книги / Структурный подход к организации баз данных

Отношение ПАЦИЕНТ

Рис. 5.8. Три отношения во второй нор­ мальной форме. Первичным ключом отно­ шения ПАЦИЕНТ является «Номер паци­

ента», первичным	ключом	отношения
ХИРУРГ — «Номер	патента	хирурга».
Первичный ключ	отношения	ОПЕРА­

Ц И Я — «Номер пациента» + «Номер па­ тента хирурга» + «Дата операции»

Всякое отношение во второй нормальной форме одновременно яв­ ляется и отношением в первой нормальной форме.

Аномалии включения, обновления и удаления отношений, находящих­ ся во второй нормальной форме. На рис. 5.7а, б, в представлены три отношения во второй нормальной форме. После того, как отношение, находящееся в первой нормальной форме (оно показано на рис. 5.5), привели ко второй нормальной форме, ряд аномалий удалось устранить.

В к л юч е ние ( т и п 1). Теперь можно ввести сведения о пациенте, который ни разу не подвергался операции в данном госпитале и который не приписан ни к одному хирургу. Информация вводится в отношение,

показанное на рис.	5.7а.
В к л юч е н и е	( тип 2). Вводя новый кортеж в отношение, пока­

занное на рис. 5.76, можно запомнить сведения о новом хирурге, еще не выполнившем ни одной операции в данном госпитале.

У д а л е н и е ( тип 1). После смерти Чарльза	Брауна могут быть
удалены соответствующие кортежи из отношений,	представленных на

рис., 5.7а и 5.76. Информация о хирурге Дэвиде Розене по-прежнему хранится в отношении, показанном на рис. 5.76.

Об н о в л е н и е . Если Джон Уайт поступает в госпиталь в третий раз и его адрес в промежутке между вторым и третьим поступлениями изменился, то сведения о его адресе будут изменены только в отношении, показанном на рис. 5.7а. Изменения не затронут отношение, показанное на рис. 5.76. Однако еще не все аномалии устранены.

А н о м а л и я в к л юч е н и я . До тех пор, пока конкретный препарат не назначен какому-либо пациенту, сведения о побочном эффекте, вызы­ ваемом его применением, ввести невозможно. Так, нельзя ввести новый кортеж в отношение на рис. 5.7в до тех пор, пока пациента не прооперируют

ине назначат ему препарат.'

Ан о м а л и я у д а л е н и я . По-прежнему имеется аномалия удале­ ния, связанная с функциональной зависимостью одного неключевого атрибута отношения от другого. Если в результате инъекций пенициллина у Джона Уайта возникла серьезная сыпь, и после этого ему был назначен другой препарат, то при изменении атрибутов «Препарат, назначенный после операции» и «Побочный эффект» сведения о том, что применение пенициллина вызывает сыпь, будут потеряны. Поскольку рассматривае­ мый кортеж является единственным источником такой информации, по­ теря ее нежелательна.

Ан о м а л и я о б н о в л е н и я . Побочный эффект от применения пре­ парата появляется в отношении, показанном на рис. 5.7в, в нескольких кортежах. Если изготовитель конкретного препарата изменит его формулу, то изменится и побочный эффект. При этом возникает альтернатива: либо полностью просматривать отношение, показанное на рис. 5.7в и изменять значение атрибута «Побочный эффект» всякий раз, когда на­ значается данный препарат, либо идти на нарушение непротиворечивости

данных, когда в некоторых кортежах побочный эффект будет изменен, а в некоторых — нет (это — чисто иллюстративный пример). Аномалии включения, удаления и обновления связаны в этом случае с тем, что неключевой атрибут «Побочный эффект» зависит от другого неключевого атрибута — «Препарат, назначенный после операции». Зависимость та­ кого рода называется транзитивной (рис. 5.9).

Указанные проблемы удается разрешить, если разбить отношение, показанное на рис. 5.7в, на два отношения (рис. 5.10в, г).

Поскольку аномалии для отношений, показанные на рис. 5.7а и 5.76, не выявлены, на рис. 5.10а и 5.106 они оставлены без изменений.

