3.5.2 リレーショナルデータベースの基礎

選択章

この章は選択内容です。データ分析やモデリングだけをしたいなら、いったん飛ばしてもかまいません。ですが、将来 AI アプリ開発（たとえば RAG システム、AI Agent）をするなら、データベースの知識は必須です。

学習目標

• データベースとは何か、なぜ必要なのかを理解する
• リレーショナルデータベースの基本概念を身につける
• テーブル、行、列、主キー、外部キーの意味を理解する
• よく使われるデータベース管理システムを知る

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なぜ AI エンジニアはデータベースを学ぶ必要があるのか？

「もう Pandas で CSV を読めるのに、どうしてデータベースまで学ぶ必要があるの？」と思うかもしれません。

flowchart LR
    A["CSV / Excel ファイル"] --> B{"データ量"}
    B -->|"数万行"| C["Pandas で十分"]
    B -->|"数百万行"| D["データベースが必要"]
    B -->|"複数人で同時に使う"| D
    B -->|"安全に保存したい"| D

    style C fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32,color:#333
    style D fill:#fff3e0,stroke:#e65100,color:#333

シーン	CSV ファイル	データベース
データ量	数万行なら大丈夫、百万行だと重くなる	数億行でも軽く処理できる
複数人での協力	どこを誰が変えたか分かりにくく、競合しやすい	同時読み書きに対応し、権限管理もできる
データの安全性	ファイルを消したらなくなる	バックアップ、トランザクション、障害復旧がある
検索速度	毎回全体を走査する必要がある	インデックスがあり、ミリ秒単位で検索できる
データの関連付け	複数ファイルを手作業で merge する	SQL JOIN ひとつで解決できる

実際の場面の例：

• RAG システムを作る → ユーザーの質問と回答の履歴をデータベースに保存する
• AI Agent を作る → メモリシステムには永続的な保存が必要
• レコメンドシステムを作る → ユーザー行動データはデータベースにある
• データ分析をする → 企業データの 99% はデータベースに保存されている

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リレーショナルデータベースとは？

Excel にたとえてみる

Excel を使ったことがあるなら、リレーショナルデータベースの概念の 80% はすでに理解できています。

Excel の概念	データベースの概念	説明
1 つの Excel ファイル	1 つのデータベース（Database）	すべてのデータを入れておく入れ物
1 つの Sheet ワークシート	1 つのテーブル（Table）	ある種類のデータを保存する
1 行	1 件のレコード（Row / Record）	1 つの具体的なデータ
1 列	1 つのフィールド（Column / Field）	データの 1 つの属性
列の見出し	列名（Column Name）	属性の名前
セルのデータ型	データ型（Data Type）	整数、文字列、日付など

例で理解する

たとえば、あなたがネットショップを運営していて、ユーザーと注文を管理したいとします。

ユーザーテーブル（users）：

• id=1: 張三、28 歳、北京、[email protected]
• id=2: 李四、35 歳、上海、[email protected]
• id=3: 王五、22 歳、広州、[email protected]

注文テーブル（orders）：

• order_id=101: user_id=1、iPhone 16、7999、2024-11-01
• order_id=102: user_id=1、AirPods、999、2024-11-05
• order_id=103: user_id=2、MacBook、14999、2024-11-10

この 2 つのテーブルは user_id でつながっています。これが、リレーショナルデータベースという名前の由来です。テーブル同士に関係があるからです。

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基本概念

主キー（Primary Key）

主キーは各レコードの一意な識別子です。身分証番号のようなもので、重複してはいけず、空欄にもできません。

ユーザーテーブルでは：id が主キー → 各ユーザーに一意の id がある
注文テーブルでは：order_id が主キー → 各注文に一意の order_id がある

なぜ主キーが必要なの？

主キーがないと、たとえば「張三」という名前のユーザーが 2 人いたとき、どう区別すればいいでしょうか。主キーはこの問題を解決します。名前が同じでも、id は必ず違います。

外部キー（Foreign Key）

外部キーとは、別のテーブルの主キーを参照するフィールドのことです。テーブル同士の関係を作るために使います。

flowchart LR
    subgraph users["ユーザーテーブル users"]
        U["id (主キー) | name | email"]
    end

    subgraph orders["注文テーブル orders"]
        O["order_id (主キー) | user_id (外部キー) | product"]
    end

    orders -->|"user_id が参照する"| users

    style users fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0,color:#333
    style orders fill:#fff3e0,stroke:#e65100,color:#333

注文テーブルの user_id は外部キーです。これはユーザーテーブルの id を指していて、「この注文はどのユーザーのものか」を表します。

よくあるデータ型

型	説明	例
INTEGER	整数	1, 42, -100
REAL / FLOAT	浮動小数点数	3.14, 99.9
TEXT / VARCHAR	文字列	”張三”, “hello”
DATE	日付	2024-11-01
DATETIME	日付と時刻	2024-11-01 14:30:00
BOOLEAN	真偽値	TRUE / FALSE
BLOB	バイナリデータ	画像、ファイル（あまり使わない）

制約（Constraints）

制約はデータに対するルールの制限で、データの品質を保つためのものです。

制約	役割	例
PRIMARY KEY	主キー、一意で空欄不可	id
NOT NULL	空欄にできない	name NOT NULL
UNIQUE	値を重複させない	email UNIQUE
DEFAULT	デフォルト値	city DEFAULT '未知'
FOREIGN KEY	外部キー、他のテーブルを参照する	user_id REFERENCES users(id)

