111 國安局特考三等 資訊組(選試英文) 資料庫應用 考古題詳解

核心觀念

本題涵蓋：

1. 主鍵與候選鍵：主鍵必須能唯一識別每一筆資料，且應具最小性。
2. 功能相依性：若屬性集合 $X$ 能唯一決定屬性集合 $Y$，則記為 $X \rightarrow Y$。
3. BCNF：關係中每一個非平凡功能相依性 $X \rightarrow Y$，其決定項 $X$ 必須是超鍵。
4. SQL 查詢語法、聚合函數、GROUP BY、ORDER BY、DISTINCT 與 LIKE。

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（一）可作為主鍵的屬性集合

解題方法

先判斷每個屬性集合是否：

• 能唯一識別每一筆 tuple；
• 具最小性；
• 符合題目所給的資料語意。

由於同一篇論文可能對應多個技術報告，因此單獨使用 paper_ID 不一定唯一。

選項分析

1. {paper_ID}

錯誤。

paper_ID = 524 出現兩筆，分別對應 TR-ID = 723 與 724，因此 paper_ID 無法唯一識別 tuple。

2. {paper_ID, TR-ID}

正確。

同一個 paper_ID 若對應多個技術報告，可由 TR-ID 區分。例如：

• $(524,723)$
• $(524,724)$

兩者不同，因此此組合可唯一識別資料列，且沒有多餘屬性，屬於候選鍵，可作為主鍵。

3. {paper_ID, title, TR-ID}

錯誤。

此集合雖然能唯一識別資料列，但 title 可由 paper_ID 決定，並非必要屬性，違反候選鍵的最小性。因此它是超鍵，不是候選鍵。

4. {title, year}

錯誤。

資料中有兩篇論文的 title = Mysql DB 且 year = 2022，無法唯一識別 tuple。

5. {start, journal, issue}

錯誤。

題目關係的屬性是 vol，並沒有 issue 屬性。依題目所給關係模式，此集合不是合法的屬性集合。

【答案】

2

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（二）功能相依性

解題方法

依題目語意與資料限制判斷：

• 論文編號能決定論文本身的固定資料；
• 同一期刊的卷期可決定出版年度；
• 技術報告編號具有唯一性，可對應一篇論文；
• 單獨的起始頁不能決定其他欄位。

選項分析

1. $\text{paper\_ID} \rightarrow \text{title}$

正確。

paper_ID 是論文唯一編號，同一篇論文的名稱固定，因此可決定 title。

2. $\text{start} \rightarrow \text{end}$

錯誤。

起始頁單獨不能決定結束頁。頁碼只在同一期刊的特定卷期中具有編排意義，不同期刊或不同卷期可能使用相同的起始頁。

題目只保證：

$$\text{end} \geq \text{start}$$

並未保證 start 能唯一決定 end。

3. $\text{journal, vol} \rightarrow \text{year}$

正確。

同一本期刊的卷期連續且不重複，因此由期刊與卷期可決定出版年度。

4. $\text{paper\_ID} \rightarrow \{\text{start, end, journal, vol}\}$

正確。

一個 paper_ID 代表一篇固定論文，因此其起始頁、結束頁、期刊與卷期均固定。

5. $\text{TR-ID} \rightarrow \text{paper\_ID}$

正確。

技術報告編號可唯一識別一份技術報告，而每份技術報告至多對應一篇論文。因此 TR-ID 可決定其對應的 paper_ID。

TR-ID 為空值的資料列代表沒有對應技術報告，不影響非空技術報告編號所形成的功能相依性。

【答案】

1、3、4、5

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（三）BCNF 正規化

核心觀念

BCNF 要求：

對關係中的每個非平凡功能相依性 $X \rightarrow Y$，$X$ 必須是超鍵。

原始關係為：

$$\text{Paper}( \text{paper\_ID},\text{title},\text{journal},\text{vol}, \text{year},\text{start},\text{end},\text{TR-ID})$$

主要功能相依性為：

$$\text{paper\_ID} \rightarrow \{\text{title},\text{journal},\text{vol},\text{year},\text{start},\text{end}\}$$ $$\text{journal, vol} \rightarrow \text{year}$$ $$\text{TR-ID} \rightarrow \text{paper\_ID}$$

