Нормализация реляционной модели данных

Нормализация – это формальный метод анализа отношений на основе их первичного ключа (или потенциальных ключей, как в случае нормальной формы Бойса–Кодда) и существующих функциональных зависимостей. Он включает ряд правил, которые могут использо­ваться для проверки отдельных отношений таким образом, чтобы вся база данных могла быть нормализована до желаемой степени нормализации..

Зачастую нормализация осущ-ся в несколько последовательно выполняю­щихся этапов, каждый из которых соответствует некоторой нормальной форме, обла­дающей известными свойствами. В ходе нормализации формат отношений становит­ся все более строгим и менее уязвимым по отношению к аномалиям обновления.

Первая нормальная форма (1 НФ). Перед обсуждением первой нормальной формы целесообразно предварительно дать определение того состояния, которое предшествует ей.

Ненормализованная форма – таблица, содержащая одну или несколько повторяющихся групп данных

Первая нормальная форма (1НФ) – отношение, в котором на пересечении каждой строки и каждого столбца содержится только одно значение.

На исходном этапе таблица находится в ненорма­лизованной форме (ННФ) и часто называется ненормализованной таблицей. Для преобразования ненормализованной таблицы в первую нормальную форму (1НФ) в исходной таблице следует найти и устранить все повторяющиеся группы данных. Повторяющейся группой называется группа, состоящая из одного и более атрибутов таблицы, в которой возможно наличие нескольких значений для единственного зна­чения ключевого атрибута таблицы.

В первом подходе повторяющиеся группы устраняются путем ввода соответст­вующих данных в пустые столбцы строк с повторяющимися данными. Иначе говоря, пустые места при этом заполняются дубликатами неповторяющихся данных. Этот подход часто называют “выравниванием” (“flattening”) таблицы. Полученная в результате этих действий таблица, которая теперь будет называться отношением, содержит атомарные (или единственные) значения на пересечении каждой строки с каждым столбцом, а потому находится в первой нормальной форме. В результате та­кого подхода в полученное отношение вносится некоторая избыточность данных, ко­торая в ходе дальнейшей нормализации будет устранена.

Пример: Исходная ненормализованная (то есть не являющаяся правильным представлением некоторого отношения) таблица:

Сотрудник	Номер телефона
Иванов И. И.	283-56-82 390-57-34
Петров П. П.	708-62-34

Таблица, приведённая к 1NF

Сотрудник	Номер телефона
Иванов И. И.	283-56-82
Иванов И. И.	390-57-34
Петров П. П.	708-62-34

Во втором подходе один атрибут или группа атрибутов назначаются ключом ненормализованной таблицы, а затем повторяющиеся группы изымаются и помещают­ся в отдельные отношения вместе с копиями ключа исходной таблицы. Далее в но­вых отношениях устанавливаются первичные ключи.

Вторая нормальная форма (2НФ). Вторая нормальная форма применяется к отношениям с составными ключами, т.е. к таким отношениям, первичный ключ которых состоит из двух и более атрибутов. Дело в том, что отношение с первичным ключом на основе единственно­го атрибута всегда находится, по крайней мере, в 2НФ

2НФ – отношение, которое находится в первой нормальной форме и каждый атрибут которого, не входящий в состав первичного ключа, характеризуется полной функциональной зависимо­стью от этого первичного ключа.

Нормализация 1НФ-отношений с образованием 2НФ-отношений включает устра­нение частичных зависимостей. Если в отношении между атрибутами су­ществует частичная зависимость, то функционально-зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Пример: Пусть в следующем отношении первичный ключ образует пара атрибутов {Сотрудник, Должность}:

Сотрудник	Должность	Зарплата	Наличие компьютера
Гришин	Кладовщик	20000	Нет
Васильев	Программист	40000	Есть
Иванов	Кладовщик	25000	Нет

Зарплату сотруднику каждый начальник устанавливает сам (хотя её границы зависят от должности). Наличие же компьютера у сотрудника зависит только от должности, то есть зависимость от первичного ключа неполная.

В результате приведения к 2NF получаются два отношения:

Сотрудник	Должность	Зарплата
Гришин	Кладовщик	20000
Васильев	Программист	40000
Иванов	Кладовщик	25000

Должность	Наличие компьютера
Кладовщик	Нет
Программист	Есть

Третья нормальная форма (3НФ).

