Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Отношение R состоит из заголовка (схемы ) и тела . Заголовок представляет собой множество атрибутов (именованных вхождений домена в заголовок отношения), а тело - множество кортежей , соответствующих заголовку . Более строго:
- Заголовок (или схема) H отношения R - конечное множество упорядоченных пар вида (A i , T i ), где A i - имя атрибута , а T i - имя типа (домена), i =1,…, n . По определению требуется, чтобы все имена атрибутов в заголовке отношения были различными (уникальными).
- Тело B отношения R - множество кортежей t . Кортеж t , соответствующий заголовку H , - множество упорядоченных триплетов (троек) вида <A i , T i , v i >, по одному такому триплету для каждого атрибута в H , где v i - допустимое значение типа (домена) T i . Так как имена атрибутов уникальны, то указание домена в кортеже обычно излишне. Поэтому кортеж t , соответствующий заголовку H , нередко определяют как множество пар (A i , v i ).
Количество кортежей называют кардинальным числом отношения (кардинальностью ), или мощностью отношения.
Количество атрибутов называют степенью , или «арностью » отношения; отношение с одним атрибутом называется унарным, с двумя - бинарным и т.д., с n атрибутами - n -арным. С точки зрения теории вполне корректным является и отношение с нулевым количеством атрибутов, которое либо не содержит кортежей, либо содержит единственный кортеж без компонент (пустой кортеж) .
Основные свойства отношения:
- В отношении нет двух одинаковых элементов (кортежей).
- Порядок кортежей в отношении не определён.
- Порядок атрибутов в заголовке отношения не определён.
Подмножество атрибутов отношения, удовлетворяющее требованиям уникальности и минимальности (несократимости), называется потенциальным ключом . Поскольку все кортежи в отношении по определению уникальны, в любом отношении должен существовать по крайней мере один потенциальный ключ.
Отношения и таблицы
Отношение обычно имеет простую графическую интерпретацию в виде таблицы, столбцы которой соответствуют атрибутам, а строки - кортежам, а в «ячейках» находятся значения атрибутов в кортежах. Тем не менее, в строгой реляционной модели отношение не является таблицей , кортеж - это не строка , а атрибут - это не столбец . Термины «таблица», «строка», «столбец» могут использоваться только в неформальном контексте, при условии полного понимания, что эти более «дружественные» термины являются всего лишь приближением и не дают точного представления о сути обозначаемых понятий .
В соответствии с определением К. Дж. Дейта , таблица является прямым и верным представлением некоторого отношения, если она удовлетворяет следующим пяти условиям:
Пример
Пусть заданы следующие типы (домены):
Тогда декартово произведение T 1 × T 2 × T 3 {\displaystyle T_{1}\times T_{2}\times T_{3}} состоит из 18 кортежей, где каждый кортеж содержит три значения: первое - одна из фамилий, второе - учебная дисциплина, а третье - оценка.
Пусть отношение R имеет заголовок H : { (Фамилия, T 1), (Дисциплина, T 2), (Оценка, T 3)}.
Тогда тело отношения R может моделировать реальную ситуацию и содержать пять кортежей, которые соответствуют результатам сессии (Петров экзамен по Физике не сдавал). Отобразим отношение в виде таблицы:
Операции над отношениями
Любая операция, результатом которой является отношение , подпадает под понятие реляционной операции и может использоваться в реляционной теории и практике. Ниже приведён список из восьми операций, изначально предложенных создателем реляционной модели Эдгаром Коддом . Все операции из списка, кроме деления, по-прежнему широко востребованы, однако список не является исчерпывающим, то есть по факту используется гораздо большее число реляционных операций.
- Объединение - тело отношения-результата является объединением тел отношений-операндов; схема не изменяется.
- Пересечение - тело отношения-результата является пересечением тел отношений-операндов; схема не изменяется.
- Вычитание - тело отношения-результата получено вычитанием тел отношений-операндов; схема не изменяется.
- Проекция - схема отношения-результата является подмножеством схемы отношения-операнда; тело отношения-результата является нестрогим подмножеством тела отношения-операнда вследствие возможного удаления кортежей-дубликатов.
- Декартово произведение - тело отношения-результата является декартовым произведением тел отношений-операндов; схема результата является конкатенацией схем операндов.
- Выборка - тело отношения-результата является подмножеством тела отношения-операнда: отбираются лишь те кортежи, которые удовлетворяют заданному предикату (условию выборки); схема не изменяется.
- Соединение - выборка над декартовым произведением.
- Деление - делитель является унарным отношением, частное - совпадающие части кортежей делимого, перед которыми стоит делитель.
