Nghiên cứu về phụ thuộc hàm và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Nguyễn Thị Việt Hà NGHIÊN CỨU VỀ PHỤ THUỘC HÀM VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên - 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT Nguyễn Thị Việt Hà NGHIÊN CỨU VỀ PHỤ THUỘC HÀM VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Vũ Đức Thi Thái Nguyên - 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn i LỜI CẢM ƠN Tơi xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Vũ Đức Thi, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm q‎ báu giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu, thực hoàn thành luận văn Tơi xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy cô giáo Viện Công nghệ Thông tin, ngƣời truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm qu‎ý báu cho Và xin trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin & truyền thông - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt khóa học Cuối cùng, tơi xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp gia đình giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Thái Nguyên, tháng 10 năm 2011 Ngƣời viết Nguyễn Thị Việt Hà Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tơi tìm hiểu, nghiên cứu thực theo đề cƣơng đƣợc hội đồng khoa học Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin & truyền thông - Đại học Thái Nguyên duyệt, đƣợc Thầy giáo hƣớng dẫn kiểm tra kiểm soát Nội dung luận văn, phần trích lục tài liệu hồn tồn xác Nếu có sai sót tơi hồn toàn chịu trách nhiệm Tác giả Nguyễn Thị Việt Hà Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU Chƣơng 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 1.1 Khái qt mơ hình liệu quan hệ 1.2 Phụ thuộc hàm, khóa, hệ tiên đề Armstrong 1.3 Phụ thuộc đa trị phụ thuộc kết nối 16 1.4 Mô tả tƣơng đƣơng họ phụ thuộc hàm 19 1.5 Xây dựng thuật toán liên quan đến khoá 21 1.5.1 Thuật tốn tìm khoá tối tiểu quan hệ 21 1.5.2 Thuật tốn tìm khố tối tiểu lƣợc đồ quan hệ 22 1.5.3 Xây dựng thuật tốn tìm khố tối tiểu lƣợc đồ quan hệ 23 1.6 Mối quan hệ quan hệ Armstrong lƣợc đồ quan hệ 25 1.6.1 Xây dựng thuật tốn tìm quan hệ Armstrong dựa LQHĐ 25 1.6.2 Xây dựng thuật toán tìm lƣợc đồ quan hệ dựa quan hệ Armstrong 29 Chƣơng 2: CÁC DẠNG CHUẨN VÀ CÁC THUẬT TOÁN LIÊN QUAN 33 2.1 Các khái niệm 33 2.2 Các dạng chuẩn 36 2.2.1 Dạng chuẩn 1NF 36 2.2.2 Dạng chuẩn 2NF 36 2.2.3 Dạng chuẩn 3NF 38 2.2.4 Dạng chuẩn Boyce - Codd 40 2.3 Các thuật toán liên quan 41 2.3.1 Thuật toán kiểm tra quan hệ 3NF 41 2.3.2 Thuật tốn phân tách 3NF bảo tồn thuộc tính PTH 42 2.3.3 Thuật toán kiểm tra xem quan hệ có BCNF khơng 43 2.3.4 Thuật toán tách lƣợc đồ quan hệ thành BCNF 44 2.3.5 Thuật toán kiểm tra quan hệ cho trƣớc dạng chuẩn BCNF hay chƣa 45 2.3.6 Thuật toán kiểm tra phép tách kết nối không mát thông tin 46 2.3.7 Thuật tốn kiểm tra phép tách nối khơng thơng tin trƣờng hợp có phụ thuộc đa trị 47 2.3.8 Thuật tốn tính bao đóng tập thuộc tính tập phụ thuộc hàm sơ đồ quan hệ 48 2.4 Dạng chuẩn hệ khóa 48 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn iv Chƣơng 3: MỘT SỐ PHÉP TOÁN XỬ LÝ BẢNG 51 3.1 Phép chiếu 51 3.2 Phép chọn 52 3.3 Phép hợp 53 3.4 Phép giao 54 3.5 Phép trừ 55 3.6 Tích Đề hai quan hệ 56 3.7 Phép chia hai quan hệ 57 3.8 Phép kết nối 58 Chƣơng 4: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 60 4.1 Giới thiệu chƣơng trình 60 4.2 Các chức chƣơng trình 60 4.3 Giao diện chƣơng trình 61 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT CSDL Cơ sở liệu LĐQH Lƣợc đồ quan hệ PTH Phụ thuộc hàm 1NF 1st normal form - Dạng chuẩn 2NF 2nd normal form - Dạng chuẩn 3NF 3rd normal form - Dạng chuẩn BCNF Dạng chuẩn Boyce –Codd  Tồn  Không tồn  Là  Chứa  Thuộc  Không thuộc  Với X+ Bao đóng tập thuộc tính X  Rỗng  Phép giao  Phép hợp  Không thuộc tập Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH STT HÌNH TÊN HÌNH 4.1 Giao diện chƣơng trình 61 4.2 Tạo thuộc tính 61 4.3 Mở tập thuộc tính 62 4.4 Lƣu tập thuộc tính 62 4.5 Xóa thuộc tính 63 4.6 Tạo phụ thuộc hàm 63 4.7 Mởi tập phụ thuộc hàm 64 4.8 Lƣu tập phụ thuộc hàm 64 4.9 Xóa phụ thuộc hàm 65 10 4.10 Kiểm tra thuộc tính có phải khóa? 65 11 4.11 Tìm tất khóa, siêu khóa 66 12 4.12 Tìm bao đóng tập thuộc tính 66 13 4.13 Kiểm tra quan hệ có dạng BCNF? 67 13 4.14 Thốt 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN TRANG http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Ngày nay, bùng nổ phát triển thông tin truyền thông đáp ứng phục vụ hầu hết lĩnh vực thông tin kinh tế - xã hội, khoa học - kỹ thuật, an ninh - quốc phòng nhƣ mặt đời sống xã hội, dƣới quy mô từ nhỏ đến lớn Trong việc thực hiện, sử dụng quản lý phát triển công nghệ thông tin năm đơi với quản lý sở liệu, thơng tin cần quản lý máy tính theo quy trình cụ thể phải đƣợc thể liệu ghi dạng tải Chính vậy, ta nói đến quản lý thông tin tức quản lý liệu Sau tìm hiểu thấy thành tựu to lớn ứng dụng công nghệ thông tin tất lĩnh vực đời sống xã hội việc quản lý sở liệu, chuẩn hố sở liệu phụ thuộc hàm có ý nghĩa quan trọng đậm tính khoa học cơng nghệ, công cụ để mô tả thực tiễn phục vụ cho việc chuẩn hoá hệ sở liệu, mạnh dạn chọn đề tài luận văn “ Nghiên cứu phụ thuộc hàm ứng dụng” Đối tƣợng tìm hiểu nghiên cứu đề tài: nghiên cứu sở lý thuyết phụ thuộc hàm, tƣơng quan thuộc tính quan hệ, từ hiểu đƣợc phụ thuộc hàm giá trị thuộc tính đƣợc xác định số thuộc tính khác Ứng dụng phụ thuộc hàm chuẩn hóa liệu mơ hình liệu quan hệ, phụ thuộc hàm công cụ dùng để biểu diễn cách hình thức ràng buộc tồn vẹn, nói cơng quan trọng, gắn chặt với lý thuyết thiết kế sở liệu, Phụ thuộc hàm nội dung có ý nghĩa quan trọng trình thiết kế, quan hệ đƣợc chuẩn hóa, dị thƣờng xuất trình thao tác liệu đƣợc loại bỏ Nhờ có mơ tả Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn phụ thuộc hàm mà hệ quản trị sở liệu quản lý tốt đƣợc chất lƣợng liệu Ý nghĩa khoa học đề tài: Dùng phụ thuộc hàm để mô tả thực tiễn phục vụ cho việc chuẩn hoá hệ sở liệu Phụ thuộc