SQL - Álgebra Relacional - Operações Fundamentais - Conceitos básicos

A grande maioria das aplicações que desenvolvemos atualmente utilizam um banco de dados relacional o que implica na utilização de consultas para obtenção de resultados.

 Para isso usamos a linguagem SQL que é a linguagem de pesquisa declarativa padrão para banco de dados relacional . Muitas das características originais do SQL foram inspiradas na álgebra relacional e neste artigo eu procuro abordar os conceitos básicos da álgebra relacional.

A Álgebra Relacional é uma linguagem de consulta formal, porém procedimental, ou seja, o usuário dá as instruções ao sistema para que o mesmo realize uma seqüência de operações na base de dados para calcular o resultado desejado.

Na terminologia formal de modelo relacional temos os seguintes conceitos:

  1. Uma linha é chamada de tupla;
  2. O cabeçalho da coluna é chamado de atributo;
  3. Tabela é chamada de relação;
  4. O tipo de dados que descreve os tipos de valores que podem aparecer em cada coluna é chamado de domínio;

A álgebra relacional é uma forma de cálculo sobre conjuntos ou relações.

A álgebra relacional recebia pouca atenção até a publicação do modelo relacional de dados de E.F Codd, em 1970. Codd propôs tal álgebra como uma base para linguagens de consulta em banco de dados.

(fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81lgebra_relacional - consultado em novembro de 2012)

Neste artigo eu vou me ater às principais operações fundamentais da álgebra relacional.

Há seis operações fundamentais na álgebra relacional:

  1. Seleção
  2. Projeção
  3. Produto cartesiano
  4. União
  5. Diferença entre conjuntos
  6. Renomear

1- Seleção : Seleciona tuplas (linhas) que satisfazem um certo predicado ou condição.

Indicada por (letra grega sigma), é uma operação que para um conjunto inicial fornecido como argumento, produz um subconjunto estruturalmente idêntico, mas apenas com os elementos do conjunto original que atendem a uma determinada condição (chamada de predicado). A seleção pode ser entendida como uma operação que filtra as linhas de uma relação(tabela), e é uma operação unária, pois opera sobre um único conjunto de dados.

Notação - predicado (relação)

Alunos

id nome sexo
123  Macoratti M
234  Miriam F
456 Jefferson M
567 Janice F

Ex 1: Selecionar tuplas de Alunos cujo nome = Macoratti

nome = 'Macoratti' (Alunos) ==> produz o conjunto dos elementos de alunos que atendem ao predicado [Nome = ‘Macoratti’], ou seja, representa um subconjunto dos alunos para o qual essa condição é avaliada como verdadeira.

id nome sexo
123  Macoratti M

• Resultado – subconjunto horizontal de uma relação
• Operadores de comparação : =, <, <=, >, >=, 
• Operadores lógicos: ^ (and) V (or) ¬ (not)

Ex 2: Selecionar as tuplas de Alunos com id > 123 e id < 567

id > 123 ^ id < 567

id nome sexo
234  Miriam F
456 Jefferson M

O operador de seleção é comutativo => <condição1> (<condição2>) = <condição2> (<condição1>)

2- Projeção : Gera novas relações excluindo alguns atributos

Indicada por (a letra grega pi) produz um conjunto onde há um elemento para cada elemento do conjunto de entrada, sendo que a estrutura dos membros do conjunto resultante é definida nos argumentos da operação. Pode ser entendida como uma operação que filtra as colunas de uma tabela. Por operar sobre apenas um conjunto de entrada é classificada como uma operação unária.

Notação: lista_nome_atributos (Relação)

Ex. 1 - projete o atributo nome sobre a relação Alunos

nome (Alunos)

nome
Macoratti
Miriam
Jefferson
Janice

Ex. 2 : Descobrir o nome e o id de todos os alunos do sexo masculino

Neste caso será necessário combinar uma projeção com uma seleção.

Se decidirmos projetar as colunas desejadas diretamente a partir da relação alunos, estaremos considerando também os elementos do sexo feminino o que não queremos. Como a projeção não permite descartar linhas, apenas colunas, deveremos fornecer a essa operação o subconjunto resultante de uma filtragem (seleção) da relação de alunos original, como mostram as figuras abaixo, que representam as relações e as operações de duas maneiras diferentes.

Definindo a expressão que atende aos requisitos temos:

id,nome ( sexo = 'M' ) (Alunos)

id nome
123  Macoratti
456 Jefferson

O operador Projeção não é comutativo.

A álgebra relacional empresta da teoria de conjuntos quatro operadores: União, Intersecção, Diferença e Produto Cartesiano que veremos a seguir.

3- Produto Cartesiano X : Retorna todas as combinações de tuplas de duas R1 e R2.

O resultado do produto cartesiano de duas relações é uma terceira relação contendo todas as combinações possíveis entre os elementos das relacões originais.

