110 高普考高考三級 資訊處理 資料庫應用 考古題詳解

110 年・高普考・高考三級・資訊處理
試題代碼 資料庫應用

第 一 題20 分

假設在某關聯式資料庫（Relational Database）中，資料庫管理者（Database Administrator, DBA）執行如下 SQL 指令，以定義 CUSTOMER 和 PURCHASE 兩個表格：

create table CUSTOMER (cid char(2), name varchar(10), city varchar(10), primary key(cid));

create table PURCHASE (cid char(2), mid char(2), amount integer, primary key (cid, mid), foreign key(cid) references CUSTOMER);

若使用者依序執行下列六個 SQL 指令：

指令一：insert into CUSTOMER values ('C1', 'John', 'Taipei');

指令二：insert into PURCHASE values ('C1', 'M1', 10);

指令三：insert into CUSTOMER values ('C1', 'Mary', 'Taichung');

指令四：insert into PURCHASE values ('C1', 'M2', 1);

指令五：update CUSTOMER set cid = 'C2' where cid = 'C1';

指令六：delete from PURCHASE where cid = 'C1';

請針對指令三至指令六此四個指令，分別說明其執行之後所產生的效果，並加以解釋之。舉例來說，若某指令可順利執行，請說明是哪些表格受到影響，並詳述更新後的表格內容。反之，則請說明是表格定義中的哪項限制，導致該指令無法順利更新表格內容。

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核心觀念

本題考查關聯式資料庫的**主鍵（Primary Key）與外鍵（Foreign Key）**限制，以及未指定參照動作時，更新或刪除資料對參照完整性的影響。

  • CUSTOMER 的主鍵是 cid，所以同一張表中不可有重複的 cid。
  • PURCHASE 的複合主鍵是 (cid, mid)，所以這兩欄的組合不可重複。
  • PURCHASE.cid 是外鍵，參照 CUSTOMER.cid；每筆 PURCHASE 資料的 cid 都必須在 CUSTOMER 中存在。
  • 題目未指定 ON UPDATE CASCADE 或 ON DELETE CASCADE 等參照動作，因此以預設的限制行為判斷：若更新或刪除會破壞參照完整性，該操作不得完成。

解題方法

依序處理指令，並在每一步記錄目前兩表內容。指令三至指令六的結果，須以前面指令已執行後的資料狀態為基礎；若某指令失敗，該指令不會改變表格內容。

指令一、二先成功執行後，資料如下：

CUSTOMER

cidnamecity
C1JohnTaipei

PURCHASE

cidmidamount
C1M110

指令三：插入第二筆 cid = 'C1' 的客戶

insert into CUSTOMER values ('C1', 'Mary', 'Taichung');

結果：執行失敗。

CUSTOMER.cid 是主鍵，而表中已存在 cid = 'C1' 的 John，因此新增 Mary 會造成主鍵值重複，違反主鍵唯一性限制。兩表資料都不變。

執行後的表格

CUSTOMER 仍只有 (C1, John, Taipei)；PURCHASE 仍只有 (C1, M1, 10)。

指令四：新增一筆購買資料

insert into PURCHASE values ('C1', 'M2', 1);

結果：執行成功。

複合主鍵 (C1, M2) 尚未出現，沒有違反 PURCHASE 的主鍵限制；且 C1 已存在於 CUSTOMER，所以外鍵也有效。只有 PURCHASE 表受到影響。

執行後的表格

CUSTOMER

cidnamecity
C1JohnTaipei
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第 二 題20 分

假設關聯式資料庫中定義三個表格，其中 CUSTOMER 表格記錄顧客基本資料，包含顧客編號（Cid）、姓名（Name）和所居住的城市（City）；MERCHANDISE 表格記錄貨品基本資料，包含貨品編號（Mid）和價格（Price）；PURCHASE 表格則為購買資料，記錄了某位顧客（Cid）於某日（Date）購買某個貨品（Mid）的數量（Amount）。

在這些表格的欄位中，除了價格和數量二者為數值型態的屬性，其餘皆為字串型態。此三個表格的綱要簡列如下，且每個表格的主鍵以底線標註：

CUSTOMER(\underline{Cid}, Name, City)