Примечания
Литература
- Когаловский М.Р. Энциклопедия технологий баз данных. - М. : Финансы и статистика, 2002. - 800 с. - ISBN 5-279-02276-4 .
- Кузнецов С. Д. Основы баз данных. - 2-е изд. - М. : Интернет-университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 484 с. -
Лекция 3.
п.3. Отношения на множествах. Свойства бинарных отношений.
3.1. Бинарные отношения .
Когда говорят о родстве двух людей, например, Сергей и Анна, то подразумевают, что есть некая семья, к членам которой они относятся. Упорядоченная пара (Сергей, Анна) отличается от других упорядоченных пар людей тем, что между Сергеем и Анной есть некое родство (кузина, отец и т. д.).
В математике среди всех упорядоченных пар прямого произведения двух множеств A и B (A ´B ) тоже выделяются «особые» пары в связи с тем, что между их компонентами есть некоторые «родственные» отношения, которых нет у других. В качестве примера рассмотрим множество S студентов какого-нибудь университета и множество K читаемых там курсов. В прямом произведении S ´K можно выделить большое подмножество упорядоченных пар (s , k ), обладающих свойством: студент s слушает курс k . Построенное подмножество отражает отношение «… слушает …», естественно возникающее между множествами студентов и курсов.
Для строгого математического описания любых связей между элементами двух множеств введем понятие бинарного отношения.
Определение 3.1. Бинарным (или двухместным ) отношением r между множествами A и B называется произвольное подмножество A ´B , т. е.
В частности, если A= B (то есть rÍA 2), то говорят, что r есть отношение на множестве A.
Элементы a и b называются компонентами (или координатами ) отношения r.
Замечание. Договоримся, что для обозначения отношений между элементами множеств использовать греческий алфавит : r, t, j, s, w и т. д.
Определение 3.2. Областью определения D r={a | $ b , что a rb } (левая часть). Областью значений бинарного отношения r называется множество R r={b | $ a , что a rb } (правая часть).
Пример 3. 1. Пусть даны два множества A ={1; 3; 5; 7} и B ={2; 4; 6}. Отношение зададим следующим образом t={(x ; y )ÎA ´B | x+ y =9}. Это отношение будет состоять из следующих пар (3; 6), (5; 4) и (7; 2), которые можно записать в виде t={(3; 6), (5; 4), (7;2)}. В данном примере D t={3; 5; 7} и R t= B ={2; 4; 6}.
Пример 3. 2. Отношение равенства на множестве действительных чисел есть множество r={(x ; y ) | x и y – действительные числа и x равно y }. Для этого отношения существует специальное обозначение «=». Область определения совпадает с областью значений и является множеством действительных чисел, D r= R r.
Пример 3. 3. Пусть A – множество товаров в магазине, а B – множество действительных чисел. Тогда j={(x ; y )ÎA ´B | y – цена x } – отношение множеств A и B .
Если обратить внимание на пример 3.1., то можно заметить, что данное отношение было задано сначала в виде t={(x ; y )ÎA ´B | x+ y =9}, а потом записано в виде t={(3; 6), (5;4), (7;2)}. Это говорит о том, что отношения на множествах (или одном множестве) можно задавать различными способами. Рассмотрим способы задания бинарных отношений.
Способы задания отношений:
1) с помощью подходящего предиката;
2) множество упорядоченных пар;
3) в графической форме: пусть A и B – два конечных множества и r – бинарное отношение между ними. Элементы этих множеств изображаем точками на плоскости. Для каждой упорядоченной пары отношения r рисуют стрелку, соединяющую точки, представляющие компоненты пары. Такой объект называется ориентированным графом или орграфом , точки же, изображающие элементы множеств, принято называть вершинами графа .
4) в виде матрицы: пусть A ={a 1, a 2, …, an } и B ={b 1, b 2, …, bm }, r – отношение на A ´B . Матричным представлением r называется матрица M =[mij ] размера n ´m , определенная соотношениями
.Кстати, матричное представление является представлением отношения в компьютере.
Пример 3. 4. Пусть даны два множества A ={1; 3; 5; 7}и B ={2; 4; 6}. Отношение задано следующим образом t={(x ; y ) | x+ y =9}. Задать данное отношение как множество упорядоченных пар, орграфом, в виде матрицы.
