课程教学讲义-第2章3database

AnIntroductiontoDatabaseSystem第二章关系数据库2.1关系模型概述2.2关系数据结构2.3关系的完整性2.4关系代数2.5关系演算2.6小结AnIntroductiontoDatabaseSystem2.4

关系代数

概述

传统的集合运算专门的关系运算AnIntroductiontoDatabaseSystem概述1.关系代数2.运算的三要素3.关系代数运算的三个要素4.关系代数运算的分类5.表示记号AnIntroductiontoDatabaseSystem概述1.关系代数

一种抽象的查询语言--用对关系的运算来表达查询2．关系代数运算的三个要素运算对象：关系运算结果：关系运算符：四类AnIntroductiontoDatabaseSystem概述(续)集合运算符将关系看成元组的集合运算是从关系的“水平”方向即行的角度来进行专门的关系运算符不仅涉及行而且涉及列算术比较符辅助专门的关系运算符进行操作逻辑运算符辅助专门的关系运算符进行操作AnIntroductiontoDatabaseSystem集合运算符∪-∩×并差交广义笛卡尔积比较运算符＞≥＜≤＝≠大于大于等于小于小于等于等于不等于运算符含义运算符含义表2.4关系代数运算符

概述(续)AnIntroductiontoDatabaseSystem专门的关系运算符σπ

÷选择投影连接除逻辑运算符∧∨非与或运算符含义运算符含义表2.4关系代数运算符（续）

概述(续)AnIntroductiontoDatabaseSystem概述(续)4．关系代数运算的分类 传统的集合运算并、差、交、广义笛卡尔积 专门的关系运算选择、投影、连接、除AnIntroductiontoDatabaseSystem2.4.1传统的集合运算并差交广义笛卡尔积AnIntroductiontoDatabaseSystem1.并（Union）R和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

仍为n目关系，由属于R或属于S的元组组成

R∪S={t|t

R∨tS}AnIntroductiontoDatabaseSystem并(续)ABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1ABCa1b1c1a1b2c2a1b3c2a2b2c1ABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1RSR∪S

AnIntroductiontoDatabaseSystem2.差（Difference）R和S具有相同的目n相应的属性取自同一个域R-S

仍为n目关系，由属于R而不属于S的所有元组组成

R-S={t|tR∧tS}AnIntroductiontoDatabaseSystem差(续)ABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1ABCa1b1c1ABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1RSR-S

AnIntroductiontoDatabaseSystem3.交（Intersection）R和S具有相同的目n相应的属性取自同一个域R∩S仍为n目关系，由既属于R又属于S的元组组成

R∩S={t|t

R∧tS} R∩S=R

–(R-S）AnIntroductiontoDatabaseSystem交(续)ABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1ABCa1b2c2a2b2c1ABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1RSR∩S

AnIntroductiontoDatabaseSystem4.广义笛卡尔积（ExtendedCartesianProduct）Rn目关系，k1个元组Sm目关系，k2个元组R×S

列：（n+m）列的元组的集合元组的前n列是关系R的一个元组后m列是关系S的一个元组行：k1×k2个元组R×S={tr

ts|tr

R∧tsS}AnIntroductiontoDatabaseSystem广义笛卡尔积(续)ABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1ABCa1b1c1a1b1c1a1b1c1a1b2c2a1b2c2a1b2c2a2b2c1a2b2c1a2b2c1ABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1RSR×S

ABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1a1b2c2a1b3c2a2b2c1a1b2c2a1b3c2a2b2c1AnIntroductiontoDatabaseSystem2.4.2专门的关系运算选择投影连接除AnIntroductiontoDatabaseSystem1.选择（Selection）1)选择又称为限制（Restriction）2)选择运算符的含义在关系R中选择满足给定条件的诸元组

σF(R)={t|tR∧F(t)='真'}F：选择条件，是一个逻辑表达式，基本形式为：

[(]

X1θY1[)][φ[(]X2θY2[)]]…θ：比较运算符（＞，≥，＜，≤，＝或<>）X1，Y1等：属性名、常量、简单函数；属性名也可以用它的序号来代替；φ：逻辑运算符（∧或∨）[]：表示任选项…：表示上述格式可以重复下去AnIntroductiontoDatabaseSystem选择（续）3)选择运算是从行的角度进行的运算4)举例 设有一个学生-课程数据库，包括学生关系Student、课程关系Course和选修关系SC。σAnIntroductiontoDatabaseSystem选择（续）[例1]查询信息系（IS系）全体学生

σSdept

='IS'(Student)

