Функциональное отношение

Определение 10. Отношение на декартовом произведении двух множеств называется функциональным отношением, если оно обладает следующим свойством:

Если и , то (однозначность функции).

Обычно, функциональное отношение обозначают в виде функциональной зависимости - тогда и только тогда, когда . Функциональные отношения (подмножества декартового произведения!) называют иначе графиком функции или графиком функциональной зависимости.

Предикат функционального отношения есть просто выражение функциональной зависимости .

Еще пример бинарного отношения(Слайд №18)

Пример 5. Пусть множество есть следующее множество молодых людей: {Вовочка, Петя, Маша, Лена}, причем известны следующие факты:

Вовочка любит Вовочку (эгоист).

Петя любит Машу (взаимно).

Маша любит Петю (взаимно).

Маша любит Машу (себя не забывает).

Лена любит Петю (несчастная любовь).

Информацию о взаимоотношения данных молодых людей можно описать бинарным отношением "любить", заданном на множестве . Это отношение можно описать несколькими способами.

(Слайд №19)

Способ 1. Перечисление фактов в виде произвольного текста (как это сделано выше).

Способ 2. В виде графа взаимоотношений:

Рисунок 1 Граф взаимоотношений

(Слайд №20)

Способ 3. При помощи матрицы взаимоотношений:

Таблица 1. Матрица взаимоотношений

Способ 4. При помощи таблицы фактов:

Таблица 2 Таблица фактов

С точки зрения реляционных баз данных наиболее предпочтительным является четвертый способ, т.к. он допускает наиболее удобный способ хранения и манипулирования информацией. Действительно, перечисление фактов как текстовая форма хранения информации уместна для литературного произведения, но с трудом поддается алгоритмической обработке. Изображение в виде графа наглядно, и его удобно использовать как конечную форму представления информации для пользователя, но хранить данные в графическом виде неудобно. Матрица взаимоотношений уже больше соответствует требованиям информационной системы. Матрица удобна в обработке и компактно хранится. Но одно небольшое изменение, например, появился еще Вася и влюбился в несчастную Лену, требует перестройки всей матрицы, а именно, добавления и колонок, и столбцов. Таблица фактов свободна от всех этих недостатков - при добавлении новых действующих лиц просто добавляются новые строки.

Что касается предиката данного отношения, то он имеет следующий вид (дизъюнктивная нормальная форма):

R(x,y) = {(x = "Вовочка" AND y = "Вовочка") OR (x = "Петя" AND y = "Маша") OR (x = "Маша" AND y = "Петя") OR (x = "Маша" AND y = "Маша") OR (x = "Лена" AND y = "Петя")}

Замечание. Приведенное отношение не является ни транзитивным, ни симметричным или антисимметричным, ни рефлексивным, поэтому оно не является ни отношением эквивалентности, ни отношением порядка, ни каким-либо другим разумным отношением.

Замечание. Большая часть мировой литературы существует и имеет смысл лишь постольку, поскольку бинарное отношение "любить" не является отношением эквивалентности. В частности, по этой причине человечество не разбивается на классы эквивалентности взаимно любящих особей. Изучением характеристик данного отношения и соответствующего ему предиката занималось (и продолжает заниматься) большое количество экспертов, таких как Толстой Л.Н., Шекспир В. и др.

n-арные отношения (отношения степени n) (Слайд №21)

В математике n-арные отношения рассматриваются относительно редко, в отличие от баз данных, где наиболее важными являются именно отношения, заданные на декартовом произведении более чем двух множеств.

Пример 6. В некотором университете на математическом факультете учатся студенты Иванов, Петров и Сидоров. Лекции им читают преподаватели Пушников, Цыганов и Шарипов, причем известны следующие факты:

Пушников читает лекции по алгебре и базам данных, соответственно, 40 и 80 часов в семестр.

Цыганов читает лекции по геометрии, 50 часов в семестр.

Шарипов читает лекции по алгебре и геометрии, соответственно, 40 и 50 часов в семестр.

Студент Иванов посещает лекции по алгебре у Шарипова и по базам данных у Пушникова.

Студент Петров посещает лекции по алгебре у Пушникова и по геометрии у Цыганова.

Студент Сидоров посещает лекции по геометрии у Цыганова и по базам данных у Пушникова.

Для того чтобы формально описать данную ситуацию (например, в целях разработки информационной системы, учитывающей данные о ходе учебного процесса), введем три множества:

Множество преподавателей = {Пушников, Цыганов, Шарипов}.

Множество предметов = {Алгебра, Геометрия, Базы данных}.

Множество студентов = {Иванов, Петров, Сидоров}.

Имеющиеся факты можно разделить на две группы. 1 группа (факты 1-3) - факты о преподавателях, 2 группа (факты 4-6) - факты о студентах.