Essa relação resultante possuirá um número de colunas que é igual à soma das quantidades de colunas das duas relações iniciais, e um número de linhas igual ao produto do número de suas linhas. Portanto, se fizermos o produto cartesiano de uma relação A que possua 5 colunas e 10 linhas com uma relação B onde existem 3 colunas e 8 linhas, a relação resultante terá 5+3= 8 colunas e 10*8= 80 linhas.

Assim, cada linha dessa relação corresponderá à concatenação de uma linha da primeira relação com uma linha da segunda.

Notação : relação1 x relação2 ( R1 x R2 )

Ex 1: Descobrir o nome do aluno, sexo e o nome do curso para cada aluno

Alunos

id nome  sexo  curso 
123  Macoratti M 100
234  Miriam F 110
456 Jefferson M 120
567 Janice F 100

Cursos

id nome
100  Quimica
110  Inglês
120 Matemática
130 Física

nome, sexo, curso ( Alunos.curso = Cursos.id ( Alunos x Cursos) )

Resultado:

id nome  sexo  nome 
123  Macoratti M Quimica
234  Miriam F Inglês
456 Jefferson M Matemática
567 Janice F Quimica

Note que primeiro fizemos o produto cartesiano ( Alunos x Cursos ) que resulta em uma relação com 6 colunas e 16 linhas:

id nome  sexo  curso   id  nome 
123  Macoratti M 100 100 Quimica
123  Macoratti M 100 110 Inglês
123 Macoratti M 100 120 Matematica
123 Macoratti M 100 130 Fisica
234  Miriam F 110 100 Quimica
234  Miriam F 110 110 Inglês
234 Miriam F 110 120 Matematica
234 Miriam F 1100 130 Fisica
... ... ... ... ... ...

Depois fizemos uma seleção pelo código do curso : Alunos.curso = Cursos.id

id nome  sexo  curso   id  nome 
123  Macoratti M 100 100 Quimica
123  Miriam F 110 110 Inglês
123 Jefferson M 120 120 Matematica
123 Janice F 100 100 Quimica

Em seguida fizemos um projeção de nome, sexo e curso:

nome  sexo  nome 
Macoratti M Quimica
Miriam F Inglês
Jefferson M Matemática
Janice F Quimica

4- União : Retorna a união das tuplas de duas relações R1 e R2 com eliminação automática de duplicatas;

Produz como resultado uma Relação que contém todas as linhas da primeira Relação seguidas de todas as linhas da segunda tabela. A Relação resultante possui a mesma quantidade de colunas que as relações originais, e tem um número de linhas que é no máximo igual à soma das linhas das relações fornecidas como operandos, já que as linhas que são comuns a ambas as relações aparecem uma única vez no resultado.

Notação: Relação1 Relação2 ( R1 R2)

Obs: As relações devem possuir o mesmo número de atributos.

Alunos                                           Professores                                    Funcionarios

id nome idade curso
10 Macoratti 45 Quimica
20 Miriam 43 Artes
30 Bianca 21 Fisica
 
id nome idade setor
100 Pedro 50 Quimica
200 Maria 45 Fisica
300 Bianca 21 Artes
 
id nome setor idade
10 Margarida Quimica 46
20 Jamil Fisica 32
  Domínio:

id = int
nome = varchar(30)
idade = int
curso = varchar(30)
setor = varchar(30)

A relação Alunos é compatível com Professores mas não é compatível com Funcionarios.

Ex1: Encontre uma relação com todos os alunos e com todos os professores:

resultado: Alunos Professores

id nome idade curso
10 Macoratti 45 Quimica
20 Miriam 43 Artes
30 Bianca 21 Fisica
100 Pedro 50 Quimica
200 Maria 45 Fisica
300 Bianca 21 Artes

A operação de união é comutativa => R1 R2 = R2 R1

5- Diferença -- : Retorna as tuplas presentes em R1 e ausentes em R2;

É uma operação que requer como operandos duas relações união-compatíveis, ou seja, estruturalmente idênticas. O resultado é uma relação que possui todas as linhas que existem na primeira relação e não existem na segunda.

Notação : relação1 - relação2 ( R1 - R2 )

Alunos (R1)                           Professores(R2)

id nome idade curso
10 Macoratti 45 Quimica
20 Miriam 43 Artes
30 Bianca 21 Fisica
 
id nome idade setor
100 Pedro 50 Quimica
200 Maria 45 Artes
300 Bianca 21 Fisica
  Domínio:

id = int
nome = varchar(30)
idade = int
curso = varchar(30)
setor = varchar(30)

Ex1 : Apresente uma relação de todos os alunos que não são professores

Resultado : Aluno - Professor

id nome idade curso
10 Macoratti 45 Quimica
20 Miriam 43 Artes

Note-se que a DIFERENÇA não é comutativa !

Resultado : Professor - Aluno

id nome idade setor
100 Pedro 50 Quimica
200 Maria 45 Artes

6- Interseção : Retorna as tuplas comuns a R1 e R2;

Esta é uma operação adicional que produz como resultado uma tabela que contém, sem repetições, todos os elementos que são comuns às duas tabelas fornecidas como operandos. As tabelas devem ser união-compatíveis.

