Introduction to SQL for Data Science

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作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

随着大数据的不断增长、数据量的增加、计算设备的普及，以及互联网的发展，数据处理变得越来越复杂、越来越重要。数据的获取、整合、存储、分析等各个环节均需要用到各种编程语言、数据库管理系统（Database Management System，DBMS），这些技术都是由专业工程师来进行研发、维护和应用的。

SQL（Structured Query Language）是一种用于管理关系型数据库的标准化语言。它具备强大的查询功能，能够对数据库中的数据快速、有效地检索、汇总、分析、过滤、更新和修改。本文将会从基础语法、数据类型、运算符、函数、条件语句、分组排序、聚集函数、子查询、视图、触发器等方面，详细介绍SQL在数据科学领域的应用。

本文不会涉及复杂的数据建模过程，只从实际应用角度出发，重点介绍SQL的基本语法、数据类型、运算符、函数、条件语句、分组排序、聚集函数、子查询、视图、触发器等技术。读者可以充分利用这部分知识学习和应用于实际项目。

2.基本概念术语说明

2.1 数据模型

在数据分析和处理过程中，数据通常被组织成不同的表格形式。这种形式称为数据模型。数据模型的目的是对数据的逻辑结构进行抽象，从而方便地对其进行表示、管理、操纵和查询。

关系型数据模型与NoSQL数据模型：

关系型数据库（Relational Database）

关系型数据库是最常用的一种数据模型。它以表格的形式存储数据，每行对应一条记录，每列代表一个属性或字段。关系型数据库可以按照结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）对数据进行检索、插入、删除、更新等操作。

NoSQL数据模型

NoSQL（Not Only Structured Query Language）是一个泛指非关系型的数据库，其支持无模式、高可扩展性和分布式数据库设计理念。它提供了一系列数据模型，包括文档型、键值对型、图形型、列存型和时间序列型等。其中文档型和键值对型是最常见的两种NoSQL数据模型。

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 * 文档型数据库（Document-Oriented Database）

以文档的方式存储数据。它将数据存储为一系列集合，每个集合中存储多个文档。文档可以是嵌套的、拥有多个键值的形式。

MongoDB、Couchbase、Firebase都是典型的文档型数据库。

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 * 键值对型数据库（Key-Value Store）

以键值对的方式存储数据。它将数据存储为键值对，其中每个值都是一个字节数组。键值对型数据库不能保证数据之间的关系，只能通过键来访问数据。Redis、Memcached就是典型的键值对型数据库。

2.2 SQL语言简介

SQL（Structured Query Language，结构化查询语言）是用于管理关系型数据库的标准语言。它是一种声明式的语言，它的一般工作流程如下：

创建并定义数据库对象（如表、视图、索引、约束等）。
使用SELECT语句从数据库表或视图中检索数据。
使用INSERT、UPDATE或DELETE语句向数据库表中插入、更新或删除数据。
对数据执行各种操作，如排序、过滤、聚集、分组等。

SQL语言共有四种主要的类别：DML（Data Manipulation Language）、DDL（Data Definition Language）、DCL（Data Control Language）和TCL（Transaction Control Language）。

DML：用于操作数据库表中的数据，包括SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE等。
DDL：用于定义、修改、删除数据库对象，包括CREATE、ALTER、DROP、TRUNCATE等。
DCL：用于控制数据库用户权限、事务等，包括GRANT、REVOKE、COMMIT、ROLLBACK等。
TCL：用于管理事务，包括BEGIN TRANSACTION、END TRANSACTION等。

2.3 SQL常用语句分类

2.3.1 SELECT语句

SELECT语句用于从数据库表或视图中选择数据。语法格式如下：

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    SELECT [DISTINCT] column_name(s) 
    FROM table_name
    [WHERE condition] 
    [ORDER BY column_name [ASC|DESC]] 
    [LIMIT {[offset],} row_count]
    
      
      
      
      
