Bài giảng Cơ sở dữ liệu - Chương 2: Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu quan hệ

Chương 2
Chuẩn hóa CSDL quan hệ
2Nội dung chi tiết
 Giới hạn của ER
 Sự dư thừa
 Phụ thuộc hàm
 Hệ suy diễn Amstrong
 Thuật toán tìm bao đóng X+F
 Tìm phủ tối thiểu
 Các dạng chuẩn
3Giới hạn của lược đồ ER
 Cung cấp một tập các hướng dẫn không đưa tới
một lược đồ CSDL duy nhất
 Không đưa ra cách đánh giá giữa các lược đồ khác
nhau
 Lý thuyết về chuẩn hóa CSDL quan hệ cung cấp
kỹ thuật để phân tích và chuyển hóa từ lược đồ ER
sang lược đồ quan hệ
4Sự dư thừa
 Sự phụ thuộc giữa các thuộc tính gây ra sự dư thừa
- Ví dụ:
 Điểm các môn học Điểm trung bình xếp loại
 Địa chỉ zip code
TENPHG MAPHG TRPHG NG_NHANCHUC
Nghien cuu 5 333445555 05/22/1988
Dieu hanh 4 987987987 01/01/1995
Quan ly 1 888665555 06/19/1981
TENNV HONV
Tung Nguyen
Hung Nguyen
333445555
987987987
888665555
MANV
Vinh Pham
5Sự dư thừa (tt)
 Thuộc tính đa trị trong lược đồ ER nhiều bộ số
liệu trong lược đồ quan hệ
 Ví dụ:
NHANVIEN(TENNV, HONV, NS,DCHI,GT,LUONG, BANGCAP)
TENNV HONV NS DCHI GT LUONG BANGCAP
Tung Nguyen 12/08/1955 638 NVC Q5 Nam 40000
Nhu Le 06/20/1951 291 HVH QPN Nu 43000 Đại học
Hung Nguyen 09/15/1962 Ba Ria VT Nam 38000 Thạc sỹ
Nhu Le 06/20/1951 291 HVH QPN Nu 43000 Trung học
Trung học
6Sự dư thừa (tt)
 Sự dư thừa sự dị thường
- Thao tác sửa đổi: cập nhật tất cả các giá trị liên quan
- Thao tác xóa: người cuối cùng của đơn vị mất thông
tin về đơn vị
- Thao tác chèn
TENPHG MAPHG TRPHG NG_NHANCHUC
Nghien cuu 5 333445555 05/22/1988
Dieu hanh 4 987987987 01/01/1995
Quan ly 1 888665555 06/19/1981
TENNV HONV
Tung Nguyen
Hung Nguyen
333445555
987987987
888665555
MANV
Vinh Pham
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 7
Sự dư thừa (tt)
 Các giá trị không xác định
- Đặt thuộc tính Trưởng phòng vào quan hệ NHANVIEN
thay vì vào quan hệ PHONGBAN
 Các bộ giả
- Sử dụng các phép nối
8Sự dư thừa (tt)
 Một số quy tắc
- NT1: Rõ ràng về mặt ngữ nghĩa, tránh các phụ thuộc giữa
các thuộc tính với nhau
- NT2: Tránh sự trùng lặp về nội dung đảm bảo tránh
được các dị thường khi thao tác cập nhật dữ liệu
 Phải có một số thao tác khi thêm mới và cập nhật vào lược đồ quan hệ,
cũng như có thể gây sai hỏng trong trường hợp xóa bỏ các bộ
- NT3: Tránh đặt các thuộc tính có nhiều giá trị Null
 Khó thực hiện các phép nối và kết hợp
- NT4: Thiết kế các lược đồ quan hệ sao cho chúng có thể
được nối với điều kiện bằng trên các thuộc tính là khoá
chính hoặc khoá ngoài theo cách đảm bảo không sinh ra
các bộ “giả”
 Gây lỗi khi thực hiện các phép kết nối
9Phụ thuộc hàm
 Lý thuyết về chuẩn hóa
- Các phân tích để đưa ra lược đồ thực thể liên kết cần
phải được sửa chữa ở các bước tiếp theo
- Vấn đề nêu ở slide trên sẽ được giải quyết nếu có một
phương pháp phân tích thích hợp
 lý thuyết chuẩn hóa (dựa trên phụ thuộc hàm, ) sẽ là
nền tảng cơ sở để thực hiện việc phân tích và chuẩn
hóa lược đồ ER
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 10
Phụ thuộc hàm (tt)
 ĐN 1: Phụ thuộc hàm (FD-function dependancy)
trên một lược đồ quan hệ R là một ràng buộc X Y,
với X và Y là một tập các thuộc tính trong R
 ĐN 2: (X Y) với mỗi thể hiện r của lược đồ quan
hệ R: với 2 bộ bất kỳ t và s trong r nếu t[X]= s[X] thì
t[Y]=s[Y]
 Ví dụ: Ràng buộc dữ liệu là một trường hợp đặc biệt
của phụ thuộc hàm
- MaNV TenNV, NS.
