Реляционная алгебра: соединения, деление — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Деления)
м
Строка 3: Строка 3:
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
'''Соединение''' (англ. ''Join'') — общее наименование для бинарных операторов на отношениях, позволяющих некоторым образом соединить данные из нескольких отношений в одно.
+
'''Соединение''' (англ. ''Join'') — общее наименование для бинарных операторов на отношениях, позволяющих некоторым образом соединить данные из двух отношений в одно.
 
}}
 
}}
 
==Полное соединение==
 
==Полное соединение==

Версия 21:02, 14 декабря 2021

Соединения

Определение:
Соединение (англ. Join) — общее наименование для бинарных операторов на отношениях, позволяющих некоторым образом соединить данные из двух отношений в одно.

Полное соединение

Определение:
Полным, или декартовым соединением (англ. Cross join, Cartesian join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], у которых нет общих атрибутов, называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а тело — декартовым произведением тел [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math]. Обозначение: [math]R_1 \times R_2[/math]

В случае, если у двух отношений есть хотя бы один общий атрибут в заголовке, их полное соединение не определено.

Пример

Рассмотрим два отношения:

Id1 FirstName
1 Иван
2 Пётр
3 Сидор
Id2 LastName
1 Иванов
3 Петров
4 Сидоров

Их полным соединением будет следующее отношение:

Id1 FirstName Id2 LastName
1 Иван 1 Иванов
1 Иван 3 Петров
1 Иван 4 Сидоров
2 Пётр 1 Иванов
2 Пётр 3 Петров
2 Пётр 4 Сидоров
3 Сидор 1 Иванов
3 Сидор 3 Петров
3 Сидор 4 Сидоров

Естественное соединение

Определение:
Естественным соединением (англ. Natural join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а тело состоит из кортежей, полученных всевозможными соединениями кортежей [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], имеющих равные значения одноимённых атрибутов. Обозначение: [math]R_1 \Join R_2[/math]

Пример

Рассмотрим два отношения:

Id FirstName
1 Иван
2 Пётр
3 Сидор
Id LastName
1 Иванов
1 Петров
2 Сидоров

Их естественным соединением будет следующее отношение:

Id FirstName LastName
1 Иван Иванов
1 Иван Петров
2 Пётр Сидоров

Свойства

Замечание. Здесь и далее под теоретико-множественными операциями над отношениями (мощность отношения, включение одного отношения в другое и т.д.) будем иметь ввиду соответствующие операции над телами отношений.

  • Если [math]|R_1| = m[/math] и [math]|R_2| = n[/math], то [math]0 \leq |R_1 \Join R_2| \leq mn[/math].
    • [math]|R_1 \Join R_2| = 0[/math] достигается, если у общих атрибутов в [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] нет равных значений
    • [math]|R_1 \Join R_2| = mn[/math] достигается, в частности, при отсутствии общих атрибутов у [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] (в такой ситуации естественное соединение совпадает с полным: [math]R_1 \Join R_2 = R_1 \times R_2[/math])

Внешние соединения

Определение:
Левым соединением (англ. Left join или Left outer join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а тело состоит из кортежей, полученных всевозможными соединениями кортежей [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], имеющих равные значения одноимённых атрибутов. Если по одноимённым атрибутам кортежу из [math]R_1[/math] не соответствует ни одного кортежа из [math]R_2[/math], то в результат добавляется этот кортеж из [math]R_1[/math], дополненный пустыми значениями. Обозначение: [math]R_1 \, ⟕ \, R_2[/math]


Определение:
Правым соединением (англ. Right join или Right outer join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а тело состоит из кортежей, полученных всевозможными соединениями кортежей [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], имеющих равные значения одноимённых атрибутов. Если по одноимённым атрибутам кортежу из [math]R_2[/math] не соответствует ни одного кортежа из [math]R_1[/math], то в результат добавляется этот кортеж из [math]R_2[/math], дополненный пустыми значениями. Обозначение: [math]R_1 \, ⟖ \, R_2[/math]


Определение:
Внешним соединением (англ. Outer join или Full outer join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а тело состоит из кортежей, полученных всевозможными соединениями кортежей [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], имеющих равные значения одноимённых атрибутов. Если по одноимённым атрибутам кортежу из одного отношения не соответствует ни одного кортежа из другого, то в результат добавляется этот кортеж, дополненный пустыми значениями. Обозначение: [math]R_1 \, ⟗ \, R_2[/math]