或σ5='IS'(Student)结果：SnoSnameSsexSageSdept95002刘晨女19IS95004张立男19ISAnIntroductiontoDatabaseSystem2.投影（Projection）1）投影运算符的含义从R中选择出若干属性列组成新的关系

πA(R)={t[A]|tR} A：R中的属性列

AnIntroductiontoDatabaseSystem2.投影（Projection）2）投影操作主要是从列的角度进行运算但投影之后不仅取消了原关系中的某些列，而且还可能取消某些元组（避免重复行）πAnIntroductiontoDatabaseSystem投影（续）3)举例[例3]查询学生的姓名和所在系 即求Student关系上学生姓名和所在系两个属性上的投影

πSname，Sdept(Student)

或π2，5(Student)结果：AnIntroductiontoDatabaseSystem投影（续）SnameSdept李勇CS刘晨IS王敏MA张立ISAnIntroductiontoDatabaseSystem3.连接（Join）1）连接也称为θ连接2）连接运算的含义从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组

RS={|tr

R∧ts

S∧tr[A]θts[B]}A和B：分别为R和S上度数相等且可比的属性组θ：比较运算符

连接运算从R和S的广义笛卡尔积R×S中选取（R关系）在A属性组上的值与（S关系）在B属性组上值满足比较关系的元组。

AθBtrtsAnIntroductiontoDatabaseSystem

连接(续)3）两类常用连接运算等值连接（equijoin）什么是等值连接θ为“＝”的连接运算称为等值连接

等值连接的含义从关系R与S的广义笛卡尔积中选取A、B属性值相等的那些元组，即等值连接为：

RS={|tr

R∧tsS∧tr[A]=ts[B]}A=BtrtsAnIntroductiontoDatabaseSystem

连接(续)自然连接（Naturaljoin）

什么是自然连接自然连接是一种特殊的等值连接两个关系中进行比较的分量必须是相同的属性组在结果中把重复的属性列去掉自然连接的含义

R和S具有相同的属性组B

R

S={|trR∧tsS∧tr[B]=ts[B]}trtsAnIntroductiontoDatabaseSystem连接(续)4）一般的连接操作是从行的角度进行运算。 自然连接还需要取消重复列，所以是同时从行和列的角度进行运算。

AθBRSAnIntroductiontoDatabaseSystem连接(续)5）举例

[例5]ABCa1b15a1b26a2b38a2b412BEb13b27b310b32b52RSAnIntroductiontoDatabaseSystem连接(续)R

S

AR.BCS.BEa1b15b27a1b15b310a1b26b27a1b26b310a2b38b310

C＜EAnIntroductiontoDatabaseSystem连接(续)

等值连接R

SR.B=S.B

AR.BCS.BEa1b15b13a1b26b27a2b38b310a2b38b32AnIntroductiontoDatabaseSystem连接(续)

自然连接R

S

ABCEa1b153a1b267a2b3810a2b382AnIntroductiontoDatabaseSystem4）象集Z

给定一个关系R（X，Z），X和Z为属性组。当t[X]=x时，x在R中的象集（ImagesSet）为：

Zx={t[Z]|tR，t[X]=x}

它表示R中属性组X上值为x的诸元组在Z上分量的集合。AnIntroductiontoDatabaseSystem4）象集ZABCa1b1c2a2b3c7a3b4c6a1b2c3a4b6c6a2b2c3a1b2c1BCDb1c2d1b2c1d1b2c3d2R÷SAa1RSAnIntroductiontoDatabaseSystem4.除（Division）给定关系R(X，Y)

和S(Y，Z)，其中X，Y，Z为属性组。R中的Y与S中的Y可以有不同的属性名，但必须出自相同的域集。R与S的除运算得到一个新的关系P(X)，P是R中满足下列条件的元组在X属性列上的投影：元组在X上分量值x的象集Yx包含S在Y上投影的集合。

R÷S={tr[X]|tr

R∧πY(S)

Yx}

Yx：x在R中的象集，x=tr[X]AnIntroductiontoDatabaseSystem除(续)2）除操作是同时从行和列角度进行运算

3）举例

[例6](p62)÷RSAnIntroductiontoDatabaseSystem除(续)ABCa1b1c2a2b3c7a3b4c6a1b2c3a4b6c6a2b2c3a1b2c1BCDb1c2d1b2c1d1b2c3d2R÷SAa1RSAnIntroductiontoDatabaseSystem分析：在关系R中，A可以取四个值{a1，a2，a3，a4}a1的象集为{(b1，c2)，(b2，c3)，(b2，c1)}

a2的象集为{(b3，c7)，(b2，c3)}

a3的象集为{(b4，c6)}

a4的象集为{(b6，c6)}S在(B，C)上的投影为

{(b1，c2)，(b2，c1)，(b2，c3)}只有a1的象集包含了S在(B，C)属性组上的投影所以R÷S={a1}AnIntroductiontoDatabaseSystem5．综合举例以学生-课程数据库为例(P.59)[例7]查询至少选修1号课程和3号课程的学生号码

