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任务六 关系模式的规范化

一、规范化的核心背景与定义​

1. 问题根源​

未规范化的关系模式会引发四大问题：数据冗余大、数据更新不一致、插入异常、删除异常。

2. 规范化定义​

关系模式的规范化是指通过模式分解，将低级范式的关系转换为若干个高级范式关系的过程，以此消除数据冗余和操作异常。

3. 范式（Normal Form, NF）​

范式是衡量关系模式优劣的规则集合，级别越高，约束条件越严格，数据冗余和异常的风险就越小。高一级范式是在低一级范式的基础上增加额外约束，因此满足高一级范式必然满足低一级范式。 常见的范式包括：1NF、2NF、3NF、4NF、5NF、BCNF，一般数据库设计满足**第三范式（3NF）**即可。

二、核心范式详解​

1. 第一范式（1NF）​

  • 定义：关系模式中的所有属性都是不可再分的数据项（即原子性）。
  • 地位：关系数据库的最基本要求，任何关系必须满足1NF。
  • 局限：仅满足1NF仍可能存在数据冗余和操作异常，需要进一步规范化。

2. 第二范式（2NF）​

  • 定义：在满足1NF的基础上，每个非主属性都完全依赖于关系的码（消除非主属性对码的部分依赖）。
  • 判断方法：分析非主属性对码的函数依赖，检查是否存在仅依赖码的一部分的情况。
  • 分解方法：将存在部分依赖的非主属性分离到新的关系中，使每个关系的非主属性都完全依赖于自身的码。
  • 示例：“学生课程成绩”关系（学号，课程号，姓名，成绩等）分解为： 学生_班级(学号, 姓名, 性别, 专业, 班级名, 班主任) 课程(课程号, 课程名, 课时) 成绩(学号, 课程号, 成绩)
  • 结论：满足2NF必然满足1NF；若关系无主属性、候选码为单属性，或仅包含两个属性，则自动满足2NF。

3. 第三范式（3NF）​

  • 定义：在满足2NF的基础上，每个非主属性既不部分依赖于码，也不传递依赖于码（消除非主属性对码的传递依赖）。
  • 判断方法：分析非主属性对码的函数依赖，检查是否存在“码→属性A→属性B”的传递依赖。
  • 分解方法：将存在传递依赖的非主属性分离到新的关系中，消除传递依赖。
  • 示例：“学生_班级”关系（学号，姓名，班级名，班主任）分解为： 学生(学号, 姓名, 性别, 专业, 班级名) 班级(班级名, 班主任)
  • 结论：满足3NF必然满足2NF和1NF；若关系无主属性或仅包含两个属性，则自动满足3NF。

三、范式层级与设计原则​

  • 层级关系：1NF ⊂ 2NF ⊂ 3NF ⊂ BCNF ⊂ 4NF ⊂ 5NF，高一级范式是低一级范式的子集。
  • 设计原则：一般数据库设计只需满足3NF即可，它在消除冗余和保证性能之间取得了较好的平衡。