Диаграммы атрибутов

Каждая сущность обладает одним или несколькими атрибутами, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. При этом любой атрибут может быть определен как ключевой.

Детализация сущности осуществляется с использованием диаграмм атрибутов, которые раскрывают ассоциированные сущностью атрибуты. Диаграмма атрибутов состоит из детализируемой сущности, соответствующих атрибутов и доменов, описывающих области значений атрибутов. На диаграмме каждый атрибут представляется в виде связи между сущностью и соответствующим доменом, являющимся графическим представлением множества возможных значений атрибута. Все атрибутные связи имеют значения на своем окончании. Для идентификации ключевого атрибута используется подчеркивание имени атрибута.

Категоризация сущностей

Сущность может быть разделена и представлена в виде двух или более сущностей-категорий, каждая из которых имеет общие атрибуты и/или отношения, которые определяются однажды на верхнем уровне и наследуются на нижнем.    Сущности-категории  могут иметь и свои собственные атрибуты и/или отношения,   а также,     в  свою очередь,  могут быть декомпозированы своими сущностями-категориями на следующем уровне.   Расщепляемая на категории сущность получила название общей сущности (отметим, что на   промежуточных   уровнях   декомпозиции   одна   и   та  же сущность может быть как общей сущностью, так и сущностью-категорией).               

Рис. 10.  Узел-дискриминатор.

Существуют 4 возможных типа дискриминатора:

 Полное и обязательное вхождение Е/М (exclusive/mandatory) – сущность   должна быть одной и только одной из следуемых категорий.

 Полное и необязательное вхождение Е/О  (exclusive/optional) – сущность   может быть одной и только одной из следуемых категорий.

 Неполное и обязательное вхождение I/M (inclusive/mandatory) – сущность должна быть, по крайней мере, одной из следуемых категорий.

 Неполное и необязательное вхождение I/O (inclusive/optional) – сущность может быть, по крайней мере, одной из следуемых категорий.

Построение модели

Разработка ERD включает следующие этапы:

Идентификация сущностей, их атрибутов, а также первичных и альтернативных ключей.

Идентификация отношений между сущностями и указаний типов отношений.

Разрешение неспецифических отношений (отношений n*m).

Этап 1 является определяющим при построении модели, его исходной информацией служит содержимое хранилищ данных, определяемое входящими и выходящими в/из него потоками данных.  Первоначально осуществляется анализ хранилища, включающий сравнение содержимого входных и выходных потоков и создание на основе этого сравнения варианта схемы хранилища, описание структур данных, содержащихся во входных и выходных потоках.

Затем, если полученная схема обладает избыточностью, то происходит упрощение схемы путем нормализации (удаления повторяющихся групп). Концепции и методы нормализации были разработаны Коддом, установившим существование трех типов нормализованных схем, называемых в порядке уменьшения сложности первой, второй и третьей нормальной формой (1НФ, 2НФ, 3НФ).

Пример НФ. Рассмотрим все три нормальные формы на примере Группы Студентов. У Студента ключом является реквизит Номер (№ личного дела), к описательным реквизитам относятся: Фамилия (Фамилия студента), Имя (Имя студента), Отчество (Отчество студента), Дата (Дата рождения), Группа (N группы). Если отсутствует реквизит Номер, то для однозначного определения характеристик конкретного студента необходимо использование составного ключа из трех реквизитов: Фамилия + Имя + Отчество.

Первая нормальная форма

Отношение называется нормализованным или приведенным к первой нормальной форме, если все его атрибуты простые (далее неделимы). Преобразование отношения к первой нормальной форме может привести к увеличению количества реквизитов (полей) отношения и изменению ключа.

Например, отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится в первой нормальной форме.

Вторая нормальная форма

Чтобы рассмотреть вопрос приведения отношений ко второй нормальной форме, необходимо дать пояснения к таким понятиям, как функциональная зависимость и полная функциональная зависимость.

Описательные реквизиты информационного объекта логически связаны с общим для них ключом, эта связь носит характер функциональной зависимости реквизитов.

Функциональная зависимость реквизитов – зависимость, при которой в экземпляре сущности (в нашем случае, сущность – это студент) определенному значению ключевого реквизита соответствует только одно значение описательного реквизита.

Такое определение функциональной зависимости позволяет при анализе всех взаимосвязей реквизитов предметной области выделить самостоятельные информационные объекты.

В случае составного ключа вводится понятие функционально полной зависимости.

Функционально полная зависимость неключевых атрибутов заключается в том, что каждый неключевой атрибут функционально зависит от ключа, но не находится в функциональной зависимости ни от какой части составного ключа.

Отношение будет находиться во второй нормальной форме, если оно находится в первой нормальной форме, и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа.

Отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится в первой и во второй нормальной форме одновременно, так как описательные реквизиты однозначно определены и функционально зависят от ключа Номер. Отношение Успеваемость = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дисциплина, оценка) находится в первой нормальной форме и имеет составной ключ Номер + Дисциплина. Это отношение не находится во второй нормальной форме, так как атрибуты Фамилия, Имя, Отчество не находятся в полной функциональной зависимости с составным ключом отношения.

Третья нормальная форма

Понятие третьей нормальной формы основывается на понятии нетранзитивной зависимости.

Транзитивная зависимость наблюдается в том случае, если один из двух описательных реквизитов зависит от ключа, а другой описательный реквизит зависит от первого описательного реквизита.

Отношение будет находиться в третьей нормальной форме, если оно находится во второй нормальной форме, и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

Пример. Если в состав описательных реквизитов Студент включить фамилию старосты группы (Староста), которая определяется только номером группы, то одна и та же фамилия старосты будет многократна повторяться в разных экземплярах Студентов. В этом случае наблюдаются затруднения в корректировке фамилии старосты в случае назначения нового старосты, а также неоправданный расход памяти для хранения дублированной информации.

Для устранения транзитивной зависимости описательных реквизитов необходимо провести "расщепление" исходной сущности. В результате расщепления часть реквизитов удаляется из исходной сущности и включается в состав другой (возможно, вновь созданных) сущности.

Пример. Студент группы представляется в виде совокупности правильно структурированных информационных объектов (Студент и Группа), реквизитный состав которых тождественен исходному объекту. Отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится одновременно в первой, второй и третьей нормальной форме.

3НФ является наиболее простым способом представления данных, отражающим здравый смысл. Построив 3НФ, мы фактически выделяем базовые сущности предметной области.

Этап 2 служит для выявления и определения отношений между сущностями, а также для идентификации типов отношений. Некоторые отношения на данном этапе могут быть неспецифическими (n*m многие-ко-многим). Такие отношения потребуют дальнейшей детализации на этапе 3.

Определение отношений включает выявление связей, для этого отношение должно быть проверено в обоих направлениях следующим образом: выбирается экземпляр одной из сущностей и определяется, сколько различных экземпляров второй сущности может быть связано с ним и наоборот.

Пример. Связь "1-к-1". Человек и его паспорт. Связь "1-ко-многим": Человек и телефоны.

Этап 3 предназначен для разрешения неспецифических отношений. Для этого каждое неспецифическое отношение преобразуется в два специфических отношения с введением новых (а именно, ассоциативных) сущностей. Пример. Студент может изучать много Предметов, а Предмет может изучаться многими Студентами. Мы не можем определить, какой Студент изучает какой Предмет. Следовательно, у нас есть неспецифическое отношение, которое можно расщепить на два специфических отношения, введя ассоциативную сущность Изучение_Предмета. Каждый экземпляр введенной сущности связан с одним Студентом и одним Предметом (рис. 11).

Рис. 11. Пример разрешения неспецифического отношения.