数据库系统概论之关系数据理论

数据库系统概论教案第一章：数据库基础知识1.1 数据库概念介绍数据库的定义、发展历程和分类解释数据、信息、知识与数据之间的关系1.2 数据模型介绍实体-联系模型、关系模型、层次模型和网状模型等解释数据模型的概念和作用1.3 数据库系统的结构介绍数据库系统的三级模式结构：外模式、模式和内模式解释数据库管理系统(DBMS)的概念和功能第二章：关系数据库理论2.1 关系模型介绍关系模型的基本概念：关系、属性、元组和域解释关系代数和元组关系演算的概念2.2 关系的完整性约束介绍实体完整性、参照完整性和用户定义完整性解释完整性约束的作用和意义2.3 数据库设计介绍需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计等阶段解释数据库设计的方法和步骤第三章：SQL语言3.1 SQL概述介绍SQL语言的概念、特点和应用范围解释SQL语言的基本语法和操作3.2 数据定义语言介绍创建表、修改表和删除表的SQL语句解释数据类型、主键、外键和索引的概念3.3 数据操纵语言介绍插入、删除、更新和查询数据的SQL语句解释聚合函数、分组和排序等概念第四章：数据库查询优化4.1 查询优化概述介绍查询优化的目的和重要性解释查询优化的方法和策略4.2 查询优化技术介绍基于规则的优化和基于成本的优化等方法解释查询优化中的代价估算和执行计划等概念4.3 索引和查询优化介绍索引的概念、分类和作用解释索引的创建、维护和优化策略第五章：事务管理5.1 事务概念介绍事务的定义、属性（ACID）和类型解释事务的作用和意义5.2 事务管理机制介绍并发控制和一致性维护的机制解释锁定、死锁和事务隔离级别等概念5.3 事务编程介绍使用编程语言实现事务的方法解释事务的提交、回滚和恢复等操作第六章：数据库安全与保护6.1 数据库安全概述介绍数据库安全的重要性解释数据库安全策略和威胁类型6.2 访问控制介绍自主访问控制（DAC）和强制访问控制（MAC）解释角色Based 访问控制（RBAC）和属性基访问控制（ABAC）6.3 加密技术介绍对称加密和非对称加密的概念解释哈希函数和数字签名在数据库安全中的应用第七章：数据库备份与恢复7.1 备份策略介绍完全备份、差异备份和增量备份等备份策略解释备份的频率和时间点选择7.2 恢复机制介绍恢复基点和恢复策略解释使用备份文件进行数据恢复的步骤和注意事项7.3 灾难恢复介绍灾难恢复计划和数据中心的地理位置选择解释镜像站点和负载均衡在灾难恢复中的应用第八章：数据库性能调优8.1 性能调优概述介绍性能调优的目标和重要性解释性能调优的方法和策略8.2 查询优化介绍查询优化的方法和工具解释如何使用查询分析器分析查询执行计划8.3 系统参数调优介绍数据库系统参数的概念和作用解释如何调整系统参数以提高数据库性能第九章：分布式数据库系统9.1 分布式数据库概念介绍分布式数据库的定义和特点解释分布式数据库系统的架构和组件9.2 数据分布策略介绍垂直分区和水平分区的概念解释数据本地化和数据复制在分布式数据库中的应用9.3 分布式查询处理介绍分布式查询处理的挑战和解决方案解释分布式查询优化和数据一致性维护的策略第十章：数据库新技术与发展趋势10.1 云计算与数据库介绍云计算的概念和数据库在云计算中的应用解释云数据库服务的特点和优势10.2 大数据与数据库介绍大数据的概念和数据库在大数据处理中的应用解释NoSQL数据库和NewSQL数据库的特点和优势10.3 与数据库介绍的概念和数据库在中的应用解释数据库智能化和自动化查询推荐的概念重点和难点解析重点环节一：关系模型的基本概念和关系代数、元组关系演算补充和说明：关系模型是数据库理论的核心，掌握关系模型的基本概念是理解数据库操作的基础。

