Нормальные формы

Процесс проектирования БД с использованием метода нормальных форм является итерационным и заключается в последовательном переводе отношений из первой нормальной формы в нормальные формы более высокого порядка по определенным правилам. Каждая следующая нормальная форма ограничивает определенный тип функциональных зависимостей, устраняет соответствующие аномалии при выполнении операций над отношениями БД и сохраняет свойства предшествующих нормальных форм.

Выделяют следующую последовательность нормальных форм:

• первая нормальная форма (1НФ);

• вторая нормальная форма (2НФ);

• третья нормальная форма (3НФ);

• усиленная третья нормальная форма, или нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ)

• четвертая нормальная форма (4НФ);

• пятая нормальная форма (5НФ).

Первая нормальная форма. Отношение находится в 1 НФ, если все его атрибуты являются простыми (имеют единственное значение). Исходное отношение строится таким образом, чтобы оно было в 1 НФ.

Перевод отношения в следующую нормальную форму осуществляется методом декомпозиции без потерь. Такая декомпозиция должна обеспечить то, что запросы (выборка данных по условию) к исходному отношению и к отношениям, получаемым в результате декомпозиции, дадут одинаковый результат.

Основной операцией метода является операция проекции. Поясним ее на примере. Предположим, что в отношении R(A,B,C,D,E...) устранение функциональной зависимости С->D позволит перевести его в следующую нормальную форму. Для решения этой задачи выполним декомпозицию отношения R на два новых отношения R1 (А,В,С,Е...) и R2(C,D). Отношение R2 является проекцией отношения R на атрибуты С и D.

Исходное отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, используемое для иллюстрации метода, имеет составной ключ ФИО, Предм, Группа и находится в 1НФ, поскольку все его атрибуты простые.

В этом отношении, в соответствии с рис. 21 б, можно выделить частичную зависимость атрибутов Стаж, Д_Стаж, Каф, Должн, Оклад от ключа — указанные атрибуты находятся в функциональной зависимости от атрибута ФИО, являющегося частью составного ключа.

Эта частичная зависимость от ключа приводит к следующему:

1. В отношении присутствует явное и неявное избыточное дублирование данных, например:

• повторение сведений о стаже, должности и окладе преподавателей, проводящих занятия в нескольких группах и/или по разным предметам;

• повторение сведений об окладах для одной и той же должности или о надбавках за одинаковый стаж.

2. Следствием избыточного дублирования данных является проблема их редактирования. Например, изменение должности у преподавателя Иванова И. М. потребует просмотра всех кортежей отношения и внесения изменений в те из них, которые содержат сведения о данном преподавателе.

Часть избыточности устраняется при переводе отношения в 2НФ.

Вторая нормальная форма. Отношение находится в 2НФ, если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от первичного ключа (составного).

Для устранения частичной зависимости и перевода отношения в 2НФ необходимо, используя операцию проекции, разложить его на два отношения следующим образом:

• построить проекцию без атрибутов, находящихся в частичной функциональной за­висимости от первичного ключа;

• построить проекции исходного отношения на части составного первичного ключа и атрибуты, зависящие от этих частей.

В результате получили два отношения R1 и R2 в 2НФ (рис. 22).

В отношении R1 первичный ключ является составным и состоит из атрибутов ФИО, Предм, Группа. Напомним, что данный ключ в отношении R1 получен в предположе­нии, что каждый преподаватель в одной группе по одному предмету может либо читать лекции, либо проводить практические занятия. В отношении R2 ключ ФИО.

Исследование отношений R1 и R2 показывает, что переход к 2НФ позволил исключить явную избыточность данных в таблице R2 — повторение строк со сведениями о преподавателях. В R2 по-прежнему имеет место неявное дублирование данных.

а)

R1
ФИО	Предм	Группа	ВидЗан
Иванов И. М.	СУБД		Практ
Иванов И. М.	ПЛ/1		Практ
Петров М. И.	СУБД		Лекция
Петров М. И.	Паскаль		Практ
Сидоров Н. Г.	ПЛ/1		Лекция
Сидоров Н. Г.	Паскаль		Лекция
Егоров В. В.	ПЭВМ		Лекция
R2
ФИО	Должн	Оклад	Стаж	Д_Стаж	Kaф
Иванов И. М.	преп
Петров М. И.	ст.преп
Сидоров Н. Г.	преп
Егоров В. В.	преп		.5

Рис. 22. Отношения БД в 2НФ

Для дальнейшего совершенствования отношения необходимо преобразовать его в ЗНФ.

Третья нормальная форма. Отношение находится в 3НФ, если оно находится в 2НФ и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

Если в отношении R1 транзитивные зависимости отсутствуют, то в отношении R2 они есть:

ФИО -> Должн -> Оклад,

ФИО -> Оклад -> Должн,

ФИО -> Стаж -> Д_Стаж

Транзитивные зависимости также порождают избыточное дублирование информации в отношении. Устраним их. Для этого используя операцию проекции на атрибуты, являющиеся причиной транзитивных зависимостей, преобразуем отношение R2, получив при этом отношения R3, R4 и R5, каждое из которых находится в 3НФ (рис. 23 а). Графически эти отношения представлены на рис. 23 б.

а)

R3
ФИО	Должн	Стаж	Каф
Иванов И.М.	преп
Петров М.И.	ст.преп
Сидоров Н.Г.	преп
Егоров В.В.	преп

R4
Должн	Оклад
преп
ст.преп

R5
Стаж	Д_Стаж

Рис. 23. Отношения БД в 3НФ

На практике построение 3НФ схем отношений в большинстве случаев является достаточным и приведением к ним процесс проектирования реляционной. БД заканчивается. Действительно, приведение отношений к 3НФ в нашем примере привело к устранению избыточного дублирования.

Если в отношении имеется зависимость атрибутов составного ключа от неключевых атрибутов, то необходимо перейти к усиленной 3НФ.

Усиленная 3НФ, или нормальная форма Бойса -Кодда (БКНФ).

Отношение находится в БКНФ, если оно находится в 3НФ и в нем отсутствуют зависимости ключей (атрибутов составного ключа) от неключевых атрибутов.

У нас подобной зависимости нет, поэтому процесс проектирования на этом заканчивается. Результатом проектирования является БД, состоящая из следующих таблиц: R1, R3, R4, R5. В полученной БД имеет место необходимое дублирование данных, но отсутствует избыточное.

Итак, процесс нормализации отношений методом нормальных форм предполагает последовательное удаление из исходного отношения следующих межатрибутных зависимостей:

• частичных зависимостей неключевых атрибутов от ключа (2НФ);

• транзитивных зависимостей неключевых атрибутов от ключа (3НФ);

• зависимости ключей (атрибутов составных ключей) от неключевых атрибутов (БКНФ).

Кроме метода нормальных форм Кодда, используемого для проектирования небольших БД, применяют и другие методы, например, метод ER-диаграмм (метод «Сущность-связь»). Этот метод используется при проектировании больших БД на нем основан ряд средств проектирования БД. Суть метода ER-диаграмм состоит в том, что из предметной области решаемой задачи выделяются объекты (сущности). Информация о каждом из них представляется в виде объектного отношения. На основе ряда правил, объектные отношения могут связываться между собой с помощью связных отношений или непосредственно друг с другом.

На последнем этапе метода ER-диаграмм отношения, полученные в результате проектирования, проверяются на принадлежность их к БКНФ. Этот этап может выполняться уже с использованием метода нормальных форм.

После завершения проектирования БД создается с помощью СУБД.

Дата добавления: 2014-01-13