Database design and normalisation techniques

歡迎來到資料庫設計！

你有試過在亂七八糟的抽屜裡找某隻特定的襪子嗎？那種感覺真的很讓人挫折，對吧？設計資料庫就像整理那個抽屜一樣。如果你只是隨手把東西丟進去，你永遠找不到需要的東西，最後甚至會發現剩下三隻左腳襪子，卻一隻右腳的都沒有。在這章節中，我們將學習如何利用正規化 (Normalisation)，設計出整潔、高效且不出錯的資料庫。別擔心，即使一開始看起來好像有很多「數學」，其實它只是利用邏輯來讓一切保持井然有序！

第一步：藍圖 (實體關係模型)

在建立資料庫之前，我們需要一個規劃。這被稱為資料模型 (Data Model)。你可以把它想像成在蓋房子磚塊砌上去之前的建築圖紙。

實體與屬性

實體 (Entity) 就是我們想要儲存資料的「對象」（例如：學生 (Student)、書本 (Book) 或 汽車 (Car)）。每個實體都有屬性 (Attributes)，也就是具體的細節（例如：學生姓名 (StudentName) 或 出生日期 (DateOfBirth)）。

實體關係 (ER) 圖

我們使用圖表來顯示這些對象之間的關聯。例如，一個顧客 (Customer) 可以下多個訂單 (Orders)。在考試中，你可能會被要求用簡單的方框和線條畫出這些關係。
記憶小撇步：永遠問自己「一個『A』能否擁有多個『B』？」來找出它們的關係。

實體描述

為了清楚地寫下設計，我們使用標準格式：寫下實體名稱，然後在括號中列出屬性。我們將主鍵 (Primary Key)（唯一的識別碼）加上底線。
範例：Student(StudentID, FirstName, LastName, CourseID)

重點摘要：良好的設計始於一個清晰的藍圖，說明我們正在收集什麼資料，以及系統中不同的「對象」是如何彼此連結的。

第二步：關聯式資料庫基礎

關聯式資料庫 (Relational Database) 是由一組相互連結的表格所組成的。為了讓這些連結發揮作用，我們使用特殊的「鍵 (Keys)」：

1. 主鍵 (Primary Key)：表格中每筆記錄的唯一識別碼。想像成你的身分證號碼或學生編號——沒有兩個人會擁有相同的號碼。
2. 複合主鍵 (Composite Primary Key)：有時候，單一欄位不足以成為唯一識別碼。當我們使用兩個或多個欄位組合來建立唯一 ID 時，這就稱為複合主鍵。例如，在「課程 (Lesson)」表格中，教室號碼 (RoomNumber) 和 課節編號 (PeriodNumber) 組合起來可能就是唯一主鍵。
3. 外鍵 (Foreign Key)：這是「橋樑」。它是某個表格中的一欄，且該欄位是另一個表格的主鍵。這就是我們如何將學生 (Student) 連結到其老師 (Teacher) 的方式。

快速回顧箱：
- 主鍵 (Primary Key)：當前表格的唯一識別 ID。
- 外鍵 (Foreign Key)：連結到不同表格中的主鍵。
- 屬性 (Attribute)：表格中的一欄/標題。

第三步：什麼是正規化？

正規化 (Normalisation) 是整理資料庫的過程。我們這樣做主要有兩個原因：
- 消除資料冗餘 (Data Redundancy)（在多個地方儲存相同的資訊）。
- 維持資料完整性 (Data Integrity)（確保資料準確且易於更新）。

現實範例：如果某位學生更改了電話號碼，而你在五個不同的表格中都記錄了它，你就必須更新五次。如果你漏掉了一次，你的資料就錯了！正規化確保你只在一個地方儲存該號碼。

你知道嗎？正規化是由 E.F. Codd 在 1970 年代發明的。他建立了一套稱為「正規形式 (Normal Forms)」的規則，以確保資料庫在邏輯上是完美的。

第四步：正規化的三個層次

要讓資料庫達到第三正規化 (3NF)，我們必須經歷三個階段。學生通常覺得這有點困難，但只要遵守這些簡單規則即可：

第一正規化 (1NF)

如果表格中沒有重複的屬性群組，該表格就符合 1NF。這意味著表格中的每個「儲存格」必須僅包含單一值（必須是原子性 (Atomic) 的）。
常見錯誤：有一欄名為「科目」，然後把「數學、物理、電腦科學」全部塞在同一個格子裡。在 1NF 中，這些必須是分開的記錄。

第二正規化 (2NF)

要符合 2NF，表格必須先符合 1NF。接著，你必須移除部分函數依賴 (Partial Dependencies)。
這僅適用於你擁有複合主鍵的情況。每個非鍵屬性必須依賴於整個複合主鍵，而不是只依賴其中一部分。
範例：如果你的主鍵是 (StudentID, CourseID)，而你有一欄是 學生地址 (StudentAddress)，該地址僅依賴於 StudentID。它與 CourseID 無關。這就是部分函數依賴！你必須將地址移動到獨立的 Student 表格中。

第三正規化 (3NF)

要符合 3NF，表格必須先符合 2NF。接著，你必須移除遞移依賴 (Transitive Dependencies)。
這意味著「沒有非鍵屬性應該依賴於另一個非鍵屬性」。所有屬性應僅依賴於主鍵。
類比：想像一個表格 FootballTeam(PlayerID, Name, ClubName, ClubManager)。其中的 ClubManager 是依賴於 ClubName，而不是直接依賴於 PlayerID。這就是遞移依賴。你應該將球隊資訊移動到它自己的表格中。

黃金口訣：
要記住 3NF 的規則，資料庫專家常說：「資料必須依賴於主鍵 (1NF)，依賴於整個主鍵 (2NF)，且除了主鍵之外不依賴其他 (3NF)。」

重點摘要：當你達到 3NF 時，表格中的每一項資訊都嚴格與該表格的主鍵相關，除此之外別無其他。這會讓你的資料庫精簡、快速且可靠。

快速總結檢查清單

- 1NF：儲存格中沒有列表。資料具有原子性。
- 2NF：沒有部分函數依賴（留意複合主鍵！）。
- 3NF：沒有遞移依賴（非鍵屬性不應依賴於其他非鍵屬性）。
- 目標：最小化重複並保持資料準確性。

最後鼓勵：正規化需要練習！如果你覺得很吃力，試著把表格畫在紙上，並圈出哪些資訊片段是「屬於」哪個鍵的。你很快就會掌握訣竅了！