Необходимо отметить, что приведение отношений, находящихся во второй нормальной форме, к третьей нормальной форме происходит точно так же, как переход от первой нормальной формы ко второй, только в первом случае рассматриваются неключевые атрибуты. При приведении отношений в первой нормальной форме ко второй Нор­ мальной форме исследуются зависимости неключевых атрибутов от ключе­ вых. Если же отношение во второй нормальной форме приводится к третьей нормальной форме, рассматриваются взаимосвязи между неклю­ чевыми атрибутами.

Отношения ПАЦИЕНТ, ХИРУРГ, ПАЦИЕНТ-И-ХИРУРГ и ПРЕПА­ РАТ, представленные на рис. 5.10а, б, в, г, находятся в третьей нормаль­ ной форме. Эти отношения показаны на рис. 5.11 в виде диаграммы.

Отметим, что при просмотре отношения ПРЕПАРАТ можно также получить ответ на вопрос типа «Кто принимает или принимал тетрацик­ лин?»

					I-----------
	Н о м е р	Н о м е р			П р е п а р а т ,
			Д а т а		н а з н а ч е н н ы й	П о б о ч н ы й
		п а т е н т а		О п е р а ц и я
	п а ц и е н т а		о п е р а ц и и		п о с л е	э ф ф е к т
		х и р у р г а
					о п е р а ц и и
	1111	145	01.01.77	Удаление камней из желч­	Пенициллин	Сыпь
	»			ного пузыря
	1111	311	12.06.77	Удаление камней из почек	—	—
	1234	243	05.04.76	Удаление катаракты	Тетрациклин	Лихорадка
	1234	467	10.05.77	Удаление тромба	—	—
	2345	189	08.01.78	Операция на открытом	Цефалдспорин	—
				сердце
	487б	145	05.11.77	Удаление желчного пузыря	ДеМициллин	—
	5123	145	10.05.77	Удаление камней из желч­	—	—
				ного пузыря
	6845	243	05.04.76	Замещение роговицы глаза	Тетрациклин	Лихорадка
	6845	243	16.12.76	Удаление катаракты	—	—
	Рис. 5.9. Представление данных с помощью реляционной модели
	Номер пациента			Препарат,
	+			назначенный		Побочный
	Номер патента хирурга			после
						эффект
	+			операции

Дата операции

Препарат, назначенный после операции, не являющийся частью первичного ключа, одно­ значно определяет неключевой атрибут «Побочный эффект». Такая зависимость между неключевыми атрибутами называется транзитивной

Таблица ПАЦИЕНТ

. _г

Н о м е р	И м я		А д р е с
1111	Джон Уайт	15	Нью стрит, Нью-Йорк, Н.-Й.
1234	Мэри Джонс	10	Мэйн стрит, Рай, Н.-Й.
2345	Чарльз Браун	До<вуд Лэйн, Харрисон, Н.-Й.
4876	Хол Кейн	55	Бостон Пост роуд, Честер, Конн.
5123	Пол Кошер	Блайнд Брук, Мамаронек, Н.-Й.
6845	Энн Худ	Хилтон роуд, Ларчмонт, Н.-Й.

Рис. 5.10а. Представление данных с помощью реляционной модели. Первичным ключом является «Номер пациента»

Отношение в третьей нормальной форме. Считается, что отношение находится в третьей нормальной форме, если устранена функциональная транзитивная зависимость между неключевыми атрибутами. (Когда один неключевой атрибут может быть специфицирован одним или несколькими

,1-----------

Н о м е р п а т е н т а И м я

145	Бет Литл
189	Дэвид Розен
243	Чарльз Филд
311	Майкл Дацмонд
467	Патриция ГоЛД

Рис. 5.106. Представление данных с по­ мощью реляционной модели. Первич­ ный ключ составляет «Номер патента хирурга»

Отношение ПАЦИЕНТ-И-ХИРУРГ

	Н о м е р	Н о м е р	Д а т а		П р е п а р а т ,
				О п е р а ц и я	н а з н а ч е н н ы й
	п а ц и е н т а	п а т е н т а	о п е р а ц и и		п о с л е
					о п е р а ц и и

1111	145	01.01.77	Удаление камней из желчного пузыря	Пенициллин
1111	311	12.06.77	Удаление камней из почек	—
1234	243	05.04.76	Удаление катаракты	Тетрациклин
1234	467	10.05.77	Удаление тромба	—
2345	189	08.01.78	Операция на открытом сердце	Цефалдспо-
				рин
4876	145	05.11.77	Удаление желчного пузыря	Демициллин
5123	145	10.05.77	Удаление камней из желчного пузыря	—
6845	243	05.04.76	Замещение роговицы глаза	Тетрациклин
6845	243	15.12.76	Удаление катаракты	------------------.