MERCHANDISE(\underline{Mid}, Price)

PURCHASE(\underline{Cid, Mid, Date}, Amount)

請根據以下兩個資訊需求，分別寫出對應的 SQL 查詢指令。注意每個小題皆各自對應到單一的 SQL 查詢句，但是可以使用子查詢句（Subquery）或類似功能的寫法。

(一) 請問所有住在臺北市的顧客，總共花了多少錢在購買物品上？（10 分）

(二) 試找出那些顧客購買貨品編號「M1」的總數量，超過編號「C2」顧客購買貨品編號「M1」的總數量，並輸出那些顧客的編號。（10 分）

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核心觀念

本題主要考查關聯式資料庫的多表連接、條件篩選、彙總函數 SUM、分組 GROUP BY，以及以子查詢比較彙總結果。

  • CUSTOMER 以 Cid 識別顧客，MERCHANDISE 以 Mid 識別貨品。
  • PURCHASE 的主鍵為 (Cid, Mid, Date)，同一顧客可在不同日期購買同一貨品。
  • 每筆購買金額為「單價 × 數量」，即 Price * Amount。
  • PURCHASE 與其他表格的關聯條件分別為 Cid、Mid。連接時必須使用這些欄位，才能將購買紀錄對應到正確的顧客與貨品。

解題方法

（一）臺北市顧客購買物品的總花費

先由 CUSTOMER 找出居住城市為臺北市的顧客，再將其購買紀錄與貨品價格連接。每筆購買金額為 Price * Amount，最後用 SUM 加總。

SELECT SUM(M.Price * P.Amount) AS TotalCost
FROM CUSTOMER C
JOIN PURCHASE P ON C.Cid = P.Cid
JOIN MERCHANDISE M ON P.Mid = M.Mid
WHERE C.City = '臺北市';

查詢中不需要依顧客分組，因為題目要的是所有臺北市顧客合計的總花費。若要列出每位顧客各自的花費，才需要依 Cid 分組。

（二）購買 M1 總數量超過 C2 顧客的顧客編號

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第 三 題20 分

假設某公司欲建立一個關聯式資料庫系統，以管理內部員工使用公務車輛的狀況，該公司並限制一個員工在一天之內最多只能借用一部車輛。

假設表格定義為 UNIVERSAL（Tag, Year, ID, Title, Date），其內每一筆資料列（Tuple）記錄了某部車輛的車牌（Tag）和購買年份（Year）、使用該台車輛的員工編號（ID）和職稱（Title），以及使用的日期（Date）。

請針對此表格的 5 個屬性，列出三個合理且有意義（Non-Trivial）的函數相依式（Functional Dependency），並針對所列出的每一項式子，解釋其合理性或詳述其所代表的限制。

接著根據你所列出的函數相依式，分析此 UNIVERSAL 表格是否符合 BCNF 正規化格式（Boyce-Codd Normal Form）。

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核心觀念

函數相依（Functional Dependency, FD）X→YX\to Y 表示：在符合資料庫規則的每一種合法資料狀態中，只要兩筆資料在屬性集合 XX 上相同，其在 YY 上也必須相同。

BCNF（Boyce-Codd Normal Form）的判定條件是：對每一個非平凡函數相依 X→YX\to Y，決定項 XX 都必須是超級鍵。超級鍵是能唯一識別資料列的屬性集合；非平凡函數相依則是 YY 不包含於 XX。

本題須從題目給定的業務規則推導函數相依，再檢查每條相依的決定項是否為超級鍵。

解題方法

屬性為：

UNIVERSAL(Tag,Year,ID,Title,Date)UNIVERSAL(Tag, Year, ID, Title, Date)

題目提供兩項重要語意：

  1. 車牌 TagTag 用來識別車輛，因此同一車牌對應固定的購買年份 YearYear。
  2. 一名員工一天最多借用一部車，因此員工編號與日期的組合 (ID,Date)(ID, Date) 至多對應一個車牌 TagTag。