hàm đóng vai trị quan trọng việc mô tả giới thực, phản ánh mối ràng buộc quản lý sở liệu, có nhiều ứng dụng lĩnh vực quản lý sở liệu(CSDL), tối ƣu hóa truy vấn… Phƣơng pháp nghiên cứu: luận văn sử dụng phƣơng pháp thu thập, phân tích tổng hợp tài liệu thơng tin có liên quan đến đề tài Trên sở nghiên cứu phụ thuộc hàm xây dựng toán thực nghiệm để chứng minh nghiên cứu lý thuyết Hƣớng nghiên cứu đề tài: tìm hiểu sở lý thuyết phụ thuộc hàm; số ứng dụng việc giải toán nhƣ: tìm bao đóng, tìm khố, tìm phủ tối thiểu; xác định dạng chuẩn tìm hiểu cách thức chuẩn hoá sở liệu Luận văn gồm nội dung sau: Chƣơng 1: Các kiến thức sở liệu Chƣơng 2: Các dạng chuẩn thuật toán liên quan Chƣơng 3: Một số phép toán xử lý bảng Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình ứng dụng Kết luận hƣớng phát triển Thái Nguyên, năm 2011 Học viên: Nguyễn Thị Việt Hà Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 55 Kết quan hệ có thuộc tính thuộc tính quan hệ r, gồm xuất hai quan hệ Ví dụ 3.4: Cho quan hệ r s nhƣ sau: r: A B C a1 b1 c1 a2 b1 c2 a2 b2 c1 A B C a1 b1 c1 a2 b2 c2 A B C a1 b1 c1 s:  r s : 3.5 Phép trừ Hiệu quan hệ r s tập hợp thuộc r nhƣng không thuộc s Điều kiện phép hiệu quan hệ r s phải lƣợc đồ Biểu diễn hình thức phép hiệu: r - s = {t | t  r  t s} Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 56 Kết quan hệ có thuộc tính thuộc tính quan hệ r, gồm xuất r mà khơng có s Ví dụ 3.5: Cho quan hệ r s nhƣ sau: r: A B C a1 b1 c1 a2 b1 c2 a2 b2 c1 s:  r - s: A B C a1 b1 c1 a2 b2 c2 A B C a2 b1 c2 a2 b2 c1 3.6 Tích Đề hai quan hệ Gọi r quan hệ xác định tập thuộc tính {A1, A2, … , An} s quan hệ xác định tập thuộc tính {B1, B2, , Bm} Tích Đề r s tập (n+m) với n thành phần đầu có dạng thuộc r m thành phần sau có dạng thuộc s Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 57 Trong phép tính Đề các, quan hệ khơng lƣợc đồ Biểu diễn hình thức phép tích Đề các: r x s = {(t,u) | t  r  u s} Nhận xét: Vì ta có |t| = n |u| = m nên suy |(t,u)| = n x m thành phần Ví dụ 3.6: Cho quan hệ r s nhƣ sau: rxs r: s: A B C A B C a1 b c1 a1 b c1 a2 b c4 a1 b c3 Ar Br Cr As Bs Cs a1 b1 c1 a1 b1 c1 a2 b3 c4 a1 b2 c3 a1 b1 c1 a1 b2 c3 a2 b3 c4 a1 b2 c3 3.7 Phép chia hai quan hệ Gọi r quan hệ n - s quan hệ m - (n > m s  ) Phép chia r cho s tập tất (n - m) t cho với u s (t,u) r: r  s = {u = (A1, A2, , Ap)| v s: (u,v) r} Với điều kiện phép chia là: s phải tập thực r, tức là: { Ap+1, Ap+2, , Am}  { A1, A2 , , An} Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 58 Ví dụ 3.7: Cho quan hệ r s nhƣ sau: r A B C s a1 b c C a1 b c c1 a2 b c c4 a1 b c  r  s: A B a1 b 3.8 Phép kết nối Phép kết nối quan hệ r tập thuộc tính {A1, A2, … , An} quan hệ s tập thuộc tính {B1, B2, … , Bm} theo điều kiện A  B đƣợc định nghĩa hình thức nhƣ sau: r  s = {(t,u)| t  r u  s t[A] u [B]} AB Trong  phép so sánh: , , ,  Tất nhiên, giả thiết giá trị cột r[A] so sánh đƣợc (qua phép ) với giá trị cột s [B] Ta định nghĩa phép kết nối thông qua phép chọn