Рис. 5.10в. Представление данных с помощью реляционной модели. Первичным ключом является «Номер пациента» 4 «Номер патента хирурга» + «Дата операции». Неключевые атрибуты составляют «Операция» и «Препарат, назначенный после операции»

другими неключевыми атрибутами, то говорят о наличии транзитивной функциональной зависимости. Побочный эффект определяется назначен­ ным препаратом, поэтому между ними имеется транзитивная функцио­ нальная зависимость.) Соответственно если имеются неключевые атрибу­ ты, между которыми существует функциональйая зависимость, то отноше­ ние не находится в третьей нормальной форме.

В результате разделения отношения, представленного на рис. 5.7в, на два новых отношения удается устранить аномалии (рис. 5.10в и 5.Юг).

Вк люче ние . Теперь можно ввести сведения о конкретном пре­ парате и побочном эффекте, который вызывает его применение, вне за­

висимости от того,	был ли назначен	данный препарат	пациенту
(рис. 5.Юг).
Уд а л е ние . Если Джону Уайту после появления сыпи в результате
инъекций пенициллина	назначается другой	препарат, то факт,	что при-

• 1

П р е п а р а т ,

н а з н а ч е н н ы й п о с л е о п е р а ц и и	П о б о ч н ы й э ф ф е к т
Пенициллин	Сыпь	Рис. 5.10г.	Представление		данных
		с помощью	реляционной		модели.
Тетрациклин	Лихорадка	Отношение	находится	в	третьей
Цефалдспорин		нормальной	.форме.	Первичный
Демициллин		ключ — «Препарат,		назначенный
		после операции»

Рис. 5.11. Четыре отнощения в третьей нормальной форме:

1.Отношение ПАЦИЕНТ. Первичный ключ — «Номер пациента».

2.Отношение ХИРУРГ. Первичный ключ — «Номер патента хирурга».

3.	Отношение ОПЕРАЦИЯ. Первичный ключ «Номер пациента»-{-«Номер патента хи­
рурга» + «Дата операций».
4.	Отношение ПРЕПАРАТ. Первичный ключ— «Препарат, назначенный после операции»

менение пенициллина вызывает появление сыпи, может быть отражен в отношении, показанном на рис. 5.10г.

Об н о в л е н и е . Побочный эффект от применения препарата запоми­ нается в отношении, приведенном на рис. 5. Юг, только один раз.

Важно отметить, что преобразование отношения, находящегося в первой нормальной форме, в ряд отношений, находящихся в третьей нормальной форме, не приводит к потере информации. Другими словами, вся информация, которая может быть получена из исходного отношения (рис. 5.5), может быть получена и из отношений, которые показаны на рис. 5.10а, б, в и г. Отношение рис. 5.5 можно восстановить из отноше­ ний, показанных на рис. 5.10а — 5.10г. Кроме того, необходимо указать, что процесс нормализации отношений базируется на анализе взаимосвя­ зей между типами атрибутов и никак не связан с возможными значениями их экземпляров.

При проведении нормализации отношений разработчик базы данных должен четко представлять себе семантику данных, используемых в со­ ответствующей предметной области. В зависимости от того, как будет задана структура функциональных зависимостей между атрибутами, из­ менится и схема отношений, находящихся в третьей нормальной форме, получаемая после нормализации К

В результате нормализации мы получили четыре отношения, нахо­ дящиеся в третьей нормальной форме. Они представляют именно те объекты и их взаимосвязи, которые соответствуют нашему представлению о рассматриваемой предметной области: ПАЦИЕНТ, ХИРУРГ, ОПЕРА­ ЦИЯ и ПРЕПАРАТ. Эти отношения и составляют концептуальную модель предметной области.