據此，可列出以下三個合理且有意義的非平凡函數相依：

1. Tag→YearTag\to Year

車牌識別特定車輛，而每部車輛有固定的購買年份。因此，同一個 TagTag 不會對應不同的 YearYear。

2. ID→TitleID\to Title

在公司員工資料的通常假設下，每位員工有一個職稱；同一員工編號不會對應不同職稱。

3. (ID,Date)→Tag(ID, Date)\to Tag

題目明確限制一名員工一天最多只能借用一部車。固定某位員工與某一天，該員工當日使用的車牌至多一個，因此 (ID,Date)(ID, Date) 決定 TagTag。

以上各式皆為非平凡函數相依，因為右側屬性不包含在左側屬性集合中。

BCNF 判定

檢查候選鍵與上述函數相依的決定項。

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第 四 題20 分

資料庫系統中，經常使用「鎖」（Lock）的機制來進行交易處理（Transaction Processing）中的併行控制（Concurrency Control），而該機制允許某個資料項目（Data Item）被「共享鎖」（Shared Lock）或「排他鎖」（Exclusive Lock）鎖定。

請問這兩種不同鎖定模式，對一個資料項目的使用方式所造成的限制各自為何？

另外，資料項目可以小到一筆資料列（Tuple）或紀錄（Record），也可以大到涵蓋一整個表格或資料庫。請分析資料項目的大小對系統效能的影響為何？

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核心觀念

本題考資料庫併行控制中的鎖定模式，以及鎖定粒度（locking granularity）對併行程度與系統負擔的影響。

  • 共享鎖（Shared Lock，S-lock）：供讀取資料使用。多個交易可以同時對同一資料項目持有共享鎖；持有共享鎖期間，其他交易不得對該項目加排他鎖或修改資料。
  • 排他鎖（Exclusive Lock，X-lock）：供修改資料使用。交易持有排他鎖時，其他交易不得再對該項目加共享鎖或排他鎖，因此不能讀取或修改該項目。

解題方法

先依鎖的用途判斷資料項目能否被讀取或修改，再比較鎖定範圍大小對併行控制的影響：

鎖定模式持鎖交易可做的事其他交易對同一項目的限制
共享鎖 S讀取可同時持有 S 鎖並讀取；不得取得 X 鎖或修改
排他鎖 X讀取、修改不得取得 S 鎖或 X 鎖，也不得讀取或修改

共享鎖之所以允許多個交易並存，是因為讀取本身不改變資料；排他鎖則必須獨占，才能避免其他交易在資料更新期間讀取或覆寫同一項目。

鎖定粒度與系統效能

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第 五 題20 分

假設在某個 MongoDB 的資料庫中，有個 Collection 叫做「student」，其中每個物件表示學生的編號（_id）、姓名（name，包含名（first）和姓（last））以及就讀的學系名稱（department）。

一個範例物件以 JSON 格式表示如下：

{ "_id": "1", "name": { "first": "Ted", "last": "Codd" }, "department": "CS" }

請以 Mongo 語法，依序寫出符合下述要求的指令：

(一) 找出姓為「Codd」的學生，並限定只輸出第一位。（10 分）

(二) 刪除所有就讀「CS」系的學生資料。（10 分）

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核心觀念

本題考 MongoDB 的文件查詢與刪除：

  • find 用查詢條件篩選文件。
  • limit(1) 限制查詢結果最多一筆。
  • 巢狀文件的欄位可用點記法指定，例如 "name.last" 表示 name 文件中的 last 欄位。
  • deleteMany 刪除所有符合條件的文件。

解題方法

（一）找出姓為 Codd 的學生，並限定只輸出第一位

姓氏位於巢狀欄位 name.last，因此用點記法設定查詢條件，再以 limit(1) 限制結果筆數：

db.student.find({ "name.last": "Codd" }).limit(1)

此指令會回傳姓氏為 Codd 的學生文件，最多一筆。若有多筆符合資料，未指定排序條件時，MongoDB 不保證哪一筆會被視為「第一位」。

（二）刪除所有就讀 CS 系的學生資料

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