Базы данных. Основные положения
Для понимания организации данных в базе данных необходимо знание основных положений теории баз данных. Рассмотрим некоторые положения этой теории.
База данных (Database) - это особым образом организованные и хранимые в электронном виде данные.
Особым образом организованные означает, что данные организованы неким конкретным способом, способным облегчить их поиск и доступ к ним для одного или нескольких приложений. Также такая организация данных предусматривает наличие минимальной избыточности данных.
Базы данных являются одной из разновидностей информационных технологий, а также формой хранения данных.
Целью создания баз данных является построение такой системы данных, которая бы не зависела от программного обеспечения, применяемых технических средств и физического расположения данных в ЭВМ. Построение такой системы данных должно обеспечивать непротиворечивую и целостную информацию. При проектировании базы данных предполагается многоцелевое ее использование.
База данных в простейшем случае представляется в виде системы двумерных таблиц.
Схема данных - описание логической структуры данных, специфицированное на языке описания данных и обрабатываемое СУБД.
Схема пользователя - зафиксированный для конкретного пользователя один вариант порядка полей таблицы.
Что такое данные?
В широком понимании данные представляют собой факты, текст, графики, картинки, звуки, аналоговые или цифровые видео-сегменты.
Данные могут быть получены в результате измерений, экспериментов, арифметических и логических операций.
Данные должны быть представлены в форме, пригодной для хранения, передачи и обработки.
Иными словами, данные - это необработанный материал, предоставляемый поставщиками данных и используемый потребителями для формирования информации на основе данных.
Данные, состоящие из записей
Наиболее часто встречающиеся данные - данные, состоящие из записей (record data) [7]. Примеры таких наборов данных: табличные данные, матричные данные, документальные данные, транзакционные или операционные.
Табличные данные - данные, состоящие из записей, каждая из которых состоит из фиксированного набора атрибутов.
Транзакционные данные представляют собой особый тип данных, где каждая запись, являющаяся транзакцией, включает набор значений.
Пример транзакционной базы данных, содержащей перечень покупок клиентов магазина, приведен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Пример транзакционных данных
Форматы хранения данных
Одна из основных особенностей данных современного мира состоит в том, что их становится очень много. Возможны четыре аспекта работы с данными: определение данных, вычисление, манипулирование и обработка (сбор, передача и др.).
При манипулировании данными используется структура данных типа "файл". Файлы могут иметь различные форматы.
Как уже было отмечено ранее, большинство инструментов Data Mining позволяют импортировать данные из различных источников, а также экспортировать результирующие данные в различные форматы.
Данные для экспериментов удобно хранить в каком-то одном формате.
В некоторых инструментах Data Mining эти процедуры называются импорт/экспорт данных, другие позволяют напрямую открывать различные источники данных и сохранять результаты Data Mining в одном из предложенных форматов.
Наиболее распространенные форматы, согласно опросу "Форматы хранения данных", представлены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Наиболее распространенные форматы хранения данных
Наибольшее число опрошенных (23%) предпочитают хранить данные в формате той базы данных, которую они используют. В формате Text, CSV - 18%, по 14% опрошенных хранят данные в формате Text, space or tab separated и SAS; в формате Excel - 9%, SPSS - 8%, S-Plus/R - 4%, Weka ARFF - 6%, в других форматах инструментов Data Mining - 2%.
Как видим из результатов опроса, наиболее распространенным форматом хранения данных для Data Mining выступают базы данных.
Графические данные
Примеры графических данных: WWW-данные; молекулярные структуры; графы (рис. 2.2); карты.
Рис. 2.2. Пример графа
С помощью карт, например, можно отследить изменения объектов во времени и пространстве, определить характер их распределения на плоскости или в пространстве. Преимуществом графического представления данных является большая простота их восприятия, чем, например, табличных данных.