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よく使われるデータベース管理システム

データベース	特徴	適用場面
SQLite	設定不要で、単一ファイルとして保存される	学習、小規模アプリ、モバイル端末
MySQL	最も人気のあるオープンソースデータベース	Web アプリ、中小規模プロジェクト
PostgreSQL	機能が最も強力なオープンソースデータベース	大規模プロジェクト、AI アプリ（ベクトル検索をサポート）
SQL Server	Microsoft 製	企業向けの Windows 環境

この章では SQLite を使う

SQLite はサーバーをインストールする必要がなく、Python には標準で sqlite3 モジュールが入っています。学習に最適です。SQL の文法は他のデータベースでもそのまま使えます。

データベースを初めて学ぶときの、いちばん安定した順番

一般的に、より安定しやすい順番は次のとおりです。

1. まず「テーブル、主キー、外部キー」の意味をつかむ
2. 次に SQL の検索を学ぶ
3. その後で Python からデータベースにつなぐ
4. 最後にデータベース設計を見る

こうすると、最初からたくさんの SQL の細かいルールを覚えるより、混乱しにくくなります。

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実践: はじめてのデータベースを作る

import sqlite3

# 1. データベースに接続する（存在しなければ自動で作成される）
conn = sqlite3.connect("my_shop.db")
cursor = conn.cursor()

# 2. ユーザーテーブルを作成する
cursor.execute("""
    CREATE TABLE IF NOT EXISTS users (
        id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
        name TEXT NOT NULL,
        email TEXT UNIQUE,
        age INTEGER,
        city TEXT DEFAULT '未知'
    )
""")

# 3. データを挿入する
cursor.execute("INSERT INTO users (name, email, age, city) VALUES ('張三', '[email protected]', 28, '北京')")
cursor.execute("INSERT INTO users (name, email, age, city) VALUES ('李四', '[email protected]', 35, '上海')")
cursor.execute("INSERT INTO users (name, email, age, city) VALUES ('王五', '[email protected]', 22, '広州')")

# 4. 変更を保存する
conn.commit()

# 5. データを検索する
cursor.execute("SELECT * FROM users")
rows = cursor.fetchall()
for row in rows:
    print(row)
# (1, '張三', '[email protected]', 28, '北京')
# (2, '李四', '[email protected]', 35, '上海')
# (3, '王五', '[email protected]', 22, '広州')

# 6. 接続を閉じる
conn.close()

おめでとうございます！ これで、データベースを 1 つ作り、1 つのテーブルを作成し、3 件のデータを保存できました。

この小さな例で、まず何を学ぶべき？

まず学ぶべきなのは、SQL の各キーワードを全部覚えることではありません。 データベースの最小の流れは、実はとてもシンプルです。

1. データベースに接続する
2. テーブルを作成する
3. データを挿入する
4. 結果を検索する

この流れを先に理解できれば、その後の SQL や Python からの接続も、ずっと分かりやすくなります。

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残す証拠

このページを終えたら、この evidence card を残します。

スキーマ

テーブル名、キー、関係、サンプル行

クエリ

使われた SQL または Python のデータベースコード

出力

result rows、row count、または保存された抽出結果

失敗確認

間違った結合キー、危険なクエリ、トランザクション不足、またはスキーマ不一致

期待される成果

クエリと結果表、および1件のデータ品質メモ

まとめ

  root(("リレーショナルデータベース"))
    基本概念
      データベース Database
      テーブル Table
      行 Row
      列 Column
    重要な仕組み
      主キー PK
      外部キー FK
      制約 Constraints
      データ型
    よく使うデータベース
      SQLite（学習用）
      MySQL
      PostgreSQL
      SQL Server

概念	一言でいうと
データベース	すべてのテーブルを入れておく「フォルダ」
テーブル	ある種類のデータを入れる「Excel ワークシート」
主キー	各レコードの「身分証番号」
外部キー	2 つのテーブルをつなぐ「つながり」
制約	データ品質を守る「ルール」

この節でいちばん持ち帰ってほしいこと

• リレーショナルデータベースで大事なのは「たくさんのテーブルを保存すること」ではなく、テーブル同士をキーで関係づけられること
• 主キーは一意に識別するため、外部キーはテーブルをつなぐために使う
• ここを先にしっかり押さえると、後の SQL や複数テーブルの分析がスムーズになります

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実践練習

練習 1: テーブル構造を設計する

図書管理システムのために、2 つのテーブルを設計してください:
- books テーブル: 書名、著者、出版年、価格、分類
- borrows テーブル: 貸出記録（誰がどの本を借りたか、貸出日、返却日）

考えること:
1. 各テーブルの主キーは何ですか？
2. borrows テーブルにはどの外部キーが必要ですか？
3. どのフィールドに NOT NULL 制約を付けるべきですか？

練習 2: SQLite で実践する

# sqlite3 を使って、上で設計した books テーブルと borrows テーブルを作成する
# 5 冊の本と 3 件の貸出記録を挿入する
# すべてのデータを検索して表示する

参考実装と解説

• 簡単な図書館データベースでは、book_id を主キーにした books テーブルと、独自の borrow_id と本・借り手への外部キーを持つ貸出テーブルが必要です。
• タイトル、著者、借り手、貸出日は必須なので NOT NULL にします。返却日は貸出時点では不明なため nullable にできます。
• テーブル作成後、2、3 行を挿入して join クエリを実行します。現実的な質問に答えられて初めて、スキーマ設計に説得力が出ます。