数据库范式

本文详细介绍了数据库范式的基础概念,包括第一范式、第二范式、第三范式,并通过学校学生系统的实例展示了各范式的应用。文章强调了满足第三范式的重要性,以消除数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常。

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数据库范式


范式,是用来规定数据冗余程度的,一般越高的范式数据库冗余越小。


目前关系数据库有六种范式:


第一范式(1NF)


第二范式(2NF)


第三范式(3NF)


巴斯-科德范式(BCNF)、第四范式(4NF)和第五范式(5NF,又称完美范式)。


一般只用前三种范式,后三种基本没使用。一般说来,数据库只需满足第三范式(3NF)就行了。


下面一一来讲解:


1. 第一范式(1NF)


   遵循两个原则:a. 每个表要有主键;b. 每一列都是不可分割的原子数据项。
   
2. 第二范式(2NF)


   简而言之,第二范式就是在第一范式的基础上属性完全依赖于主键。
   
3. 第三范式(3NF)


   在1NF基础上,任何非主属性不依赖于其它非主属性。
   


范式应用实例




下面以一个学校的学生系统为例分析说明,这几个范式的应用。


第一范式(1NF)


    数据库表中的字段都是单一属性的,不可再分。这个单一属性由基本类型构成,包括整型、实数、字符型、逻辑型、日期型等。
    在当前的任何关系数据库管理系统(DBMS)中,傻瓜也不可能做出不符合第一范式的数据库,因为这些DBMS不允许你把数据库表的一列再分成二列或多列。
    因此,你想在现有的DBMS中设计出不符合第一范式的数据库都是不可能的。首先我们确定一下要设计的内容包括那些。
    学号、学生姓名、年龄、性别、课程、课程学分、系别、学科成绩,系办地址、系办电话等信息。为了简单我们暂时只考虑这些字段信息。
    
    我们对于这些信息,说关心的问题有如下几个方面:
    
        学生有那些基本信息?
        学生选了那些课,成绩是什么?
        每个课的学分是多少?
        学生属于那个系,系的基本信息是什么?


第二范式(2NF)


    首先我们考虑,把所有这些信息放到一个表中(学号,学生姓名、年龄、性别、课程、课程学分、系别、学科成绩,系办地址、系办电话)。
    
    很明显,就存在如下的依赖关系:
    
        (姓名, 年龄, 成绩, 学分) → (学号, 课程名称),意思就是(姓名, 年龄, 成绩, 学分) 依赖于(学号, 课程名称)。
    
    或者,(学号, 课程名称) → (姓名, 年龄, 成绩, 学分),即(学号, 课程名称)决定(姓名, 年龄, 成绩, 学分) 。


    问题分析


    因此不满足第二范式的要求,会产生如下问题:


        数据冗余:
        
            同一门课程由n个学生选修,"学分"就重复n-1次;同一个学生选修了m门课程,姓名和年龄就重复了m-1次。


        更新异常:


            1)若调整了某门课程的学分,数据表中所有行的"学分"值都要更新,否则会出现同一门课程学分不同的情况。


            2)假设要开设一门新的课程,暂时还没有人选修。这样,由于还没有"学号"关键字,课程名称和学分也无法记录入数据库。


        删除异常 :
        
            假设一批学生已经完成课程的选修,这些选修记录就应该从数据库表中删除。但是,与此同时,课程名称和学分信息也被删除了。
            很显然,这也会导致插入异常。
     
     解决方案


        把选课关系表SelectCourse改为如下三个表:
        
        学生:Student(学号,姓名,年龄,性别,系别,系办地址、系办电话);
        课程:Course(课程名称,学分);
        选课关系:SelectCourse(学号,课程名称,成绩)。
        
第三范式(3NF)


    接着看上面的学生表Student(学号,姓名,年龄,性别,系别,系办地址、系办电话),关键字为单一关键字"学号"。
    
    必然存在如下决定关系:
    
        (学号)→ (姓名,年龄,性别,系别,系办地址、系办电话)
    
    但是还存在下面的决定关系:
    
        (系别)→(系办地点,系办电话)
    
    即存在非关键字段(系办地点,系办电话)对非关键字段(系别)的依赖。
    
    它也会存在数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常的情况。
    
    根据第三范式把学生关系表分为如下两个表就可以满足第三范式了:
    
    学生:(学号,姓名,年龄,性别,系别);
    系别:(系别,系办地址、系办电话)。
    
总体来说,设计为如下四个表:


    学生:Student(学号,姓名,年龄,性别,系别),关键字(或者主键)为学号;
    系别:Dept(系别,系办地址,系办电话),关键字为系别;
    课程:Course(课程名称,学分),关键字为课程名称;
    选课关系:SelectCourse(学号,课程名称,成绩),关键字为(学号,课程名称)。
    
    上面的数据库表就是符合1,2,3范式的,消除了数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常。
    
更多参考http://ce.sysu.edu.cn/cdbm/news/coures/200908/news_20090807210925_242.html


内容概要:本文深入探讨了金属氢化物(MH)储氢系统在燃料电池汽车中的应用,通过建立吸收/释放氢气的动态模型和热交换模型,结合实验测试分析了不同反应条件下的性能表现。研究表明,低温环境有利于氢气吸收,高温则促进氢气释放;提高氢气流速和降低储氢材料体积分数能提升系统效率。论文还详细介绍了换热系统结构、动态性能数学模型、吸放氢特性仿真分析、热交换系统优化设计、系统控制策略优化以及工程验证与误差分析。此外,通过三维动态建模、换热结构对比分析、系统级性能优化等手段,进一步验证了金属氢化物储氢系统的关键性能特征,并提出了具体的优化设计方案。 适用人群:从事氢能技术研发的科研人员、工程师及相关领域的研究生。 使用场景及目标:①为储氢罐热管理设计提供理论依据;②推动车载储氢技术的发展;③为金属氢化物储氢系统的工程应用提供量化依据;④优化储氢系统的操作参数和结构设计。 其他说明:该研究不仅通过建模仿真全面验证了论文实验结论,还提出了具体的操作参数优化建议,如吸氢阶段维持25-30°C,氢气流速0.012g/s;放氢阶段快速升温至70-75°C,水速18-20g/min。同时,文章还强调了安全考虑,如最高工作压力限制在5bar以下,温度传感器冗余设计等。未来的研究方向包括多尺度建模、新型换热结构和智能控制等方面。
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