Пример карты, являющейся картой Кохонена (моделью нейронных сетей, которые будут рассмотрены в одной из лекций нашего курса), представлен на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Пример данных типа "Карта Кохонена"
Химические данные
Химические данные представляют собой особый тип данных. Пример таких данных: Benzene Molecule: C6H6 (рис. 2.4)
Рис. 2.4. Пример химических данных
Согласно опросу на сайте Kdnuggets, www.kdnuggets.com (апрель, 2004 г.) "Типы анализируемых данных", наибольшее число опрошенных анализирует данные из "плоских" (flat table) и реляционных таблиц (26% и 24% соответственно), далее идут временные ряды (14%) и данные в виде текста (11%).
Остальные анализируемые типы данных в порядке убывания: web-контенты, XML, графика, аудио, видео и др.
Здесь и в следующих лекциях приводятся результаты опросов, проведенных на сайте Kdnuggets, который признан одним из наиболее авторитетных и известных сайтов в сфере Data Mining.
Измерения
Измерение - процесс присвоения чисел характеристикам изучаемых объектов согласно определенному правилу.
В процессе подготовки данных измеряется не сам объект, а его характеристики.
Шкала - правило, в соответствии с которым объектам присваиваются числа.
Многие инструменты Data Mining при импорте данных из других источников предлагают выбрать тип шкалы для каждой переменной и/или выбрать тип данных для входных и выходных переменных (символьные, числовые, дискретные и непрерывные). Пользователю такого инструмента необходимо владеть этими понятиями.
Переменные могут являться числовыми данными либо символьными.
Числовые данные, в свою очередь, могут быть дискретными и непрерывными.
Дискретные данные являются значениями признака, общее число которых конечно либо бесконечно, но может быть подсчитано при помощи натуральных чисел от одного до бесконечности.
Пример дискретных данных. Продолжительность маршрута троллейбуса (количество вариантов продолжительности конечно): 10, 15, 25 мин.
Непрерывные данные - данные, значения которых могут принимать какое угодно значение в некотором интервале. Измерение непрерывных данных предполагает большую точность.
Пример непрерывных данных: температура, высота, вес, длина и т.д.
Классификация видов данных
Какими могут быть данные? Ниже приведено несколько классификаций.
Реляционные данные - это данные из реляционных баз (таблиц).
Многомерные данные - это данные, представленные в кубах OLAP.
Измерение (dimension) или ось - в многомерных данных - это собрание данных одного и того же типа, что позволяет структурировать многомерную базу данных.
По критерию постоянства своих значений в ходе решения задачи данные могут быть:
переменными;постоянными;условно-постоянными.Переменные данные - это такие данные, которые изменяют свои значения в процессе решения задачи.
Постоянные данные - это такие данные, которые сохраняют свои значения в процессе решения задачи (математические константы, координаты неподвижных объектов) и не зависят от внешних факторов.
Условно-постоянные данные - это такие данные, которые могут иногда изменять свои значения, но эти изменения не зависят от процесса решения задачи, а определяются внешними факторами.
Данные, в зависимости от тех функций, которые они выполняют, могут быть справочными, оперативными, архивными.
Следует различать данные за период и точечные данные. Эти различия важны при проектировании системы сбора информации, а также в процессе измерений.
данные за период;точечные данные.Данные за период характеризуют некоторый период времени. Примером данных за период могут быть: прибыль предприятия за месяц, средняя температура за месяц.
Точечные данные представляют значение некоторой переменной в конкретный момент времени. Пример точечных данных: остаток на счете на первое число месяца, температура в восемь часов утра.
Данные бывают первичными и вторичными. Вторичные данные - это данные, которые являются результатом определенных вычислений, примененных к первичным данным. Вторичные данные, как правило, приводят к ускоренному получению ответа на запрос пользователя за счет увеличения объема хранимой информации.
Метаданные
В завершение лекции о данных рассмотрим понятие метаданных.
Метаданные (Metadata) - это данные о данных.
В состав метаданных могут входить: каталоги, справочники, реестры.