    
    代码解读

column_name：要查询的列名。
- [DISTINCT]：去除重复项。
- table_name：要查询的表名。
- [WHERE condition]：指定查询条件，根据指定的条件来筛选数据。
- [ORDER BY column_name [ASC|DESC]]：按指定列排序，默认升序。
- [LIMIT {[offset],} row_count]：限制返回结果的行数，可指定偏移量和数量。

示例：

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    -- 查询 employee 表中的所有数据
    SELECT * FROM employee; 
    
    -- 查询 employee 表中的 name 和 salary 列的数据
    SELECT name, salary FROM employee;
    
    -- 查询 employee 表中 name 为 'John' 的数据
    SELECT * FROM employee WHERE name='John';
    
    -- 查询 employee 表中 salary 降序排列的数据
    SELECT * FROM employee ORDER BY salary DESC;
    
    -- 查询 employee 表中 name 为 'John' 或 'Mary' 的数据
    SELECT * FROM employee WHERE name IN ('John', 'Mary');
    
    -- 查询 employee 表中第 1～3 行的数据
    SELECT * FROM employee LIMIT 3 OFFSET 0;
    
    -- 查询 employee 表中第 4～7 行的数据
    SELECT * FROM employee LIMIT 3 OFFSET 3;
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.2 INSERT INTO语句

INSERT INTO语句用于向数据库表中插入新的数据。语法格式如下：

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    INSERT INTO table_name (column1, column2,...) VALUES (value1, value2,...);
    
    
    代码解读

table_name：要插入的表名。
- (column1, column2,...)：要插入的列名列表。
- (value1, value2,...)：要插入的值列表。

示例：

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    -- 在 employee 表中插入一条数据
    INSERT INTO employee (id, name, age, salary) 
    VALUES (1, 'John', 30, 5000);
    
    -- 在 department 表中插入多条数据
    INSERT INTO department (id, name) 
    VALUES 
      (1, 'Sales'),
      (2, 'Marketing'),
      (3, 'Finance'),
      (4, 'Operations');
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.3 UPDATE语句

UPDATE语句用于更新数据库表中的数据。语法格式如下：

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    UPDATE table_name SET column1=value1, column2=value2,... 
    [WHERE condition];
    
      
    
    代码解读

table_name：要更新的表名。
- (column1=value1, column2=value2,...)：要更新的列和值。
- [WHERE condition]：指定更新条件，根据指定的条件来确定要更新的数据。

示例：

复制代码

    -- 更新 employee 表中 id 为 1 的员工信息
    UPDATE employee SET age=35, salary=6000 WHERE id=1;
    
    -- 将 department 表中所有部门名称改为小写字母
    UPDATE department SET name=LOWER(name);
    
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.4 DELETE语句

DELETE语句用于删除数据库表中的数据。语法格式如下：

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    DELETE FROM table_name 
    [WHERE condition];
    
      
    
    代码解读

table_name：要删除的表名。
- [WHERE condition]：指定删除条件，根据指定的条件来确定要删除的数据。

示例：

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    -- 删除 employee 表中 id 为 1 的员工信息
    DELETE FROM employee WHERE id=1;
    
    -- 清空 department 表中的所有数据
    DELETE FROM department;
    
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.5 ALTER TABLE语句

ALTER TABLE语句用于修改数据库表的结构。语法格式如下：

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    ALTER TABLE table_name {ADD COLUMN column_definition | DROP COLUMN column_name};
    
    
    代码解读

table_name：要修改的表名。
- {ADD COLUMN column_definition | DROP COLUMN column_name}：要添加或删除的列名及其定义或名称。

示例：

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    -- 添加 salary 列到 employee 表中
    ALTER TABLE employee ADD COLUMN salary INTEGER DEFAULT 0;
    
    -- 删除 age 列
    ALTER TABLE employee DROP COLUMN age;
    
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.6 CREATE INDEX语句

CREATE INDEX语句用于创建索引。语法格式如下：

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    CREATE INDEX index_name ON table_name (column_name);
    
    
    代码解读

index_name：索引名称。
- table_name：要创建索引的表名。
- (column_name)：要创建索引的列名。

示例：

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    -- 创建 name 列的索引
    CREATE INDEX idx_employee_name ON employee (name);
    
      
    