5.3. ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

Известно, что подчас изображения служат более выразительным средством общения, чем речь. Для иллюстрации'процесса проектирования концептуальной модели воспользуемся двумя основными символами, изо­ бражающими главные компоненты модели: объекты и взаимосвязи.

Рассмотрим следующий пример.

Каждый студент университета слушает несколько курсов. В свою очередь каждый курс лекций посещает ряд студентов. Сведений только о курсах и студентах явно недостаточно, поскольку неясно, какая оценка получена конкретным студентом по данному курсу. С другой стороны, сведений только о курсах и об оценках также недостаточно. Необходимо знать, какие оценки получены каждым из студентов по каждому прослу­ шанному им курсу (рис. 5.12).

На рис. 5.13 представлена концептуальная модель предметной об­ ласти, взаимосвязи между объектами которой изображены на рис. 5.12

имогут интерпретироваться следующим образом:

•каждый студент может посещать несколько курсов;1

1 В ряде публикаций упоминается четвертая нормальная форма, приведение к которой позволяет решить ряд проблем, связанных с наличием многозначной зависи­ мости между атрибутами отношения. Автор считает, что в большинстве практических случаев достаточно проводить нормализацию вплоть до третьей нормальной формы.

Читатель,	интересующийся четвертой нормальной формой, может обратиться, например,
к работе	[2].

	ВТВ01	МА123	ги т 0Ф387 ХИ890
РобертБраун	А	В	А
Хеленплейн		А	А
ГарриКейн		А	В
Джим Уайт	А		А
ДжонФланк	С		С
		Многие"
СТУДЕНТ			КУРС

„Многие11

Рис. 5.12. Взаимосвязи между СТУДЕНТОМ, КУРСОМ и ОЦЕНКОЙ. Данный студент может изучать несколько курсов. Данный курс могут изучать несколько студентов. Оценка показывает степень усвоения курса студентом

Рис. 5.13. Графическое представление объектов. Данный студент может изучать несколько курсов. Данный курс могут изучать несколько студентов•

• по каждому кур>су могут заниматься несколько студентов;

•каждая конкретная оценка может и должна быть выставлена только одному студенту и только по одному курсу;

•двойная стрелка, связывающая студентов и оценки, отражает тот факт, что студент может иметь нуль, одну или несколько оценок в зависимости от числа курсов, которые он прослушал.

Двойная стрелка обозначает взаимосвязь типа «ко многим».

Мы воспользуемся здесь схематическим представлением концепту­ альной модели. Рассмотрим, как выявляются объекты, взаимосвязи между элементами данных, отражающими свойства объектов и взаимосвязи между самими объектами.

5.4. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Необходимо систематически исследовать назначение, а также вход­ ные и выходные данные для каждой прикладной программы, которая обращается к базе данных. При проектировании прежде всего должны учитываться требования конечных пользователей.

Процесс нормализации рассматривается здесь в контексте упрощен­ ной информационной системы университета. Подробнее этот пример описывается в приложении Б.

Элементы данных, их взаимосвязи и элементы, служащие ключами, определяются на основе концептуальных требований. С их помощью АБД сможет разработать концептуальную модель предметной области. При проектировании базы данных мы будем исходить из единственного представления конечного пользователя о предметной области, которая описана в приложении Б. Представление конечного пользователя 6 пред­ метной области иллюстрируется рис. 5.14. Проектирование базы данных с учетом представлений всех пользователей рассмотрено в приложе­ нии Б.

Элементы данных, используемые в концептуальных требованиях (рис. 5.14), перечислены на рис. 5.15.

Концептуальные требования основаны на следующих предположе­ ниях:

1.Студенту соответствует один идентификационный номер.

2.Идентификационный номер студента однозначно определяет его имя и статус, главный и второстепенный предметы и куратора.

З1 Курс с одним и тем же номером может быть прочитан в течение

различных семестров и в различных университетских городках. При чтении курса его название может меняться. Преподаватели, ведущие курс, от семестра к семестру могут меняться. Точно так же могут меняться университетский городок, аудитория и период, в течение которого чита­ ется данный курс.

4.В данный семестр определенный курс читает конкретный препода­ ватель. Занятия проводятся в конкретных университетском городке и аудитории. Зафиксирована также продолжительность курса и число за­ четов, которые будут приняты по этому курсу.

