 Các dạng chuẩn hóa 30 Hình 3.1: sơ đồ đồ thị phụ thuộc Ví dụ 3.1 50 Hình 3.2 Cây khung (STG) 51 Hình 3.3 ma trận phụ thuộc ban đầu 52 Hình 3.4 Khởi tạo ma trận DM DG 53 Hình 3.5 Ma Trận phụ thuộc ma trận đồ thị có hướng 53 Hình 3.6 Khóa định phụ thuộc bắc cầu 54 Hình 3.7 E phụ thuộc vào BC qua AB 55 Hình 3.8 Khởi tạo ma trận DM DG 55 Hình 3.9 BC ban đầu trả 56 Hình 3.10 Đồ thị phụ thuộc cho Ví dụ 3.3 57 Hình 3.11 Ma trận phụ thuộc ban đầu cho hình 3.10 57 Hình 3.12 Ma trận DG cho Ví dụ 3.3 58 Hình 3.13 Phụ thuộc bắc cầu khóa xác định 58 Hình 3.14 ma trận phụ thuộc bao đóng 58 Hình 3.15 Phụ thuộc hàm đồ thị sơ đồ 59 Hình 3.16 Cây khung 60 Hình 3.17 Đồ thị lược đồ phụ thuộc hàm 60 Hình 3.18 Cây khung 61 Hình 3.19 Sơ đồ khóa dự tuyển tương đương 61 Hình 3.20 Đồ thị lược đồ phụ thuộc ví dụ 3.5 62 Hình 3.21 Đồ thị Cây khung (STG) ví dụ 3.5 63 Hình 3.22 Sơ đồ khóa ứng tuyển tương đương 64 Hình 3.23 Cây khung ví dụ 3.4 64 Hình 3.24 Cây đại diện cho tất bảng chuẩn hố 65 Hình 4.1 Đồ thị phụ thuộc bao đóng 66 Hình 4.2 Ma trận phụ thuộc bao đóng ban đầu cho hình 4.1 67 Hình 4.3 Ma trận DG 67 Hình 4.4 Khóa dự tuyển phụ thuộc bắc cầu 67 Hình 4.5 ma trận phụ thuộc bao đóng 68 Hình 4.6 After Circular Dependency 68 Hình 4.7 Các thiết lập phụ thuộc tối ưu 69 Hình 4.8 Cơ sở liệu chuẩn hố lên đến 2NF 70 Hình 4.9 dạng chuẩn thứ ba 71 Hình 4.10 Cơ sở liệu chuẩn hoá lên đến BCNF 72 10 phụ thuộc cách sử dụng tập hợp ký hiệu đơn giản Trong đồ thị, mũi tên biểu tượng quan trọng sử dụng Bên cạnh đó, theo cách đại diện cho mối quan hệ đồ thị, (dấu chấm) đường ngang phân tách khố đơn (ví dụ: thuộc tính) từ khóa kép (tức là, khóa gồm nhiều thuộc tính) Một đồ thị phụ thuộc tạo cách sử dụng quy tắc sau Mỗi thuộc tính bảng bao quanh Mỗi khoá kép (nếu có) bao quanh tất hỗn hợp khóa bên đỉnh đồ thị Tất phụ thuộc hàm vẽ mũi tên Tất phụ thuộc quy luật phản xạ vẽ mũi tên dấu chấm (ví dụ AB A, AB B) Hãy xem xét thiết lập phụ thuộc hàm Ví dụ 3.1 [2] cho mối quan hệ r Ví dụ 3.1 FD = {A BCD, C D, EF DG, D G} Hình 3.1: sơ đồ đồ thị phụ thuộc Ví dụ 3.1 Nếu có tất phụ thuộc khố định, tạo tất phụ thuộc tất thuộc tính mối quan hệ 50 Tìm kiếm theo chiều sâu (DFS) thuật tốn để duyệt qua hay tìm kiếm cấu trúc liệu đồ thị Ta bắt đầu gốc (Lựa chọn số nút tùy ý gốc trường hợp đồ thị) qua nhiều nhánh tốt trước quay lui Từ Cây khung đồ thị kết nối đồ thị con, khơng có chu kỳ, tất nút truy cập cách sử dụng thuật tốn tìm kiếm theo chiều sâu Sử dụng thuật tốn tìm kiếm theo chiều sâu (DFS) tính chất bắc cầu Armstrong, Cây khung (STG) xây dựng Từ biểu đồ sử dụng cho thuật toán chuẩn hóa mà chúng tơi giới thiệu Hình 3.2 Cây khung (STG) 2.2.2 Đồ thị phụ thuộc ma trận Từ đồ thị phụ thuộc, tương ứng Phụ thuộc ma trận (DM) tạo sau: Định nghĩa ma trận DM [n] [m], với n = số thuộc tính định khóa m = số đơn khóa (là khóa có thuộc tính) Giả sử β ⊆ α, γ ⊄ α β, γ ∈ {Thiết lập khóa đơn} α ∈ {Thiết lập thuộc tính định khóa} Thiết lập phần tử DM sau: 51 α → β DM [α] [β] = 2, α → γ DM [α] [γ] = 1, Nếu không DM [α] [γ] = 0, DM ví dụ 3.1 thể hình 3.3 Hình 3.3 ma trận phụ thuộc ban đầu 2.2.3 Đồ thị ma trận có hướng Các đồ thị ma trận có hướng (DG) cho thuộc tính định khóađược sử dụng để đại diện cho tất phụ thuộc trực tiếpcó thể làm DG n × n ma trận n số thuộc tính định khóa Q trình xác định phần tử ma trận theo Các phần tử ma trận DG ban đầu thiết lập Bắt đầu từ dòng ma trận phụ thuộc DM, ma trận nghiên cứu phương pháp tiếp cận chủ yếu hàng Giả sử nghiên cứu hàng tương ứng với yếu tố định khóa x Nếu khố đơn mà x bao gồm phụ thuộc vào yếu tố định quan trọng khác x x phụ thuộc vào yếu tố định khóa (quy tắc augmentation Armstrong) Sự phụ thuộc khóa đơn để thuộc tính định khóa đại diện số khơng ma trận DM Ví dụ 3.2: giả sử FD = {AB E, BC A, DE A} Các ma trận phụ thuộc tương ứng ma trận đồ thị có hướng ban đầu thể hình 3.4 52 (a): Ma trận phụ thuộc (b): Ma trận đồ thị có hướng Hình 3.4 Khởi tạo ma trận DM DG Trong phần (a) hình 3.5, bắt đầu với hàng ma trận DM Các thuộc tính định khóacủa hàng AB A B tập AB mà xuất cột hai ma trận Trong hàng một, cột hai khác khơng Do AB phụ thuộc vào AB Xem xét hàng thứ hai, cột hai khác khơng Do đó, AB phụ thuộc vào BC Tuy nhiên, hàng thứ ba, khơng phải trường hợp mà A B phụ thuộc vào DE Do đó, giá trị -1 đặt tronggiao điểm hàng DE cột AB ma trận DG phần (b) hình 3.5 (a) (b) Hình 3.5 Ma Trận phụ thuộc ma trận đồ thị có hướng Các thuật tốn tạo đồ thị DG sau : Directed- Graph-Matrix() { for (i=0; i