课后作业习题《数据库系统概论》课程部分习题及参考答案第一章绪论（教材41页)１．试述数据、数据库、数据库系统、数据库管理系统的概念。

数据:描述事物的符号记录称为数据。

数据的种类有文字、图形、图象、声音、正文等等。

数据与其语义是不可分的。

数据库:数据库是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。

数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。

数据库系统:数据库系统（ＤBＳ）是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。

数据库系统由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员构成。

数据库管理系统:数据库管理系统（DBMS)是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。

用于科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据。

ＤＢMS主要功能包括数据定义功能、数据操纵功能、数据库的运行管理功能、数据库的建立和维护功能。

2.使用数据库系统有什么好处？使用数据库系统的好处是由数据库管理系统的特点或优点决定的。

使用数据库系统的好处很多，例如可以大大提高应用开发的效率,方便用户的使用，减轻数据库系统管理人员维护的负担等。

为什么有这些好处，可以结合第 5题来回答。

使用数据库系统可以大大提高应用开发的效率。

因为在数据库系统中应用程序不必考虑数据的定义、存储和数据存取的具体路径，这些工作都由 DBMＳ来完成。

此外,当应用逻辑改变,数据的逻辑结构需要改变时,由于数据库系统提供了数据与程序之间的独立性。

数据逻辑结构的改变是DBA的责任,开发人员不必修改应用程序，或者只需要修改很少的应用程序。

从而既简化了应用程序的编制，又大大减少了应用程序的维护和修改。

使用数据库系统可以减轻数据库系统管理人员维护系统的负担。

因为 DBMS在数据库建立、运用和维护时对数据库进行统一的管理和控制，包括数据的完整性、安全性，多用户并发控制，故障恢复等等都由DＢMS执行。

第一章：绪论数据库〔DB〕：长期存储在计算机、有组织、可共享的大量数据的集合。

数据库中的数据按照一定的数据模型组织、描述和存储，具有娇小的冗余度、交稿的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。

数据库管理系统〔DBMS〕：位于用户和操作系统间的数据管理系统的一层数据管理软件。

用途：科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据。

包括数据定义功能，数据组织、存储和管理，数据操纵功能，数据库的事物管理和运行管理，数据库的建立和维护功能，其他功能。

数据库系统〔DBS〕：在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库。

数据库管理系统〔及其开发工具〕、应用系统、数据库管理员构成。

目的：存储信息并支持用户检索和更新所需的信息。

数据库系统的特点：数据构造化；数据的共享性高，冗余度低，易扩大；数据独立性高；数据由DBMS统一管理和控制。

概念模型实体，客观存在并可相互区别的事物称为实体。

属性，实体所具有的*一特性称为属性。

码，唯一标识实体的属性集称为码。

域，是一组具有一样数据类型的值的集合。

实体型，具有一样属性的实体必然具有的共同的特征和性质。

实体集，同一类型实体的集合称为实体集。

联系两个实体型之间的联系一对一联系；一对多联系；多对多联系关系模型关系，元组，属性，码，域，分量，关系模型关系数据模型的操纵与完整性约束关系数据模型的操作主要包括查询，插入，删除和更新数据。

这些操作必须满足关系完整性约束条件。

关系的完整性约束条件包括三大类：实体完整性，参照完整性和用户定义的完整性。

数据库系统三级模式构造外模式，模式，模式模式：〔逻辑模式〕数据库中全体数据的逻辑构造和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。

一个数据库只有一个模式。

模式的地位：是数据库系统模式构造的中间层，与数据的物理存储细节和硬件环境无关，与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关。

模式定义的容：数据的逻辑构造〔数据项的名字、类型、取值围等〕，数据之间的联系，数据有关的平安性、完整性要求外模式：〔子模式/用户模式〕数据库用户〔包括应用程序员和最终用户〕能够看见和使用的局部数据库和逻辑构造和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与*一应用有关的系统的逻辑表示。