    代码解读

2.3.7 JOIN语句

JOIN语句用于合并两个表中的数据。语法格式如下：

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    SELECT column_name(s) 
    FROM table1 
    INNER JOIN table2 
    ON table1.common_column = table2.common_column;
    
      
      
      
    
    代码解读

column_name(s)：要查询的列名。
- table1、table2：要连接的表名。
- .common_column：要比较的列名。

示例：

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    -- 查询 employee 表中的所有数据，同时显示 department 表中的相应数据
    SELECT e.*, d.name AS dept_name 
    FROM employee e 
    INNER JOIN department d 
    ON e.dept_id = d.id;
    
    -- 查询 customer 表中 order_date 小于等于 '2019-01-31' 的订单信息，同时显示相关产品信息
    SELECT c.*, o.*, p.* 
    FROM customer c 
    INNER JOIN orders o 
    ON c.customer_id = o.customer_id 
    INNER JOIN products p 
    ON o.product_id = p.product_id 
    WHERE o.order_date <= '2019-01-31';
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.8 UNION语句

UNION语句用于合并两个或多个SELECT语句的结果集。语法格式如下：

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    SELECT column_name(s) 
    FROM table_name1 
    UNION ALL 
    SELECT column_name(s) 
    FROM table_name2;
    
      
      
      
      
    
    代码解读

column_name(s)：要查询的列名。
- table_nameN：要合并的表名。
- ALL：保留重复行。

示例：

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    -- 查询 employee 表和 department 表的所有数据
    SELECT * FROM employee 
    UNION ALL 
    SELECT * FROM department;
    
    -- 查询 product 表中 price 大于等于 5000 的数据，并且按照 price 降序排列；再与 employee 表中对应的员工姓名数据合并显示
    SELECT p.*, e.name 
    FROM product p 
    INNER JOIN employee e 
    ON p.employee_id = e.id 
    WHERE p.price >= 5000 
    ORDER BY p.price DESC;
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.9 CREATE VIEW语句

CREATE VIEW语句用于创建视图。语法格式如下：

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    CREATE VIEW view_name AS 
    SELECT statement;
    
      
    
    代码解读

view_name：视图名称。
- AS：关键字。
- SELECT statement：查询语句。

示例：

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    -- 创建视图 vw_department_salary，该视图显示了 department 表中每个部门的平均薪水
    CREATE VIEW vw_department_salary AS
    SELECT d.name AS department, AVG(e.salary) AS avg_salary 
    FROM department d 
    INNER JOIN employee e 
    ON d.id = e.dept_id 
    GROUP BY d.name;
    
    -- 查看视图 vw_department_salary 中的数据
    SELECT * FROM vw_department_salary;
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

2.3.10 TRIGGER语句

TRIGGER语句用于创建触发器。语法格式如下：

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    CREATE TRIGGER trigger_name 
    BEFORE/AFTER insert/update/delete 
    ON table_name 
    FOR EACH ROW 
    BEGIN
       -- trigger body
    END;
    
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

trigger_name：触发器名称。
- BEFORE/AFTER：触发时机，分别表示在事件之前或之后触发。
- insert/update/delete：事件类型。
- table_name：要监听的表名。
- FOR EACH ROW：触发器作用范围，每次触发针对单行数据。
- BEGIN：关键字。
- -- trigger body：触发器主体，可以编写任意的SQL语句。

示例：

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    -- 创建触发器 tg_employee_biu，在 employee 表上新增、更新或删除数据时，自动更新 vw_department_salary 视图
    CREATE OR REPLACE TRIGGER tg_employee_biu
    AFTER INSERT OR UPDATE OR DELETE ON employee
    FOR EACH ROW
    EXECUTE PROCEDURE update_vw_department_salary();
    
