IV Diseño de Bases de Datos Relaciónales

4.1 Riesgos en el diseño de las bases de datos relacionales
Existen diversos riesgos en el diseño de las bases de datos relacionales que afecten la funcionalidad de la misma, los riesgos generalmente son la redundancia de información y la inconsistencia de datos.

Retos en el diseño de la base de datos
Uno de los es el de obtener una estructura estable y lógica tal que:
- El sistema de base de datos no sufra de anomalías de almacenamiento.
- El modelo lógico pueda modificarse fácilmente para admitir nuevos requerimientos.

Ventajas de un buen Diseño
Una base de datos implantada sobre un modelo bien diseñado tiene mayor esperanza de vida aun en un ambiente dinámico, que una base de datos con un diseño pobre.

En promedio, una base de datos experimenta una reorganización general cada seis años, dependiendo de lo dinámico de los requerimientos de los usuarios.

Una base de datos bien diseñada tendrá un buen desempeño aunque aumente su tamaño, y será lo suficientemente flexible para incorporar nuevos requerimientos o características adicionales.

4.2 Normalización por medio de dependencias funcionales
Dependencias funcionales
Por cualquier instancia dada de una relación, sus atributos dependientes solo pueden tener un y solo un valor para ciertos valores de los atributos de los cuales es dependientes.

Nota: Es la relación de uno a uno entre el atributo y los atributos dependientes.

dependencia funcional: Consiste en edificar que atributos dependen de otro(s) atributo(s).

Ejemplo 1:
EMPLEADO (NUM_EMP, APELLIDO, NOMBRE, PUESTO, SALARIO)

Es: APELLIDO = f(NUM_EMP) ?
(Es apellido funcionalmente dependiente de NUM_EMP?, No, Pueden haber varios empleados con el mismo apellido)

Ejemplo 2
ARTICULO (NUM_PROV, NUM_ART, COSTO)

Dependencia funcional:
COSTO = F(NUM_PROV, ARTICULO)

4.5 Valores Atómicos
Un dominio es atómico si se considera a los elementos del dominio como unidades indivisibles.

4.2, 4.3, 4.4 Normalización
Es el proceso de simplificar la relación entre los campos de un registro. Tal que todos los dominios de los atributos deben consistir solo de valores atómicos, evitando los grupos repetitivos, y no debe de haber valores con multi-valores.Por medio de la normalización un conjunto de datos en un registro se reemplaza por varios registros que son más simples y predecibles y, por lo tanto, más manejables.

Razones para llevar a cabo la normalización
Estructurar los datos de forma que se puedan representar las relaciones pertinentes entre los datos.
Permitir la recuperación sencilla de los datos en respuesta a las solicitudes de consultas y reportes.
Simplificar el mantenimiento de los datos actualizándolos, insertándolos y borrándolos.
Reducir la necesidad de reestructurar o reorganizar los datos cuando surjan nuevas aplicaciones.

Formas normales
La teoría de normalización tiene como fundamento el concepto de formas normales; se dice que una relación está en una determinada forma normal si satisface un conjunto de restricciones.

Primera forma normal
Definición formal:
Una relación R se encuentra en 1FN si y solo sí por cada renglón columna contiene valores atómicos.
Abreviada como 1FN, se considera que una relación se encuentra en la primera forma normal cuando cumple lo siguiente:
1.Las celdas de las tablas poseen valores simples y no se permiten grupos ni arreglos repetidos como valores, es decir, contienen un solo valor por cada celda.
2.Todos los ingresos en cualquier columna (atributo) deben ser del mismo tipo.
3.Cada columna debe tener un nombre único, el orden de las columnas en la tabla no es importante.
4.Dos filas o renglones de una misma tabla no deben ser idénticas, aunque el orden de las filas no es importante.
Por lo general la mayoría de las relaciones cumplen con estas características, así que podemos decir que la mayoría de las relaciones se encuentran en la primera forma normal.

Como esta relación maneja valores atómicos, es decir un solo valor por cada uno de los campos que conforman a los atributos de las entidades, ya se encuentra en primera forma normal, gráficamente así representamos a las relaciones en 1FN.

Segunda forma normal
Una relación se encuentra en segunda forma normal, cuando cumple con las reglas de la primera forma normal y todos sus atributos que no son claves (llaves) dependen por completo de la clave . De acuerdo con está definición, cada tabla que tiene un atributo único como clave, esta en segunda forma normal.

La segunda forma normal se representa por dependencias funcionales como:

Nótese  que las llaves primarias están representadas con doble cuadro, las flechas nos indican que de estos atributos se puede referenciar a los otros atributos que dependen funcionalmente de la llave primaria. 

Dependencia transitiva: En una afinidad (tabla bidimensional) que tiene por lo menos 3 atributos (A,B,C) en donde A determina a B, B determina a C pero no determina a A.