首先建立一个临时关系K：

然后求：πo(SC)÷K

Cno

1

3AnIntroductiontoDatabaseSystem综合举例(续)例7续πo(SC) 95001象集{1，2，3} 95002象集{2，3}πCno(K)={1，3}于是：πo(SC)÷K={95001}SnoCno950011950012950013950022950023AnIntroductiontoDatabaseSystem综合举例(续)[例8]查询选修了2号课程的学生的学号。

πSno（σCno='2'（SC））＝｛95001，95002｝

AnIntroductiontoDatabaseSystem综合举例(续)[例9]查询至少选修了一门其直接先行课为5号课程的课程的学生姓名。

πSname(σCpno='5'(CourseSCStudent))或

πSname(σCpno='5'(Course)SCπSno，Sname(Student))或πSname(πSno(σCpno='5'(Course)SC)πSno，Sname(Student))

AnIntroductiontoDatabaseSystem综合举例(续)[例10]查询选修了全部课程的学生号码和姓名。

πSno，Cno（SC）÷πCno（Course）πSno，Sname（Student）

AnIntroductiontoDatabaseSystem小结l

关系代数运算 关系代数运算 并、差、交、笛卡尔积、投影、选择、连接、除 基本运算 并、差、笛卡尔积、投影、选择 交、连接、除 可以用5种基本运算来表达引进它们并不增加语言的能力，但可以简化表达AnIntroductiontoDatabaseSystem小结(续)l

关系代数表达式关系代数运算经有限次复合后形成的式子l

典型关系代数语言ISBL（InformationSystemBaseLanguage）由IBMUnitedKingdom研究中心研制用于PRTV（PeterleeRelationalTestVehicle）实验系统AnIntroductiontoDatabaseSystem下课了。。。休息一会儿。。。追求AnIntroductiontoDatabaseSystem第二章关系数据库--2.5关系演算关系演算以数理逻辑中的谓词演算为基础种类：按谓词变元不同分类1.元组关系演算：以元组变量作为谓词变元的基本对象元组关系演算语言ALPHA2.域关系演算：以域变量作为谓词变元的基本对象域关系演算语言QBEAnIntroductiontoDatabaseSystem2.5.1元组关系演算语言ALPHA由E.F.Codd提出INGRES所用的QUEL语言是参照ALPHA语言研制的语句检索语句GET更新语句PUT，HOLD，UPDATE，DELETE，DROPAnIntroductiontoDatabaseSystem一、检索操作

语句格式：

GET

工作空间名

[（定额）]（表达式1）

[：操作条件][DOWN/UP表达式2]

定额：规定检索的元组个数格式：数字表达式1：指定语句的操作对象格式：关系名|关系名.属性名|元组变量.属性名|集函数[，…]操作条件：将操作结果限定在满足条件的元组中格式：逻辑表达式表达式2：指定排序方式格式：关系名.属性名|元组变量.属性名[，…]AnIntroductiontoDatabaseSystem（1）简单检索 GET工作空间名（表达式1）[例1]查询所有被选修的课程号码。GETW(o)

[例2]查询所有学生的数据。GETW(Student)AnIntroductiontoDatabaseSystem（2）限定的检索格式

GET

工作空间名（表达式1）：操作条件[例3]查询信息系(IS)中年龄小于20岁的学生的学号和年龄。

GETW(Student.Sno，Student.Sage):Student.Sdept='IS'∧Student.Sage<20AnIntroductiontoDatabaseSystem（3）带排序的检索格式

GET

工作空间名（表达式1）[：操作条件]DOWN/UP表达式2

[例4]查询计算机科学系(CS)学生的学号、年龄，结果按年龄降序排序。

GETW(Student.Sno，Student.Sage):Student.Sdept='CS‘

DOWNStudent.SageAnIntroductiontoDatabaseSystem（4）带定额的检索

格式

:GET

工作空间名（定额）（表达式1）

[：操作条件][DOWN/UP

表达式2][例5]取出一个信息系学生的学号。

GETW(1)(Student.Sno): Student.Sdept='IS'