11
Phụ thuộc hàm (tt)
 Ví dụ
- Ngày sinh Tuổi
- Tuổi Quyền lợi
- MaNV Tên NV
- ???
- Bài tập:
- Xem xét lại các ràng buộc toàn vẹn đã học trong chương
trước và biểu diễn nó ở dạng phụ thuộc hàm
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 12
Phụ thuộc hàm (tt)
 Ví dụ:
- Ta có lược đồ quan hệ
MUON( SoTHE, MaSACH, NGUOIMuon, TenSACH, THOIGIAN)
- Với các phụ thuộc hàm:
SoTHE NGUOIMuon
MaSACH TenSACH
SoTHE, MaSACH THOIGIAN
- Có sơ đồ phụ thuộc hàm như sau:
Sốthẻ Mã số 
sách
Tên người 
mượn
Tên sách Ngàymượn
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 13
Phụ thuộc hàm (tt)
 ĐN bao đóng: Nếu F là tập các FD trong lược đồ R
và f là FD khác cũng trong R, thì F được coi là bao f
nếu với mọi thể hiện r của R nếu thỏa mãn FD trong
F thì cũng thỏa mãn f.
- Ví dụ F={A B, B C} và f={A C}
- F={ĐToan, DLy, DHoa DTB, DTB XepHang},
f={DT,DL,DH XepHang}
 Bao đóng của tập F(Ký hiệu F+) là tập các FD có thể
suy diễn được từ F
 F và G được coi là tương đương nếu F bao G và G
bao F
14
Phụ thuộc hàm (tt)
 Ký hiệu F |= X Y: phụ thuộc hàm X Y được suy
diễn từ tập các phụ thuộc hàm F
 QT1 (quy tắc phản xạ) : Nếu X  Y thì X Y
 QT2 (quy tắc tăng) : { X Y } |= XZ YZ
 QT3 (quy tắc bắc cầu) : { X Y, Y Z } |= X Z
 QT4 (quy tắc chiếu) : { X YZ } |= X Y và X Z
 QT5 (quy tắc hợp) : { X Y , X Z } |= X YZ
 QT6(quy tắc tựa bắc cầu): {X Y,WY Z }|=WX Z
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 15
Hệ suy diễn Amstrong
 Quy tắc suy diễn Amstrong đưa ra cách thức để tính
toán và kiểm tra các thuộc tính trong tập FD
 Bao gồm 3 quy tắc 1-3(phản xạ, tăng, bắc cầu)
- QT1 (quy tắc phản xạ) :
 TenNV, DChi TenNV
- QT2 (quy tắc tăng) :
 MaNV TenNV thì MaNV, NS TenNV, NS
- QT3 (quy tắc bắc cầu) : { X Y, Y Z } |= X Y
 Nếu DT,DL,DH DTB,DTB XepL thì DT, DL, DH XepL
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 16
Hệ suy diễn Amstrong (tt)
 Hệ Ams là đúng: nếu FD f:X Y có thể được suy
diễn từ tập các FD F sử dụng các quy tắc suy diễn
thì f nằm trong các quan hệ mà thỏa mãn tất cả các
FD trong F
 Ví dụ Cho biết X Y và X Z thì
 X XY (quy tắc tăng theo X)
 YX YZ (quy tắc tăng theo Y)
 X YZ (bắc cầu)
- Vậy X YZ thỏa mãn tất cả các quan hệ mà thỏa mãn
FD X Y và X Z
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 17
Hệ suy diễn Amstrong (tt)
 Hệ Ams là đầy đủ: Nếu F bao f, thì f có thể suy diễn
được từ F sử dụng hệ các quy tắc suy diễn
 Kết quả rút ra được từ tính đầy đủ này là chúng ta
có thuật toán để xác định xem F có bao f hay không
- Bản chất thuật toán là sử dụng hệ suy diễn theo tất cả
các cách có thể nhằm tìm F+, sau đó kiểm tra xem f có
nằm trong F+ hay không
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 18
Hệ suy diễn Amstrong (tt)
 Hệ Ams là chính xác: Khái niệm đúng và đầy đủ đã
liên kết thành một chuỗi ý nghĩa đầy đủ về tính
chính xác của hệ suy diễn Amstrong (định nghĩa
này chỉ đúng trong các thể hiện của quan hệ)
 Điều này đồng thời cho biết một cách chính xác
