数据库系统概论（第5版）理论习题第一、二章答案

数据库系统概论（第5版）理论习题第一、二章答案

• 第一章绪论

• • • • 1.试述数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的概念。

  • 2.使用数据库系统有什么好处？

  • 3.试述文件系统与数据库系统的区别和联系。

  • 4.举出适合用文件系统而不是数据库系统的应用例子，以及适合用数据库系统的应用例子。

  • 5.试述数据库系统的特点．

  • 6.数据库管理系统的主要功能有哪些？

  • 7.什么是概念模型？试述概念模型的作用。

  • 8.定义并解释概念模型中以下术语：实体，实体型，实体集，实体之间的联系。

  • 9.试述关系模型的概念，定义并解释以下术语：

  • • ( 1 ) 关系
    • ( 2 ) 属性
    • (3) 域
    • (4) 元组
    • (5) 主码
    • (6) 分量
    • (7) 关系模式

  • 10.定义并解释以下术语：

  • • (1) 模式
    • (2) 外模式
    • (3) 内模式
    • (4) DDL
    • (5) DML

  • 11.试述数据库系统的组成

• 第二章 关系型数据库

  • 请阐述关系模型的三个基本组成部分。
    • 分析一下这一类数据库系统的主要特点及其分类。
    • 针对下列术语进行详细说明，并探讨其间的联系与差异：
      • (1) 域（Domain）、笛卡尔积（Cartesian Product）、表（Table）、记录（Record）及字段（Field）的概念；
        • (2) 主键（Primary Key）、候选取项（Candidate Key）、外键（Foreign Key）的区别；
        • (3) 表结构定义（Relation Schema）、实际数据实例（Relation）以及完整的数据库架构（Database System）的本质区别。
          (此处可能需要调整标点符号以符合逻辑连贯性)
      • 分别解释主键（Primary Key）、候选取项（Candidate Key）以及外键（Foreign Key）的概念；
        • 进一步阐述表结构定义（Relation Schema）与普通表的关系；
          • 最后，请详细描述完整的数据库架构体系及其构成要素。

• 比较说明什么是关系模式与什么是关系

• 阐述一下关系模型中的完整性规则是什么 在参照完整性原则下 请具体指出外码属性允许为空的情况有哪些

• 对比分析等值连接与自然连接之间的异同以及它们之间的关联

• 简述一下构成关系代数的基本操作有哪些 并解释一下如何利用这些基本操作来构建其他更复杂的操作

第一章绪论

1.试述数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的概念。

(1) 数据(Data): 数据是对事物进行符号记录的一种方式。
数据的种类包括数字信息、文字信息、图形图像等，并与相应的语义紧密相连。

(2) 数据库(DataBase, 简称DB): 许多有组织且可共享的数据按一定结构存储在计算机中。
这些数据通常基于特定的数据模型进行组织化存储与管理，
以实现较小冗余度和高数据独立性及易扩展性，
并支持不同用户的需求。

(3) 数据库系统(DataBase System, 简称DBS): 数据库系统由多个组成部分组成：
包括基础的数据存储层（Database）、用于管理数据的应用软件（Database Management System及其开发工具）、以及支持业务逻辑的应用程序（Application Systems）等。

(4) 数据库管理系统/DataBase Management System/简称DBMS: 这类软件系统负责协调各组件之间的协作关系，
以实现对数据的高效管理和维护，
并提供可靠的安全保障和服务功能。

2.使用数据库系统有什么好处？

采用数据库系统的益处源自其特定特点或优势所决定。采用数据库系统的益处诸多方面：一方面能显著提高应用程序开发效率；另一方面则能极大地方便用户操作；再者则能有效减轻数据库管理员日常维护的工作负担；此外还有其他诸多优势可供参考。
采用数据库系统能显著提高应用程序开发效率。这是因为依赖于DBMS（Database Management System）的帮助无需自行处理数据定义、存储及存取路径等事务性工作；换言之即相当于拥有了一个得力的好助手，在此框架下由DBMS完成所有技术性工作；这样一来应用程序开发者便能专注于核心业务逻辑设计而不必过分关注底层数据管理的具体细节。
当应用程序逻辑发生变更时若需相应调整数据的逻辑结构同样面临挑战但幸运的是由于DBMS提供了数据与程序之间的独立性只需应用程序开发者在原有基础上稍作改动即可适应新需求从而既降低了开发复杂度又大幅减少了维护频率。
采用数据库系统可有效减少维护工作量。基于DBMS对整个数据库建立运用及维护实施统一管理包括数据完整性安全性多用户并发控制及故障恢复等功能均由DBMS自动执行。
总而言之采用数据库系统的诸多优势显而易见：一方面实现了对分散化数据的有效集中管理另一方面则能有效控制数据冗余提升资源利用率和一致性；更重要的是这种架构使得应用程序开发与维护变得更加便捷高效。