5.Студент вправе определить, сколько он собирается сдавать зачетов

Р А С П И С А Н И Е ЗА Н Я ТИ Й С Т У Д Е Н Т А НА С Е М Е С Т Р

С Е М Е С Т Р :

ВУЗ:

СТУДЕНТ

ИМ Я:

СТАТУС:

ГЛАВНЫЙ:

ВТОРОСТЕПЕННЫЙ:

КУРАТОР:

НОМ-	НАЗВ-
КУРСА	КУРСА

ВТ601 ВВЕДЕНИЕ В ВЫЧ

ТЕХНИКУ ВТ605 СТРУКТУРЫ

ДАННЫХ

Д ата: 7 С Е Н Т Я Б Р Я 1979 г.

О С ЕН Н И Й 1979: 15 С Е Н Т Я Б Р Я 1979 — 22 Д Е К А Б Р Я 1979 ГО С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т

123456789 ДЖОН Ф. СМИТ СТУДЕНТ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ГИМНАСТИКА ДЖОЗЕФ А. КОРРИГАН

	имя-	ЗАЧЕТЫ	ГОРОДОК	ДЕНЬ-	ЗДАНИЕ-НОМ
	ПРЕП			ВРЕМЯ	АУДИТОРИИ
	А. Б.	3	УАЙТ	СРЕДА 1 8 -2 0	АЛ201
	АДАМС		ПЛЭЙНС
	дж. С.	3	БРУКЛИН	ЧЕТВЕРГ 8— Ю	ГЛАВН605
	ФИНК

Рис. 5.14. Каждый студент получает такое расписание в начале каждого семестра. Оно служит подтверждением тому, что студент зачислен на определенный курс. Это расписание представляет «концептуальное требование» конечного пользователя

■СЕМЕСТР

ДНАЧСЕМ

ДКОНСЕМ НОМ-СТУДЕНТА СТАТУС ГЛАВНЫЙ

ВТОРОСТЕПЕННЫЙ

КУРАТОР НОМ-КУРСА

НАЗВ-КУРСА ИМЯ-ПРЕП

ЗАЧЕТЫ

ГОРОДОК

ДЕНЬ-ВРЕМЯ ЗДАНИЕ-НОМ-АУДИТОРИИ

Дате начала семестра Дата окончания семестра Номер студента Статус студента Главный предмет

Второстепенный предмет Куратор Номер курса

Название курса Имя преподавателя

Число зачетов, которые будет сдавать студент

Университетский городок, в котором проводятся занятия по курсу

День недели и время проведения занятий по курсу

Здание и номер аудитории, в которой проводятся занятия по курсу

Рис. 5.15. Элементы данных, представляющие объекты концептуальноготребования, показан­ ного на рис. 5.14 ■' '

по данному курсу в данном семестре; Слушатели, т. е. студенты, не сдаю* щие экзамены по данному курсу, сдают по нему и меньше зачетов.

Все эти предположения должны быть отражены в нашей концепту* альной модели.

Между элементами данных, приведенными на рнс. 5.15, существуют следующие отношения:

1. СЕМЕСТР ДНАЧСЕМ, ДКОНСЕМ. Конкретный семестр ха­ рактеризуется только одной датой начала (ДНАЧСЁМ) н одной датой окончания (ДКОНСЕМ) занятий, и наоборот. Это отображение типа «один к одному». Оно изображается с помощью двусторонней одинарной

стрелки «-+• или двух стрелок *==*. Из возможных ключей СЕМЕСТР,

ОДИН

ДНАЧСЕМ и ДКОНСЕМ в качестве первичного ключа выбран элемент СЕМЕСТР. Он подчеркнут.