Транзитивная зависимость – если для атрибутов А, В и С некоторого отношения существуют зависимости вида А–>В и В–>С, то говорят, что атрибут С транзитивно зависит от атрибута А через атрибут В.

3НФ – отношение, которое находится в первой и второй нормальных формах и не имеет не входящих в первичный ключ атрибутов, которые находились бы в транзитивной функциональной зависи­мости от этого первичного ключа.

Нормализация 2НФ-отношений с образованием 3НФ-отношений включает устранение транзитивных зависимостей. Если в отношении существует транзи­тивная зависимость между атрибутами, то транзитивно-зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Пример:

Рассмотрим в качестве примера отношение, которое находится во 2NF, но не соответствует 3NF:

Сотрудник	Отдел	Телефон
Гришин	Бухгалтерия	1-22-33
Васильев	Бухгалтерия	1-22-33
Петров	Снабжение	44-55-66

В отношении атрибут «Сотрудник» является первичным ключом. Личных телефонов у сотрудников нет, и телефон сотрудника зависит исключительно от отдела.

Таким образом, в отношении существуют следующие функциональные зависимости: Сотрудник → Отдел, Отдел → Телефон, Сотрудник → Телефон.

Зависимость Сотрудник → Телефон является транзитивной, следовательно, отношение не находится в 3NF.

В результате декомпозиции отношения R1 получаются два отношения, находящиеся в 3NF:

Отдел	Телефон
Бухгалтерия	1-22-33
Снабжение	44-55-66

Сотрудник	Отдел
Гришин	Бухгалтерия
Васильев	Бухгалтерия
Петров	Снабжение

Определение нормальной формы Бойса–Кодда. Нормальная форма Бойса–Кодда (НФБК) учитывает функциональные зависимости, в которых участвуют все потенциальные ключи отношения, а не только его пер­вичный ключ. Для отношения с единственным потенциальным ключом его ЗНФ и НФБК являются эквивалентными. Отношение находится в НФБК тогда и только тогда, когда каждый его детерминант является потенциальным ключом.

Для проверки принадлежности отношения к НФБК необходимо найти все его де­терминанты и убедиться в том, что они являются потенциальными ключами. Напомним, что детерминантом является один атрибут или группа атрибутов, от которой полностью функционально зависит другой атрибут.

Различие между 3НФ и НФБК заключается в том, что функциональная зависимость А–>В допускается в 3НФ-отношении, если атрибут В является первичным клю­чом, а атрибут А не обязательно является потенциальным ключом. Тогда как в НФБК-отношении эта зависимость допускается только тогда, когда атрибут А явля­ется потенциальным ключом. Следовательно, нормальная форма Бойса–Кодда являет­ся жесткой версией формы 3НФ, поскольку каждое НФБК-отношение является 3НФ-отношением, но не всякое 3НФ-отношение является НФБК-отношением.

Четвертая нормальная форма (4НФ). В ходе исследований был выявлен еще один тип зависимости – многозначная зависимость, которая может вызвать проблемы, связанные с избыточностью данных.

В случае многозадачной зависимости, существующей между атрибутами А, В и С некоторого отношения, для каждого значения А имеется набор значений атрибута B и набор значений атрибута C. Однако входящие в эти наборы значения атрибутов B и С не зависят друг от друга.

4НФ – это отношение в норм форме Бойса–Кодда, кот не содержит нетривиальных многозадачных зависим.

Пятая нормальная форма (5НФ). При любой декомпозиции отношения на два других отношения полученные отношения имеют свойство соединения без потерь. Это значит, что полученные отношения можно снова соединить и получить прежнее отношение в исходном виде. Однако бывают случаи, когда требуется декомпозировать отношение на более чем два отношения. В таких (достаточно редких) случаях возникает необходимость учитывать зависимость соединения, которая устраняется с помощью пятой нормальной формы.

Зависимость соединения – это свойство декомпозиции, которое вызывает генерацию ложных строк при обратном соединении декомпозированных отношений с помощью операции естественного соединения.

5НФ – это отношение без зависимостей соединения