rằng thuật toán tìm bao dựa trên hệ suy diễn là
chính xác
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 19
Hệ suy diễn Amstrong (tt)
 Tìm F+
 Tất cả các FD bao gồm AB BD, AB BCD,
BCD BCDE, AB CDE là các phần tử của F+
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 20
Thuật toán tìm bao đóng X+F
 Xác định thuộc tính đóng là cách hiệu quả nhất để tìm
bao đóng
 Tập các thuộc tính đóng của tập các thuộc tính (X)
với điều kiện thỏa mãn tập các FD (F) (ký hiệu X+F) là
tập tất cả các thuộc tính (A) sao cho X A
 Gọi là tập các thuộc tính phụ thuộc hàm vào X trên F
 X+F1 không nhất thiết phải bằng X
+
F2 nếu F1F2
 Tập các thuộc tính đóng và suy diễn
- Thuật toán: Cho biết tập các FD F ta có X Y nếu và chỉ
nếu X+F Y
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 21
Ví dụ
 AB E có suy diễn được từ F không?
 D C có suy diễn được từ F không?
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 22
Thuật toán tìm bao đóng X+F(tt)
 X+ = X;
 Repeat
- Old X+ = X+ ;
- Với mỗi phụ thuộc hàm Y Z trong F thực hiện
 nếu X+  Y thì X+ = X+  Z;
 until ( X+ = Old X+ );
 Nếu T thuộc X+ thì X T là suy diễn được từ
F
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 23
Ví dụ
 Xác định bao đóng
 Bài toán: Tìm bao đóng của AB với các phụ thuộc
hàm sau
 Giải
- Khởi tạo: X+ ={AB}
- Dùng (a): X+ ={ABC}
- Dùng (b): X+ ={ABCD}
- Dùng (c): X+ ={ABCDE}
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 24
Phụ thuộc hàm tối thiểu
 Định nghĩa: 1 tập FD gọi là tối thiểu nó thỏa mãn
các điều kiện sau
- Vế phải của các FD trong F chỉ có 1 thuộc tính
- Không thể thay thế X A bằng Y A với điều kiện Y là
tập con của X và vẫn giữ được tập các phụ thuộc mà
tương đương với F
- Không thể bớt được bất kỳ phụ thuộc hàm nào sao cho
bảo toàn được tập các phụ thuộc hàm trong F
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 25
Phụ thuộc hàm tối thiểu (tt)
 Thuật toán tìm phủ tối thiểu
1. G := F;
2. Thay thế X {A1, A2, ..., An} trong G bằng n
phụ thuộc hàm X A1, X A2,  , X An.
3. Với mỗi X A trong G
1. Với mỗi thuộc tính B là một phần tử của X
1. Nếu ((G – (X A)((X {B}) A) là tương đương với G
2. thì thay thế X A bằng (X – {B}) A ở trong G
4. Với mỗi phụ thuộc hàm X A còn lại trong G
1. Nếu (G {X A}) là tương đương với G
2. thì loại bỏ X A ra khỏi G
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 26
Các dạng chuẩn
 Mỗi một dạng chuẩn là một tập các điều kiện trên
lược đồ nhằm đảm bảo các tính chất của nó (liên
quan tới dư thừa và bất thường trong cập nhật)
 Chuẩn hóa dữ liệu: quá trình phân tích lược đồ
quan hệ dựa trên các FD và các khóa chính để đạt
được
- Cực tiểu sự dư thừa
- Cực tiểu các phép cập nhật bất thường
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 27
Các dạng chuẩn (tt)
 Thủ tục chuẩn hoá cung cấp
- Một cơ cấu hình thức để phân tích các lược đồ quan hệ
dựa trên các khoá của nó và các phụ thuộc hàm giữa
các thuộc tính của nó.