Метаданные содержат сведения о составе данных, содержании, статусе, происхождении, местонахождении, качестве, форматах и формах представления, условиях доступа, приобретения и использования, авторских, имущественных и смежных с ними правах на данные и др.
Метаданные - важное понятие в управлении хранилищем данных.
Метаданные, применяемые при управлении хранилищем, содержат информацию, необходимую для его настройки и использования. Различают бизнес-метаданные и оперативные метаданные.
Бизнес-метаданные содержат бизнес-термины и определения, принадлежность данных и правила оплаты услуг хранилища.
Оперативные метаданные - это информация, собранная во время работы хранилища данных:
происхождение перенесенных и преобразованных данных; статус использования данных (активные, архивированные или удаленные);данные мониторинга, такие как статистика использования, сообщения об ошибках и т.д.Метаданные хранилища обычно размещаются в репозитории. Это позволяет использовать метаданные совместно различным инструментам, а также процессам при проектировании, установке, эксплуатации и администрировании хранилища.
Выводы. В лекции были рассмотрены понятие данных, объектов и атрибутов, их характеристики, типы шкал, понятие набора данных и его типы. Описаны возможные форматы хранения данных. Введены понятия базы данных, системы управления базами данных, метаданных.
Набор данных и их атрибутов
В таблице 2.1 представлена двухмерная таблица, представляющая собой набор данных.
| Атрибуты | ||||
| Код клиента | Возраст | Семейное положение | Доход | Класс |
| 1 | 18 | Single | 125 | 1 |
| 2 | 22 | Married | 100 | 1 |
| 3 | 30 | Single | 70 | 1 |
| 4 | 32 | Married | 120 | 1 |
| 5 | 24 | Divorced | 95 | 2 |
| 6 | 25 | Married | 60 | 1 |
| 7 | 32 | Divorced | 220 | 1 |
| 8 | 19 | Single | 85 | 2 |
| 9 | 22 | Married | 75 | 1 |
| 10 | 40 | Single | 90 | 2 |
По горизонтали таблицы располагаются атрибуты объекта или его признаки. По вертикали таблицы - объекты.
Объект описывается как набор атрибутов.
Объект также известен как запись, случай, пример, строка таблицы и т.д.
Атрибут - свойство, характеризующее объект.
Например: цвет глаз человека, температура воды и т.д.
Атрибут также называют переменной, полем таблицы, измерением, характеристикой.
В результате операционализации понятий [6], т.е. перехода от общих категорий к конкретным величинам, получается набор переменных изучаемого понятия.
Переменная (variable) - свойство или характеристика, общая для всех изучаемых объектов, проявление которой может изменяться от объекта к объекту.
Значение (value) переменной является проявлением признака.
При анализе данных, как правило, нет возможности рассмотреть всю интересующую нас совокупность объектов. Изучение очень больших объемов данных является дорогостоящим процессом, требующим больших временных затрат, а также неизбежно приводит к ошибкам, связанным с человеческим фактором.
Вполне достаточно рассмотреть некоторую часть всей совокупности, то есть выборку, и получить интересующую нас информацию на ее основании.
Однако размер выборки должен зависеть от разнообразия объектов, представленных в генеральной совокупности. В выборке должны быть представлены различные комбинации и элементы генеральной совокупности.
Генеральная совокупность (population) - вся совокупность изучаемых объектов, интересующая исследователя.
Выборка (sample) - часть генеральной совокупности, определенным способом отобранная с целью исследования и получения выводов о свойствах и характеристиках генеральной совокупности.
Параметры - числовые характеристики генеральной совокупности.
Статистики - числовые характеристики выборки.
Часто исследования основываются на гипотезах. Гипотезы проверяются с помощью данных. Гипотеза - предположение относительно параметров совокупности объектов, которое должно быть проверено на ее части.
Гипотеза - частично обоснованная закономерность знаний, служащая либо для связи между различными эмпирическими фактами, либо для объяснения факта или группы фактов.