Для того чтобы отразить факты 1-3 (характеризующие преподавателей и читаемые ими лекции), введем отношение на декартовом произведении , где - множество рациональных чисел. А именно, упорядоченная тройка тогда и только тогда, когда преподаватель читает лекции по предмету в количестве часов в семестр. Назовем такое отношение "Читает лекции по…". Множество кортежей, образующих отношение удобно представить в виде таблицы:

Таблица 3 Отношение "Читает лекции по…"

Для того чтобы отразить факты 4-6 (характеризующие посещение студентами лекций), введем отношение на декартовом произведении . Упорядоченная тройка тогда и только тогда, когда студент посещает лекции по предмету у преподавателя . Назовем это отношение "Посещать лекции". Его также представим в виде таблицы:

Таблица 4 Отношение "Посещать лекции"

Рассмотрим отношение подробнее. Оно задано на декартовом произведении . Это произведение, содержащее 3*3*3=27 кортежей, можно назвать "Студенты-Лекции-Преподаватели". Множество представляет собой совокупность всех возможных вариантов посещения студентами лекций. Отношение же показывает текущее состояние учебного процесса. Очевидно, что отношение является изменяемым во времени отношением.

Итак, факты о ходе учебного процесса удалось отразить в виде двух отношений третьей степени (3-арных), а сами отношения изобразить в виде таблиц с тремя колонками.

Удобство использования табличной формы для задания отношения определяется в данном случае следующими факторами:

Все используемые множества конечны.

При добавлении или удалении студентов, предметов, преподавателей просто добавляются или удаляются соответствующие строки в таблице.

Нас сейчас не интересует вопрос, хороши ли полученные отношения. Заметим пока только, что, как показывают следующие замечания, не любую строку можно добавить в таблицу "Посещать лекции".

Замечание. В таблицу "Посещать лекции" нельзя добавить две одинаковые строки, т.к. таблица изображает отношение , а в отношении (как и в любом множестве) не может быть двух одинаковых элементов. Это пример синтаксического ограничения - такое ограничение задано в определении понятия отношение (одинаковых строк не может быть ни в одной таблице, задающей отношение).

Замечание. В таблицу "Посещать лекции" нельзя добавить кортеж (Иванов, Геометрия, Пушников). Действительно, из таблицы "Читает лекции по…", представляющей отношение , следует, что Пушников не читает предмет "Геометрия". Оказалось, что таблицы связаны друг с другом, и существенным образом! Это пример семантического ограничения - такое ограничение является следствием нашей трактовки данных, хранящихся в отношении (следствием понимания смысла данных).

Транзитивное замыкание отношений (Слайд №22)

Введем понятие транзитивного замыкания, связанное с бинарными отношениями, которое понадобится в дальнейшем.

Определение 11. Пусть отношение задано на декартовом квадрате некоторого множества . Транзитивным замыканием отношения называется новое отношение , состоящее из кортежей , для которых выполняется:

· либо кортеж ,

· либо найдется конечная последовательность элементов , такая, что все кортежи принадлежат отношению .

Очевидно, что .

Пример 7. Пусть множество представляет собой следующее множество деталей и конструкций:

= {Болт, Гайка, Двигатель, Автомобиль, Колесо, Ось}

причем некоторые из деталей и конструкций могут использоваться при сборке других конструкций. Взаимосвязь деталей описывается отношением ("непосредственно используется в") и состоит из следующих кортежей:

Таблица 5 Отношение R

Транзитивное замыкание состоит из кортежей (добавленные кортежи помечены серым цветом):

Таблица 6 Транзитивное замыкание отношения R

Очевидный смысл замыкания состоит в описании включения деталей друг в друга не только непосредственно, а через использование их в промежуточных деталях, например, болт используется в автомобиле, т.к. он используется в двигателе, а двигатель используется в автомобиле.

Выводы

Множество- это неопределяемое понятие, представляющее некоторую совокупность данных. Элементы множества можно отличать друг от друга, а также определять, принадлежит ли данный элемент данному множеству. Над множествами можно выполнять операции объединения, пересечения, разности и дополнения.

Новые множества можно строить при помощи понятия декартового произведения (конечно, есть и другие способы, но они нас в данный момент не интересуют). Декартово произведение нескольких множеств - это множество кортежей, построенный из элементов этих множеств.

Отношение- это подмножество декартового произведения множеств. Отношения состоят из однотипных кортежей. Каждое отношение имеет предикат отношения и каждый n-местный предикат задает n-арное отношение.

Отношение является математическим аналогом понятия "таблица".

Отношения обладают степенью и мощностью. Степень отношения - это количество элементов в каждом кортеже отношения (аналог количества столбцов в таблице). Мощность отношения - это мощность множества кортежей отношения (аналог количества строк в таблице).

В математике чаще всего используют бинарные отношения (отношения степени 2). В теории баз данных основными являются отношения степени . В математике, как правило, отношения заданы на бесконечных множествах и имеют бесконечную мощность. В базах данных напротив, мощности отношений конечны (число хранимых строк в таблицах всегда конечно).