    CREATE FUNCTION update_vw_department_salary() RETURNS TRIGGER AS
$$
    DECLARE 
    v_avg_salary NUMERIC(10,2);
    BEGIN
    IF TG_OP = 'INSERT' THEN
        UPDATE vw_department_salary 
        SET avg_salary = COALESCE((SELECT AVG(salary) FROM employee WHERE dept_id = NEW.dept_id), 0)
        WHERE department = (SELECT name FROM department WHERE id = NEW.dept_id);
    ELSIF TG_OP = 'UPDATE' THEN
        SELECT AVG(salary) INTO v_avg_salary FROM employee WHERE dept_id = OLD.dept_id;
        IF (v_avg_salary <> NULL AND v_avg_salary <> 0) THEN
            UPDATE vw_department_salary 
            SET avg_salary = ((COALESCE((SELECT COUNT(*) FROM employee WHERE dept_id = OLD.dept_id), 0)*OLD.avg_salary + COALESCE((SELECT COUNT(*) FROM employee WHERE dept_id = NEW.dept_id), 0)*NEW.salary)/(COALESCE((SELECT COUNT(*) FROM employee WHERE dept_id = OLD.dept_id), 0)+COALESCE((SELECT COUNT(*) FROM employee WHERE dept_id = NEW.dept_id), 0)))
            WHERE department = (SELECT name FROM department WHERE id = NEW.dept_id);
        END IF;    
    ELSIF TG_OP = 'DELETE' THEN
        UPDATE vw_department_salary 
        SET avg_salary = COALESCE((SELECT AVG(salary) FROM employee WHERE dept_id = OLD.dept_id), 0)
        WHERE department = (SELECT name FROM department WHERE id = OLD.dept_id);   
    END IF;
    
    RETURN NEW;
    END;
   
$$
LANGUAGE plpgsql;
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

3.1 算法概述

3.2 概率论

3.3 数据预处理

3.4 特征工程

3.5 机器学习

3.6 模型评估

3.7 模型调优

4.具体代码实例和解释说明

4.1 SQL SELECT语句

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    SELECT DISTINCT city FROM customers WHERE country = 'USA';
    
    
    代码解读

这里使用DISTINCT关键词来去掉重复的城市名称。
- 从customers表中选取country为“USA”的城市名称。

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    SELECT MAX(age) FROM employees;
    
    
    代码解读

这里使用MAX函数来找到年龄最大的人员。
- 从employees表中查找年龄最大的员工。

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    SELECT MIN(salary) FROM employees WHERE job_title LIKE '%Manager%';
    
    
    代码解读

这里使用MIN函数找到管理人员的最低工资。
- 从employees表中查找工资最低的管理人员。

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    SELECT COUNT(*) FROM customers;
    
    
    代码解读

这里使用COUNT函数统计顾客数量。
- 从customers表中查找所有顾客数量。

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    SELECT customer_name, email FROM customers WHERE customer_name NOT LIKE '%Smith%' AND email LIKE '%gmail.com';
    
    
    代码解读

这里使用NOT LIKE关键词排除以Smith结尾的顾客，然后使用LIKE关键词筛选出email以gmail.com结尾的顾客。
- 从customers表中查找顾客姓名不以“Smith”结尾且邮箱地址以“@gmail.com”结尾的顾客信息。

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    SELECT SUM(price*quantity) as total_revenue FROM sales;
    
    
    代码解读

这里使用SUM函数计算销售额总和。
- 从sales表中查找销售额总和。

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    SELECT CONCAT(first_name,' ',last_name) as full_name FROM employees;
    
    
    代码解读

这里使用CONCAT函数拼接全名。
- 从employees表中查找所有的员工全名。

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    SELECT category_name, AVG(sale_amount) as average_sale FROM sales GROUP BY category_name;
    
    
    代码解读

这里使用AVG函数计算每个品类的销售额平均值。
- 从sales表中查出各个品类及其平均销售额。

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    SELECT YEAR(order_date) as year, MONTH(order_date) as month, COUNT(*) as num_orders FROM orders GROUP BY YEAR(order_date), MONTH(order_date);
    
    
    代码解读

这里使用YEAR和MONTH函数统计每个月订单数量。
- 从orders表中查找每个月的订单数量。

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    SELECT customer_name, AVG(purchased_items) as avg_items_purchased FROM purchases GROUP BY customer_name HAVING avg_items_purchased > 2;
    
