Нормальные формы (NF) в теории реляционных баз данных

Нормальные формы (NF) в теории реляционных баз данных - это правила, определяющие структуру таблицы, чтобы уменьшить избыточность данных и улучшить целостность данных. Они помогают бороться с аномалиями, возникающими при операциях обновления, вставки и удаления данных.

Вот основные нормальные формы с примерами:

1. Первая нормальная форма (1NF)

• Описание: Таблица находится в 1NF, если:

  • Каждая ячейка таблицы содержит только одно атомарное значение (не содержит списки, массивы, повторяющиеся группы).
  • Все столбцы содержат атомарные значения.
     
• Пример нарушения (не в 1NF):

  ID	Имя	Телефоны
  1	Иван	123-456-7890, 987-654-3210
  2	Мария	555-123-4567

  
  В столбце “Телефоны” хранятся несколько значений в одной ячейке.
   

• Пример в 1NF (исправлено):

  ID	Имя	Телефон
  1	Иван	123-456-7890
  1	Иван	987-654-3210
  2	Мария	555-123-4567

  
  Теперь каждый номер телефона находится в отдельной строке.

2. Вторая нормальная форма (2NF)

• Описание: Таблица находится в 2NF, если она находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут (столбец, который не является частью первичного ключа) функционально зависит от всего первичного ключа, а не от его части.

• Пример нарушения:
  
  Предположим, у нас есть таблица Заказы_с_товарами:

  OrderID	ProductID	Product_Name	Product_Price	Quantity
  1	10	Книга	20	2
  1	20	Ручка	5	1
  2	10	Книга	20	1

  
  Здесь OrderID и ProductID являются составным первичным ключом (PK). Product_Name и Product_Price зависят только от ProductID (части PK), а не от всего PK.
   
• Пример в 2NF (исправлено):

  • Таблица Заказы_с_товарами (частично):

    OrderID	ProductID	Quantity
    1	10	2
    1	20	1
    2	10	1

  • Таблица Товары:

    ProductID	Product_Name	Product_Price
    10	Книга	20
    20	Ручка	5

  
  
  Теперь информация о товарах хранится в отдельной таблице. В Заказы_с_товарами мы храним только информацию о количестве товаров в заказе, связанную с ProductID.

3. Третья нормальная форма (3NF)

• Описание: Таблица находится в 3NF, если она находится в 2NF и ни один неключевой атрибут не зависит транзитивно от первичного ключа. Транзитивная зависимость означает, что столбец зависит от другого неключевого столбца, который, в свою очередь, зависит от первичного ключа.
• Пример нарушения:

  EmployeeID	EmployeeName	DepartmentID	DepartmentName
  1	Иван	10	Продажи
  2	Мария	20	Маркетинг
  3	Петр	10	Продажи

  
  Здесь EmployeeID - первичный ключ. DepartmentName зависит от DepartmentID, который, в свою очередь, зависит от EmployeeID. Это транзитивная зависимость.
   
• Пример в 3NF (исправлено):

  • Таблица Сотрудники:

    EmployeeID	EmployeeName	DepartmentID
    1	Иван	10
    2	Мария	20
    3	Петр	10

  • Таблица Отделы:

    DepartmentID	DepartmentName
    10	Продажи
    20	Маркетинг

  
  
  Теперь информация об отделах хранится в отдельной таблице, и связь между таблицами осуществляется через DepartmentID.

4. Нормальная форма Бойса – Кодда (BCNF)

• Описание: Более строгая, чем 3NF. Таблица находится в BCNF, если для каждой функциональной зависимости (X -> Y), X является суперключом. Суперключ — это атрибут или набор атрибутов, которые однозначно идентифицируют строку.
• Пример нарушения:

  StudentID	Course	Instructor
  1	Math	Professor X
  1	Physics	Professor Y
  2	Math	Professor X
  2	History	Professor Z

  
  Здесь StudentID и Course вместе определяют Instructor. Но в тоже время, один студент может посещать несколько курсов, и один курс может вести несколько преподавателей. Course не является суперключом.
   
• Пример в BCNF (исправлено):

  • Таблица Ученик-Преподаватель:

    StudentID	Instructor
    1	Professor X
    1	Professor Y
    2	Professor X
    2	Professor Z

  • Таблица Курсы: (Если важна информация о курсах)

    Course	Instructor
    Math	Professor X
    Physics	Professor Y
    History	Professor Z

  
  или:
   

  • Таблица Курсы_с_преподавателями:

    StudentID	Course
    1	Math
    1	Physics
    2	Math
    2	History

  • Таблица Курс-Преподаватель:

    Course	Instructor
    Math	Professor X
    Physics	Professor Y
    History	Professor Z

  
  
  В этом случае, каждый преподаватель связан с одним курсом.