3.试述文件系统与数据库系统的区别和联系。

文件系统与数据库系统的区别主要体现在以下几个方面：从功能上讲，在数据组织形式上二者存在明显差异——文件系统仅限于某一具体的应用程序领域，并且其共享性不足、冗余程度较高、数据独立性较差；而数据库系统则面向现实世界整体管理数据，在共享性和数据的组织与存储上体现出明显的优势——它不仅具有较高的物理独立性和一定程度的逻辑独立性，并且能够实现高度的结构化管理；此外，在数据描述方式上两者的侧重点不同——文件系统的记录内部具有一定的结构特征；而数据库则是通过严格的数据模型来实现信息的组织与管理。

在两者的联系中，则体现出了较强的互补关系——从体系构建的角度来看；解析文件系统作为操作系统的重要组成部分之一；而DBMS作为一个专门的功能模块则实现了对文件系统的补充和完善——具体而言；在数据组织机制上二者之间形成了相互依存的关系——即DBMS正是基于操作系统提供的基础支持才得以实现其功能定位。

例如指出那些更适合采用文件系统而非数据库系统来实现的应用实例，请具体说明哪些领域更适合使用文件系统而非数据库系统？同样地，请详细列举那些更适合采用数据库系统来处理的数据管理场景与案例，并举例说明其具体应用场景与优势是什么

(1) 专为非关系型数据库环境而设计的应用实例涉及备份数据以及程序运行过程中产生的临时数据存储问题时，则通常情况下采用文件作为存储介质更为合理；早期阶段的功能较为单一且固定的设计模式同样适合采用文件系统的架构。
(2) 专为关系型数据库环境而设计的应用实例在当前的社会经济环境下几乎所有的企业及部门的信息管理与决策均建立在统一化的信息化基础上；绝大多数企业级信息系统均采用了基于关系型数据库的技术架构；The following examples include:工厂内的管理信息平台（通常包含多个子平台），企业的学生信息管理系统（Student Information System）、人力资源管理部门的人力资源管理系统（Human Resource Management System）、图书馆书籍借阅记录查询系统的图书管理系统（Library Management System）等。

5.试述数据库系统的特点．

(1）遵循整体数据的规范化管理是本系统的核心特点之一。
( 2 ）该系统的显著优势在于具有较高的共享特性和较低的冗余率。
( 3 ）本系统的高度数据独立特性包括物理层面和逻辑层面的独特保障。
( 4 ）通过引入并行共享机制使得多个用户可同时进行数据库的数据存取操作，并能同步访问同一份数据。

6.数据库管理系统的主要功能有哪些？

( 1 ）数据库定义功能；
( 2 ）数据存取功能；
( 3 ）数据库管理；
( 4 ）数据库的建立和维护功能。

7.什么是概念模型？试述概念模型的作用。

概念模型也被称为信息模型，是从用户的视角对数据与信息进行建模的工具。
它作为现实世界与机器世界的连接桥梁，在数据库设计中扮演着关键角色。
概念模型不仅提供了数据建模的基础框架，还帮助实现从现实世界到机器世界的有效映射。

它将复杂的现象抽象化为简洁的数据结构，并通过建立合理的关联关系实现知识的有效组织。

这一过程不仅是对现象本质的把握与提炼，更是对知识系统性构建的重要保障。

概念模型为数据库设计提供了重要的理论基础，并成为技术实现者与业务需求方之间的有效沟通桥梁。

8.定义并解释概念模型中以下术语：实体，实体型，实体集，实体之间的联系。

实体：客观存在的并可相互区分开的事物被称作实物质体。实体现存：拥有相同属性特征的事物具备相同的本征性质，在抽象层次上以命名系统构建事物属性体系从而刻画同类事物的整体形态，则被称为实体现存。实体现存集：同一类实体现存构成特定领域内的基本单位群，则被称为实体现存集；事物间的基本关系类型一般指不同类实体现存间存在的关联方式，在实际应用中常见的主要有单一对应关系、一对一模式以及多种对应关系等多种形式。