判斷原始關係的候選鍵

由於一篇論文可能對應多個技術報告，paper_ID 單獨不是鍵。

候選鍵為：

$$\{\text{paper\_ID},\text{TR-ID}\}$$

但 paper_ID 可決定論文資料，且 paper_ID 不是超鍵，因此原始關係不符合 BCNF。

此外，journal, vol 可決定 year，但同一期刊同一卷期可能包含多篇論文，因此 journal, vol 也不是超鍵，亦違反 BCNF。

分解步驟

第一步：拆出期刊卷期資料

建立：

核心觀念

本題主要考查：

• 關聯式資料庫中的投影（Projection）與選擇（Selection）。
• 多對多關係的連接：Paper、Authors、Paper_Authors。
• SQL 的表格連接與條件連接。
• DISTINCT 去除重複資料。
• COUNT(DISTINCT ...) 對不重複值進行計數。
• 使用不同別名表示同一關聯表中的不同角色。

其中，Paper_Authors 是論文與發表者之間的中介關聯，用來處理「一篇論文有多位發表者、每位發表者也能發表多篇論文」的多對多關係。

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解題方法

查詢論文及其發表者時，必須透過下列連接條件：

$$Paper.paper\_ID = Paper\_Authors.paper\_ID$$ $$Authors.au\_ID = Paper\_Authors.au\_ID$$

若只查詢論文本身的欄位，直接使用 Paper 關聯即可；若要查詢作者或共同作者，則必須透過 Paper_Authors 進行連接。

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（一）列舉每篇論文的 ID 及名稱

SQL 指令

SELECT paper_ID, title
FROM Paper;

說明

paper_ID 與 title 都是 Paper 關聯中的屬性，因此直接從 Paper 投影出這兩個欄位即可。

由於每篇論文具有唯一的 paper_ID，正常情況下不需要使用 DISTINCT。

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（二）查詢 Johnny Goodyear 發表過的論文名稱

題目 SQL

SELECT DISTINCT P.title
FROM Paper P, Authors A, Paper_Authors PA
WHERE P.paper_ID=PA.paper_ID
 AND A.au_ID=PA.au_ID
 AND name='Johnny Goodyear';

查詢結果

此指令會查詢：

Johnny Goodyear 曾經發表之所有論文的名稱。

解題分析

1. P.paper_ID = PA.paper_ID 將每篇論文與其發表者關聯起來。

2. A.au_ID = PA.au_ID 將中介關聯中的發表者 ID 對應至 Authors 中的發表者資料。

3. name = 'Johnny Goodyear' 篩選出姓名為 Johnny Goodyear 的發表者。

4. SELECT DISTINCT P.title 只輸出論文名稱，並刪除重複的名稱。

解題技巧與陷阱

• DISTINCT 是針對 title 去除重複，不是針對 paper_ID 去除重複。
• 若不同論文恰好具有相同的標題，結果中只會出現一次該標題。
• 這段 SQL 使用舊式逗號連接語法，等價於使用 JOIN 的寫法：

SELECT DISTINCT P.title
FROM Paper P
JOIN Paper_Authors PA
 ON P.paper_ID = PA.paper_ID
JOIN Authors A
 ON A.au_ID = PA.au_ID
WHERE A.name = 'Johnny Goodyear';

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（三）查詢 Johnny Goodyear 是否與其他發表者共同發表論文

題目 SQL

SELECT COUNT(DISTINCT A.au_ID)
FROM Authors A, Paper_Authors PA1, Paper_Authors PA2
WHERE PA1.au_ID=A.au_ID
 AND A.name='Johnny Goodyear'
 AND PA2.au_ID<>A.au_ID
 AND PA1.paper_ID=PA2.paper_ID;

查詢結果的意義

此指令查詢的是：

姓名為 Johnny Goodyear 的發表者 ID 中，有多少個曾經與其他發表者共同發表至少一篇論文。

若通常假設資料中只有一位名為 Johnny Goodyear 的發表者，則：

核心觀念

本題旨在考驗考生對巨量資料時代「非關聯式資料庫（NoSQL Database）」之核心架構與實務應用之熟悉度。主要涵蓋以下兩大核心觀念：

1. NoSQL 的核心特性與系統設計哲學：包含分散式架構下的 BASE 理論（Basically Available, Soft state, Eventual consistency）、無架構（Schema-less）設計、水平擴充（Scale-out）能力，以及其與傳統關聯式資料庫（RDBMS）在 ACID 特性、SQL 查詢、資料結構及關聯約束上的對比。
2. 特定 NoSQL 資料庫的實務選擇與應用場景：評估不同 NoSQL 資料庫（如文件型、鍵值型、寬欄型、圖型）之架構優勢，並將其準確匹配至相應的業務情境（如高併發寫入、動態屬性儲存、海量日誌分析等）。