- Một loạt các kiểm tra dạng chuẩn có thể thực hiện trên
các lược đồ quan hệ riêng rẽ sao cho cơ sở dữ liệu
quan hệ có thể được chuẩn hoá đến một mức cần thiết.
 Tính chất
- Nối không mất mát (hoặc nối không phụ thêm)- vd:bộ giả
- Bảo toàn sự phụ thuộc
 nó đảm bảo rằng từng phụ thuộc hàm sẽ được biểu hiện trong
các quan hệ riêng rẽ nhận được sau khi tách.
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 28
Các dạng chuẩn (tt)
 Phân loại
- Boyce Codd đề nghị 3 dạng
 1NF (first normal form): tương đương với định nghĩa của lược
đồ quan hệ (quan hệ và bộ)
 2NF: ko có giá trị trong thực tiễn
 3NF BCNF: thường sử dụng nhiều nhất
- 4NF, 5NF do tính đa trị và phụ thuộc hàm nối
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 29
Dạng chuẩn 1
 Đn: gọi là 1NF nếu miền giá trị của một thuộc tính
chỉ chứa giá trị nguyên tử (đơn, ko phân chia được)
và giá trị của mỗi thuộc tính cũng là một giá trị đơn
lấy từ miền giá trị của nó
 Ví dụ
PHONGBAN( MaPHG, TenPHG, DDIEM)
PHONGBAN(MaPHG, TenPHG)
DDIEM_PHG(MaPHG, DDIEM)
Thuộc 
tính đa trị
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 30
Dạng chuẩn 1 (tt)
 Lược đồ gốc:
Table (Key1, aaa. . . (Key2, bbb. . . (Key3, ccc. . .) ) )
 Để thỏa mãn 1NF chúng ta thực hiện
- Table1(Key1, aaa . . .)
- Table2(Key1, Key2, bbb . .)
- Table3(Key1, Key2, Key3, ccc. . .)
Table (Key1, . . . (Key2, . . . (Key3, . . .) ) )
Table1(Key1, . . .) TableA (Key1,Key2 . . .(Key3, . . .) )
Table2 (Key1, Key2 . . .) Table3 (Key1, Key2, Key3, . . .)
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 31
Dạng chuẩn 1 (tt)
 Vấn đề còn tồn tại trong 1NF
 Xét lược đồ 
DDIEM_PHG(MaPHG, DDIEM)
- Vẫn bị lặp lại
- Ẩn chứa các phụ thuộc hàm 
bộ phận
-
DIADIEMMAPHG
1
4
5
5
TP HCM
VUNGTAU
NHATRANG
HA NOI
5 TP HCM
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 32
Dạng chuẩn 2 
 Phụ thuộc hàm đầy đủ: Một phụ thuộc hàm X Y
là một phụ thuộc hàm đầy đủ nếu loại bỏ bất kỳ
thuộc tính A nào ra khỏi X thì phụ thuộc hàm không
còn đúng nữa.
∀ A, A X, (X – {A}) Y : là sai.
 Phụ thuộc hàm bộ phận: Một phụ thuộc hàm X Y
là phụ thuộc bộ phận nếu có thể bỏ một thuộc tính
A X, ra khỏi X phụ thuộc hàm vẫn đúng, điều đó
có nghĩa là với
∃A X, (X – {A}) Y
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 33
Dạng chuẩn 2 (tt)
 2NF:
- Thỏa mãn 1NF
- Phụ thuộc hàm đầy đủ vào khóa chính
 Với các quan hệ có thuộc tính khóa đơn thì ko phải
xét
 Chỉ kiểm tra các lược đồ có chứa phụ thuộc hàm bộ
phận
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 34
Dạng chuẩn 2 (tt)
 Ví dụ
NV_DA(MaNV, MaDA, Sogio, TenDA, DDiemDA)
Phụ thuộc vào cả 2 MaNV, MaDA
Chỉ phụ thuộc vào MaDA
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 35
Dạng chuẩn 2 (tt)
 Ví dụ
NV_DA(MaNV, MaDA, Sogio, TenDA, DDiemDA)
Phụ thuộc vào cả 2 MaNV, MaDA
Chỉ phụ thuộc vào MaDA
NV_DA(MaNV, MaDA, Sogio)
DUAN(MaDA, TenDA) DUAN(MaDA, DDiemDA)
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 36
Dạng chuẩn 3
 3NF dựa trên khái niệm phụ thuộc bắc cầu.