Пример гипотезы: между показателями продолжительности жизни и качеством питания есть связь. В этом случае целью исследования может быть объяснение изменений конкретной переменной, в данном случае - продолжительности жизни. Допустим, существует гипотеза, что зависимая переменная (продолжительность жизни) изменяется в зависимости от некоторых причин (качество питания, образ жизни, место проживания и т.д.), которые и являются независимыми переменными.
Однако переменная изначально не является зависимой или независимой. Она становится таковой после формулировки конкретной гипотезы. Зависимая переменная в одной гипотезе может быть независимой в другой.
Шкалы
Существует пять типов шкал измерений: номинальная, порядковая, интервальная, относительная и дихотомическая.
Номинальная шкала (nominal scale) - шкала, содержащая только категории; данные в ней не могут упорядочиваться, с ними не могут быть произведены никакие арифметические действия.
Номинальная шкала состоит из названий, категорий, имен для классификации и сортировки объектов или наблюдений по некоторому признаку.
Пример такой шкалы: профессии, город проживания, семейное положение.
Для этой шкалы применимы только такие операции: равно (=), не равно (
Порядковая шкала (ordinal scale) - шкала, в которой числа присваивают объектам для обозначения относительной позиции объектов, но не величины различий между ними.
Шкала измерений дает возможность ранжировать значения переменных. Измерения же в порядковой шкале содержат информацию только о порядке следования величин, но не позволяют сказать "насколько одна величина больше другой", или "насколько она меньше другой".
Пример такой шкалы: место (1, 2, 3-е), которое команда получила на соревнованиях, номер студента в рейтинге успеваемости (1-й, 23-й, и т.д.), при этом неизвестно, насколько один студент успешней другого, известен лишь его номер в рейтинге.
Для этой шкалы применимы только такие операции: равно (=), не равно (
Интервальная шкала (interval scale) - шкала, разности между значениями которой могут быть вычислены, однако их отношения не имеют смысла.
Эта шкала позволяет находить разницу между двумя величинами, обладает свойствами номинальной и порядковой шкал, а также позволяет определить количественное изменение признака.
Пример такой шкалы: температура воды в море утром - 19 градусов, вечером - 24, т.е. вечерняя на 5 градусов выше, но нельзя сказать, что она в 1,26 раз выше.
Номинальная и порядковая шкалы являются дискретными, а интервальная шкала - непрерывной, она позволяет осуществлять точные измерения признака и производить арифметические операции сложения, вычитания, умножения, деления.
Для этой шкалы применимы только такие операции: равно (=), не равно (
Относительная шкала (ratio scale) - шкала, в которой есть определенная точка отсчета и возможны отношения между значениями шкалы.
Пример такой шкалы: вес новорожденного ребенка (4 кг и 3 кг). Первый в 1,33 раза тяжелее.
Цена на картофель в супермаркете выше в 1,2 раза, чем цена на базаре.
Относительные и интервальные шкалы являются числовыми.
Для этой шкалы применимы только такие операции: равно (=), не равно (
Дихотомическая шкала (dichotomous scale) - шкала, содержащая только две категории.
Пример такой шкалы: пол (мужской и женский).
Пример использования разных шкал для измерений свойств различных объектов, в данном случае температурных условий, приведен в таблице данных, изображенной в таблице 2.2.
| Номер объекта | Профессия (номинальная шкала) | Средний бал (интервальная шкала) | Образование (порядковая шкала) |
| 1 | слесарь | 22 | среднее |
| 2 | ученый | 55 | высшее |
| 3 | учитель | 47 | высшее |
| Дата измерения | Облачность (номинальная шкала) | Температура в 8 часов утра (интервальная шкала) | Сила ветра (порядковая шкала) |
| 1 сентября | облачно | 22? С | Ветер сильный |
| 2 сентября | пасмурно | 17? С | Ветер слабый |
| 3 сентября | ясно | 23? С | Ветер очень сильный |
Также мы обсудили типы шкал. Номинальная шкала описывает объекты или наблюдения в терминах качественных признаков. На один шаг далее идут порядковые шкалы, позволяющие упорядочивать наблюдения или объекты по определенной характеристике. Интервальные и относительные шкалы более сложны, в них возможно определение количественного значения признака.