Решение. 1) t={(3; 6), (5; 4), (7; 2)} - есть задание отношения как множества упорядоченных пар;
2) соответствующий ориентированный граф показан на рисунке.
https://pandia.ru/text/78/250/images/image004_92.gif" width="125" height="117">. ,
Пример 3. 5 . Еще в качестве примера можно рассмотреть предложенную Дж. фон Нейманом (1903 – 1957) блок-схему ЭВМ последовательного действия, которая состоит из множества устройств M :
,где a – устройство ввода, b – арифметическое устройство (процессор), c – устройство управления, d – запоминающее устройство, e – устройство вывода.
Рассмотрим информационный обмен между устройствами mi и mj , которые находятся в отношении r, если из устройства mi поступает информация в устройство mj .
Это бинарное отношение можно задать перечислением всех его 14 упорядоченных пар элементов:
Соответствующий орграф, задающий это бинарное отношение, представлен на рисунке:
Матричное представление этого бинарного отношения имеет вид:
. ,Для бинарных отношений обычным образом определены теоретико-множественные операции: объединение, пересечение и т. д.
Введем обобщенное понятие отношения.
Определение 3.3. n-местное (n -арное ) отношение r – это подмножество прямого произведения n множеств, то есть множество упорядоченных наборов (кортежей )
rÍA 1´…´An ={(a 1, …, an )| a 1ÎA 1Ù … Ùan ÎAn }
Многоместные отношения удобно задавать с помощью реляционных таблиц . Такое задание соответствует перечислению множества n -к отношения r. Реляционные таблицы широко используются в компьютерной практике в реляционных базах данных . Заметим, что реляционные таблицы нашли применение в повседневной практике. Всевозможные производственные, финансовые, научные и другие отчеты часто имеют форму реляционных таблиц.
Слово «реляционная » происходит от латинского слова relation , которое в переводе на русский язык означает «отношение». Поэтому в литературе для обозначения отношения используют букву R (латинскую) или r (греческую).
Определение 3.4. Пусть rÍA ´B есть отношение на A ´B. Тогда отношение r-1 называется обратным отношением к данному отношению r на A ´B , которое определяется следующим образом:
r-1={(b , a ) | (a , b )Îr}.
Определение 3.5. Пусть r ÍA ´B есть отношение на A ´B, а s ÍB ´C – отношение на B ´C. Композицией отношений s и r называется отношение t ÍA ´C ,которое определяется следующим образом:
t=s◦r= {(a , c )| $ b Î B, что (a , b )Îr и (b , c )Îs}.
Пример 3. 6 . Пусть , и C ={, !, d, à}. И пусть отношение r на A ´B и отношение s на B ´C заданы в виде:
r={(1, x ), (1, y ), (3, x )};
s={(x ,), (x , !), (y , d), (y , à)}.
Найти r-1 и s◦r, r◦s.
Решение. 1) По определению r-1={(x , 1), (y , 1), (x , 3)};
2) Используя определение композиции двух отношений, получаем
s◦r={(1,), (1, !), (1, d), (1, à), (3,), (3, !)},
поскольку из (1, x )Îr и (x ,)Îs следует (1,)Îs◦r;
из (1, x )Îr и (x , !)Îs следует (1, !)Îs◦r;
из (1, y )Îr и (y , d)Îs следует (1, d)Îs◦r;
из (3, x )Îr и (x , !)Îs следует (3, !)Îs◦r.
Теорема 3.1. Для любых бинарных отношений выполняются следующие свойства:
2)
;3)
- ассоциативность композиции.Доказательство. Свойство 1 очевидно.
Докажем свойство 2. Для доказательства второго свойства покажем, что множества, записанные в левой и правой частях равенства, состоят из одних и тех же элементов. Пусть (a ; b ) Î (s◦r)-1 Û (b ; a ) Î s◦r Û $ c такое, что (b ; c ) Î r и (c ; a ) Î s Û $ c такое, что (c ; b ) Î r-1 и (a ; c ) Î s-1 Û (a ; b ) Î r -1◦s -1.
Свойство 3 доказать самостоятельно.
3.2. Свойства бинарных отношений .
Рассмотрим специальные свойства бинарных отношений на множестве A .
Свойства бинарных отношений.
1. Отношение r на A ´A называется рефлексивным , если (a ,a ) принадлежит r для всех a из A .
2. Отношение r называется антирефлексивным , если из (a ,b )Îr следует a ¹b .
3. Отношение r симметрично , если для a и b , принадлежащих A , из (a ,b )Îr следует, что (b ,a )Îr.
4. Отношение r называется антисимметричным , если для a и b из A , из принадлежности (a ,b ) и (b ,a ) отношению r следует, что a =b .
5. Отношение r транзитивно , если для a , b и c из A из того, что (a ,b )Îr и (b ,c )Îr, следует, что (a ,c )Îr.