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解題方法

本題屬於國安局特考資訊組之標準申論題型，解答切入點與編排架構如下：

1. 第一小題解題邏輯：

• 先界定 NoSQL（Not Only SQL）的定義，提出其四大核心特性（無固定 Schema、BASE 最終一致性、水平擴充性、分散式儲存）。
• 以結構化對比表呈現 NoSQL 與 RDBMS 之多維度差異（資料模型、Schema、事務特性、擴充方式、關聯與查詢語言），強化答案之條理與視覺易讀性。

2. 第二小題解題邏輯：

• 選擇業界最具代表性且發展成熟之文件型 NoSQL 資料庫——MongoDB 作為解答對象。
• 深入剖析其技術特性：BSON 文件儲存、動態 Schema、複製集（Replica Set）高可用機制、自動分片（Auto-Sharding）水平擴展，以及豐富的索引與聚合管道（Aggregation Pipeline）。
• 舉出具體最適應用場合：如「電商動態商品目錄」、「內容管理系統（CMS）」與「海量行為日誌收集」，說明為何其技術特性完全契合該場景需求。

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選項分析

本題為申論問答題，無單選或複選之選項。針對本題兩大子題之答題重點與評分關鍵進行系統化解析：

• 子題 (一) 評分關鍵剖析：

• NoSQL 特性說明：須精確指出「Schema-less（彈性架構）」與「CAP 定理 / BASE 理論（最終一致性）」之重要觀念，不可僅用「速度快」等籠統詞彙描述。

• 差異對比深度：須從「資料結構」、「事務處理（ACID vs. BASE）」、「擴充機制（Scale-up vs. Scale-out）」與「JOIN 操作」等面向進行對照，點出 RDBMS 強大一致性與 NoSQL 高擴充性之間的權衡（Trade-off）。

• 子題 (二) 評分關鍵剖析：

• 資料庫選擇明確性：必須清楚指定單一 NoSQL 資料庫名稱（如 MongoDB、Redis 或 Cassandra），不可模糊泛稱。

• 特性與場景之因果連結：說明使用場合時，必須與該資料庫之特性連結。例如：MongoDB 的 BSON/Schema-less 特性契合商品屬性動態變更的需求；若選擇 Redis，則應凸顯 In-memory 高速讀寫與 Cache / Session 管理之匹配性。

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解題技巧

1. 理論與專有名詞精準對齊：答題時務必使用標準資訊專業術語（如：Scale-out、BASE、BSON、Auto-Sharding、ACID），提升答案專業度。
2. 善用比較表格：申論題比較項目若達 3 項以上，採用雙欄或多欄對比表能讓閱卷委員迅速掌握答題重點。
3. 避免混淆關鍵觀念：切勿宣稱 NoSQL 完全取代 RDBMS；應說明兩者係因應不同業務場景（交易強一致性 vs. 海量彈性擴充）而產生的互補技術。

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【答案】

(一) NoSQL 資料庫之特性及與關聯式資料庫（RDBMS）之差異

1. NoSQL 資料庫之核心特性 NoSQL（Not Only SQL）資料庫係為解決傳統關聯式資料庫在海量資料（Big Data）與高併發存取下的擴充性瓶頸而設計，其主要特性如下：

• 動態彈性架構（Schema-less / Schema-flexible）：資料庫無需事先定義固定的資料表結構與欄位型別，允許同一集合（Collection）內的資料紀錄擁有不同的欄位組合，極具擴充彈性。

核心觀念

本題考驗概念資料庫設計（Conceptual Database Design）與邏輯資料庫設計（Logical Database Design）的核心能力，包含以下四項技術重點：

1. 實體關連模型（E/R Diagram）元件構建：正確區分強實體（Strong Entity）、特化/繼承關係（ISA Subclass: Disjoint Constraint）、自我參照關連（Recursive Relationship）、對應基數（Cardinality Ratio）以及衍生屬性（Derived Attribute）。
2. 無冗餘設計（Non-redundancy Principle）：父類別屬性不可在子類別重複繪製，計算型資料（如總經費）應設計為衍生屬性而非實體固有屬性。
3. E/R 模型轉關聯式模型（Relational Schema Mapping）：包含實體轉資料表、1:N 關連外來鍵放置、N:M 關連轉為對應表（Junction Table）、ISA 繼承轉換架構（Class Hierarchy Mapping）。
4. SQL DDL 資料定義語言：定義 Primary Key (PK)、Foreign Key (FK) 參照完整性（ON UPDATE/DELETE 策略）、Check 限制條件與 VIEW 衍生欄位實作。

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解題方法

依據題目 8 點需求進行實體、屬性、關連性與約束條件的分析推導：

1. 大學與系所（需求 1、2）：

• 實體 Institution（大學）：屬性包含 name（主鍵）、country、year。
• 實體 Department（系所）：題幹特別說明「任二系所名稱皆不相同」，故 name 獨立為系所的主鍵。
• 關連：Institution 1 對 N Department（一間大學包含一或多個系所，系所必屬於一間大學）。

