数据库的规范化设计方法---3种范式

第一范式（1NF）：确保表中的每个字段都是不可分割的基本数据项。
第二范式（2NF）：在满足1NF的基础上，确保非主属性完全依赖于主键。
第三范式（3NF）：在满足2NF的基础上，确保非主属性不传递依赖于主键。

使用 StudentCourse 表作为基础，来解释第一范式（1NF）。

第一范式 (1NF) 的核心要求：
确保表中的每一个单元格（字段值）都包含单一、不可再分割的基本数据项。换句话说，表中的每一列都必须是原子性的，不能包含多个值或复合值。
回顾之前的 StudentCourse 表：

分析 StudentCourse 表是否满足 1NF：
现在我们来逐一检查这个表中的每一列，看看它们是否都满足原子性（不可分割）的要求：

1. StudentID (学号): 例如 “1001”。这是一个单一的数值，不能再分割成更小的有意义的部分（比如不能把它分成 ‘1’, ‘0’, ‘0’, ‘1’ 并认为每个都有独立意义）。满足 1NF。
2. StudentName (姓名): 例如 “张三”。虽然姓名可以拆分成姓氏和名字（“张” 和 “三”），但在数据库设计中，通常将整个姓名视为一个不可分割的字符串来处理，特别是当我们不需要单独查询姓氏或名字时。如果业务上需要单独处理姓氏和名字，才需要拆分成两列。通常认为满足 1NF。
3. StudentDepartment (系别): 例如 “计算机系”。这是一个单一的文本值，表示一个系别。满足 1NF。
4. CourseID (课程号): 例如 “CS101”。这是一个单一的标识符，不能再分割。满足 1NF。
5. CourseName (课程名): 例如 “数据结构”。这是一个单一的文本值。满足 1NF。
6. Professor (教授): 例如 “李教授”。这是一个单一的文本值。满足 1NF。
   结论： 在这个例子中，StudentCourse 表的每一列都只包含单一、不可分割的数据项。因此，这个表满足第一范式 (1NF)。
   一个不满足 1NF 的例子：
   假设我们有一个 StudentInfo 表，其中存储了学生的联系电话，但允许一个学生有多个电话：

在这个表中，PhoneNumbers 列包含了多个电话号码，用逗号分隔。这违反了 1NF，因为该列的单元格包含了多个基本数据项（多个电话号码）。
要使其满足 1NF，我们需要将每个电话号码放在单独的一行，或者创建一个单独的 StudentPhone 表。
希望这个例子能帮助你理解第一范式的要求！

好的，我们来通过具体的例子来解释“完全依赖”和“不传递依赖”这两个概念，它们是第二范式（2NF）和第三范式（3NF）的核心。
假设我们有一个存储学生选修课程信息的表：
表：StudentCourse (学生选课表)

这个表的主键是 (StudentID, CourseID)，因为一个学生可以选多门课，一门课可以被多个学生选，只有同时知道学号和课程号才能唯一确定一行记录。

2. 第二范式 (2NF) - 完全依赖 (Full Dependency)

定义： 在满足第一范式（1NF）的基础上，非主属性必须完全依赖于整个主键，而不仅仅是主键的一部分。
问题： 如果主键是由多个属性组成的（复合主键），我们需要检查每个非主属性是否依赖于所有主键属性。
在 StudentCourse 表中：

• 主键： (StudentID, CourseID)
• 非主属性： StudentName, StudentDepartment, CourseName, Professor
  现在我们检查每个非主属性是否完全依赖于 (StudentID, CourseID)：

1. StudentName (姓名): 姓名是由学号 StudentID 决定的，和选了哪门课 CourseID 无关。所以 StudentName 只依赖于 StudentID，而不是 (StudentID, CourseID)。这叫部分依赖 (Partial Dependency)。
2. StudentDepartment (系别): 系别也是由学号 StudentID 决定的，和课程号 CourseID 无关。所以 StudentDepartment 只依赖于 StudentID，而不是 (StudentID, CourseID)。这也是部分依赖。
3. CourseName (课程名): 课程名是由课程号 CourseID 决定的，和学生的学号 StudentID 无关。所以 CourseName 只依赖于 CourseID，而不是 (StudentID, CourseID)。这同样是部分依赖。
4. Professor (教授): 教授通常是由课程号 CourseID 决定的（假设一门课只有一个固定教授），和学生的学号 StudentID 无关。所以 Professor 只依赖于 CourseID，而不是 (StudentID, CourseID)。这也是部分依赖。
   结论： StudentCourse 表不满足 2NF，因为存在非主属性（StudentName, StudentDepartment, CourseName, Professor）部分依赖于主键 (StudentID, CourseID) 的子集（要么只依赖 StudentID，要么只依赖 CourseID）。
   如何修正 (分解)： 我们需要将表分解，使得每个表的非主属性都完全依赖于该表的主键。