Notação : relação1 relação2 ( R1 R2 )

Alunos(R1)                              Professores(R2)

id nome idade curso
10 Macoratti 45 Quimica
20 Miriam 43 Artes
30 Bianca 21 Fisica
 
id nome idade setor
100 Pedro 50 Quimica
200 Maria 45 Artes
300 Bianca 21 Fisica
  Domínio:

id = int
nome = varchar(30)
idade = int
curso = varchar(30)
setor = varchar(30)

Ex1 : Apresente uma relação de todos os alunos que são professores;

Resultado : Alunos Professores

id nome idade curso
30 Bianca 21 Fisica

Existem operadores de álgebra que são deriváveis de outros. A operação de intersecção é derivável de união e diferença: A B = A - ( A - B )

A operação de intersecção é comutativa => R1 R2 = R2 R1

7 - Junção Natural : Retorna a combinação de tuplas de duas relações R1 e R2 que satisfazem um predicado;

O resultado da operação junção natural é uma relação com todas as combinações das tuplas na relação1 (R1) e relação2 (R2) nas quais os seus atributos em comum são iguais.

É uma operação que produz uma combinação entre as linhas de uma relação com as linhas correspondentes de outra relação, sendo em princípio correspondente a uma seleção pelos atributos de relacionamento sobre um produto cartesiano dessas relações:

A operação de junção foi criada porque esse tipo de combinação de tabelas é muito comum, facilitando com isso a escrita de expressões. A tabela resultante de uma junção tem todas as colunas da primeira tabela e todas da segunda tabela.

Notação: R1 |x|  R2

No exemplo a seguir temos as relações Empregados e Setores a sua junção natural :

Empregados                          Setores                                Empregados |x| Setores

id nome setor
100 Macoratti Admin
200 Jefferson Contab
300 Bianca Admin
400 Janice Contab
 
setor gerente
Admin Paulino
Contab Amelia
RH Francisca
 
id nome setor gerente
100 Macoratti Admin Paulino
200 Jefferson Contab Amelia
300 Bianca Admin Paulino
400 Janice Contab Amelia
 

A junção natural pode ser vista como uma combinação de uma operação de seleção aplicada sobre uma operação de produto cartesiano:

<critério> ( <relação1> X <relação2)

8 - Renomeação : Altera o nome de uma relação e/ou dos seus atributos

Esta operação unária primitiva redefine o nome de uma tabela em um determinado contexto. É útil para auto-relacionamentos, onde precisamos fazer a junção de uma tabela com ela mesma, e nesse caso cada versão da tabela precisa receber um nome diferente da outra.

Notação: <novo nome> (R)

Ex1: <empregados> (funcionarios)

Renomeia a relação funcionarios parra empregados.

9 - Divisão : É uma operação adicional que produz como resultado a projeção de todos os elementos da primeira relação que se relacionam com todos os elementos da segunda relação.

Divisão é uma operação da álgebra relacional utilizada quando se deseja extrair de uma relação R1 uma determinada parte que possui as características (valores de atributos) da relação R2.

Notação: R1 R2

Ex1: Dada as relações:

Equipes                    Projetos

id NomeProjeto
100 Projeto1
200 Projeto2
300 Projeto3
400 Projeto4
 
NomeProjeto descricao
Projeto1 Suporte
Projeto2 Desenvolvimento
Projeto3 Manutenção

Resultado:

Equipes ( <nome_projeto> (Projetos))

id NomeProjeto
100 Projeto1
200 Projeto2
300 Projeto3
400 Projeto4
NomeProjeto
Projeto1
Projeto2
Projeto3
=>  
id
100
 

10 - Atribuição : Permite que o conteúdo de uma relação seja atribuído (colocado) em uma variável especial, oferecendo a possibilidade de um tratamento até certo ponto algorítmico para algumas seqüências de operações.

Atribui-se a relação resultante de uma operação à direita de , a uma variável temporária, à esquerda, a qual poderá ser utilizada em relações subseqüentes.

Notação: variável operação

Ex1: Resultado Equipes ( <nome_projeto> (Projetos))

A seguir temos uma tabela com um resumo das operações vistas neste artigo:

Rom 10:9 Porque, se com a tua boca confessares a Jesus como Senhor, e em teu coração creres que Deus o ressuscitou dentre os mortos, será salvo;

Rom 10:10 pois é com o coração que se crê para a justiça, e com a boca se faz confissão para a salvação.

Rom 10:11 Porque a Escritura diz: Ninguém que nele crê será confundido.

Rom 10:12 Porquanto não há distinção entre judeu e grego; porque o mesmo Senhor o é de todos, rico para com todos os que o invocam.

Rom 10:13 Porque: Todo aquele que invocar o nome do Senhor será salvo.

Referências:

José Carlos Macoratti