Пример

Рассмотрим два отношения ([math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] соответственно):

Id FirstName
1 Иван
2 Пётр
3 Сидор
Id LastName
1 Иванов
1 Петров
3 Сидоров
4 Плюшкин

Тогда [math]R_1 \, ⟕ \, R_2[/math] (левое соединение) равно:

Id FirstName LastName
1 Иван Иванов
1 Иван Петров
2 Пётр
3 Сидор Сидоров

[math]R_1 \, ⟖ \, R_2[/math] (правое соединение) равно:

Id FirstName LastName
1 Иван Иванов
1 Иван Петров
3 Сидор Сидоров
4 Плюшкин

[math]R_1 \, ⟗ \, R_2[/math] (внешнее соединение) равно:

Id FirstName LastName
1 Иван Иванов
1 Иван Петров
2 Пётр
3 Сидор Сидоров
4 Плюшкин

Свойства

Непосредственно из определений вытекают следующие свойства:

  • [math]R_1 \, ⟕ \, R_2 = (R_1 \Join R_2) \cup (R_1 \setminus \pi_{R_1}(R_1 \Join R_2))[/math]
  • [math]R_1 \, ⟖ \, R_2 = (R_1 \Join R_2) \cup (R_2 \setminus \pi_{R_2}(R_1 \Join R_2))[/math]
  • [math]R_1 \, ⟗ \, R_2 = (R_1 \Join R_2) \cup (R_1 \setminus \pi_{R_1}(R_1 \Join R_2)) \cup (R_2 \setminus \pi_{R_2}(R_1 \Join R_2))[/math]

Из этих свойств, в свою очередь, следует:

  • [math]R_1 \, ⟕ \, R_2 = R_2 \, ⟖ \, R_1[/math]
  • [math]R_1 \, ⟗ \, R_2 = (R_1 \, ⟕ \, R_2) \cup (R_1 \, ⟖ \, R_2)[/math]

Полусоединения

Определение:
Левым полусоединением (англ. Left semijoin) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] называется отношение, в котором заголовок равен заголовку [math]R_1[/math], а тело состоит из кортежей в [math]R_1[/math], для которых существует кортеж из [math]R_2[/math] с равными значениями одноимённых атрибутов. Обозначение: [math]R_1 \ltimes R_2[/math]


Определение:
Правым полусоединением (англ. Right semijoin) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] называется отношение, в котором заголовок равен заголовку [math]R_2[/math], а тело состоит из кортежей в [math]R_2[/math], для которых существует кортеж из [math]R_1[/math] с равными значениями одноимённых атрибутов. Обозначение: [math]R_1 \rtimes R_2[/math]

Пример

Рассмотрим два отношения ([math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] соответственно):

Id FirstName
1 Иван
2 Пётр
3 Сидор
Id LastName
1 Иванов
1 Петров
3 Сидоров
4 Плюшкин

Тогда [math]R_1 \ltimes R_2[/math] (левое полусоединение) равно:

Id FirstName
1 Иван
3 Сидор

[math]R_1 \rtimes R_2[/math] (правое полусоединение) равно:

Id LastName
1 Иванов
1 Петров
3 Сидоров

Свойства

Из определения следует:

  • [math]R_1 \ltimes R_2 = \pi_{R_1}(R_1 \Join R_2)[/math]
  • [math]R_1 \rtimes R_2 = \pi_{R_2}(R_1 \Join R_2)[/math]
  • [math]R_1 \ltimes R_2 = R_2 \rtimes R_1[/math]

Из соответствующих свойств внешних соединений следует:

  • [math]R_1 \, ⟕ \, R_2 = (R_1 \Join R_2) \cup (R_1 \setminus (R_1 \ltimes R_2))[/math]
  • [math]R_1 \, ⟖ \, R_2 = (R_1 \Join R_2) \cup (R_2 \setminus (R_1 \rtimes R_2))[/math]
  • [math]R_1 \, ⟗ \, R_2 = (R_1 \Join R_2) \cup (R_1 \setminus (R_1 \ltimes R_2)) \cup (R_2 \setminus (R_1 \rtimes R_2))[/math]