    
    代码解读

这里使用AVG函数找出购买商品最多的顾客。
- 从purchases表中查找每个顾客的购买商品平均数量，且仅显示购买商品超过2件的顾客信息。

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    SELECT state, AVG(rental_rate) as avg_rental_rate FROM rentals WHERE property_type = 'Condo' GROUP BY state;
    
    
    代码解读

这里使用AVG函数找出州份的平均租金费率。
- 从rentals表中查找某个物业类型的州份的平均租金费率。

4.2 SQL INSERT INTO语句

复制代码

    INSERT INTO customers (customer_name, email, address) VALUES ('Jane Doe', 'jdoe@gmail.com', '123 Main St.');
    
    
    代码解读

这里使用INSERT INTO语句向customers表中插入一条顾客信息。
- 插入的记录包含顾客姓名、邮件地址和地址。

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    INSERT INTO orders (customer_id, item_id, quantity, purchase_date) VALUES (1, 1, 1, NOW());
    
    
    代码解读

这里使用INSERT INTO语句向orders表中插入一条订单信息。
- 插入的记录包含顾客ID、商品ID、数量和采购日期。

4.3 SQL UPDATE语句

复制代码

    UPDATE customers SET email='<EMAIL>' WHERE customer_id=1;
    
    
    代码解读

这里使用UPDATE语句更新customers表中的某条记录。
- 更新的记录仅包含顾客ID和新的邮件地址。

复制代码

    UPDATE departments SET manager_id=NULL WHERE dept_name='HR';
    
    
    代码解读

这里使用UPDATE语句更新departments表中的某条记录。
- 更新的记录仅包含部门名称和清除之前设定的经理。

复制代码

    UPDATE orders SET quantity=quantity+1 WHERE order_id=1;
    
    
    代码解读

这里使用UPDATE语句更新orders表中的某条记录。
- 更新的记录仅包含订单号和数量的增加。

复制代码

    UPDATE products SET price=price*1.1 WHERE category='Clothing';
    
    
    代码解读

这里使用UPDATE语句更新products表中的某条记录。
- 更新的记录仅包含某个特定类别的商品的价格的提高。

复制代码

    UPDATE rentals SET rental_duration=rental_duration+1 WHERE property_id=1;
    
    
    代码解读

这里使用UPDATE语句更新rentals表中的某条记录。
- 更新的记录仅包含某个物业的租赁期限的延长。

4.4 SQL DELETE语句

复制代码

    DELETE FROM customers WHERE customer_id=1;
    
    
    代码解读

这里使用DELETE语句删除customers表中的某条记录。
- 需要删除的记录仅包含顾客ID。

复制代码

    DELETE FROM orders WHERE order_id>100;
    
    
    代码解读

这里使用DELETE语句删除orders表中的某些记录。
- 需要删除的记录仅包含订单号。

复制代码

    DELETE FROM employees WHERE job_title!='Sales Manager';
    
    
    代码解读

这里使用DELETE语句删除employees表中的某些记录。
- 需要删除的记录仅包含不是销售经理的员工。

复制代码

    DELETE FROM products WHERE price<500;
    
    
    代码解读

这里使用DELETE语句删除products表中的某些记录。
- 需要删除的记录仅包含价格低于500元的商品。

复制代码

    DELETE FROM rentals WHERE rental_duration=1;
    
    
    代码解读

这里使用DELETE语句删除rentals表中的某些记录。
- 需要删除的记录仅包含租赁期限为1天的物业。

4.5 SQL ALTER TABLE语句

复制代码

    ALTER TABLE customers ADD phone VARCHAR(15);
    
    
    代码解读

这里使用ALTER TABLE语句给customers表添加phone列。
- 添加的列仅包含电话号码。

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    ALTER TABLE orders MODIFY COLUMN quantity INT UNSIGNED;
    
    
    代码解读

这里使用ALTER TABLE语句更改orders表中的quantity列的数据类型。
- 修改后的列包含整数数据，而且无符号。

复制代码

    ALTER TABLE rentals DROP PRIMARY KEY;
    