关系数据库理论数据库是现代信息系统中不可或缺的一部分，而关系数据库作为其中最重要的一种类型，承载着巨大的信息存储和管理压力。

关系数据库理论是关系数据库设计和应用的理论基础，其研究内容涵盖了关系模型、关系代数、关系演算等方面。

关系数据库模型关系数据库模型是关系数据库理论的核心内容之一。

它采用了关系模型来描述数据之间的联系。

在关系数据库中，数据被组织为一系列的表，每个表被称为一个关系，而表中的每一行被称为一个元组，每一列被称为一个属性。

关系模型的特点是数据的组织方式清晰、易理解，有利于数据的查询和管理。

关系代数关系代数是关系数据库理论中用于描述关系操作的一种代数体系。

它定义了一系列的操作符，如选择、投影、联接等，用于对关系进行增删改查操作。

通过关系代数，可以方便地进行复杂的数据查询和操作，提高了数据库的表达能力和灵活性。

关系演算关系演算是关系数据库理论中另一种描述关系操作的形式。

它分为两种：元组关系演算和域关系演算。

元组关系演算通过描述查询结果的形式来表示查询，而域关系演算则通过描述查询条件的形式来表示查询。

通过关系演算，可以形式化地描述数据库查询，从而避免了不同人对查询语句的理解差异。

数据完整性数据库的数据完整性是数据库理论中一个重要的概念。

数据完整性包括实体完整性、参照完整性、用户定义完整性等几个方面。

实体完整性要求每个表中的主键不能为空且唯一，参照完整性要求外键值必须存在于被引用的表中。

数据完整性的保障是数据库设计和开发的重要目标之一。

数据一致性数据一致性是数据库中的另一个重要概念。

数据一致性要求数据库中的数据在不同的时间点和不同的地方都保持一致性。

在多用户环境下，数据库的数据一致性需要通过事务管理和并发控制等机制来保障，以确保数据库操作的正确性和可靠性。

数据库范式数据库范式是数据库理论中用于优化数据库设计的一种规范。

数据库范式分为一至六个不同的级别，每个级别都有特定的规范要求。

通过合理地设计数据库，遵循数据库范式的要求，可以避免数据冗余、提高数据的一致性和完整性，从而提高数据库的性能和可靠性。

数据库系统概论第二章笔记一、关系数据结构及形式化定义。

1. 关系的定义。

- 关系是一个元组的集合。

在关系数据库中，关系以二维表的形式表示。

例如，一个学生关系（表）可能包含学号、姓名、年龄等列，每一行（元组）代表一个学生的信息。

- 关系模式是对关系的描述，包括关系名、组成该关系的属性名集合等。

例如，学生（学号，姓名，年龄）就是一个关系模式。

2. 关系的性质。

- 列是同质的，即每一列中的数据类型相同。

比如学生关系中的年龄列都是数值类型。

- 不同列可出自同一个域，例如学生关系中的性别列和另一个关系中的人员性别列都来自{男，女}这个域。

- 列的顺序无所谓，行的顺序也无所谓。

这意味着在关系中调整列或行的顺序不影响关系的本质。

- 关系中的任意两个元组不能完全相同。

3. 关系的完整性约束。

- 实体完整性。

- 主属性（组成主键的属性）不能为空值（NULL）。

例如在学生关系中，如果学号是主键，那么每个学生的学号必须有确定的值，不能为NULL。

这是为了保证实体的可区分性。

- 参照完整性。

- 设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码，K是基本关系S的主码。

如果F与K相对应，则称F是R的外码，并称基本关系R为参照关系，基本关系S为被参照关系。

参照关系中的外码值或者为空值，或者是被参照关系中某个元组的主码值。

例如，选课关系（学号，课程号，成绩）中的学号是参照学生关系（学号，姓名，年龄）中学号的外码，选课关系中的学号值必须是学生关系中存在的学号或者为空值（如果允许未注册学生选课的特殊情况）。