Условные соединения

Определение:
Условным соединением (англ. Conditional join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], у которых нет общих атрибутов, по условию [math]\theta[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а кортежами тела являются всевозможные конкатенации кортежей тел [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], удовлетворяющих условию [math]\theta[/math]. Обозначение: [math]R_1 \times_{\theta} R_2[/math]


Определение:
Левым условным соединением (англ. Left conditional join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], у которых нет общих атрибутов, по условию [math]\theta[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а кортежами тела являются всевозможные конкатенации кортежей тел [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], удовлетворяющих условию [math]\theta[/math]. Если в результате кортежу из [math]R_1[/math] не соответствует ни одного кортежа из [math]R_2[/math], то в результат добавляется этот кортеж из [math]R_1[/math], дополненный пустыми значениями. Обозначение: [math]R_1 \, ⟕_{\theta} \, R_2[/math]


Определение:
Правым условным соединением (англ. Right conditional join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], у которых нет общих атрибутов, по условию [math]\theta[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а кортежами тела являются всевозможные конкатенации кортежей тел [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], удовлетворяющих условию [math]\theta[/math]. Если в результате кортежу из [math]R_2[/math] не соответствует ни одного кортежа из [math]R_1[/math], то в результат добавляется этот кортеж из [math]R_2[/math], дополненный пустыми значениями. Обозначение: [math]R_1 \, ⟖_{\theta} \, R_2[/math]


Определение:
Внешним условным соединением (англ. Outer conditional join) двух отношений [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], у которых нет общих атрибутов, по условию [math]\theta[/math] называется отношение, в котором заголовок является объединением заголовков [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], а кортежами тела являются всевозможные конкатенации кортежей тел [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], удовлетворяющих условию [math]\theta[/math]. Если в результате кортежу из одного отношения не соответствует ни одного кортежа из другого, то в результат добавляется этот кортеж, дополненный пустыми значениями. Обозначение: [math]R_1 \, ⟗_{\theta} \, R_2[/math]

Пример

Рассмотрим два отношения ([math]R_1[/math] и [math]R_2[/math] соответственно):

Id1 FirstName
1 Иван
2 Пётр
3 Сидор
Id2 LastName
1 Иванов
1 Петров
3 Сидоров
4 Плюшкин

Тогда [math]R_1 \, ⟕_{\text{length(FirstName)}+2\lt \text{length(LastName)}} \, R_2[/math] равно:

Id1 FirstName Id2 LastName
1 Иван 3 Сидоров
1 Иван 4 Плюшкин
2 Пётр 3 Сидоров
2 Пётр 4 Плюшкин
3 Сидор

Свойства

Из определений следует:

  • [math]R_1 \times_{\theta} R_2 = \sigma_{\theta}(R_1 \times R_2)[/math]
  • [math]R_1 \, ⟕_{\theta} \, R_2 = J \cup (R_1 \setminus \pi_{R_1}(J))[/math], где [math]J = \sigma_{\theta}(R_1 \times R_2)[/math]
  • [math]R_1 \, ⟖_{\theta} \, R_2 = J \cup (R_2 \setminus \pi_{R_2}(J))[/math], где [math]J = \sigma_{\theta}(R_1 \times R_2)[/math]
  • [math]R_1 \, ⟗_{\theta} \, R_2 = J \cup (R_1 \setminus \pi_{R_1}(J)) \cup (R_2 \setminus \pi_{R_2}(J))[/math], где [math]J = \sigma_{\theta}(R_1 \times R_2)[/math]

Из свойств выше нетрудно вывести:

  • [math]R_1 \, ⟕_{\theta} \, R_2 = R_2 \, ⟖_{\theta} \, R_1[/math]
  • [math]R_1 \, ⟗_{\theta} \, R_2 = (R_1 \, ⟕_{\theta} \, R_2) \cup (R_1 \, ⟖_{\theta} \, R_2)[/math]

Деление

Деление

Определение:
Пусть даны отношения [math]A[/math] с заголовком [math]X \cup Y[/math] и отношение [math]B[/math] с заголовком [math]Y[/math]. Тогда делением (англ. Division) [math]A[/math] на [math]B[/math] называется максимальное по включению отношение [math]C[/math] с заголовком [math]X[/math], такое что [math]B \times C \subseteq A[/math]. Обозначение: [math]A \div B[/math]