Tercera forma normal
Consiste en eliminar la dependencia transitiva que queda en una segunda forma normal, en pocas palabras una relación esta en tercera forma normal si está en segunda forma normal y no existen dependencias transitivas entre los atributos, nos referimos a dependencias transitivas cuando existe más de una forma de llegar a referencias a un atributo de una relación.

Por ejemplo, consideremos el siguiente caso:

Tenemos la relación alumno-cursa-materia manejada anteriormente, pero ahora consideramos al elemento maestro, gráficamente lo podemos representar de la siguiente manera:

Podemos darnos cuenta que se encuentra graficado en segunda forma normal, es decir que todos los atributos llave están indicados en doble cuadro indicando los atributos que dependen de dichas llaves, sin embargo en la llave Necono tiene como dependientes a 3 atributos en el cual el nombre puede ser referenciado por dos atributos: Necono y RFC (Existe dependencia transitiva)

Para convertirla a tercera forma normal hay que en eliminar las dependencias transitivas separando los atributos, entonces tenemos:

Forma normal de Boyce Codd
Determinante: Uno o más atributos que, de manera funcional, determinan otro atributo o atributos. En la dependencia funcional (A,B)-->C, (A,B) son los determinantes.

Denominada por sus siglas en ingles como BCNF; Una tabla se considera en esta forma si y sólo sí cada determinante o atributo es una llave candidato.
Continuando con el ejemplo anterior, si consideramos que en la entidad alumno  sus atributos control y nombre nos puede hacer referencia al atributos esp., entonces decimos que dichos atributos pueden ser llaves candidato.
Gráficamente podemos representar  la forma normal de Boyce Codd de la siguiente forma:

 Obsérvese que a diferencia de la tercera forma normal, agrupamos todas las llaves candidato para formar una global (representadas en el recuadro) las cuales hacen referencia a los atributo que no son llaves candidato.

Cuarta forma normal
Definición formal:
Un esquema de relaciones R está en 4FN con respecto a un conjunto D de  dependencias funcionales y de valores múltiples sí, para todas las dependencias de valores múltiples en D de la forma X->->Y, donde X<=R y Y<=R, se cumple por lo menos una de estas condiciones:

* X->->Y es una dependencia de valores múltiples trivial.
* X es una superllave del esquema R.

Para entender mejor aún esto consideremos una afinidad (tabla) llamada estudiante que contiene los siguientes atributos: Clave, Especialidad, Curso tal y como se demuestra en la siguiente figura:

Suponemos que los estudiantes pueden inscribirse en varias especialidades y en diversos cursos. El estudiante con clave S01 tiene su especialidad en sistemas y Bioquímica y toma los cursos de Natación y danza, el estudiante B01 tiene la especialidad en Bioquímica y toma el curso de Guitarra, el estudiante con clave C03 tiene la especialidad de Civil y toma el curso de natación.

En esta tabla o relación no existe dependencia funcional porque los estudiantes pueden tener distintas especialidades, un valor único de clave puede poseer muchos valores de especialidades al igual que de valores de cursos. Por lo tanto existe dependencia de valores múltiples. Este tipo de dependencias produce redundancia de datos, como se puede apreciar en la tabla anterior, en donde la clave S01 tiene tres registros para mantener la serie de datos en forma independiente lo cual ocasiona que al realizarse una actualización se requiera de demasiadas operaciones para tal fin. 

Existe una dependencia de valores múltiples cuando una afinidad tiene por lo menos tres atributos, dos de los cuales poseen valores múltiples y sus valores dependen solo del tercer atributo, en otras palabras en la afinidad R (A,B,C) existe una dependencia de valores múltiples si A determina valores múltiples de B, A determina valores múltiples de C, y B y C son independientes entre sí.

En la tabla anterior Clave determina valores múltiples de especialidad y clave determina valores múltiples de curso, pero especialidad y curso son independientes entre sí.

Las dependencias de valores múltiples se definen de la siguiente manera: Clave ->->Especialidad y Clave->->Curso; Esto se lee "Clave multidetrmina a Especialidad, y clave multidetermina a Curso"

Para eliminar la redundancia de los datos, se deben eliminar las dependencias de valores múltiples. Esto se logra construyendo dos tablas, donde cada una almacena datos para solamente uno de los atributos de valores múltiples.

Para nuestro ejemplo, las tablas correspondientes son:

Quinta forma normal
Definición formal:
Un esquema de relaciones R está en 5FN con respecto a un conjunto D de dependencias funcionales, de valores múltiples y de producto, si para todas las dependencias de productos en D se cumple por lo menos una de estas condiciones:
* (R1, R2, R3, ... Rn) es una dependencia de producto trivial.
* Toda Ri es una superllave de R.

La quinta forma normal se refiere a dependencias que son extrañas. Tiene que ver con tablas que pueden dividirse en subtablas, pero que no pueden reconstruirse.