2. НОМ-СТУДЕНТА <м- ИМЯ-СТУДЕНТА, СТАТУС, ГЛАВНЫЙ,

ВТОРОСТЕПЕННЫЙ, КУРАТОР. Для каждого номера студента (НОМСТУДЕНТА) имеется только одно ИМЯГСТУДЕНТА, СТАТУС (студен­ та) , один ГЛАВНЫЙ и один ВТОРОСТЕПЕННЫЙ (изучаемый предмет) и один КУРАТОР. Однако данным статусом могут обладать многие студенты. Точно так же многие студенты могут изучать один и тот же глав­ ный и второстепенный предметы. Соответственно и куратор курирует многих студентов. Это отображение типа «один ко многим»: Оно изобра-

один жается с помощью символа -**-►или многие

3.	СЕМЕСТР*НОМ-КУРСА * * НАЗВ-КУРСА, ИМЯ-ПРЕП, ГО­

РОДОК, ДЕНЬ-ВРЕМЯ, ЗДАНИЕ-НОМ-АУДИТОРИИ. В данном СЕ­ МЕСТРЕ для данного номера курса (НОМ-КУРСА) имеется одно НАЗВКУРСА, один преподаватель (ИМЯ-ПРЕП) (если курс ведут несколько

преподавателей, то они рассматриваются как «бригада»), один универси­

тетский ГОРОДОК, один ДЕНЬ-ВРЕМЯ и одно ЗДАНИЕ-НОМ-АУДИ- ТОРИИ, где проходят занятия.

Однако различные разделы одного и того же курса могут иметь одно название, но различные номера, например «Введение в вычислительную технику» ВТ601.1, ВТ601.2 и т. д. В течение семестра один преподава­ тель может вести несколько курсов, а в одном и том же здании в данном университетском городке одновременно могут проводиться занятия по не­ скольким курсам.

Данное отображение — типа «один ко многим»; в составной ключ входят элементы СЕМЕСТР и НОМ-КУРСА; оно изображается при

один

помощи символа —* или мн0гие.
За. НОМ-СТУДЕНТА*СЕМЕСТР	НОМ-КУРСА, ЗАЧЕТЫ.

Данный студент в течение семестра слушает несколько КУРСОВ, по ко­ торым сдает ряд ЗАЧЕТОВ. Данный курс слушают многие студенты, и может оказаться, что несколько студентов сдают одинаковое число за­ четов. Это отображение типа «многие ко многим»; оно может быть пред-

ставлено с помощью символа	или	многие
		» .
		многие

Отношения 1, 2 и 3 находятся в третьей нормальной форме, так как их ключи полностью определяют неключевые элементы данных. Кроме того, между неключевыми элементами не существует транзитивной зависимости. Отношение же За не находится даже в первой нормальной форме, поскольку здесь имеется отображение типа «многие ко многим». В отношении, которое находится в первой нормальной форме, между ключецыми и неключевыми элементами должно быть отображение типа «один ко многим» или «один к одному». В отношении во второй нормальной форме неключевые элементы не должны зависеть от частей ключа. Наконец в отношении в третьей нормальной форме' не должно быть транзитивной зависимости между неключевыми элементами данных.,

Отношение За можно привести к третьей нормальной форме, если ввести дополнительную классификацию первичных ключей, т. е. если сде­

лать элемент НОМ-КУРСА Частью составного ключа.	ЗАЧЕТЫ.
36. НОМ-СТУДЕНТА*СЕМЕСТР*НОМ-КУРСА

Отношение 36 находится теперь в третьей нормальной форме. Данный студент (НОМ-СТУДЕНТА) в течение данного СЕМЕСТРА по данному курсу (НОМ-КУРСА) сдает определенное число ЗАЧЕТОВ.

Графическое представление концептуальной модели. Изменим номера отношений 1, 2, 3 и 36 на 4, 5, 6, 7. Эти отношения могут быть представ­

лены графически следующим образом			(рис. 5.16):,
4	СЕМЕСТР	ДНАЧСЕМ, ДКОНСЕМ
5	НОМ-СТУДЕНТА ^	ИМЯ-СТУДЕНТА, СТАТУС, ГЛАВНЫЙ, ВТОРОСТЕ­
		ПЕННЫЙ, КУРАТОР
6	СЕМЕСТР*НОМ-КУРСА	НАЗВ-КУРСА,	ИМЯ-ПРЕП, ГОРОДОК,	ДЕНЬ-
		ВРЕМЯ, ЗДАНИЕ-НОМ-АУДИТОРИИ
7	СЕМЕСТР*НОМ-КУРСА*НОМ-СТУДЕНТА		ЗАЧЕТЫ

Рис. 5.16. Отношения в третьей нормальной форме, отражающие представление пользова­ теля, показанное на рис. 5.14