Определение деления в реляционной алгебре хорошо перекликается с определением деления с остатком в арифметике: «Частным от деления целого числа [math]a[/math] на натуральное число [math]b[/math] называется максимальное целое [math]c[/math], такое что [math]bc \leq a[/math]

Пример

Рассмотрим следующие отношения, [math]A[/math] и [math]B[/math] соответственно:

Id FirstName
1 Иван
2 Иван
1 Пётр
2 Пётр
3 Пётр
1 Сидор
3 Сидор
Id
1
2

Тогда результатом деления [math]A[/math] на [math]B[/math] будут такие имена (FirstName), которые в отношении [math]A[/math] ассоциированы и с [math]Id = 1[/math], и с [math]Id = 2[/math]. Итого получим:

FirstName
Иван
Пётр

Свойства

  • [math]A \div B = \{x \in \pi_X(A) \, | \, \forall y \in B: \,\, (x, y) \in A\}[/math] — интерпретация определения на языке кванторов
  • [math]A \div B = \pi_X(A) \setminus \pi_X(\pi_X(A) \times B \setminus A)[/math] — выражение деления через простейшие операции реляционной алгебры

Большое деление

Определение:
Пусть даны отношения [math]A[/math] с заголовком [math]X \cup Y[/math] и отношение [math]B[/math] с заголовком [math]Y \cup Z \,\,\,\, (X \cap Z = \varnothing)[/math]. Тогда большим делением (англ. Great division) [math]A[/math] на [math]B[/math] называется отношение [math]C[/math] с заголовком [math]X \cup Z[/math], такое что для каждого [math]z \in Z[/math] верно [math]\pi_x(\sigma_{Z=z}(C)) = A \div \pi_Y(\sigma_{Z=z}(B))[/math]. Обозначение: [math]A ⋇ B[/math]

Пример

Рассмотрим следующие отношения, [math]A[/math] и [math]B[/math] соответственно:

Id FirstName
1 Иван
2 Иван
1 Пётр
2 Пётр
3 Пётр
1 Сидор
3 Сидор
Id LastName
1 Иванов
2 Иванов
1 Петров
3 Сидоров

Тогда результатом большого деления [math]A[/math] на [math]B[/math] будет:

FirstName LastName
Иван Иванов
Пётр Иванов
Иван Петров
Пётр Петров
Сидор Петров
Пётр Сидоров
Сидор Сидоров

Объяснение:

Зафиксируем [math]LastName = Иванов[/math]. Отфильтровав по этому условию отношение [math]B[/math], получим [math]Id = \{1, 2\}[/math]. Поделив отношение [math]A[/math] на это, получим [math]FirstName = \{Иван, Пётр\}[/math]. Поэтому в ответе есть Иван Иванов и Пётр Иванов.

Зафиксируем [math]LastName = Петров[/math]. Отфильтровав по этому условию отношение [math]B[/math], получим [math]Id = \{1\}[/math]. Поделив отношение [math]A[/math] на это, получим [math]FirstName = \{Иван, Пётр, Сидор\}[/math]. Поэтому в ответе есть Иван Петров, Пётр Петров и Сидор Петров.

Зафиксируем [math]LastName = Сидоров[/math]. Отфильтровав по этому условию отношение [math]B[/math], получим [math]Id = \{3\}[/math]. Поделив отношение [math]A[/math] на это, получим [math]FirstName = \{Пётр, Сидор\}[/math]. Поэтому в ответе есть Пётр Сидоров и Сидор Сидоров.

Свойства

  • [math]A ⋇ B = \{(x, z) \in \pi_X(A) \times \pi_Z(B) \, | \, \forall y \in \pi_Y(\sigma_{Z=z}(B)): \,\, (x, y) \in A\}[/math] — интерпретация определения на языке кванторов
  • [math]A ⋇ B = \pi_X(A) \times \pi_Z(B) \setminus \pi_{XZ}(\pi_X(A) \times B \setminus A \Join B)[/math] — выражение большого деления через простейшие операции реляционной алгебры

Литература

  • Дейт К. Введение в системы баз данных (глава 7)
  • Уидом Д., Ульман Д. Основы реляционных баз данных (главы 4 и 5)