Пример 3. 7. Пусть A ={1; 2; 3; 4; 5; 6}. На этом множестве задано отношение rÍA 2, которое имеет вид: r={(1, 1), (2, 2), (3, 3), (4; 4), (5; 5), (6; 6), (1; 2), (1; 4), (2; 1), (2;4), (3;5), (5; 3), (4; 1), (4; 2)}. Какими свойствами обладает данное отношение?
Решение. 1) Это отношение рефлексивно, так как для каждого a ÎA , (a ; a )Îr.
2) Отношение не является антирефлексивным, так как не выполняется условие этого свойства. Например, (2, 2)Îr, но отсюда не следует, что 2¹2.
3) Рассмотрим все возможные случаи, показав, что отношение r является симметричным:
(a , b )Îr
(b , a )
(b , a )Îr?
4) Данное отношение не является антисимметричным, поскольку (1, 2)Îr и (2,1)Îr, но отсюда не следует, что 1=2.
5) Можно показать, что отношение r транзитивно, используя метод прямого перебора.
(a , b )Îr
(b , c )Îr
(a , c )
(a , c )Îr?
Как по матрице представления
определить свойства бинарного отношения
1. Рефлексивность: на главной диагонали стоят все единицы, звездочками обозначены нули или единицы.
.2. Антирефлексивность: на главной диагонали все нули.
3. Симметричность: если .
4. Антисимметричность: все элементы вне главной диагонали равны нулю; на главной диагонали тоже могут быть нули.
. Отношение равенства на множестве целых чисел есть отношение эквивалентности.Пример 3. 9 . Отношение «одного роста» есть отношение эквивалентности на множестве людей X .
Пример 3. 1 0 . Пусть ¢ - множество целых чисел. Назовем два числа x и y из ¢ сравнимыми по модулю m (m Î¥) и запишем , если равны остатки этих чисел от деления их на m , т. е. разность (x -y ) делится на m .
Отношение «сравнимых по модулю m целых чисел» есть отношение эквивалентности на множестве целых числе ¢. В самом деле:
это отношение рефлексивно, т. к. для "x ΢ имеем x -x =0, и, следовательно, оно делится на m ;
это отношение симметрично, т. к. если (x -y ) делится на m , то и (y -x ) тоже делится на m ;
это отношение транзитивно, т. к. если (x -y ) делится на m , то для некоторого целого t 1 имеем https://pandia.ru/text/78/250/images/image025_23.gif" width="73" height="24 src=">, отсюда
, т. е. (x
-z
) делится на m
.Определение 3.7. Отношение r на A есть отношение частичного порядка , если оно рефлексивно, антисимметрично и транзитивно и обозначается символом °.
Частичный порядок важен в тех ситуациях, когда мы хотим как-то охарактеризовать старшинство. Иными словами, решить при каких условиях считать, что один элемент множества превосходит другой.
Пример 3. 11 . Отношение x £y на множестве действительных чисел есть отношение частичного порядка. ,
Пример 3. 1 2 . Во множестве подмножеств некоторого универсального множества U отношение A ÍB есть отношение частичного порядка.
Пример 3. 1 3 . Схема организации подчинения в учреждении есть отношение частичного порядка на множестве должностей.
Прообразом отношения частичного порядка является интуитивное понятие отношения предпочтения (предшествования). Отношение предпочтения выделяет класс задач, которые можно объединить, как задача о проблеме выбора наилучшего объекта .
Формулировка задачи: пусть имеется совокупность объектов A и требуется сравнить их по предпочтительности, т. е. задать отношение предпочтения на множестве A и определить наилучшие объекты.
Отношение предпочтения P , которое можно определить как «aPb , a , b ÎA Û объект a не менее предпочтителен, чем объект b » является по смыслу рефлексивным и антисимметричным (каждый объект не хуже самого себя, и, если объект a не хуже b и b не хуже a , то они одинаковы по предпочтительности). Естественно считать, что отношение P транзитивно (хотя в случае, когда, например, предпочтения обсуждаются группой лиц с противоположными интересами, это свойство может быть нарушено), т. е. P – отношение частичного порядка.
Один из возможных способов решения задачи сравнения объектов по предпочтительности – ранжирование , т. е. упорядочение объектов в соответствии с убыванием их предпочтительности или равноценности. В результате ранжирования мы выделяем «наилучшие» или «наихудшие» с точки зрения отношения предпочтения объекты.
Области применения задачи о проблеме выбора наилучшего объекта: теория принятия решений, прикладная математика, техника, экономика, социология, психология.