Системы управления базами данных, СУБД
Система управления базой данных - это программное обеспечение, контролирующее организацию, хранение, целостность, внесение изменений, чтение и безопасность информации в базе данных.
СУБД (Database Management System, DBMS) представляет собой оболочку, с помощью которой при организации структуры таблиц и заполнения их данными получается та или иная база данных.
Система управления реляционными базами данных (Relational Database Management System) - это СУБД, основанная на реляционной модели данных.
В реляционной модели данных любое представление данных сводится к совокупности реляционных таблиц (двумерных таблиц особого типа). Системы управления реляционными базами данных используются для построения хранилищ данных.
СУБД имеет программные, технические и организационные составляющие.
Программные средства включают систему управления, обеспечивающую ввод-вывод, обработку и хранение информации, создание, модификацию и тестирование базы данных. Внутренними языками программирования СУБД являются языки четвертого поколения (C, C++, Pascal, Object Pascal). С помощью языков БД создаются приложения, базы данных и интерфейс пользователя, включающий экранные формы, меню, отчеты.
Аналитику при необходимости работы с конкретной СУБД, в частности, при экспорте данных в среду инструмента Data Mining, следует изучить особенности этой СУБД. Так, например, в базе данных СУБД FoxPro все таблицы и представления базы данных физически хранятся в отдельных файлах, которые объединяются в одном проекте. В СУБД Access все таблицы базы данных хранятся в одном файле.
Для работы с конкретной базой данных, в том числе с целью анализа, аналитику желательно знать описание всех таблиц и их структур (атрибутов, типов данных), количество записей в таблице, а также связи между таблицами. Иногда для этих целей используется словарь данных.
К базам данных, а также к СУБД предъявляются такие требования:
высокое быстродействие;простота обновления данных;независимость данных;возможность многопользовательского использования данных;безопасность данных;стандартизация построения и эксплуатации БД (фактически СУБД);адекватность отображения данных соответствующей предметной области;дружелюбный интерфейс пользователя.Высокое быстродействие предусматривает малое время отклика, т.е.
малый промежуток времени от момента запроса к базе данных до момента реального получения данных.
Независимость данных - это возможность изменения логической и физической структуры базы данных без изменения представлений пользователей.
Независимость данных обеспечивает минимальные изменения структуры базы данных при изменениях стратегии доступа к данным и структуры самих исходных данных. Эти изменения должны быть предусмотрены на этапах концептуального и логического проектирования базы данных с обеспечением минимальных изменений на этапе физического ее проектирования.
Безопасность данных - это защита данных от преднамеренного или непреднамеренного нарушения секретности, искажения или разрушения. Безопасность включает два компонента: целостность и защиту данных от несанкционированного доступа.
Целостность данных - устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанным с неисправностями технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.
Целостность данных - точность и валидность данных. Целостность данных предполагает: отсутствие неточно введенных данных, защиту от ошибок при обновлении баз данных; невозможность удаления (или каскадное удаление) связанных данных разных таблиц; сохранность данных при сбоях техники (возможность восстановление данных) и др.
Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к определенным данным базы и достигается введением мер безопасности: разграничение прав доступа к данным различных пользователей в зависимости от выполняемых ими функций и/или должностных обязанностей; введением защиты в виде паролей; использованием представлений, т.е. таблиц, которые являются производными от исходных и предназначены для работы конкретных пользователей для решения конкретных задач.
Стандартизация обеспечивает преемственность поколений конкретной СУБД, упрощает взаимодействие баз данных одного поколения СУБД с одинаковыми и различными моделями данных.
СУБД отвечает за обработку запросов к базе данных и получение ответа.Способы хранения данных могут быть различными: модель данных может быть как реляционной, так и многомерной, сетевой или иерархической.
