【愚公系列】软考高级-架构设计师 056-函数依赖

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🚀前言

数据库设计中的函数依赖（Functional Dependency，简称FD）是数据库理论中的一个核心概念，它是关系模型中用于描述属性之间关系的一种形式。函数依赖是构建关系模式，实施规范化过程，以及消除数据冗余和更新异常的基础。

简单来说，如果我们有一个关系模式R，并且在R中有两个属性集X和Y，我们说“Y函数依赖于X”（通常表示为X → Y），如果在R中的任何两个元组t1和t2，只要t1和t2在属性集X上的值相等，那么它们在属性集Y上的值也必须相等。这意味着X的值唯一决定了Y的值。

在数据库设计中，理解和识别函数依赖对于设计良好的数据库模式至关重要。通过应用规范化理论，我们可以根据函数依赖来分解关系模式，以减少数据冗余和更新异常。

规范化过程通常涉及以下范式：

• 第一范式（1NF）
• 第二范式（2NF）
• 第三范式（3NF）
• 博伊斯-科得范式（BCNF）
• 第四范式（4NF）
• 第五范式（5NF）或完全范式（PJNF）

每一级范式都建立在前一级范式的基础上，并对模式中可能存在的函数依赖进行了更进一步的限制，以此来减少数据冗余和更新异常。在实际应用中，达到第三范式或BCNF通常就足够用来处理大多数的数据冗余问题了。

🚀一、函数依赖

🔎1.函数依赖的定义

你提供的关于函数依赖的说明有些混乱，下面我来帮你整理和澄清。

函数依赖是数据库设计中描述表中不同字段之间关系的一种方式。如果一个字段的值可以由另一个字段的值唯一确定，那么就说存在一个函数依赖关系。以下是对你提供的信息的整理：

1. 函数依赖的定义：
   • 如果在一个关系中，属性集X的值能够唯一确定另一个属性集Y的值，则称Y函数依赖于X，表示为X → Y。
   • 例如，在关系数据库中，假设有一个字段X和另一个字段Y，Y是X的平方（即Y = X * X）。在这种情况下，X的值（比如2）可以唯一确定Y的值（比如4）。但Y的值（比如4）不能唯一确定X的值，因为可能有两个X的值（+2或-2）的平方都是4。
2. 部分函数依赖：
   • 当存在一个属性集合（A，B）能决定另一个属性C，并且其中一个子集（比如单独的A）就足以决定C时，称C部分函数依赖于（A，B）。
   • 在这种依赖关系中，属性C依赖于属性集合的一部分（A），而不是整个集合（A，B）。这意味着B是不必要的，我们可以移除B而不影响确定C的能力。
3. 传递函数依赖：
   • 如果有两个函数依赖关系A → B和B → C，并且A与B不是同一个属性或属性集，那么可以说C传递函数依赖于A。
   • 这意味着A的值可以间接决定C的值，通过B作为中间步骤。如果A和B是相同的，那么我们只有一个直接的函数依赖A → C，而没有传递依赖。

理解这些概念对于数据库规范化非常重要。规范化过程旨在消除数据的冗余，避免更新异常，并提高数据的一致性和完整性。通过识别并处理部分函数依赖和传递函数依赖，我们可以将数据库设计到更高的规范化范式，如第二范式（2NF）和第三范式（3NF）。

🔎2.函数依赖公理系统

在数据库理论中，函数依赖的公理系统是用来推导关系模式中所有可能的函数依赖的一组规则。这个公理系统是由阿姆斯特朗（Armstrong）在1974年提出的，因此通常也被称为“阿姆斯特朗公理”。这些公理用于在设计数据库时帮助理解和应用函数依赖的概念，以此实现数据库的规范化设计。

阿姆斯特朗的公理包括以下三条基本规则：

1. 自反性规则（Reflexivity rule）: 如果Y是X的一个子集，那么X可以决定Y。即，如果Y ⊆ X，则X → Y。
2. 增强性规则（Augmentation rule）: 如果X可以决定Y，那么X与任何其他属性集Z的联合也可以决定Y与Z的联合。即，如果X → Y，则对于任何属性集Z，有XZ → YZ。
3. 传递性规则（Transitivity rule）: 如果X可以决定Y，且Y可以决定Z，那么X也可以决定Z。即，如果X → Y 且 Y → Z，则X → Z。

除了这三个基本规则，还有一些可以由基本规则派生出来的附加规则，这些规则有助于进一步推导函数依赖：

• 并集规则（Union rule）: 如果X → Y 且 X → Z，则X → YZ。
• 分解规则（Decomposition rule）: 如果X → YZ，则X → Y 且 X → Z。
• 伪传递性规则（Pseudo-transitivity rule）: 如果X → Y 且 WY → Z，则XW → Z。

使用这些公理，数据库设计者可以推断出所有在关系模式中适用的函数依赖，这对于执行规范化过程并设计一个没有冗余和更新异常的数据库结构至关重要。通过应用这些规则，设计者可以确定数据应如何被组织成表格，以及这些表格如何相互关联。

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