- 用户定义完整性。

- 这是针对某一具体应用环境下的关系数据库所制定的约束条件。

例如，学生的年龄可能被限制在一定范围内（如15 - 40岁），成绩可能被限制在0 - 100分之间等。

二、关系代数。

1. 传统的集合运算。

- 并（Union）- 关系R和关系S具有相同的目n（即两个关系都有n个属性），相应的属性取自同一个域。

R∪S是由属于R或属于S的元组组成的集合。

第六章关系数据理论第六章讲解关系数据理论。

这是关系数据库的又一个重点。

学习本章的目的有两个。

一个是理论方面的，本章用更加形式化的关系数据理论来描述和研究关系模型。

另一个是实践方面的，关系数据理论是我们进行数据库设计的有力工具。

因此，人们也把关系数据理论中的规范化理论称为数据库设计理论，有的书把它放在数据库设计部分介绍以强调它对数据库设计的指导作用。

一、基本知识点本章讲解关系数据理论，内容理论性较强，分为基本要求部分(《概论》6.1～6.3)和高级部分《概论》6.4)。

前者是计算机大学本科学生应该掌握的内容；后者是研究生应该学习掌握的内容。

①需要了解的:什么是一个“不好”的数据库模式；什么是模式的插入异常和删除异常；规范化理论的重要意义。

②需要牢固掌握的:关系的形式化定义；数据依赖的基本概念(函数依赖、平凡函数依赖、非平凡的函数依赖、部分函数依赖、完全函数依赖、传递函数依赖的概念，码、候选码、外码的概念和定义，多值依赖的概念)；范式的概念；从lNF 到4NF的定义；规范化的含义和作用。

③需要举一反三的:四个范式的理解与应用，各个级别范式中存在的问题(插入异常、删除异常、数据冗余)和解决方法；能够根据应用语义，完整地写出关系模式的数据依赖集合，并能根据数据依赖分析某一个关系模式属于第几范式。

④难点:各个级别范式的关系及其证明。

二、习题解答和解析1.理解并给出下列术语的定义：函数依赖、部分函数依赖、完全函数依赖、传递依赖、候选码、主码、外码、全码(All-key)、lNF、2NF、3NF、BCNF、多值依赖、4NF。

解析解答本题不能仅仅把《概论》上的定义写下来。

关键是真正理解和运用这些概念。

答函数依赖:设R(U)是一个关系模式,U是R的属性集合,X和Y是U的子集。

对于R(U)的任意一个可能的关系r,如果r中不存在两个元组，它们在X上的属性值相同，而在Y上的属性值不同，则称“X函数确定Y”或“Y函数依赖于X”，记作X→Y。

问答题6—关系数据理论一、第6章课后习题P195-2．建立一个关于系、学生、班级、学会等诸信息的关系数据库。

描述学生的属性有：学号、姓名、出生年月、系名、班号、宿舍区描述班级的属性有：班号、专业名、系名、人数、入校年份描述系的属性有：系号、系名、系办公室地点、人数描述学会的属性有：学会名、成立年份、地点、人数有关语义如下：一个系有若干专业，每个专业每年只招一个班，每个班有若干学生。

一个系的学生住在同一个宿舍区。

每个学生可参加若干学会，每个学会有若干学生。

学生参加某学会有一个入会年份。

（1）请写出关系模式答：学生（学号，姓名，出生年月，系名，班号，宿舍区）班级（班号，专业名，系号，班级人数，入校年份）系（系号，系名，系办公室地点，系人数）学会（学会名，成立年份，地点，学会人数）参加（学号，学会名，入会年份）（2）写出每个关系模式的最小函数依赖集，指出是否存在传递函数依赖。

对于函数依赖左部是多属性的情况下，讨论函数依赖是完全依赖，还是部分函数依赖。

答：F(学生) ={学号→姓名，学号→出生日期，学号→班号，班号→系名，系名→宿舍区}F(班级) ={班号→专业名，班号→班级人数，班号→入校年份，专业名→系名，(专业名,入校年份→班号)}F(系) ={系号→系名，系名→系号，系号→系办公室地点，系号→系人数}F(学会) ={学会名→成立年份，学会名→地点，学会名→学会人数，F(参加) ={（学号，学会名）→入会年份}其中：F(学生)中存在传递函数依赖：学号→系名，学号→宿舍区，班号→宿舍区因为：学号→班号，班号→系名，系名→宿舍区C(班级)中存在传递函数依赖：班号→系名因为：班号→专业名，专业名→系名(S#,PN)→DATE2和(CS,CDA TE)→C#均为SP中的函数依赖，是完全函数依赖。

（3）指出各个关系模式的候选码、外码，以及有没有全码存在 答：P196-12．下面的结论哪些是正确的，哪些是错误的，对于错误的结论请给出理由或给出一个反例说明之。