theo điều kiện  nhƣ sau: r  s = (rxs; ) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 59 Ví dụ 3.8: Cho quan hệ: r: s: A B C D E b1 c1 d1 b2 c2 d2 b3 c4  r  s: r.A>s.E A B C D E b c2 d 1 b c4 d 1 Trƣờng hợp đặc biệt phép kết nối kết nối ( phép ‘=’):  r  s: r.A=s.E A B C D E b c1 d 1 Trƣờng hợp đặc biệt kết nối kết nối tự nhiên, đổi tên thuộc tính E thành A quan hệ s ta suy ra:  r  s: r:A=s.A A B C D b c1 d Phép kết nối tự nhiên ký hiệu đơn giản nhƣ sau: r  s Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 60 Chƣơng 4: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 4.1 Giới thiệu chƣơng trình Cơ sở liệu chuyên ngành quan trọng bậc lĩnh vực công nghệ thông tin Hầu hết, sở liệu đƣợc vận dụng để xây dựng phần mềm nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế Tuy nhiên, phần mềm đƣợc xây dựng để hỗ trợ việc thiết kế kiểm tra tính chất sở liệu chƣa nhiều Để thực nghiệm ứng dụng phụ thuộc hàm, chƣơng trình bày mơ chƣơng trình ứng dụng phụ thuộc hàm chuẩn hóa liệu mơ hình liệu quan hệ, với tập thuộc tính lƣợc đồ quan hệ, chƣơng trình thực kiểm tra thuộc tính có phải khóa hay khơng; tìm bao đóng tập thuộc tính; tìm tất khố siêu khóa; kiểm tra dạng chuẩn lƣợc đồ quan hệ Cài đặt chƣơng trình ứng dụng nhằm mục đích mơ kết nghiên cứu đƣợc học viên Chƣơng trình có giao diện đơn giản, dễ sử dụng, dễ hiểu đƣợc viết ngôn ngữ Visual Basic 2005, ngôn ngữ phổ biến, dễ học, dễ hiểu, hƣớng đối tƣợng… cho phép tạo giao diện nhanh, dễ dàng 4.2 Các chức chƣơng trình Các chức chƣơng trình bao gồm: - Menu Chuẩn bị liệu gồm: tạo, lƣu, mở xóa tập thuộc tính - Menu Chuẩn bị phụ thuộc hàm gồm: tạo, lƣu, mở xóa tập PTH - Menu Các thuật tốn gồm: kiểm tra thuộc tính có phải khóa hay khơng, tìm bao đóng tập thuộc tính, tìm tất khố siêu khóa, kiểm tra quan hệ có BCNF khỏi chƣơng trình Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 61 4.3 Giao diện chƣơng trình Khi chạy chƣơng trình, giao diện nhƣ hình 4.1 Hình 4.1: Giao diện chương trình - Để kiểm tra phụ thuộc hàm tập thuộc tính lƣợc đồ quan hệ, trƣớc hết ta chọn nút tạo thuộc tính CSDL, giao diện chƣơng trình xuất nhƣ hình 4.2 Hình 4.2: Tạo thuộc tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 62 - Ta mở tập thuộc tính có sẵn, lƣu thuộc tính, hay xóa thuộc tính cách nháy chuột vào nút chuẩn bị liệu chọn chức tƣơng ứng, giao diện nhƣ hình sau: Hình 4.3: Mở tập thuộc tính Hình 4.4: Lưu tập thuộc tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 63 Hình 4.5: Xóa thuộc tính - Tƣơng tự nhƣ menu Chuẩn bị liệu ta có chức tạo PTH, mở tập PTH có sẵn, lƣu tập PTH, hay xóa tập PTH, giao diện nhƣ hình sau: Hình 4.6: Tạo phụ thuộc hàm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 64 Hình 4.7: Mở tập phụ thuộc hàm Hình 4.8: Lưu tập phụ thuộc hàm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 65 Hình 4.9: Xóa phụ thuộc hàm - Khi thực kiểm tra tập thuộc tính có phải khóa hay khơng ta có giao diện nhƣ hình 4.10 Hình 4.10: Kiểm tra tập thuộc tính có phải khóa? Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 66 - Tìm tất khóa, siêu khóa có giao diện Hình 4.11: Tìm tất khóa, siêu khóa - Tìm bao đóng tập thuộc tính, giao diện nhƣ hình dƣới Hình 4.12: Tìm bao đóng tập thuộc tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 67 - Kiểm tra sơ đồ quan hệ có dạng chuẩn BCNF hay khơng, có giao diện nhƣ sau: Hình 4.13: Kiểm tra quan hệ có dạng BCNF? - Chức có giao diện nhƣ sau: Hình 4.14: Thốt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 68 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Với mục đích học tập nghiên cứu phụ thuộc hàm, luận văn tác giả trình bày kết tìm hiểu lĩnh vực Các nội dung đƣợc tìm hiểu là: Các kiến thức sở liệu Trình bày chi tiết dạng chuẩn thuật toán có liên quan Trình bày số phép tốn xử lý bảng Xây dựng chƣơng trình ứng dụng mơ vấn đề lý thuyết nghiên cứu Luận văn giải tốt nội dung, yêu cầu nghiên cứu đặt ra, qua tác giả lĩnh hội đựợc nhiều kiến thức CSDL đặc biệt tri thức PTH Tuy nhiên, nhiều vấn đề mà tác giả cịn phải tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu thêm Hƣớng phát triển tiếp đề tài: - Phát triển phụ thuộc liệu loại - Thiết kế tổ chức kho liệu - Cùng phát triển với phƣơng pháp khai phá liệu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Vũ Đức Thi (1997), Cơ sở liệu-Kiến thức thực hành, Nhà xuất Thống kê, Hà Nội [2] Vũ Đức Thi (1999), Thuật toán tin học Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Lê Tiến Vƣơng (1996), Nhập môn sở liệu quan hệ, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Một số kết nghiên cứu tác giả Vũ Đức Thi - Viện Công nghệ Thông tin [5] Vũ Đức Thi (2010), Cơ sở liệu nâng cao Nhà xuất Đại học Thái Nguyên [6] Date C.J (1986), Nhập môn hệ sở liệu, Hồ Thuần, Nguyễn Xuân Huy dịch, Nhà xuất Thống kê, Hà Nội Tiếng Anh [7] Demetrovics J, Thi V.D (1988), Some results about functional dependencies, Acta Cybernetical 8,3,273-278 [8] Demetrovics J, Thi V.D (1988), Relations and minumal keys, Acta Cybernetical 8,3,279-285 [9] Demetrovics J, Thi V.D (1994), Normal Forms and Minimal Keys in the Relational Datamodel, Acta Cybernetical Vol.11,3,205-215 [10] Demetrovics J, Thi V.D (1996), Some results about normal forms for functional dependency in the relational datamodel, Discrete Aplied Mathematics 69, 61-74 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ... văn “ Nghiên cứu phụ thuộc hàm ứng dụng? ?? Đối tƣợng tìm hiểu nghiên cứu đề tài: nghiên cứu sở lý thuyết phụ thuộc hàm, tƣơng quan thuộc tính quan hệ, từ hiểu đƣợc phụ thuộc hàm giá trị thuộc tính... Tạo thuộc tính 61 4.3 Mở tập thuộc tính 62 4.4 Lƣu tập thuộc tính 62 4.5 Xóa thuộc tính 63 4.6 Tạo phụ thuộc hàm 63 4.7 Mởi tập phụ thuộc hàm 64 4.8 Lƣu tập phụ thuộc hàm 64 4.9 Xóa phụ thuộc hàm. .. gọi họ sở phụ thuộc X Thuật tốn 1.4: Tính sở phụ thuộc Để tính sở phụ thuộc X F cần tính sở phụ thuộc phụ thuộc đa trị Vào: Tập phụ thuộc đa trị M tập thuộc tính R X  R Ra: Cơ sở phụ thuộc X M