    
    代码解读

这里使用ALTER TABLE语句删除rentals表中的主键。
- 不需要主键来唯一标识每个物业。

4.6 SQL CREATE INDEX语句

复制代码

    CREATE INDEX idx_customer_name ON customers (customer_name);
    
    
    代码解读

这里使用CREATE INDEX语句创建顾客姓名的索引。
- 可以加快检索速度。

复制代码

    CREATE UNIQUE INDEX idx_employee_ssn ON employees (social_security_number);
    
    
    代码解读

这里使用CREATE UNIQUE INDEX语句创建社保号的唯一索引。
- 确保每个人的社保号只出现一次。

复制代码

    CREATE INDEX idx_sales_item ON sales (category_id, sale_amount);
    
    
    代码解读

这里使用CREATE INDEX语句创建组合索引。
- 可帮助优化查询效率。

复制代码

    CREATE INDEX idx_orders_date ON orders (order_date ASC);
    
    
    代码解读

这里使用CREATE INDEX语句创建一个升序索引。
- 可以加速特定日期的搜索。

4.7 SQL JOIN语句

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    SELECT e.*, d.name AS dept_name 
    FROM employees e 
    INNER JOIN departments d 
    ON e.dept_id = d.id;
    
      
      
      
    
    代码解读

这里使用INNER JOIN语句连接employees和departments表。
- 返回employees表中所有记录，并且连接departments表中相同ID的记录。

复制代码

    SELECT customer_name, email, items_purchased 
    FROM purchases 
    INNER JOIN (
    SELECT customer_id, SUM(quantity) as items_purchased 
    FROM purchases 
    GROUP BY customer_id
    ) t 
    ON purchases.customer_id = t.customer_id;
    
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里使用INNER JOIN语句连接purchases和另一个子查询，来计算顾客购买的商品数量。
- 首先使用子查询计算每个顾客购买的总数，然后使用父查询连接起来。

复制代码

    SELECT customer_name, state, AVG(rental_rate) as avg_rental_rate 
    FROM rentals r 
    INNER JOIN customers c 
    ON r.customer_id = c.customer_id 
    WHERE property_type = 'Condo' 
    GROUP BY customer_name, state;
    
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里使用INNER JOIN语句连接rentals和customers表，来显示每个州份的平均租金费率。
- 只显示那些类型为Condo的物业，并且显示顾客姓名和所在州份。

4.8 SQL UNION语句

复制代码

    SELECT a.state, b.state, c.state 
    FROM states a 
    INNER JOIN states b 
    ON a.population < b.population 
    INNER JOIN states c 
    ON b.population < c.population 
    UNION 
    SELECT a.state, b.state, c.state 
    FROM states a 
    INNER JOIN states b 
    ON a.area < b.area 
    INNER JOIN states c 
    ON b.area < c.area 
    ORDER BY area DESC;
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

这里使用UNION语句合并三个SELECT语句的结果集。
- 第一个SELECT语句返回三个州份，它们分别按人口、面积大小进行排序。
- 第二个SELECT语句返回三个州份，它们分别按人口、面积大小进行排序，但是先后顺序颠倒。
- 可以查看三个州份中人口或面积最小的三个国家。

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1.简介

2.基本概念术语说明

2.1 数据模型

2.2 SQL语言简介

2.3 SQL常用语句分类

2.3.1 SELECT语句

2.3.2 INSERT INTO语句

2.3.3 UPDATE语句

2.3.4 DELETE语句

2.3.5 ALTER TABLE语句

2.3.6 CREATE INDEX语句

2.3.7 JOIN语句

2.3.8 UNION语句

2.3.9 CREATE VIEW语句

2.3.10 TRIGGER语句

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

3.1 算法概述

3.2 概率论

3.3 数据预处理

3.4 特征工程

3.5 机器学习

3.6 模型评估

3.7 模型调优

4.具体代码实例和解释说明

4.1 SQL SELECT语句

4.2 SQL INSERT INTO语句

4.3 SQL UPDATE语句

4.4 SQL DELETE语句

4.5 SQL ALTER TABLE语句

4.6 SQL CREATE INDEX语句

4.7 SQL JOIN语句

4.8 SQL UNION语句

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