[例6]查询信息系年龄最大的三个学生的学号及其年龄，结果按年龄降序排序。

GETW(3)(Student.Sno，Student.Sage):Student.Sdept='IS'DOWNStudent.SageAnIntroductiontoDatabaseSystem（5）用元组变量的检索元组变量的含义表示可以在某一关系范围内变化（也称为范围变量RangeVariable）元组变量的用途①简化关系名：设一个较短名字的元组变量来代替较长的关系名。②操作条件中使用量词时必须用元组变量。定义元组变量格式：RANGE关系名变量名一个关系可以设多个元组变量AnIntroductiontoDatabaseSystem(6)用存在量词的检索[例8]查询选修2号课程的学生名字。RANGESCXGETW(Student.Sname):X(X.Sno=Student.Sno∧o='2')[例9]查询选修了这样课程的学生学号，其直接先行课是6号课程。RANGECourseCXGETW(SC.Sno):CX(Co=SC.Cno∧CX.Pcno='6')AnIntroductiontoDatabaseSystem

用存在量词的检索(续)[例10]查询至少选修一门其先行课为6号课程的学生名字RANGECourseCXSCSCX GETW(Student.Sname):SCX(SCX.Sno=Student.Sno∧CX(o∧CX.Pcno='6'))

前束范式形式：GETW(Student.Sname):SCXCX(SCX.Sno=Student.Sno∧o∧CX.Pcno='6')AnIntroductiontoDatabaseSystem（7）带有多个关系的表达式的检索

[例11]查询成绩为90分以上的学生名字与课程名字。RANGESCSCXGETW(Student.Sname，ame):SCX(SCX.Grade≥90∧SCX.Sno=Student.Sno∧o=SCX.Cno)AnIntroductiontoDatabaseSystem（8）用全称量词的检索

[例12]查询不选1号课程的学生名字。RANGESCSCXGETW(Student.Sname):SCX(SCX.Sno≠Student.Sno∨o≠'1')用存在量词表示：RANGESCSCXGETW(Student.Sname):SCX(SCX.Sno=Student.Sno∧o='1')AnIntroductiontoDatabaseSystem（9）用两种量词的检索[例13]查询选修了全部课程的学生姓名。RANGECourseCXSCSCXGETW(Student.Sname):CXSCX (SCX.Sno=Student.Sno∧ o)AnIntroductiontoDatabaseSystem（10）用蕴函（Implication）的检索

[例14]查询最少选修了95002学生所选课程的学生学号。RANGECouseCXSCSCXSCSCYGETW(Student.Sno):CX(SCX(SCX.Sno='95002'∧o) SCY(SCY.Sno=Student.Sno∧ o=o))AnIntroductiontoDatabaseSystem（11）集函数常用集函数（Aggregationfunction）或内部函数（Build-infunction）函数名功能COUNT

对元组计数TOTAL

求总和MAX

求最大值MIN

求最小值AVG

求平均值AnIntroductiontoDatabaseSystem集函数(续)[例15]查询学生所在系的数目。

GETW(COUNT(Student.Sdept))COUNT函数在计数时会自动排除重复值。

[例16]查询信息系学生的平均年龄GETW(AVG(Student.Sage):Student.Sdept='IS’)

AnIntroductiontoDatabaseSystem二、更新操作(1)修改操作(2)插入操作(3)删除操作AnIntroductiontoDatabaseSystem（1）修改操作步骤①用HOLD语句将要修改的元组从数据库中读到工作空间中HOLD

工作空间名（表达式1）[：操作条件]HOLD语句是带上并发控制的GET语句②用宿主语言修改工作空间中元组的属性③用UPDATE语句将修改后的元组送回数据库中

UPDATE

工作空间名AnIntroductiontoDatabaseSystem修改操作(续)[例17]把95007学生从计算机科学系转到信息系。HOLDW(Student.Sno，Student.Sdetp):Student.Sno='95007'

（从Student关系中读出95007学生的数据）

MOVE'IS'TOW.Sdept

（用宿主语言进行修改）

UPDATEW

（把修改后的元组送回Student关系）AnIntroductiontoDatabaseSystem（2）插入操作步骤①用宿主语言在工作空间中建立新元组②用PUT语句把该元组存入指定关系中

PUT

工作空间名（关系名）

PUT语句只对一个关系操作AnIntroductiontoDatabaseSystem插入操作(续)[例18]学校新开设了一门2学分的课程“计算机组织与结构”，其课程号为8，直接先行课为6号课程。插入该课程元组MOVE'8'TOoMOVE'计算机组织与结构'TOameMOVE'6'TOW.CpnoMOVE'2'TOW.CcreditPUTW(Course)AnIntroductiontoDatabaseSystem（3）删除操作①用HOLD语句把要删除的元组从数据库中读到工作空间中②用DELETE语句删除该元组