• Student (学生表): 主键 StudentID

  StudentID (学号)	StudentName (姓名)	StudentDepartment (系别)
  1001	张三	计算机系
  1002	李四	电子系
  1003	王五	计算机系

• Course (课程表): 主键 CourseID

  CourseID (课程号)	CourseName (课程名)	Professor (教授)
  CS101	数据结构	李教授
  CS201	数据库原理	王教授
  EE101	电路基础	赵教授
  CS301	操作系统	刘教授

• StudentSC (学生选课关系表): 主键 (StudentID, CourseID)

  StudentID (学号)	CourseID (课程号)
  1001	CS101
  1001	CS201
  1002	EE101
  1003	CS101
  1003	CS301

现在检查这些新表：

• Student 表的主键是 StudentID，所有非主属性 (StudentName, StudentDepartment) 都完全依赖于 StudentID。
• Course 表的主键是 CourseID，所有非主属性 (CourseName, Professor) 都完全依赖于 CourseID。
• StudentSC 表的主键是 (StudentID, CourseID)，它没有其他非主属性，所以自然满足。
  这些分解后的表都满足了 2NF。

3. 第三范式 (3NF) - 不传递依赖 (No Transitive Dependency)

定义： 在满足第二范式（2NF）的基础上，非主属性必须不传递依赖于主键。也就是说，非主属性不能依赖于另一个非主属性。
问题： 我们需要检查是否存在“主键 -> 非主属性 A -> 非主属性 B”这样的依赖链条，其中 B 就是传递依赖于主键。
在修正后的 Student 表中：

• 主键： StudentID
• 非主属性： StudentName, StudentDepartment
  检查是否存在传递依赖：
• StudentID -> StudentDepartment (学号决定系别)
• StudentDepartment -> ? 这个系别 (StudentDepartment) 是否又决定了其他的非主属性？在我们的 Student 表中，系别只决定了它自己，没有决定其他非主属性 (StudentName)。所以没有传递依赖。
  在修正后的 Course 表中：
• 主键： CourseID
• 非主属性： CourseName, Professor
  检查是否存在传递依赖：
• CourseID -> Professor (课程号决定教授)
• Professor -> ? 这个教授 (Professor) 是否又决定了其他的非主属性？在我们的 Course 表中，教授只决定了它自己，没有决定其他非主属性 (CourseName)。所以没有传递依赖。
  假设我们有一个不满足 3NF 的表：
  表：StudentDept (学生系别表 - 假设大学有系主任)

• 主键： StudentID (假设学号唯一)
• 非主属性： StudentName, StudentDepartment, DepartmentHead
  检查依赖关系：

1. StudentID -> StudentName (满足)
2. StudentID -> StudentDepartment (满足)
3. StudentID -> DepartmentHead ? 不完全是。学号本身不直接决定系主任。但是，我们可以通过学号找到系别 (StudentID -> StudentDepartment)，然后通过系别找到系主任 (StudentDepartment -> DepartmentHead)。所以，DepartmentHead 是传递依赖于主键 StudentID 的。StudentID -> StudentDepartment -> DepartmentHead。
   结论： StudentDept 表不满足 3NF，因为存在非主属性 DepartmentHead 传递依赖于主键 StudentID。
   如何修正 (分解)： 我们需要将传递依赖的非主属性分离出来。

• Student (学生表): 主键 StudentID

• StudentID (学号)	StudentName (姓名)	StudentDepartment (系别)
  1001	张三	计算机系
  1002	李四	电子系
  1003	王五	计算机系

• Department (系别表): 主键 StudentDepartment (可以用系别名称或系编号作为主键，这里简化用名称)

  StudentDepartment (系别)	DepartmentHead (系主任)
  计算机系	陈主任
  电子系	吴主任

现在检查这些新表：

• Student 表满足 3NF。
• Department 表的主键是 StudentDepartment，唯一的非主属性 DepartmentHead 完全依赖于它，并且没有其他非主属性可以依赖，所以也满足 3NF。

总结:

• 完全依赖 (2NF): 非主属性不能只依赖于复合主键的“一部分”。它们必须依赖于整个主键。
• 不传递依赖 (3NF): 非主属性不能依赖于另一个非主属性。它们必须直接依赖于主键，不能通过中间的非主属性间接依赖。
  通过满足这些范式，可以减少数据冗余，避免数据更新异常（插入、删除、修改异常）。