 ĐN: Một lược đồ quan hệ R là ở 3NF nếu nó thoả
mãn ( theo Codd)
- Thỏa mãn 2NF
- Không có thuộc tính không khoá nào của R là phụ thuộc
bắc cầu vào khoá chính.
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 37
Dạng chuẩn 3 (tt)
NV_DV(MaNV, TenNV, NS, DCHI, MaDV, TenDV, TruongPHG)
Phụ thuộc vào MaNV
Phụ thuộc vào MaDV
 Tất cả các thuộc tính phải phụ thuộc vào thuộc tính
khóa
- Một vài thuộc tính phụ thuộc vào thuộc tính ko phải là
khóa
- Chuẩn hóa Tách nhóm các thuộc tính đó thành quan
hệ mới
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 38
Dạng chuẩn 3 (tt)
DONVI(MaDV, TenDV, TruongPHG)
Phụ thuộc vào MaNV
Phụ thuộc vào MaDV
NHANVIEN(MaNV, TenNV, NS, DCHI, MaDV)
NV_DV(MaNV, TenNV, NS, DCHI, MaDV, TenDV, TruongPHG)
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 39
Tóm tắt 3 dạng chuẩn 1-3
NF Nhận biết Cách chuẩn hóa
1 Quan hệ ko có thuộc tính
đa trị và quan hệ lặp
Chuyển tất cả quan hệ lặp
hoặc đa trị thành 1 quan hệ
mới
2 Phụ thuộc 1 phần vào
thuộc tính khóa
Tách thuộc tính phụ thuộc 1
phần thành lược đồ mới, đảm
bảo quan hệ với lược đồ liên
quan
3 Phụ thuộc ẩn, tồn tại phụ
thuộc hàm giữa các thuộc
tính ko phải là khóa
Tách các thuộc tính đó thành
lược đồ mới
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 40
Dạng chuẩn Boyce-Codd
 Một lược đồ quan hệ R được gọi là ở dạng chuẩn
Boyce-Codd (BCNF) nếu nó
- Thỏa mãn dạng chuẩn 3NF
- Không có các thuộc tính khóa phụ thuộc hàm và thuộc
tính không khóa.
 Ví dụ
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 41
Dạng chuẩn Boyce-Codd(tt)
 Ví dụ:
R (A1,A2,A3,A4,A5)
Với các phụ thuộc hàm:
- A1,A2 A3,A4,A5
- A4 A2
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 42
Dạng chuẩn Boyce-Codd(tt)
 Nếu một lược đồ quan hệ không thoả mãn điều kiện BCNF,
thủ tục chuẩn hóa bao gồm:
- Loại bỏ các thuộc tính khóa phụ thuộc hàm vào thuộc tính
không khóa ra khỏi quan hệ
- tách chúng thành một quan hệ riêng có khoá chính là thuộc
tính không khóa gây ra phụ thuộc.
 Ví dụ trên: R (A1,A2,A3,A4,A5)
Với các phụ thuộc hàm:
- A1,A2 A3,A4,A5
- A4 A2
 lược đồ được tách ra như sau:
- R1( A4, A2)
- R2(A1, A4, A3, A5)
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 43
SV_MH_GV(MaSV, MONHOC, GIANGVIEN)
Dạng chuẩn Boyce-Codd(tt)
Phụ thuộc vào MONHOC
 Ví dụ
Phụ thuộc vào cả 2 MaSV, MaDA
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 44
Dạng chuẩn Boyce-Codd(tt)
Phụ thuộc vào MONHOC
SV_MH_GV(MaSV, MaMH, MaGV)
 Ví dụ
Phụ thuộc vào cả 2 MaSV, MaMH
MH_GV(MaGV, MaMH)SV_MH(MaSV, MaMH)
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 45
Tài liệu tham khảo
 Giáo trình CSDL
- Chương 4
 Database management system
- Chapter 15
 Fundamentals of Database Systems
- Chapter 14
Nhập môn Cơ sở dữ liệu - Khoa CNTT 46