DELETE

工作空间名AnIntroductiontoDatabaseSystem删除操作(续)[例19]95110学生因故退学，删除该学生元组。

HOLDW(Student):Student.Sno='95110'DELETEW

AnIntroductiontoDatabaseSystem删除操作(续)[例20]将学号95001改为95102。

HOLDW(Student):Student.Sno='95001'

DELETEWMOVE'95102'TOW.SnoMOVE'李勇'TOW.SnameMOVE'男'OW.SsexMOVE'20'TOW.SageMOVE'CS'TOW.Sdept

PUTW(Student)

AnIntroductiontoDatabaseSystem删除操作(续)[例21]删除全部学生。

HOLDW(SC)DELETEW

HOLDW(Student)DELETEW在删除操作中保持参照完整性AnIntroductiontoDatabaseSystem小结：元组关系演算语言ALPHA检索操作GETGET

工作空间名

[（定额）]（表达式1）

[：操作条件][DOWN/UP表达式2]插入操作建立新元组--PUT修改操作HOLD--修改--UPDATE删除操作HOLD--DELETEAnIntroductiontoDatabaseSystem2.5.2域关系演算语言QBE

l

一种典型的域关系演算语言 由M.M.Zloof提出

1978年在IBM370上得以实现

QBE也指此关系数据库管理系统l

QBE：QueryByExample

基于屏幕表格的查询语言查询要求：以填写表格的方式构造查询用示例元素(域变量)来表示查询结果可能的情况查询结果：以表格形式显示AnIntroductiontoDatabaseSystemQBE操作框架

关系名属性名操作命令元组属性值或查询条件或操作命令AnIntroductiontoDatabaseSystem一、检索操作（1）用户提出要求；（2）屏幕显示空白表格；

（3）用户在最左边一栏输入要查询的关系名，例如Student；StudentAnIntroductiontoDatabaseSystem检索操作（续）（4）系统显示该关系的属性名

（5）用户在上面构造查询要求

StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.T

AO.C

StudentSnoSnameSsexSageSdept

AnIntroductiontoDatabaseSystem检索操作（续）（6）屏幕显示查询结果StudentSnoSnameSsexSageSdept

李勇张立

C

AnIntroductiontoDatabaseSystem构造查询的几个要素示例元素即域变量一定要加下划线示例元素是这个域中可能的一个值，它不必是查询结果中的元素打印操作符P.

指定查询结果所含属性列查询条件不用加下划线可使用比较运算符＞，≥，＜，≤，＝和≠其中＝可以省略排序要求AnIntroductiontoDatabaseSystem1.简单查询[例1]查询全体学生的全部数据。StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.95001P.李勇P.男P.20P.CSAnIntroductiontoDatabaseSystem简单查询（续）

显示全部数据也可以简单地把P.操作符作用在关系名上。StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.

AnIntroductiontoDatabaseSystem2.条件查询(1)简单条件

[例2]求信息系全体学生的姓名。StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.李勇

ISAnIntroductiontoDatabaseSystem条件查询（续）

[例3]求年龄大于19岁的学生的学号。StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.95001

>19AnIntroductiontoDatabaseSystem条件查询（与条件）[例4]求计算机科学系年龄大于19岁的学生的学号。方法（1）：把两个条件写在同一行上StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.95001

>19CSAnIntroductiontoDatabaseSystem条件查询（续）

方法（2）：把两个条件写在不同行上，但使用相同的示例元素值StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.95001P.95001

>19CSAnIntroductiontoDatabaseSystem条件查询（续）[例5]查询既选修了1号课程又选修了2号课程的学生的学号。SCSnoCnoGrade

P.95001P.9500112

AnIntroductiontoDatabaseSystem条件查询（续）[例6]查询计算机科学系或者年龄大于19岁的学生的学号。StudentSnoSnameSsexSageSdept

P.95001P.95002

>19CSAnIntroductiontoDatabaseSystem

多表连接

[例7]查询选修1号课程的学生姓名。

注意：示例元素Sno是连接属性，其值在两个表中要相同。SCSnoCnoGrade

950011

StudentSnoSnameSsexSageSdept

95001P.李勇

AnIntroductiontoDatabaseSystem条件查询（非条件）[例8]查询未选修1号课程的学生姓名

思路：显示学号为95001的学生名字，而该学生选修1号课程的情况