2. 研究者及其特化類別（需求 3、4、6）：

• 父實體 Researcher（研究者）：屬性包含 researcher_id（主鍵）、name、birth、title、degree（最高學歷）。
• 特化/繼承關連（ISA）：Researcher 劃分為 Professor（教授）與 RA（研究助理）兩類，具備互斥性（Disjoint constraint）。
• 畢業大學關連：Researcher 與 Institution 為 N:1 關連（<Graduated_From>），外來鍵儲存畢業大學名稱。
• 指導教授關連：Researcher 與自身（或 Professor）建立 N:1 自我參照關連（<Advises>），記錄研究者的指導教授。

3. 論文與共同發表（需求 5）：

• 實體 Paper（論文）：屬性包含 paper_id（主鍵）、title（論文名稱）。
• 關連：Researcher 與 Paper 為 N:M 共同發表關連（<Publishes>）。

4. 研究計畫與總經費（需求 7、8）：

• 實體 Project（計畫）：屬性包含 project_id（主鍵）、title、start_date、end_date、funding（該單一計畫經費）。
• 主持關連：Professor 1 對 N Project（一位教授可主持多個計畫，每個計畫由一位教授主持）。
• 教授總經費：Professor 的屬性 total_funding 為衍生屬性（以虛線橢圓表示），數值為該教授所主持所有計畫經費之總和： $\text{Professor.total\_funding} = \sum_{\text{Project} \in \text{Hosted}} \text{Project.funding}$

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選項分析

本題為國安局特考三等申論題，分段解析兩大子問之評分標準與關鍵結構：

子問（一）E/R Diagram 設計重點

• 不可有重複屬性與實體：name、birth、title、degree 統一置於父實體 Researcher，子實體 Professor 與 RA 不可再重複標記，否則違背題幹「不可有重複」規定。
• 自我參照關連（Recursive Relationship）：「指導教授」屬於 Researcher 與 Professor（或 Researcher 本身）之間的關連，不可單獨設計為新實體。
• 衍生屬性表現：「教授的所有研究計畫總經費」必須標示為衍生屬性（Derived Attribute），不得寫成普通屬性，以防資料庫出現冗餘與更新異常（Update Anomaly）。

子問（二）SQL DDL 建立資料表重點

• ISA 繼承之 SQL 實作：採用主鍵繼承法（Class Hierarchy Mapping），Professor 與 RA 之主鍵既是 Primary Key 亦為參考 Researcher(researcher_id) 的 Foreign Key。
• 多對多關連轉換：Researcher 與 Paper 之 N:M 關連必須轉化為獨立的對應資料表 Researcher_Paper。
• 衍生屬性實作：實體資料表中不儲存 total_funding 實體欄位，而是提供 VIEW（視圖）透過 SUM 動態計算，確保符號規範與正規化精神。

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解題技巧

1. 實體主鍵選擇技巧：雖然題目提到系所 name 全局唯一，但在 SQL 語法設計時，建議為 Researcher、Paper、Project 等建立代理主鍵（Surrogate Key，如 researcher_id），可增進 JOIN 查詢效率與資料庫擴充性。
2. 自我參照外來鍵設定：指導教授欄位 advisor_id 必須允許 NULL 值，因為最高階教授可能沒有指導教授（或資料庫未記載），避免插入資料時觸發參照完整性循環封鎖。
3. 檢查限制（CHECK Constraints）：在 SQL 中加上 end_date >= start_date 及 funding >= 0 等邏輯限制條件，展現資深工程師與國考高分解答的嚴密性。

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【答案】

(一) 實體關連圖（E/R Diagram）說明與圖解

1. E/R Diagram 文字與結構說明

• 實體（Entities）與屬性（Attributes）：
• Institution（大學）：<u>name</u> (PK), country, year
• Department（系所）：<u>name</u> (PK)
• Researcher（研究者，父實體）：<u>researcher_id</u> (PK), name, birth, title, degree
• Professor（教授，子實體）：包含衍生屬性 total_funding（虛線橢圓）
• RA（研究助理，子實體）
• Paper（論文）：<u>paper_id</u> (PK), title
• Project（計畫）：<u>project_id</u> (PK), title, start_date, end_date, funding
• 關連（Relationships）：
• Belongs_To（包含系所）：Institution (1) $\leftrightarrow$ Department (N)
• Graduated_From（畢業大學）：Researcher (N) $\leftrightarrow$ Institution (1)