关系类型总结：
不同类实体现存间的一对一对应关系是一种基本且重要的关联方式；
一对一模式是指两个独立体系间的双向映射；
一对多模式则是指一个主体与多个客体之间建立映射；
多对多模式则是指两个主体体系间形成双向多元映射关系；
这些基本的关系类型共同构成了复杂系统中的核心关联机制。

9.试述关系模型的概念，定义并解释以下术语：

关系模型包括关系数据结构、关系操作集合以及关系完整性约束这三个组成部分。从用户角度来看，在关系模型中数据的逻辑结构可以被描述为一张二维表格形式，并由行和列共同构成。

( 1 ) 关系

关系：一个关系对应通常说的一张表；

( 2 ) 属性

属性：表中的一列即为一个属性；

(3) 域

域：属性的取值范围；

(4) 元组

元组：表中的一行即为一个元组；

(5) 主码

主码：表中的某个属性组，它可以惟一确定一个元组；

(6) 分量

分量：元组中的一个属性值；

(7) 关系模式

关系模式：对关系的描述，一般表示为关系名（属性 1 ，属性 2 ， … ，属性 n )

10.定义并解释以下术语：

Schema, External Schema, Internal Schema 也被称为逻辑结构, 它们具体说明了整个数据库系统中全部数据的内容和特征, 并且为所有用户共享的数据视图提供了统一的基础

(1) 模式

模式描述的是数据的全局逻辑结构。

(2) 外模式

外模式涉及的是数据的局部逻辑结构，通常是模式的子集。

(3) 内模式

内模式，亦称存储模式，是数据在数据库系统内部的表示，即对数据的物理结构和存储方式的描述。

(4) DDL

DDL ：数据定义语言，用来定义数据库模式、外模式、内模式的语言。

(5) DML

DML：操作数据的语言，在数据库中用于执行查询、插入、删除和更新操作的语句。

11.试述数据库系统的组成

一个典型的数据库系统通常包含：单个的数据库；其管理功能及相关的开发辅助工具；支持的应用程序；负责数据维护的管理员；以及最终用户的参与。

第二章关系数据库

1.试述关系模型的三个组成部分。

关系模型由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。

2.简述关系数据语言的特点和分类。

关系模式：用于描述一个关系的形式化名称（Relation Schema）。它可正式表示为R(U,D,dom,F)，其中R代表关系名,U是构成该关系的所有属性名集合,D是属性组U中属性所取值范围的域,dom是属性向域映射的关系集合,F则表示属性间的数据依赖关系集合。

关系：在域D1,D2,…,Dn上的笛卡儿积D1×D2×…×Dn的一个子集被称为一个关系，并表示为R(D1,D2,…,Dn)。

关系是其在特定时刻的状态或内容。与之相对的是关系模式——它是静态稳定的；而实际的关系却是动态变化的，在时间上不断更新着数据库中的数据。

关系数据库：其型也称为关系数据模型（Relation Data Model），是对一种特定类型的关系数据库进行描述的方式。这种模型由若干个域的定义以及这些域上定义的一系列（多个）关系模式组成。通常来说，在某一时刻该模型所对应的全部具体（多个）对应的关系集合即构成了该类别的实际值。

3.定义并理解下列术语，说明它们之间的联系与区别：

(1) 域，笛卡儿积，关系，元组，属性：

域：Domain是一组具有相同数据类型的值的集合。
笛卡尔积：给定一组域D1, D2, …, Dn, 这些域中可以有相同的。这组域的笛卡尔积为D1 × D2 × … × Dn = {(d1, d2, …, dn) | di ∈ Di, i = 1, 2, …, n}其中每一个元素(d1, d2, …, dn) 叫做一个n 元组(n-tuple) 或简称元组(Tuple) 。每个分量(di) 都是从对应的Di中选取的一个值。
关系：在域D1, D2, …, Dn 上笛卡尔积D1 × D2 × … × Dn 的子集称为关系R(D1,D2,…Dn)
元组：关系中的每个元素都是该关系中的一个元组。
属性：从结构上看，关系是一个二维表结构，在表中每一行对应一个元组，在每一列对应一个域。由于各个域可能相同，在这种情况下必须对每一列赋予一个名称，这个名称称为属性(Attribute)，并由这些属性名来标识每列的内容。

(2) 主码，候选码，外部码

候选键：在一个数据库表中, 如果某个或某些列（字段）的组合能够唯一标识每一行记录, 则这些列被称为候选键（Candidate Key）。 主键：如果一个表拥有多个候选键, 则通常选择其中一个作为主键（Primary Key）。 外部键（也称为引用键）：假设我们有两个表, R 和 S. 如果 R 中的一个或多个字段 F 对应于 S 表中的主键 Ks, 那么 F 被称为 R 表的外部键（Foreign Key）或外键（Foreign Key），简称为外键（Foreign Key）。 此时, 表 R 被视为引用表（Referencing Table）, 而表 S 被视为被引用表（Referenced Table）或目标表（Target Table）。需要注意的是, 表 R 和 S 可以是同一个表.

(3) 关系模式，关系，关系数据库

关系模式：我们称这种用于描述数据结构的形式化表示方法即为关系模式(Relation Schema)。
它的形式化定义通常写作R(U, D, dom, F)，其中各个组成部分分别为：属性名集合U及其所属的域D、属性到域的映射dom以及属性间的依赖F。
关系：这相当于说，在给定的一组域上笛卡尔积的一个子集即构成一个特定的关系。
在域D1,D2,…,Dn 上笛卡儿积D1 × D2 × … × Dn 的子集称为该特定情况下的关系。
例如，在系统设计中常见的导师实体、研究生实体以及他们之间的导师与研究生的一对多联系等均可以用一个单独的关系来精确描述。
关系数据库：在这一理论框架下所讨论的对象包括两个主要方面——实体以及实体间的各种联系。
其理论框架也被称作是该领域内的基本数据模型。
在具体应用中，则会涉及到两个层面的问题——型和值之分。
关系数据库的型也被称为其理论框架或模型部分；而值则指的是在某一具体时刻这些形式化的对象所对应的实现状态。

4.举例说明关系模式和关系的区别。

关系是指在某一特定时刻对关系模式所做的一次存储信息。它体现了关系模式所具有的固定结构特征；而关系作为一个动态的数据载体，则表现出持续的变化特性。这种变化性源于各种关系操作对于维护和更新DBMS中数据记录的任务执行过程。

参照完整性要求每个非主键元组必须有一个有效的外码值。根据参照完整性原则，在某些特定条件下（如父表中存在有效主键记录），外码属性可能取空值。

实体完整性规则具体规定，在基本关系R中若存在某个属性A为主属性，则该属性A的数据必须严格禁止为空值。

若某个字段（或字段集合）F作为基本表R中的外码，则该字段与另一张表S中的主键字段Ks之间存在着一一对应的关系（这里两张表并非必定不同），因此，在基本表R中的每个记录在F上的取值必须满足以下条件：要么将该字段的所有数据设置为空值（即该字段中的各个数据项均为null）；要么这些数据必须与另一张表S中某条记录的主键字段Ks具有相同的数值。

简而言之，在这种情况下如果一个字段并非基本表R中的主键，则允许其设置为空值；反之则必须填入有效的非空数值。

6.试述等值连接与自然连接的区别和联系。

在操作符集合中将等于号"="定义为一种连结操作被称为等值联接。这种联接方式是从关系R与S进行广义笛卡尔积之后筛选出A、B属性均相等的所有元组而实现的操作。自然联接则是一种特别地仅涉及相同属性组并去除重复字段的操作。该操作仅允许参与比较的关系具备完全一致的一组属性，并将最终结果中的重复字段去除以避免冗余信息。

7.关系代数的基本运算有哪些？如何用这些基本运算来表示其他运算？

并（联合）、差（减法）、笛卡尔积、投影操作和选择操作5种运算构成了关系代数的基本运算集。另外三种运算是交集、连接操作和除法，在这五个基本运算的基础上可以通过组合实现。